Основы Расчета раздаточной коробки

Расчет валов привода мостов

Исходные данные:

Максимальный крутящий момент двигателя М_мах = 190 Н·м;

Передаточное число первой передачи коробки передач i_кп = 3,2

Передаточные числа повышающей и понижающей передач раздаточной коробки (рис.1): i_пов = 1,6·0,63 = 1,0; i_пон = 1,6·1,25 = 2,0.

Диаметр валов d = 30 мм = 0,03 м.

Материал валов - сталь марки 40Х.

Так как максимальный крутящий момент на выходных валах привода мостов реализуется на понижающей передаче раздаточной коробки, то расчет проводим именно для этого случая.

Рис.1. Кинематическая схема раздаточной коробки.

Т.к. все радиальные силы от зацепления воспринимают подшипники корпуса, то на валы привода мостов действует только крутящий момент, следовательно, изгиб для каждого вала отсутствует, и расчет производится только на кручение.

Величина крутящего момента на шестерне выходных валов равна:

М_ш.вых = М_мах·i_кп·i_пон, Н·м.

Этот момент равномерно распределяется на валы привода переднего и заднего мостов:

М_кр = 0,5·М_ш.вых, Н·м.

Напряжения от кручения для каждого вала определятся как:

, Па,

где W_р = 0,2·d³ - полярный момент сопротивления кручению.

Для стали 40Х допускаемые напряжения на кручение не должны превышать 600 МПа.

По результатам самостоятельного изучения материала и проведенных расчетов оформить отчет по работе и представить его к защите.

Практическое занятие №5по теме «карданные передачи».

Упражнение 1. Изучениепривода ведущего колеса с кулачковым карданным шарниром.

Задание. Изучить устройство привода ведущего колеса автомобиля повышенной проходимости, изображенного на рис.1. Проанализировать кинематическую схему передачи крутящего момента от полуоси 6 к ведущему колесу. Охарактеризовать тип шины, отметить ее особенности и область применения.

Рис. 1. Привод переднего колеса автомобиля с кулачковым карданным шарниром:

а – общий вид; б – детали кулачкового шарнира; 1 и 6 полуоси; 2 – поворотная цапфа; 3 и 7 – вилки шарнира; 4 и 8 – кулачки шарнира; 5 – шаровая опора; 9 – диск шарнира.

Упражнение 2. Оценка критической частоты вращения карданного вала.

Задание. Определить критическую частоту вращения n_кр = трубчатого карданного вала, имеющего длину 1,2 м, массу 5 кг, внутренний диаметр сечения 50 мм, наружный диаметр 60 мм. Известно, что: поперечная жесткость карданного вала с = 48 ·ЕJ/L³; модуль упругости первого рода для материала (стали) вала Е = 2,15 ·10⁵ МПа; J- момент инерции сечения вала: . Оценить, максимальную частоту вращения карданного вала, соответствующую максимальной скорости движения автомобиля, приняв величину коэффициента запаса по критической частоте вращения к = n_кр/n_мах = 1,5. Предложить конструктивные меры по повышению критической частоты вращения вала.

Упражнение 3. Изучение метода расчета на прочность карданных валов.

Задание. Определить прочностные свойства по напряжению кручения τ рассмотренного выше карданного вала на режиме максимального тягового усилия автомобиля. Максимальный крутящий момент двигателя М_мах соответствует N_e = 70 кВт при n=3500 мин ^–1. Передаточное число низшей (первой) передачи коробки передач u₁ = 4,2; раздаточной коробки 1,6. Известно, что значение максимальных тангенциальных напряжений τ_мах от кручения карданного вала не должны превышать 100…300 МПа. Предложить конструктивные меры по повышению прочности вала. Момент сопротивления сечения полого вала: .

Упражнение 4. Изучение метода расчета шарниров равных угловых скоростей.

Задание. Рассчитать карданный 6-тишариковый шарнир равных угловых скоростей для привода передних колес автомобиля полной массой 1500 кг.

Максимальная величина крутящего момента в шарнире М_{ш мах} определяется по силе сцепления шин с дорогой при коэффициенте сцепления φ = 0,9 и полном весе автомобиля:

М_{ш мах} = G_к·r_к·φ;

где G_к - вес автомобиля, приходящийся на данное колесо;

r_к - радиус качения колеса (принять r_к = 0,34 м).

