Назначение карданной передачи, ее работа и классификация

Карданная передача служит для передачи крутящего момента между валами механизмов, взаимное положение которых может быть постоянным или меняться при движении автомобиля.

В зави­симости от типа, компоновки и конструкции автомобиля кардан­ная передача может передавать крутящий момент от коробки пе­редач к раздаточной коробке или к главной передаче ведущего моста, от раздаточной коробки к главным передачам ведущих мостов, между главными передачами среднего и заднего ведущих мостов, от полуосей к передним ведущим и управляемым коле­сам, от главной передачи к ведущим колесам с независимой под­веской.

Карданная передача может также применяться в приводе от коробки отбора мощности к вспомогательным механизмам (лебедка и др.) и для связи рулевого колеса с рулевым механизмом.

Условия работы карданных передач определяются в первую очередь углами наклона их валов; чем больше углы, тем условия эксплуатации карданной передачи тяжелее.

Угол между валами зависит в основном от того, каким механизмам передает крутящий момент карданная передача.

В общем случае карданные передачи делятся на передачи закрытого и открытого типа.

Закрытая карданная передача (рис. 1.1.) применяется для легковых и грузовых автомобилей, в которых реактивный момент в заднем мосту воспринимается трубой, карданная передача размещается внутри трубы. Иногда эта труба служит для передачи толкающих усилий.

Поскольку длина карданного вала в такой конструкции не изменяется при относительных перемещениях кузова и заднего моста, компенсирующее соединение в карданной передаче такого типа отсутствует и используется только один карданный шарнир.

Рис. 1.1. Закрытая карданная передача

Открытые карданные передачи (рис. 1.2.) применяются для автомобилей, в которых реактивный момент воспринимается рессорами или реактивными тягами.

Карданная передача должна иметь не менее двух шарниров и компенсирующее соединение, так как расстояние между шарнирами в процессе движения изменяется.

На длиннобазных автомобилях часто карданная передача состоит из двух валов: промежуточного и главного.

Это необходимо в тех случаях, когда применение длинного вала может привести к опасным поперечным колебаниям, в результате совпадения его критической угловой скорости с эксплуатационной. Короткий вал обладает более высокой критической скоростью.

Рис. 1.2. Открытая карданная передача

Карданные шарниры в общем случае делятся на две большие группы:

1) карданные шарниры равных угловых скоростей;

2) карданные шарниры неравных угловых скоростей.

Карданные шарниры неравных угловых скоростей (асинхронные), имеющие две фиксированные оси качания, используют в карданной передаче при наклоне ведомого вала обычно на угол не более 20°. Универсальные карданные шарниры отличаются по конструкции от простых тем, что в них осевая компенсация осуществляется в самом механизме шарнира, а не в шлицевом соединении.

Карданные шарниры равных угловых скоростей (синхронные) применяют в приводе ведущих и одновременно управляемых колес, угол наклона ведомого вала в зависимости от конструкции шарнира может достигать 45°.

Ниже приведена классификация карданных шарниров (рис 1.3.).

Упругие полукарданные шарниры устанавливаются главным образом в карданных передачах легковых автомобилей, и в зависимости от конструкции угол наклона вала может быть 8°.

Жесткие полукарданные шарниры используют для компенсации неточности монтажа соединяемых механизмов в случае установки соединяемых механизмов на недостаточно жестком основании. Они допускают угол наклона вала не более 2°.

Порядок проведения работы

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 расчет карданной передачи производится по максимальному крутящему моменту, развиваемому двигателем – M_max при движении автомобиля на первой передаче, когда крутящий момент, передаваемый через трансмиссию, максимален (передаточное число первой передачи i₁ ).

1. Определение напряжения кручения и угла закручивания карданного вала

Максимальное напряжение кручения вала, определяется для случая приложения максимального момента двигателя и при действии динамических нагрузок. Действие динамических нагрузок учитывается коэффициентом динамичности: K_Д = 1…3.

Момент сопротивления кручению :

(1.1.)

где – постоянная величина ( ) ;

D – наружный диаметр вала карданной передачи ;

d – внутренний диаметр вала карданной передачи .

Максимальное напряжение кручения вала :

(1.2.)

где – максимальный крутящий момент двигателя ;

– передаточное число первой передачи ;

– коэффициентом динамичности ;

– момент сопротивления кручению .

Величина угла закручивания вала :

(1.3.)

где – максимальный крутящий момент двигателя ;

– передаточное число первой передачи ;

l – длина карданного вала ;

– коэффициентом динамичности ;

– постоянная величина ( ) ;

G – модуль упругости при кручении, ( G = 8,5×10¹⁰ Па);

– момент инерции сечения вала при кручении.

Момент инерции сечения вала при кручении :

(1.4.)

где – постоянная величина ( ) ;

D – наружный диаметр вала карданной передачи ;

d – внутренний диаметр вала карданной передачи .

Величина угла закручивания единицы длины карданного вала :

_, (1.5.)

где – величина угла закручивания вала ;

l – длина карданного вала .

2. Определение осевой силы, действующей на карданный вал

Кроме крутящего момента, на карданный вал действуют осевые силы Q, возникающие при перемещениях ведущего моста.

Задний мост при движении автомобиля по неровностям совершает качание относительно оси серьги рессоры по некоторому радиусу R₁.

Карданный вал колеблется вокруг центра карданного шарнира, которым он соединяется со вторичным валом коробки передач по некоторому радиусу R₂.

