Расчет поектируемого узла

Шарнир имеет высокий КПД (около 0,99 при 10°) и применяется на переднеприводных автомобилях.

Трехшиповой карданный шарнир (типа «Трипод»).

 

Такие карданные шарниры  устанавливают на легковых и грузовых автомобилях малой грузоподъемности. Конструктивно эти шарниры имеют два исполнения: шарниры, позволяющие передавать момент при углах у 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 шипы 2, расположенные под углом 120°, закреплены в корпусе /. Ролики 3 с шаровой поверхностью установлены на шипах и мо-гут 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. Так как принцип работы жесткого и универсального шарниров одинаков, ограничимся более подробным рассмотрением лишь универсального шарнира.

Универсальный трехшиповой  шарнир (рис. 92, а) 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 / на игольчатых подшипниках. Шипы, как и пазы, расположены под углом 120° один 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.

В этом шарнире равенство угловых скоростей валов достигается благодаря изменению положения центра конца вала. Универсальный шарнир этого типа может использоваться, если максимальное значение угла 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.

 Применяемые в приводе управляемых ведущих колес эти шарниры могут иметь различную конструкцию; один из вариантов приведен на рис.

 Здесь два шарнира / неравных угловых скоростей объединяются двойной вилкой 2. Равенство угловых скоростей должно обеспечиваться делительным рычажком. Однако такое равенство возможно только при равенстве углов , что в данной конструкции не соблюдается точно, так как при наклоне вала плечо, связанное с левым валом, остается постоянным а, а плечо, связанное с другим валом, увеличивается на величину а. Поэтому в сдвоенном шарнире с делительным рычажком синхронное вращение соединяемых валов может быть обеспечено только с некоторым приближением. Коэффициент неравномерности вращения м_н._в сдвоенного шарнира зависит от угла между валами и от конструктивных размеров делительного устройства. Например, при = 30° коэффициент неравномерности сдвоенного шарнира не превосходит 1 %, что примерно в 30 раз меньше коэффициента неравномерности шарнира неравных угловых скоростей при том же значении угла наклона .

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

 Кулачковые шарниры  применяются на автомобилях большой грузоподъемности в приводе к ведущим управляемым 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 качания (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. 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 шарнир (рис.б), который устанавливается на ряде автомобилей (КамАЗ-4310, «Урал-4320 и др.). Шарнир состоит из пяти простых по конфигурации деталей: двух вилок / и 4, двух кулаков 2 и 3 и диска 5, поэтому его часто называют дисковым. 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

Проверочный расчет

Карданный шарнир неравных угловых скоростей.

В этом шарнире определяют нагрузки в крестовине и в вилке. Шипы крестовины испытывают напряжения изгиба и смятия, а крестовина — напряжение разрыва. Вилка подвергается изгибу и скручиванию. Как указывалось выше, момент, передаваемый шарниром при наклоне вала, не является постоянным в течение одного оборота, а следовательно, и силы, действующие на детали шарнира, также переменны. Для определения нагрузок будем считать, что шарниром передается максимальный динамический момент, который ограничивается коэффициентом запаса сцепления. При малом угле наклона γ вала шарнир передает момент

Мктах* iтр max (iтр max –передаточное число трансмиссии до карданной передачи), а динамическое нагружение можно учитывать запасом прочности.

Напряжение изгиба шипа крестовины (рис)

[σи]=300МПа

Напряжение  среза шипа крестовины

[τ]= 60...80 МПа.

Напряжение   крестовины   на   разрыв   в сечении А—А площадью F

 

Расчетная схема карданного шарнира

Напряжение  изгиба вилки

 

 

Напряжение кручения вилки

Допустимая    нагрузка    на    игольчатые подшипники

где z_и — число иголок в подшипнике; /_и — длина иголки; d_к — диаметр иголки; п_е — частота вращения коленчатого вала двигателя при M_ктах.

Материал вилок: стали 35, 40, 45; крестовин: стали 18ХГТ, 20Х.