Окружное усилие F_t, приложенное к шарику на радиусе его расположения во внутренней обойме шарнира R_ш:

,

где n – число шариков (по условию n = 6);

R_ш - радиус расположения шариков; с учетом рекомендаций может быть принят как R_ш = 0,035 м (радиус внутренней обоймы шарнира).

Рис.2. Расчетная схема шарнира равных угловых скоростей:

1 – внешняя обойма; 2 – шарик; 3 – сепаратор; 4 – внутренняя обойма.

Нормальное усилие F_n между контактными поверхностями шарика и канавками обеих обойм:

,

где δ – предельный угол между входным и выходным валами кардана (δ = 40⁰);

Величина диаметра d шарика должна удовлетворять условию для предельных углов δ между входным и выходным валами кардана 40⁰:

.

По результатам самостоятельного изучения материала и проведенных расчетов оформить отчет по работе и подготовить его к защите.

Практическое занятие №6 по теме «гидромеханическая трансмиссия автомобиля».

Упражнение1. Изучение кинематических параметров гидромеханической трансмиссии автомобиля.

Эффективная работа гидротрансформатора возможна при двух условиях:

1. Трансформатор используется на режимах, при которых его КПД не ниже 0,8.

2. При этих режимах диапазон изменения крутящего момента на выходном валу должен соответствовать заданному диапазону, определенному по результатам тягового расчета автомобиля.

Выполнение этих условий возможно, установив за трансформатором ступенчатую коробку передач (например, с тремя передачами). Совокупность этих агрегатов называют гидромеханической передачей. На рис.1-а показана схема трехступенчатой гидромеханической передачи автомобиля ЗИЛ-4104 (ЗИЛ-114), а на рис.1-б ее безразмерная характеристика.

Режим	Включенные элементы
Первая передача		Ф2			Л2	МСХ
Вторая передача	Ф1				Л2	МСХ
Третья передача	Ф1	Ф2			Л2
Нейтральная передача					Л2	МСХ
Задний ход		Ф2		Л1		МСХ
Торможение двигателем	Ф1	Ф2	Ф3		Л2

Рис.1. Схема и безразмерная характеристика трехступенчатой гидромеханической передачи:

Л – ленточные тормоза; Ф – фрикционные муфты; МСХ – муфта свободного хода; К = М_Т/М_Н – коэффициент трансформации (отношение моментов на колесах турбины и насоса); i = ω_т/ω_н- кинематическое передаточное отношение гидротрансформатора; η - КПД трансформатора.

Высшую передачу механической части гидромеханической передачи делают прямой. Передаточное число низшей передачи (первой) определяют из отношения u₁ = Д/К_0,8, где в числите указан диапазон силового передаточного отношения, заданный тяговым расчетом, а в знаменателе коэффициент трансформации при КПД, равном 0,8. При высшей ускоряющей передаче это значение должно быть умножено на передаточное число этой передачи.

Пусть для рассматриваемого случая диапазон силового передаточного отношения Д = 2,8. Согласно рис.1-б, К_мах = 2,05, а К_0,8 = 1,4. При этом u₁ =2,8/1,4 =2,0, а общее передаточное отношение гидромеханической передачи в момент трогания автомобиля с места составит 2,05·2,0 = 4,1.

Задание. Проанализировать работу гидромеханической передачи на всех режимах (передачах) с указанием кинематического пути передачи крутящего момента (потока мощности) через отдельные элементы кинематической цепи по рис.1-а.

Упражнение 2. Изучение кинематических параметров планетарных механизмов гидромеханической трансмиссии.

Основу планетарных передач составляют планетарные трехзвенные ряды, каждый из которых включает в себя два центральных колеса (солнечное и коронное) и водило (рис.2-а). Подбирая сочетания планетарных рядов, получают сложные передачи с необходимым числом передач переднего и заднего хода автомобиля. Управление (обычно автоматическое) планетарными механизмами (переключение передач) производится с помощью вспомогательных устройств: тормозов Т, фрикционных муфт Ф и МСХ.

