2020-01-14
326
Работа трения на шипах карданного шарнира вызывает его нагрев. Уравнение теплового баланса можно представить в следующей форме:
,
где L – мощность, подводимая к карданному шарниру, Дж/с;
dt – время работы карданного шарнира, с;
m – масса детали, кг;
c – удельная теплоемкость материала детали (для стали с = 500 Дж/(кг×°С));
k – коэффициент теплоотдачи, в данном расчете принимается k = 42 Дж/(м2×с×°С);
F’’ – поверхность охлаждения нагреваемых деталей, м2;
t - разность между температурой нагреваемых деталей кардана T1 и температурой окружающего воздуха T2, °С;
dt - прирост температуры нагреваемых деталей карданного шарнира, °С.
Из уравнения теплового баланса видно, что одна часть теплоты, подводимой к карданному шарниру за счет работы трения, расходуется на нагревание деталей карданного шарнира. Другая ее часть передается окружающей среде. Целью теплового расчета является определение нагрева деталей карданного шарнира в зависимости от времени работы. Этот нагрев определяется величиной t = T1 – T2. До начала работы шарнира температура его деталей принимается равной температуре окружающего воздуха. Зная величину нагрева и температуру окружающего воздуха, можно определить реальную температуру деталей шарнира.
Перед составлением уравнения теплового баланса необходимо найти площадь поверхности охлаждения деталей карданного шарнира. Схемы для определения этой площади представлены на рисунке 23.
Площади поверхностей охлаждения определяются как площади простых плоских геометрических фигур. Они составляют:
· площадь внешней щеки Sвнеш. щ. = 0,00198 м2;
· площадь внутренней щеки Sвнутр. щ. = 0,00156 м2;
· площадь боковой щеки Sбок. щ. = 0,0006 м2;
· площадь половины поверхности крестовины Sкрест. = 0,0009 м2.
 |
При определении общей площади поверхности охлаждения деталей карданного шарнира необходимо учесть, что поверхность внутренней щеки вилки используется для теплопередачи не полностью, так как в нее входит шип крестовины на игольчатом подшипнике. Радиус подшипника составляет R = 15 мм. Тогда общая площадь будет определяться
.
Также для составления уравнения теплового баланса необходима масса деталей, которым передается часть тепла, возникающего при трении в шарнире. Масса крестовины, определенная по ее рабочему чертежу, составляет mкрест. = 0,278 кг. Массу щеки вилки можно определить по формуле (r = 7800 кг/м3 – плотность материала деталей)
.
Общая масса деталей m тогда составит mкрест. + 4mщеки = 1,018 кг.
Мощность L, подводимая к карданному шарниру, определяется по формуле
,
где Mmax – максимальный крутящий момент, развиваемый двигателем, Mmax = 259,5 Нм;
i1 – передаточное число первой передачи коробки передач, i1 = 3,5;
m - коэффициент трения между шипом и вилкой, m = 0,03;
dш – диаметр шипа крестовины, dш = 0,016 м;
n – частота вращения карданного шарнира при максимальной мощности, развиваемой двигателем, определяется по следующей формуле:
;
R – расстояние от оси вращения вилки до точки приложения силы, R = 0,036 м;
g - угол наклона между валами, g = 3°.
Таким образом, мощность, подводимая к карданному шарниру будет равна
.
Нагрев карданного шарнира определяется по формуле
.
Величина параметра А составляет
.
После подстановки всех известных численных значений в формулу для определения нагрева карданного шарнира, получаем следующую зависимость между нагревом и временем работы карданного шарнира:
.
Зависимость нагрева деталей карданного шарнира от времени его работы представлена в таблице 2. График зависимости – на рисунке 23.
Таблица 2.
Значения нагрева деталей карданного шарнира в зависимости от времени его работы.