 

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 можёт 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. Допустимый дисбаланс зависит от максимального значения эксплуатационной угловой скорости карданного вала и находится в пределах (15... 100) г-см (например, ВАЗ-21013 — 22 г-см; КамАЗ-5320 — 50 г-см; МАЗ-5335 — 65 г-см). Для балансировки к валу приваривают пластины в местах, которые автоматически определяются балансировочным станком. Помимо этого проверяется биение карданного вала в сборе с шарнирами. Допустимое биение устанавливается заводом-изготовителем (для автомобиля ГАЗ-3102 оно составляет 0,3 мм, МАЗ-5335 — 1,5 мм). Некоторые заводы предусматривают проверку биения карданного вала без шарниров.

Следует иметь в виду, что 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.

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. Внутренний диаметр трубчатого вала можно увеличивать до определенного предела (лимитирует прочность вала).

Скручивающие нагрузки, которые воспринимает карданный вал, зависят от крутящего момента, передаваемого валом. Кроме того, являясь элементом многомассовой, упругой системы трансмиссии, карданный вал участвует в крутильных колебаниях и воспринимает дополнительно скручивающие нагрузки, которые в случае резонанса могут быть значительными, а иногда и разрушающими. Правильный подбор элементов трансмиссии должен исключать возникновение резонансных крутильных колебаний или предусматривать возможность гашения возникающих колебаний. Крутильные колебания трансмиссии, как известно, гасятся демпфером, расположенным в механизме сцепления. Применение упругих карданных шарниров (автомобили ВАЗ) также способствует поглощению энергии крутильных колебаний и, кроме того, в значительной степени снижает скручивающие нагрузки в карданной передаче при резком включении сцепления и торможении автомобиля с невыключенным двигателем.

Трубчатый вал изготовляют из малоуглеродистой стали (сталь 15, сталь 20), не подвергая ее закалке. Толщина стенок обычно не превышает 3,5 мм (для автомобилей ВАЗ — 2 мм; КамАЗ — 3,5 мм).

Напряжение  кручения трубчатого вала

Приваренные   к трубе   шлицованный   наконечник  и   вилку  изготовляют   из  легированной   или   углеродистой   конструкционной стали 30, 35Х или 40.

В  последние  годы  начинают  получать некоторое применение трубчатые карданные  валы,  изготовленные из  композиционных   материалов:   стеклопластиков,   углепластиков   или   боропластиков.    Плотность   композиционных   материалов   примерно в 4 раза меньше плотности стали,

а по прочности они  ей не уступают.  По-видимому, более широкому распространению этих материалов препятствует пока ,их высокая стоимость.

При передаче крутящего момента  карданный вал закручивается на некоторый угол:

где J0 — момент инерции сечения вала. 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:

где dн dв - наружный и внутренний диаметры шлицевого конца вала; n_ш — число шлицев; l_ш — длина шлица.

Напряжение  среза (считая, что шлицы срезаются у основания по диаметру ; - ширина шлица)

[ ]= 25...30МПа.

Осевые нагрузки в карданной передаче возникают в шлицевом соединении при перемещениях, связанных с изменением расстояния между карданными 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

Снизить осевую нагрузку можно, увеличивая диаметр шлицевого соединения или уменьшая коэффициент трения в шлицах. Коэффициент трения может быть снижен в 3 раза при применении покрытия шлицев полимерными материалами, однако полимерная пленка не всегда надежно удерживается на поверхности. Уменьшить коэффициент трения можно в 20 раз, заменив трение скольжения в шлицах трением качения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложения  А 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение  Б 

Фор	Зона	Поз	Обозначение	Наименование	Кол	Примечание
				Документация
А1			КП 150200.17.100 СБ	Сборочный чертеж
				Сборочные еденицы
БЧ		1	КП 150200.17.100/01 СБ	Вилка скользящая в сборе	1
				Детали
БЧ		2	КП 150200.17.102	Труба	1
БЧ		3	КП 150200.17.103	Большой отражатель	1
БЧ		4	КП 150200.17.104	Малый отражатель	1
БЧ		5	КП 150200.17.105	Конец промежуточного вала	1
БЧ		6	КП 150200.17.106	Вилка скользящая	1