Рис.2. Схемы планетарных рядов и кинематические схемы планетарных передач гидромеханических трансмиссий:

а и б – однорядные механизмы с одинарными и двойными сателлитами; в и г - двухрядные механизмы с блочными двухвенцовыми сателлитами; д – коробка передач автомобиля МАЗ-535; е – коробка передач фирмы Аллисо МТ-30 (США); ж - коробка передач автомобиля «Чайка»; з - коробка передач автомобиля ЗИЛ-114.

Планетарная передача автомобиля МАЗ-535 (рис.2-д), состоящая из двух однорядных трехзвенных механизмов с четырьмя фрикционами, позволяет получить три передачи переднего и одну передачу заднего хода. Схема передачи автомобиля «Чайка», изображенная на рис.2-ж, состоящая из двух условных трехзвенных механизмов, имеющая общее водило и коронную шестерню, дает возможность получить три передачи переднего хода и одну передачу заднего хода. В схеме передачи МТ-30, изображенной на рис.2-е, состоящей из четырех однорядных механизмов, можно получить шесть передач переднего и две передачи заднего хода. Кинематические параметры передачи ЗИЛ, изображенной на рис.2-з, были приведены выше.

Задание. Изучить прохождения потоков мощности (момента) через отдельные элементы кинематической цепи для каждой приведенной на рис. 2 схемы на различных передачах переднего и заднего хода. По результатам самостоятельного изучения материала выполнить письменный отчет по работе.

Упражнение 3.Построение нагрузочной и выходной характеристик гидротрансформатора

Задание. На рис.3 и 4 приведены внешняя скоростная характеристика ДВС и безразмерная характеристика гидротрансформатора, работающего совместно с ДВС. Используя данные этих характеристик, поочередно построить нагрузочную и выходную характеристики гидротрансформатора.

Нагрузочная характеристика гидротрансформатора представляет собой зависимость крутящего момента М_н, необходимого для вращения насосного колеса, от частоты вращения n_н этого колеса. Эта зависимость описывается выражением:

. (1)

Рис. 3. Внешняя скоростная характеристика двигателя.

Рис. 4. Безразмерная характеристика гидротрансформатора

Здесь: λ_н - коэффициент момента на насосном колесе; ρ - плотность рабочей жидкости; в качестве рабочей жидкости используется масло «Гидрол 4», ρ = 860 кг/м³; D_α- активный диаметр гидротрансформатора, принять: D_α = 0,278 м; ω = πn/30 - угловая скорость вращения насосного колеса, соответствующая угловой скорости коленчатого вала ДВС, рад/с.

У прозрачного гидротрансформатора коэффициент момента на насосном колесе λ_н зависит от передаточного отношения i=n_Т /n_н , поэтому его нагрузочная характеристика изображается семейством парабол (рис.5). Каждая линия соответствует зависимости М_н = f(n_н) для одного определенного значения коэффициента λ_н, соответствующего конкретной величине i. На рис.5-а в общем виде приведена нагрузочная характеристика гидротрансформатора, совмещенная с внешней скоростной характеристикой ДВС.

Зона А (рис.5-б) соответствует работе гидротрансформатора в режиме преобразователя момента; зона Б – гидромуфты. Этот график показывает, что прозрачность гидротрансформатора значительно расширяет возможные режимы совместной работы двигателя и гидротрансформатора. При прямой прозрачности достигается использование приспо­собляемости двигателя.

а)

Рис.5. Характеристика трансформатора:

а – нагрузочная; в – выходная (на нижнем графике момент обозначен как Т).

Действительно, предположим, что в данных условиях движения автомобиля совместная работа его двигателя и гидротрансформатора характеризуется координатами точки а. С уве­личением сопротивления движению станет уменьшаться i, и двигатель при неизменном положении педали акселератора автоматически будет последова­тельно переходить на режимы работы, характеризующиеся точками б, в, г и т.д. (рис.5-б), с соответствующим увеличением крутящего момента.

Нагрузочная характеристика гидротрансформатора позволяет определить режим его совместной работы с тем или иным двигателем.

