Нагрузки в карданных передачах

Карданные шарниры неравных угловых скоростей определяет нагрузки в крестовине и в вилке. Шипы крестовины испытывают напряжения изгиба и смятия, а крестовина разрыва. Вилка подвергается изгибу и скручиванию.

Карданный вал

Во время работы карданный вал испытывает изгибающие, скручивающие и осевые нагрузки.

Изгибающие нагрузки возникают в результате неуравновешенности карданного вала, и в некоторой степени пары осевых сил, нагружающих шипы крестовины карданного шарнира. В эксплуатации неуравновешенность может появиться не только в результате механических повреждений карданного вала, но также при износе шлицевого соединения или подшипников карданных шарниров. Неуравновешенность приводит к вибрациям в карданной передаче и возникновению шума. Карданный вал подвергается тщательной динамической балансировке на специальных балансировочных станках. Даже хорошо уравновешенный вал в результате естественного прогиба, вызванного собственным весом, при некоторой угловой скорости, называемой критической, теряет устойчивость; его прогиб возрастает настолько, что возможно разрушение вала.

Пусть в статическом положении ось вала смещена на расстояние е от оси вращения, а при угловой скорости ω получает прогиб f. Тогда при вращении карданного вала возникает центробежная сила

Pu = m (e + f) ω², m - масса вала

Центробежная сила уравновешивается силой упругости вала:

Ру = с_и f, с_и – изгибающая жесткость вала

Критическая угловая скорость, вызывающая бесконечно большой прогиб:

Соответственно критическая частота вращения вала

n_кр = 30ω_кр/π

Критическая частота вращения карданного вала должна быть в 1,5...2 раза больше максимальной эксплуатационной. Для повышения критической частоты вращения следует уменьшать длину вала, что особенно эффективно, и увеличивать как наружный, так и внутренний диаметры.

Скручиваемы нагрузки определяются крутящим моментом, который передает вал. Кроме этого они возникают в результате появления колебаний (крутильных)

Напряжение кручения для полого вала

[τкр] = 300...400 МПа.

Напряжение кручения для сплошного вала

[τкр] = 100...120МПа.

При передаче крутящего момента карданный вал закручивается на некоторый угол

где J₀ — момент инерции сечения вала, G — модуль упругости при кручении.

Допускаемый угол закручивания 7...8° на 1 м длины вала.

Скручивающие нагрузки вызывают смятие и срез шлицев вала. Напряжение смятия шлицев от сил, действующих по их среднему диаметру:

[σсм] = 15…20 МПа

Напряжение среза:

[τср] =25...30 МПа

где d_ш.н, d_ш.вн — наружный и внутренний диаметры шлицевого конца вала; n_ш — число шлицев; l_ш — длина шлица.

Осевые нагрузки в карданной передаче возникают в шлицевом соединении при перемещениях, связанных с изменением расстояния между шарнирами, например при колебаниях кузова на рессорах. Исследования показали, что даже при наличии большого количества смазочного материала последний не удерживается на поверхности трения и перемещение в шлицевом соединении происходит в условиях граничного трения. При этом коэффициент трения μ = 0,2, а иногда (при появлении задиров) μ = 0,4. При передаче большого крутящего момента в шлицевом соединении происходит защемление, и карданный вал, по существу, передает тяговое усилие. При этом двигатель, установленный на упругих подушках, продольно смещается в некоторых автомобилях на 10 мм, а иногда и больше. Большие осевые силы (в грузовых автомобилях 20...30 кН) независимо от того, смазано шлицевое соединение или нет, создают дополнительные нагрузки на карданные шарниры, промежуточную опору карданной передачи, а также на подшипники коробки передач и главной передачи. Повышенное трение в шлицевом соединении приводит к быстрому изнашиванию шлицев и к нарушению в связи с этим балансировки карданной передачи.

Осевые силы являются одной из главных причин того, что долговечность карданных передач в 2...3 раза ниже долговечности основных агрегатов автомобиля.

Осевая сила:

μ – коэффициент трения.

Главные передачи

Главная передача предназначена для постоянного увеличения крутящего момента и передачи его через дифференциал и полуоси к ведущим колесам. Основными признаками для классификации главных передач являются число, тип и взаимное расположение применяемых в них зубчатых передач.

Требования, предъявляемые к главным передачам:

1. Минимальные размеры по высоте для обеспечения максимально возможного дорожного просвета

2. Низкий уровень шума

3. Общие требования.

Классификация:

Главные передачи подразделяются на:

- одинарные (червячные, цилиндрические, конические, гипоидные)

- двойные (центральные, разнесенные)

Червячные применяют редко. Цилиндрические широко используют в переднеприводных а/м при поперечном расположении двигателя. Конические прямозубые на современных машинах не устанавливают. Конические со спиральным зубом – на грузовых а/м с двойной ГП. Гипоидные устанавливают на многих грузовых и на всех отечественных а/м.