Вследствие неравенства этих радиусов совершаются осевые перемещения карданного вала. Величина осевых перемещений на преобладающих режимах эксплуатации составляет 2-5 мм.

Величина осевой силы действующей на карданный вал при колебаниях автомобиля :

, (1.6.)

где – максимальный крутящий момент двигателя ;

– передаточное число первой передачи;

m – коэффициент трения в шлицевом соединении.

– диаметры шлицев по выступам;

– диаметры шлицев по впадинам.

Коэффициент m зависит от качества смазки. При хорошей смазке m = 0,04…0,6 ; при плохой смазке m = 0,11…0,12 . В случае заедания m = 0,4…0,45 ;

Тогда осевые силы будут рассчитываться :

при хорошей смазке ( m = 0,04…0,6 ) , (1.7.)

при плохой смазке ( m = 0,11…0,12 ), (1.8.)

при заедании ( m = 0,4…0,45 ) . (1.9.)

Осевые усилия, возникающие в карданной передаче, нагружают подшипники КП и главной передачи. Снижение осевой нагрузки будет иметь место при наличии соединения, в котором трение скольжения при осевом перемещении будет трением качения (шлицы с шариками).

3. Расчет крестовины карданного шарнира.

Расчетная схема крестовины представлена на рисунке 1.4.

На шип крестовины карданного шарнира действует сила Р.

Величина силы действующей на шип крестовины карданного шарнира:

(1.10.)

где – максимальный крутящий момент двигателя ;

– передаточное число первой передачи ;

R – расстояние от оси крестовины до середины шипа .

Сила Р действует на шип крестовины, вызывая его смятие, изгиб и срез. Напряжение смятия шипа не должно превышать 80 МПа, напряжение изгиба – 350 МПа, напряжение среза – 170 МПа.

Рис. 1.4. Расчетная схема крестовины карданного шарнира

Напряжение смятия определяется:

(1.11.)

где P – величина силы действующей на шип крестовины карданного шарнира ;

– диаметр шипа ;

– длина шипа .

Момент сопротивления изгибу сечения шипа крестовины:

(1.12.)

где – постоянная величина ( ) ;

– диаметр шипа.

Напряжение изгиба:

(1.13.)

где P – величина силы действующей на шип крестовины карданного шарнира ;

– длина шипа ;

W – момент сопротивления изгибу сечения шипа крестовины .

Напряжение среза :

(2.14.)

где P – величина силы действующей на шип крестовины карданного шарнира ;

– постоянная величина ( ) ;

– диаметр шипа .

Силы Р, приложенные к шипам, также дают равнодействующую N, которая вызывает напряжения растяжения в сечении n-n. Для крестовины карданного шарнира площадь сечения, в котором возникают эти напряжения, F .

Растягивающие напряжения:

(1.15.)

где P – величина силы действующей на шип крестовины карданного шарнира ;

F – площадь сечения крестовины карданного шарнира .

Допускаемое напряжение на растяжение составляет 120 МПа.

Пример расчета

1. Определение напряжения кручения и угла закручивания карданного вала

Момент сопротивления кручению :

Максимальное напряжение кручения вала :

Величина угла закручивания вала :

Момент инерции сечения вала при кручении :

Величина угла закручивания единицы длины карданного вала :

2. Определение осевой силы, действующей на карданный вал.

Величина осевой силы действующей на карданный вал при колебаниях автомобиля :

при хорошей смазке ;

при плохой смазке ;

при заедании .

3. Расчет крестовины карданного шарнира :

Величина силы действующей на шип крестовины карданного шарнира :

Напряжение смятия определяется :

Момент сопротивления изгибу сечения шипа крестовины :

Напряжение изгиба :

Напряжение среза :

Растягивающие напряжения:

Варианты заданий

Вариант	D, мм	d, мм			l, м	, мм	, мм	R, мм	мм	мм	F,
ГАЗ-2410				3,5	1,299						4,9
ЗИЛ-133				7,44	1,425					30,5	14,5
ИЖ-21261				3,19	0,800					13,3	3,4
ИЖ-2717				3,19	0,800					13,3	3,4
ИЖ-27171				2,95	0,800					13,3	3,4
ВАЗ-2107				3,7	0,785					12,65	4,1
ЗИЛ-5301А				6,45	1,367					29,5	15,24
ЗИЛ-433360				7,44	1,420					29,5	15,24
ЗИЛ-433100				11,4	1,714					29,5	15,24
МАЗ-53366				13,3	1,640					33,43	16,6
ЗИЛ-442100				9,65	1,420					29,5	15,24
ЗИЛ-442160				6,80	1,420					29,5	15,24
ВАЗ-2103				3,636	0,606					13,7	4,5
ВАЗ-2101				1,80	0,606					13,7	4,5
ВАЗ-21065				3,636	0,785					12,65	4,1

5. Контрольные вопросы

1. Что такое карданная передача автомобиля ?

2. Для чего служит карданная передача в автомобиле ?

3. Чем определяются условия работы карданных передач?

4. Что необходимо учитывать при конструирова­нии карданных пере дач?

5. От чего зависит угол между валами?

6. Перечислить общие требования для всех передач ?

7. Какие схемы карданных передач существуют.?

8. В каких автомобилях применяются закрытые карданные передачи?

9. В каких автомобилях применяются открытые карданные передачи?

10. Что такое карданный шарнир?

11.Что является основными элементами карданной передачи?

Практическая работа №2