Выходная характеристика (рис.5-в) представляет собой совокупное графическое изображение зависимостей крутящего момента на турбинном колесе М_Т (или Т_Т ) от частоты его вращения n_Т, и необходима для определения тягово-скоростных возможностей авто­мобиля. При ее построении исходят из того, что точки пересечения кривых нагрузочных характеристик с кривой крутящего момента двигателя соответствуют ряду режимов совместной работы двигателя с гидротрансформатором, обусловленных взаимосвязанными значе­ниями величин λ_н, К и η. Поэтому, используя нагрузочную и безраз­мерную характеристики (рис.3 и 4), определяют для каждого из этих режимов К = М_Т/М_н и i = n_Т/n_н. При этом, учитывая, что n_н = n_е:

М_Т = К·М_е; n_Т = i·n_е;. (2)

Затем по полученным результатам строят выходную характери­стику, изображенную на рис. 5-в. Падающий характер кривой момента на турбинном колесе М_Т (п_Т) отражает основную положительную особенность гидротранс­форматора — возможность получить тяговую характеристику автомобиля, близкую к идеальной.

Порядок проведения расчета и построения характеристики. По данным рис.4 для каждого значения i = 0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 0,9 определяют величины λ_н и К. Строят нагрузочную характеристику гидротрансформатора, определяя значения М_н по формуле (1) для каждого значения λ_н (табл.1). Далее с учетом зависимостей (2) рассчитывают (табл.2) и строят выходную характеристику гидротрансформатора М_Т (п_Т) (зависимость η(п_Т) - не строить).

Таблица 1.

i	Мн, Н·м при различных частотах вращения nн = nе
i =0 λ= 4,78	168,4							1024,7
i =0,2 λ=4,27	150,4
i=0,4 λ=3,76	132,5
i=0,6 λ=3,21
i =0,8 λ=2,35	82,8
i=0,9 λ=1,55	54,6									491,5

Таблица 2.

i	Мд = Мн (см. рис.3 и 5-а)	nн=ne	k	МТ	nТ
i =0 λ= 4,78
i =0,2 λ=4,27
i=0,4 λ=3,76
i=0,6 λ=3,21
i =0,8 λ=2,35
i=0,9 λ=1,55

Упражнение 4. Изучение работы автоматической коробки передач

В автоматической коробке перемены передан выбор требуемого режима движения (Е - экономический, S - спортивный, W - в затрудненных усло­виях), согласование режимов работы АКПП с блоком управления работой двига­теля, включение и переключение соответствующих передач производится авто­матически с учетом режимов работы автомобиля и двигателя, а также сигналов электронного блока управления коробкой (рис.6).

Рис. 6. Схема управления автоматической коробкой переключения передач.

1 - селектор переключения передачи (положения селектора: Р - блокировка автоматической коробки при стоянке, R - задняя передача, N - нейтральная передача, D - движение вперед, 1-3 - номера передач); 2 - переключатель программ режима движения (Е - экономический, S - спортивный, W - в затрудненных усло­виях); 3 - кнопка принудительного включения пониженной передачи («kick-down»); 4 - сигнал от датчика положения дроссельной заслонки; 5 - сигнал от датчика крутящего момента двигателя; 6 - сигнал от датчика частоты вращения коленчатого вала; 7 - автоматическая коробка передач; 8 - датчик частоты вращения ведомого вала; 9 - регулятор давления; 10 - соленоиды гидроклапанов; 11 - электронный блок управления; 12 -сигнальная лампа отказов на панели приборов; 13 - сигнал для изменения крутящего момента на коленчатом валу в блоке управления работой двигателя; 14 - разъем для подсоединения диагностических приборов; 15 - диагностический прибор.

Блок управления получает информацию от датчиков 4-6,8, в том числе используемых в системе компьютерного управления работой двигателя.

В качестве исполнительного устройства переключения передач в АКПП ис­пользуются гидроклапаны, управляемые соленоидами 10, получающими соответ­ствующие сигналы от электронного блока управления 11 для распределения рабочей жидкости в секции выбранных передач. Давление масла в гидравлической системе автоматической коробки создается одним или двумя насосами.

Автомобили с автоматическими коробками переключения передач оснащаются диагностической лампой 12 или специальным диагностическим разъемом 14,позволяющими считывать из оперативной памяти компьютерного блока коды неисправностей и проводить их расшифровку с помощью диагностического прибора 15.

Задание. Изучить работу автоматической коробки передач по схеме, приведенной на рис.6, а также причин отказов и неисправностей в ее работе (табл.2).

По результатам самостоятельного изучения материала и проведенных расчетов оформить отчет по работе и подготовить его к защите.

Практическое занятие №7по теме «рулевое управление».