| Время работы карданного шарнира | C | |
| секунды | часы | |
| 0 | 0,000 | 0 |
| 10 | 0,003 | 0,589438401 |
| 60 | 0,017 | 3,424774642 |
| 120 | 0,033 | 6,593455805 |
| 180 | 0,050 | 9,525193324 |
| 240 | 0,067 | 12,23770507 |
| 600 | 0,167 | 24,74617995 |
| 960 | 0,267 | 32,59281797 |
| 1440 | 0,400 | 38,70777498 |
| 2880 | 0,800 | 44,70175424 |
| 4320 | 1, 200 | 45,62993437 |
| 14400 | 4,000 | 45,79999964 |
 |
Из графика видно, что после начала работы шарнира нагрев деталей постепенно растет и после некоторого времени устанавливается примерно постоянным и равным 45,8°С. Это говорит об уравновешивании процессов образования теплоты и ее отвода в материал деталей и окружающую среду. Игольчатые подшипники карданных шарниров ГАЗ-2410 смазываются трансмиссионными маслами ТАД-17и или ТАП-15В. Верхняя граница температурного диапазона их применения составляет примерно 130…135°С. Если принять температуру окружающего воздуха равной 25°С, то температура деталей карданного шарнира, после 4 часов его работы, будет составлять примерно 70°С. Видно, что она не превышает верхней границы диапазона применения смазки. Поэтому нормальные условия смазки и нормальная работа карданного шарнира обеспечиваются.
Заключение
В пункте 2 курсового проекта был выполнен проверочный расчет карданной передачи автомобиля ГАЗ-2410. Целью этого расчета являлась проверка работоспособности карданной передачи при увеличении передаваемого крутящего момента в 1,5 раза по сравнению с номинальным, приведенным в технических характеристиках автомобиля.
Расчет показал, что при новых условиях эксплуатации:
· касательные напряжения кручения, возникающие в сечении карданного вала, не превосходят допустимых значений;
· угол закручивания единицы длины вала лежит в допустимых пределах;
· напряжения смятия, среза и изгиба шипов крестовины карданного шарнира и напряжение растяжения крестовины являются допустимыми;
· реальная сила, действующая на игольчатый подшипник не превосходит рассчитанной максимально возможной,
· соотношение между критической скоростью вращения карданного вала и его максимальной эксплуатационной частотой вращения, необходимое для нормальной работы карданной передачи, выполняется;
· при работе карданного шарнира обеспечивается нормальная температура деталей.
Неудовлетворительные результаты были получены только при расчете вилки карданного шарнира – максимальные напряжения в отдельных точках сечения вышли за допускаемые пределы. (см. п.2.6). Для обеспечения нормальной работы вилки необходимо увеличить площадь сечения ее лапы. Размеры увеличенного сечения приведены в п.2.6.
Таким образом, работоспособность карданной передачи автомобиля ГАЗ-2410 при увеличении передаваемого крутящего момента в 1,5 раза обеспечена практически без изменений в конструкции передачи (за исключение увеличения сечения лапы вилки карданного шарнира). Это говорит о том, что при проектировании автомобиля карданная передача (следовательно, и вся трансмиссия) проектировалась "с запасом". При выборе исходных данных для расчета было принято, что на немодернизированном автомобиле установлен двигатель ЗМЗ-4021, развивающим крутящий момент 173 Нм. Однако, как указано в руководстве по эксплуатации, вместо него может быть установлен двигатель ЗМЗ-402, развивающий крутящий момент 182 Нм. При установке различных силовых агрегатов изменений в трансмиссии автомобиля не предусмотрено. По результатам расчета, выполненного в данной работе, видно, что на автомобиль ГАЗ-2410 можно без существенных изменений в конструкции карданной передачи установить двигатель, развивающий крутящий момент примерно до 260 Нм.
Литература
1. Автомобили "Волга": Руководство по эксплуатации. – 7-е изд. – Горький: Типография автозавода, 1990. – 176 с. – (Управление конструкторских и экспериментальных работ Горьковского автозавода).
2. Анохин В.И. Отечественные автомобили. – М.: Машиностроение, 1968. – 832 с.
3. Башкардин А.Г., Кравченко П.А. Автомобили. Рабочие процессы и основы расчета. – Л.: ЛИСИ, 1981. – 58 с.
4. Звягин А.А., Кравченко П.А. Проектирование автомобиля. Курс "Автомобили", часть 3. Выпуск 1: трансмиссия автомобиля. – Л.: ЛИСИ, 1975. – 88 с.
5. Краткий автомобильный справочник. – 10-е изд., перераб. и доп. – М.: Транспорт, 1985. – 220 с., ил., табл. – (Гос. науч. -исслед. Ин-т автомоб. трансп).
6. Осепчугов В.В., Фрумкин А.К. Автомобиль: Анализ конструкций, элементы расчета: Учебник для студентов вузов по специальности "Автомобили и автомобильное хозяйство". – М.: Машиностроение, 1989. – 304 с., ил.
