етырехшариковый карданный шарнир с делительными канавками (типа "Вейс"). Рис.9. Устанавливается на ряде отечественных автомобилей (УАЗ-469, ГАЗ-66, ЗИЛ-131) в приводе управляемых ведущих колес. При движении автомобиля вперед усилие передается одной парой шариков; при движении задним ходом - другой парой. Канавки в кулаках 2 и 3 нарезаны по дуге окружности радиуса R'. Четыре шарика 6 располагаются на пересечении симметрично расположенных канавок 5 - в биссекторной плоскости, что обеспечивает равенство угловых скоростей валов 1 и 4. Шарик 7 центрирующий. Он удерживается от смещение штифтом, проходящим через него и входящим в отверстие в одном из кулаков. Наиболее точно шарики устанавливались бы при пересечении канавок под углом 90, но при этом скольжение шариков приводило бы к быстрому изнашиванию как шариков 6 и 7, так и канавок 5 и к снижению КПД шарнира.

Пересечение окружностей под малым углом не обеспечивало бы точности установки шариков в биссекторной плоскости и могло бы привести к заклиниванию шариков. Обычно канавки выполняются так, что центр окружности, образующей ось канавок, находится на расстоянии 0,4-0,45R от центра шарнира. Карданные шарниры этого типа обеспечивают угол между валами 30-32. Наименьшая трудоемкость изготовления по сравнению с другими синхронными карданными шарнирами, простота конструкции и низкая стоимость обеспечили их широкое распространение. КПД шарнира достаточно высокий, так как в нем преобладает трение качения.

Следует отметить некоторые особенности этого шарнира, ограничивающие возможность его применения. Передача усилия только двумя шариками при теоретически точечном контакте приводит к возникновению больших контактных напряжений. Поэтому четырехшариковый карданный шарнир обычно устанавливают на автомобилях с нагрузкой на ось не свыше 25-30 кН. При работе шарнира возникают распорные нагрузки, особенно если центр шарнира не лежит на оси шкворня. Для точной установки шарнира необходимы специальные упорные шайбы или подшипники.

В изношенном шарнире шарики при передаче повышенного крутящего момента, когда кулаки несколько деформируются, могут выпасть, что приводит к заклиниванию шарнира и потере управляемости. Износу наиболее подвержены средние части канавок, что соответствует прямолинейному движению, причем ненагруженные канавки изнашиваются больше, чем нагруженные. Объясняется это тем, что нагружается шарнир при сравнительно редком включении переднего ведущего управляемого моста для движения в тяжелых дорожных условиях, а большая часть пробега автомобиля совершается с выключенным передним мостом, когда шарнир нагружается в обратном направлении небольшим, но длительно действующим моментом сопротивлению вращению части трансмиссии.

Шестишариковый карданный шарнир с делительным рычажком (типа "Рцепп"). Рис.10. Основными элементами этого шарнира являются сферический кулак 4, закрепленный на шлицах вала 5, и сферическая чашка 3, связанная с другим валом 1. На кулаке и на внутренней стороне чашки выфрезеровано по шесть меридиональных канавок полукруглого сечения. Канавки выполнены из одного центра. В канавках размещено шесть шариков, которые связаны сепаратором 6. При наклоне валов шарики устанавливаются в биссекторной плоскости при помощи делительного рычажка 2, который поворачивает направляющую чашку 7, а вместе с ней с сепаратор. Пружина 8 служит для поджатия делительного рычажка к гнезду в торце вала 5 при изменении положения рычажка в результате наклона валов.

Точность установки шариков в биссекторной плоскости зависит от подбора плеч делительного рычажка. На рис.10, б показано положение деталей шарнира при наклоне одного из валов на угол . Соответственно сепаратор при этом должен повернуться на угол 0,5. Исходя из этого подбирают такое соотношение плеч делительного рычажка, при котором будет обеспечивается данный угол поворота сепаратора.