Упражнение 1. Изучение работы узлов рулевого управления.

1 – насос; 2 – бачок насоса; 10 – рулевой механизм; 11 – сошка; 17 – цилиндр; 18 – поршень.

1 – корпус; 2 – поршень-рейка; 3 – шариковая гайка; 5 – винт; 6 - шариковый клапан; 7 – плунжер золотника; 8 – корпус распределителя; 9 - реактивная пружина; 10 – реактивный плунжер.

Рис.1. Рулевое управление с гидроусилителем автомобиля ЗИЛ-130.

Рис.2. Силовой цилиндр гидроусилителя:

1 – корпус цилиндра; 2 – поршень; 3 – поршневое кольцо; 4 – шток; 5 – уплотнительное кольцо.

Рис.3. Насос гидроусилителя.

Упражнение 2. Определение усилий в рулевом управление.

Задание. Определить усилие F_р, прикладываемое водителем к рулевому колесу. Оценить целесообразность установки усилителя.

Исходные данные:

m_а = 6,5 т – масса груженого автомобиля;

λ₁= 0,4 – коэффициент, учитывающий вес автомобиля, приходящейся на передние (управляемые) колеса;

р_ш = 0,25 МПа – давление в шине;

μ = 0,8 – коэффициент трения шины о дорогу;

= 200 мм - радиус рулевого колеса;

= 0,8 - КПД рулевого управления;

u_р = 21– передаточное число рулевого механизма.

Расчетные зависимости:

Величина суммарного момента на цапфах управляемых колес определяют полуэмпирической зависимостью:

.

где G₁ – вес автомобиля, приходящийся на ведущие колеса автомобиля.

Усилие на ободе рулевого колеса определяют с помощью зависимости:

.

Усилие на рулевом колесе регламентируется ГОСТ 21398-75 и при переходе от прямолинейного движения к движению по окружности радиусом 12 м при скорости 10 км/ч на горизонтальном участке с сухим твердым покрытием не должно превышать:

250 Н для рулевого управления без усилителя;

120 Н для рулевого управления с усилителем;

Вывод: В рассмотренном рулевом механизме необходим (или нецелесообразен) гидроусилитель руля (ГУР).

По результатам самостоятельного изучения материала и проведенных расчетов оформить отчет по работе и подготовить его к защите.

Практическое занятие №8по теме «тормозное управление».

Упражнение 1. Изучение работы двухконтурного разделенного гидравлического привода тормозной системы легкового автомобиля.

Рис.1. Схема гидропривода тормозов:

1 – тормозной механизм переднего колеса; 2 – трубопровод контура «левый передний-правый задний тормоз»; 3 – главный цилиндр гидропривода тормозов; 4 – трубопровод контура «правый передний – левый задний тормоз»; 5 – бачок главного цилиндра; 6 – вакуумный усилитель; 7 - тормозной механизм заднего колеса; 8 – упругий рычаг привода регулятора давления тормозных сил; 9 – регулятор давления; 10 – рычаг привода регулятора давления; 11 – педаль тормоза; А – гибкий шланг переднего тормоза; В – гибкий шланг заднего тормоза.

1. Как работает система в исправном состоянии?

2. Как работает система при вышедшем из строя (протечки жидкости) гибкого шланга левого переднего колеса ?

3. Как работает система при вышедшем из строя (протечки жидкости) гибкого шланга правого переднего колеса ?

4. Работа регулятора тормозных сил (на рис.1 поз. 8,9,10).

5. Назначение и работа вакуумного усилителя (на рис.1 поз. 6).

6. Назначение бачка главного цилиндра (на рис.1 поз. 5).

7. Тип тормозных механизмов передних (на рис.1 поз. 1) и задних (на рис.1 поз. 7) колес.

Упражнение 2. Изучение работы двухпроводного тормозного пневматического привода автопоезда.

Рис.3. Схема двухпроводного тормозного пневматического привода автопоезда:

1– компрессор; 2 – регулятор давлении; 3 – воздушный ресивер тягача; 4 – воздухораспределитель; 5 – тормозные камеры тягача; 6 – соединительная головка питающей магистрали прицепа; 7 - соединительная головка тормозной магистрали прицепа; 8 – обратный (редукционный) клапан; 9 – воздушный ресивер прицепа; 10 – тормозные камеры прицепа.

