5. Силовые приводы, валы и полуоси трансмиссии автомобиля

а) Назначение

Силовые приводы и силовые передачи трансмиссии (валы, карданные передачи, полуоси) применяются в трансмиссиях автомобилей для силовой связи механизмов, в том числе, валы которых несоосные или расположены под углом, причем взаимное положение их может меняться в процессе движения. Силовые приводы могут иметь один или несколько шарниров, соединенных валами, и промежуточные опоры. Передачи применяют также для привода вспомогательных механизмов, например, лебедки.

б) Требования, предъявляемые к конструкции

К силовым передачам предъявляют следующие требования:

• передача крутящего момента без создания дополнительных нагрузок в трансмиссии (изгибающих, скручивающих, вибрационных, осевых);

• возможность передачи крутящего момента с обеспечением равенства угловых скоростей ведущего и ведомого валов независимо от угла между соединяемыми валами;

• высокий КПД;

• бесшумность;

• общие требования.

в) Классификация заданной конструкции

Приводы передних колес состоят из наружных 1 (рис. 9) и внутренних 3 шарниров равных угловых скоростей (ШРУСов), соединенных валами 2. Наружный шарнир обеспечивает возможность только угловых перемещений соединяемых валов. Внутренний шарнир дополнительно к угловым обеспечивает и осевые смещения валов при повороте передних колес и работе подвески. Вал привода левого колеса выполнен из прутка, а правого — из трубы. Кроме того, валы привода различаются длиной: правый длиннее левого.

Наружный шарнир состоит из корпуса 1 (рис. 10), сепаратора 6, внутренней обоймы 3 и шести шариков. В корпусе шарнира и в обойме выполнены канавки для размещения шариков. Канавки в продольной плоскости выполнены по радиусу, что обеспечивает угол поворота наружного шарнира до 42°. Шлицевый наконечник корпуса шарнира установлен в ступицу переднего колеса и крепится к ней гайкой. Обойма 3 шарнира установлена на шлицах вала 10 между упорным кольцом 7 и стопорным кольцом 2.

Внутренний шарнир отличается от наружного тем, что дорожки корпуса и обоймы выполнены прямыми, а не радиусными, что позволяет деталям шарнира перемещаться в продольном направлении. Это необходимо для компенсации перемещений, вызванных колебаниями передней подвески и силового агрегата.

В наружный и внутренний шарниры устанавливают шарики одной сортировочной группы, при необходимости заменяются все шесть шариков шарнира; шарики должны быть одной сортировочной группы. При сборке внутреннего шарнира используется селективный метод. Замена какой-либо одной детали недопустима — внутренний шарнир необходимо заменять в сборе. Детали шарниров смазывают смазкой ШРУС-4, которую закладывают в корпуса шарниров при сборке. Герметизация шарниров обеспечивается защитными чехлами, закрепленными хомутами.

г) Общий вид конструкции (схема)

Рисунок 9 - Приводы передних колес

а) привод левого переднего колеса; б) привод правого переднего колеса;

1 – наружные шарниры; 2 – валы приводов передних колес; 3 – внутренние шарниры.

Рисунок 10 - Привод переднего колеса

1 – корпус наружного шарнира; 2 – стопорное кольцо; 3 – обойма; 4 – шарик;

5 – наружный хомут; 6 – сепаратор; 7 – упорное кольцо; 8 – защитный чехол;

9 – внутренний хомут; 10 – вал привода колеса; 11 – фиксатор внутреннего шарнира;

12 – корпус внутреннего шарнира; 13 – стопорное кольцо корпуса внутреннего шарнира;

А – контрольный размер.

Валы и полуоси автомобиля предназначены для передачи крутящего момента в элементах трансмиссии, в том числе для несоосных и расположенных под углом механизмов с возможностью изменения взаимного положения.

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

Изгибающие нагрузки возникают в результате не уравновешенности вала, и в некоторой степени пары осевых сил, нагружающих шарнир. В эксплуатации неуравновешенность может появиться не только в результате механических повреждений вала, но также при износе шлицевого соединения или подшипников шарниров. Неуравновешенность приводит к вибрациям в силовой передаче и возникновению шума. Вал подвергается тщательной динамической балансировке на специальных балансировочных станках. Допустимый дисбаланс зависит от максимального значения эксплуатационной угловой скорости вала и находился в пределах. (15...100) г·см. Для балансировки к валу приваривают пластины в местах, которые автоматически определяются балансировочным станком. Помимо этого проверяется биение вала в сборе с шарнирами. Допустимое биение устанавливается заводом изготовителем.

Следует иметь в виду, что даже хорошо уравновешенный вал в результате естественною прогиба, вызванного собственным весом, при некоторой угловой скорости, называемой критической, теряет устойчивость; его прогиб возрастает настолько, что возможно разрушение вала.

Скручивающие нагрузки, которые воспринимает вал, зависят от крутящего момента, передаваемого валом. Кроме того, являясь элементом многомассовой упругой системы трансмиссии, вал силового привода 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.

Трубчатый вал изготовляют из малоуглеродистой стали (сталь 15, сталь 20), не подвергая ее закалке. Толщина стенок обычно не превышает 3,5 мм.

Напряжение кручения трубчатого вала:

(39)

Осевые нагрузки в силовых приводах возникают в шлицевом соединении при перемещениях, связанных с изменением расстояния между шарнирами, например при колебаниях кузова. Осевые силы являются одной из главных причин того, что долговечность передач в 2....3 раза ниже долговечности основных агрегатов автомобиля.

Осевая сила:

(40)

Полуоси по воспринимаемым нормальным нагрузкам от колеса подразделяют на:

• Полностью разгруженные полуоси; (рис.11 в))

• Полуоси разгруженные на три четверти; (рис.11 б))

• Полуразгруженные полуоси. (рис.11 а))

Рисунок 11 – Схемы полуосей

Полностью разгруженная полуось теоретически передает только крутящий момент от дифференциала к ведущим колесам, однако для нее возможны деформации изгиба, обусловленные деформацией балки моста, несоосностью ступицы колеса с полуосевой шестерней, перекосом и смещением шлицевых концов полуосей относительно шестерни и фланца при наличии зазоров в шлицевом соединении.

Полуразгруженную полуось рассчитывают на изгиб и кручение так же как балку моста для трех случаев нагружения: прямолинейного движения, заноса и динамического нагружения.

При прямолинейном движении - результирующий изгибающий момент полуоси в вертикальной и горизонтальной плоскостях:

; (41)

момент кручения полуоси:

(42)

сложное напряжение:

(43)

При динамическом нагружении вертикальная нагрузка:

(44)

горизонтальная нагрузка:

(45)

Полностью разгруженные полуоси рассчиты­вают только на кручение и определяют их жесткость.

Касательное напряжение кручения:

(46)

Угол закручивания полуоси:

(47)

здесь момент инерции = πd⁴/32, мо­дуль сдвига G = 85 ГПа. Угол закручи­вания обычно ограничивается θ= 9...15° на 1 м длины полуоси. Меньшее значение угла закручивания характеризует повы­шенную жесткость, большее значение — склонность к колебаниям и резонансным явлениям.

Полуразгруженная полуось разруша­ется в опасном сечении под подшипником. Здесь полуось должна быть утолщена. Разгруженная полуось разрушается в месте начала шлицев.

Полуоси изготавливаются из легиро­ванных сталей — З0ХГС, 40ХМА, 40Х, 40ХНМА и др.; допускаемые напряжения [σ] = 600..800 МПа, [τ] = 500...600 МПа.

При расчетах значения φ принимаются: при прямолинейном движении 0,8...0,9, при заносе 1.