Карданный шарнир с делительным рычажком допускает максимальный угол между валами в 37. Так как усилие в этом шарнире передается шестью шариками, он обеспечивает передачу большого крутящего момента при малых нагрузках. Распорные нагрузки отсутствуют в шарнире, если центр последнего совпадает с осью шкворня. Шарнир обладает большой надежностью, высоким КПД, однако технологически сложен: все детали его подвергаются токарной и фрезерной обработке с соблюдением строгих допусков, обеспечивающих передачу усилий всеми шариками. По этой причине стоимость шарнира высокая.

Шестишариковый карданный шарнир с делительными канавками (типа "Бирфильд"). Рис.11. На кулаке 4, поверхность которого выполнена по сфере радиуса R1 (центр О), выфрезеровано шесть канавок. Канавки кулака имеют переменную глубину, так как они нарезаны по радиусу R3 (центр О1 смещен относительно центра шарнира О на расстояние а). Внутренняя поверхность корпуса 1 выполнена по сфере радиуса R2 (центр О), также имеет шесть канавок переменной глубины, нарезанных по радиусу R4 (центр О2 смещен относительно центра шарнира о также на расстояние а). Сепаратор 3, в котором размещены шарики 2, имеет наружную и внутреннюю поверхности, выполненные по сфере радиусов соответственно R2 и R1. В положении, когда валы шарнира соосны, шарики находятся в плоскости, перпендикулярной осям валов, проходящей через центр шарнира.

Рис. 11 Шестишариковый карданный шарнир (типа "Бирфильд"):

а - конструкция; б - схемы.

При наклоне одного из валов 5 на некоторый угол верхний шарик выталкивается из сужающего пространства канавок вправо, а нижний шарик перемещается сепаратором в расширяющееся пространство канавок влево. Центры шариков всегда находятся на пересечении осей канавок. Это обеспечивает их расположение в биссекторной плоскости, что является условием синхронного вращения валов. Во избежание заклинания шариков угол, под которым пересекаются оси канавок, не должен быть менее 1120'.

В отличие от карданного шарнира с делительным рычажком в данном шарнире профиль сечения канавок выполнен не по дуге окружности, а по эллипсу. Благодаря этому силы взаимодействия стенки канавки и шарика составляют с вертикалью угол 45, что предохраняет кромки канавок от смятия и скалывания. Отсутствие делительного рычажка позволяет этому шарниру работать при угле между валами 45. Сравнительно большие потери в шарнире при большом угле между валами объясняются тем, что наряду с трением качения для него характерно трение скольжения.

Шарнир устанавливается в карданной передаче передних управляемых и ведущих колес некоторых отечественных автомобилей (ВАЗ-2108) на наружном конце карданного вала. При этом на внутреннем конце карданного вала должен устанавливаться карданный шарнир, позволяющий компенсировать изменение длины карданного вала при деформации рессор.

Универсальный шестишариковый карданный шарнир (типа ГКН). Рис.12. На внутренней поверхности цилиндрического корпуса шарнира нарезаны шесть продольных канавок эллиптического сечения, такие же канавки имеются на сферической поверхности кулака параллельно продольной оси вала. В канавках размещают шасть шариков, установленных в сепараторе. Взаимодействующие поверхности кулака и сепаратора сферические, радиус сферы R1 (центр О1 на расстоянии а от центра О, лежащего в плоскости центров шариков). Сферическая наружная часть сепаратора (радиус R2) переходит в коническую, что ограничивает максимальный угол наклона вала примерно до 20.

В результате смещения центров сфер сепаратора шарики при наклоне вала устанавливаются и фиксируются в биссекторной плоскости. Объясняется это тем, что при наклоне вала шарик должен перемещаться относительно двух центров О1 и О2, что заставляет шарик устанавливаться на пересечении в вертикальной плоскости, проходящей через центр шарика, наружной и внутренней сфер сепаратора.