Задание. Изучить работу тормозного привода.

Упражнение 3. Изучение работытормозного крана пневматического привода автомобиля.

Рис.4. Схема одинарного тормозного крана пневматического привода автомобиля:

А—отверстие, через которое воздух поступает к тормозным каме­рам; Б — отверстие, через которое поступает воздух из воздушно­го баллона; В — отверстие, через которое воздух выходит в атмос­феру; / — тяга привода тормозного крана; 2—защитный чехол; 3 — крышка рычага; 4 — рычаг крана; -5 — уравновешивающая пру­жина; 6 — стакан уравновешивающей пружины; 7 — корпус крана; 8 и /5 — седло; 9 — диафрагма; 10 и 12—возвратные пружины; 11 — выпускной клапан; 13 — крышка тормозного крана; 14 — впускной клапан; 16 — корпус включателя стоп-сигнала; 17 — кла­пан выпускного окна; 18 — регулировочный болт.

Рис.5. Тормозной двухсекционный кран однопроводного типа.

На рис. 5 представлен комбинированный тормозной кран однопроводного пневматического привода со следящими механизмами диафрагменного типа, примененный на автомобилях семейства ЗИЛ. В нижней части рисунка размещен прямодействующий кран тягача, в верх­ней — кран прицепа обратного действия (т. е. работающий при выпуске воздуха). В кране имеются два следящих механизма уни­фицированной конструкции, состоящих из двух диафрагм 4 с по­лыми штоками 5, резинометаллических клапанов: воздушного 7 и атмосферного 8. При отпущенной педали тормоза тяга 1 перемещается вправо до упора 2. При этом тормозные камеры тягача (нижняя часть рисунка) соединены с атмосферой, так как атмосферный клапан 8 открыт, а воздушный 7 закрыт (крайнее левое положение).

В верхней части крана диафрагма 4 под давлением пружины 3 находится в крайнем правом положении; при этом происходит зарядка сжатым воздухом ресивера прицепа. По мере повышения давления в полости А диафрагма прогибается влево и воздушный клапан 7 садится на седло (при давлении воздуха в магистрали р = 0,48…0,53 МПа.

Задание. Изучить работу тормозных кранов.

Упражнение 6. Изучение работы АБС.

Рис.6. Схема антиблокировочной системы фирмы Bosch:

1 – электронный блок управления; 2 – световая сигнализация; 3 – гидронасос; 4 - гидравлический модулятор; 5 – серво-устройство; 6 – исполнительный цилиндр; 7 - клапан, регулирующий давление в тормозных магистралях; 8 – датчик скорости передних колес; 9 – дифференцирующий датчик скорости задних колес; 10 – электромагнитный клапан; 11 – датчик педали тормоза.

Задание. Изучить работу антиблокировочной системы, приведенной на схеме рис. 6.

Упражнение 7. Расчет гидравлического привода тормозного механизма.

Задание. Рассчитать усилие на педали управления тормозной системой

Схема дискового тормозного механизма изображена на рис. 7. Дисковые тормозные механизмы применяют обычно на легковых автомобилях. В настоящее время их стали применять и на некоторых грузовых автомобилях и автобусах.

Рис. 7. Схема дискового тормозного механизма.

Расчет выполняют с целью определения необходимости применения усилителя.

Усилие на педали управления тормозной системой (рис.8) находится как:

где r₁ и r₂ — плечи (рис. 8); r₁/r₂ = 0,34

η - КПД гидравлического привода; η = 0,85…0,95;

d_гл = 22 мм — диаметр главного цилиндра;

р_к - давление жидкости в тормозной системе, с учетом прочностных требований, предъявляемых к трубопроводам (и в первую очередь к резиновым шлангам и их соединениям) р_к = 8…12 МПа.

Рис. 8. Схема привода главного тормозного цилиндра.

Сравнивая полученное расчетом значение F_пед с рекомендуемым ГОСТом предельным значением (F_пед < 500 Н) для легковых автомобилей, сделать вывод о необходимости (или нецелесообразности) применения усилителя для данного тормозного механизма.

По результатам самостоятельного изучения материала и проведенных расчетов оформить отчет по работе и подготовить его к защите.

Практическое занятие №9 по теме «подвеска. расчет упругих элементов и направляющих устройств подвески»