Осевое перемещение происходит по продольным канавкам корпуса, причем перемещение карданного вала равно рабочей длине канавок корпуса, что влияет на размеры шарнира. При осевых перемещениях шарики не перекатываются, а скользят, что снижает КПД шарнира. Так выполнен внутренний шарнир переднеприводных автомобилей ВАЗ. При передаче больших крутящих моментов используют восьмишариковый шарнир этого типа.

Универсальный шестишариковый карданный шарнир с делительными канавками (типа "Лебро"). Рис.13. Шарнин состоит из цилиндрического корпуса 1, на внутренней поверхности которого под углом к образующей цилиндра нарезаны шесть прямых канавок, расположенных в порядке, показанном на рисунке; сферического кулака 2, на его поверхности нарезано также шесть прямых канавок; сепаратора 3 с шариками 4, центрируемыми наружной сферической поверхностью по внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1, а внутренней сферической поверхностью, устанавливаются с некоторым зазором на кулаке 2. Шарики устанавливаются в пересечениях канавок, чем обеспечивается синхронность вращения валов, так как шарики, независимо от угла между валами, всегда находятся в биссекторной плоскости.

Этот шарнир имеет меньшие размеры, чем шарниры других типов, так как рабочая длина канавок и ход шариков в 2 раза меньше хода вала. Имеются и другие преимущества: сепаратор не выполняет функции деления угла между валами, он менее нагружен, а поэтому требования к точности его изготовления ниже; наличие фланцевого разъема шарнира обеспечивает удобство монтажа, хотя конструкция его при этом усложняется, что несколько компенсирует упрощение протяжки канавок корпуса. К точности расположения канавок предъявляются высокие требования.

Шарнир имеет высокий КПД и применяется на переднеприводных автомобилях.

Трехшиповой карданный шарнир (типа "Трипод"). Такие карданные шарниры устанавливают на легковых и грузовых автом-обилях малой грузоподъемности. Конструктивно эти шарниры имеют два исполнения: шарниры, позволяющие передавать момент при углах между валами до 43, но не допускающие осевых перемещений (шарниры жесткие), и универсальные шарниры, допускающие осевую компенсацию, но работающие при сравнительно небольших углах между валами.

В жестком шарнире (рис 14) шипы 2, расположенные под углом 120, закреплены в корпусе 1. Ролики 3 с шаровой поверхностью установлены на шипах и могут свободно на них поворачиваться. Вилка 4, выполненная вместе с валом 5, имеет три паза цилиндрического сечения. Поверхность вилки сферическая, что обеспечивает получение большого угла между валами.

Принцип работы жесткого и универсального шарниров одинаков. Универсальный трехшиповой шарнир (рис.15) состоит из цилиндрического корпуса 3, выполненного за одно целое с валом, в котором имеются три продольных паза, ступицы 2 с тремя шипами, закрепленной на внутреннем конце карданного вала, трех роликов 1 на игольчатых подшипниках. Шипы, как и пазы, расположены под углом 120 одни относительно другого. Ролики имеют сферическую поверхность такого же радиуса, как цилиндрическое сечение продольных пазов. При вращении валов под углом ролики перекатываются в пазах, поворачиваясь на игольчатых подшипниках, и в то же время шипы могут перемещаться вдоль роликов подшипников, что обеспечивается кинематикой шарнира. Удлинение осуществляется за счет скольжения шипа вдоль подшипников.

Универсальный шарнир этого типа может использоваться, если максимальное значение угла наклона валов не превышает 25. Достоинством шарнира являются малые потери при осевом перемещении, так как это обеспечивается практически только качением, что определяет высокий КПД шарнира.

Сдвоенный карданный шарнир. Рис 16. Он представляет собой два шарнира 1 неравных угловых скоростей, объединенных двойной вилкой 2. Равенство угловых скоростей должно обеспечиваться делительным рычажком. Однако, из-за особенностей конструкции синхронное вращение соединяемых валов может быть обеспечено только с некоторым приближением. Коэффициент неравномерности вращения зависит от улга между валами и от размеров делительного устройства.

Для двойного шарнира на игольчатых подшипниках характерен значительный износ этих подшипников и шипов крестовин. Это объясняется тем, что благодаря преимущественно прямолинейному движению автомобиля иглы подшипников не перекатываются, вследствие чего поверхности деталей, с которыми они соприкасаются, подвержены бринеллированию, а сами иголки иногда сплющиваются.

Кулачковый карданный шарнир. Рис.17. Кулачковые шарниры применяются на автомобилях большой грузоподъемности и приводе к ведущим колесам. Если разделить по оси симметрии кулачковый карданный шарнир на две части, то каждая часть будет представлять собой карданный шарнир неравных угловых скоростей с фиксированными осями качения (так же как у сдвоенного карданного шарнира). Благодаря наличию развитых поверхностей взаимодействующих деталей шарнир способен передавать значительный по величине крутящий момент при обеспечении угла между валами 45-50.

На зарубежных автомобилях большой грузоподъемности широко применяется кулачковый карданный шарнир, показанный на рис.17, а, известный под названием "шарнир Тракта". Он состоит из четырех штампованных деталей: двух вилок 1 и 4 и двух фасонных кулаков 2 и 3, трущиеся поверхности которых подвергаются шлифованию.

В нашей стране был разработан кулачковый карданный шарнир (рис.17, б), который устанавливается на ряде автомобилей (КамАЗ-4310, "Урал-4320", КАЗ-4540, КрАЗ-260 и др.). Шарнир состоит из пяти простых по конфигурации деталей: двух вилок 1 и 4, двух кулаков 2 и 3 и диска 5, поэтому его часто называют дисковым. Трудоемкость его изготовления по сравнению с трудоемкостью "шарнира Тракта" несколько большая. Максимальное значение угла между валами, обеспечиваемое этим шарниром, 45.

КПД кулачковых шарниров ниже, чем КПД других шарниров равных угловых скоростей, так как для их элементов характерно трение скольжения. В эксплуатации наблюдается значительный нагрев, а иногда и задиры деталей шарнира в результате неудовлетворительного подвода смазочного материала к поверхности трения.

1.4. Материалы основных деталей карданной передачи

Скользящие вилки карданных шарниров неравных угловых скоростей изготовляют из сталей 30Х и 40 (ГАЗ) или из стали 45 (ЗИЛ), а приварные - из сталей 40 (ГАЗ) или 35 (ЗИЛ), а затем подвергают закалке ТВЧ. Крестовины штампуют из стали 20Х (ГАЗ) или из сталей 18ХГТ и 20ХГНТР (ЗИЛ), Крестовины, изготовленные из первых двух сталей, цементуют, крестовины из стали 20ХГНТР подвергают нитроцементации. Карданные валы делают из стальных тонкостенных карданных труб (сталь 15А или 20), а их шлицованные наконечники - из стали 30, 40Х или 45Г2.

1.5. Выбор прототипа

В автомобиле ГАЗ-2410 ведущим является задний мост. Карданная передача должна передавать крутящий момент от вторичного вала коробки передач, расположенной в передней части автомобиля, к ведущей шестерне главной передачи заднего моста. Реактивный момент на заднем мосту воспринимается рессорами. Поэтому применение закрытой карданной передачи нецелесообразно. Шарниры равных угловых скоростей применяются в приводах на ведущие управляемые колеса, поэтому в данном случае применяются простые шарниры неравных угловых скоростей с крестовинами на игольчатых подшипниках. Автомобиль не является длиннобазным, расстояние от вторичного вала коробки передач до главной передачи невелико, поэтому можно применить карданную передачу с одним карданным валом без промежуточной опоры. Число карданных шарниров - два (по концам вала). Таким образом будет обеспечиваться равномерность вращения ведущей шестерни главной передачи. Также необходимо предусмотреть компенсацию изменения расстояния между коробкой передач и главной передачей, происходящее из-за колебаний заднего моста на подвеске при движении автомобиля. Компенсирующее шлицевое соединение удобно выполнить с месте соединения карданной передачи и вторичного вала коробки передач. Крепление карданной передачи к ведущей шестерни заднего моста для удобства снятия/установки передачи выполняется фланцевым.

Таким образом, в качестве прототипа выбирается двухшарнирная карданная передача с простыми карданными шарнирами неравных угловых скоростей с крестовинами на игольчатых подшипниках с одним карданным валом без промежуточной опоры. Компенсирующий элемент - шлицевое соединение карданной передачи со вторичным валом коробки передач. Кинематическая схема представлена на рис.18.

2. Проверочный расчет карданной передачи автомобиля ГАЗ-2410

Проверочный расчет карданной передачи производится в следующей последовательности:

устанавливается нагрузочный режим;

определяется максимальное напряжение кручения и угол закручивания карданного вала;

определяется осевая сила, действующая на карданный вал;

проводится оценка неравномерности вращения карданного вала и инерционного момента, возникающего от неравномерности вращения;

рассчитывается крестовина карданного шарнира;

рассчитывается вилка карданного шарнира;

определяются допустимые усилия, действующие на игольчатый подшипник;

определяется критическое число оборотов карданного вала;

проводится тепловой расчет карданного шарнира.

2.1. Нагрузочные режимы

На карданные валы действует крутящий момент, передаваемый от коробки передач, и осевые силы, возникающие при колебаниях ведущего моста на рессорах. При увеличении скорости вращения могут возникнуть поперечные колебания карданного вала. Поперечный изгиб вала происходит за счет центробежных сил, возникающих вследствие несовпадения оси вращения вала с его центром тяжести. Несовпадение может иметь место за счет неизбежных неточностей изготовления, прогиба вала под действием собственного веса и других причин.

В данной работе проверочный расчет карданной передачи производится по максимальному крутящему моменту, развиваемому двигателем - Mmax при частоте вращения nM - при движении автомобиля на первой передаче, когда крутящий момент, передаваемый через трансмиссию, максимален (передаточное число первой передачи i1 = 3,5). Номинальный максимальный крутящий момент, развиваемый двигателем (173 Нм при 2500 об/мин), в задании на проектирование увеличен в 1,5 раза, таким образом, расчетный момент составит Mmax = 173 1,5 = 259,5 Нм; nM = 2500 об/мин.

2.2. Определение напряжения кручения и угла закручивания карданного вала

Максимальное напряжение кручения вала, как отмечалось ранее, определяется для случая приложения максимального момента двигателя и при действии динамических нагрузок. Действие динамических нагрузок учитывается коэффициентом динамичности: KД = 1…3. В расчете принимаем KД = 1.

Вал карданной передачи автомобиля ГАЗ-2410 - полый. Наружный диаметр вала D = 74 мм, внутренний диаметр вала d = 71 мм.

Момент сопротивления кручению определяется по формуле

.

Максимальное напряжение кручения вала определяется по формуле

.

Напряжения кручения в выполненных конструкциях карданный передач имеют значения 100…300 МПа. Полученное значение напряжения не превосходит указанных значений.

Величина угла закручивания вала определяется по формуле

,

где G - модуль упругости при кручении, G = 8,51010 Па;

Iкр - момент инерции сечения вала при кручении,

;

l - длина карданного вала, l = 1,299 м.

Величина угла закручивания единицы длины карданного вала составляет

.

Величины углов закручивания в выполненных конструкциях карданных валов составляют при KД = 1 от 3 до 9 градусов на метр длины вала. Полученное значение не превышает указанных.

Таким образом, нормальная работа карданного вала по максимальным напряжениям кручения и углу закручивания обеспечена.

Страницы: 1, 2, 3

Голосование

Как вы оцениваете работу нашего сайта? Отлично Хорошо Нормально Плохо Результаты