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.

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.

Соотношение между углами поворота валов В и С имеет вид

.

Докажем, что при равенстве перекосов валов, т.е. при 1 = 2, угловые скорости валов А и С тоже будут равны. Учитывая положение вилок вала В и смещение ведущих вилок шарниров на 90 друг относительно друга, получим, отсчитывая угол поворота от положения вала А,

или .

Учитывая, что , из полученного выражения находим соотношение между углами поворота вала А и вала С:

.

Из этой зависимости видно, что при 1 = 2, , а значит и = . Таким образом обеспечивается равномерность вращения ведущей шестерни главной передачи при равномерном вращении вторичного вала коробки передач, хотя сам карданный вал, через который передается крутящий момент, вращается неравномерно.

При движении автомобиля из-за неравномерности вращения вал В будет дополнительно нагружаться инерционным моментом

,

где IA и IB - моменты инерции вращающихся частей, приведенные соответственно к валам А и В.

На величину критической угловой скорости кр влияют:

характер защемления вала в опорах;

величины зазоров в соединениях и подшипниках;

несоосность деталей;

некруглость и разностенность трубы и ряд других факторов.

Для вала постоянного сечения с равномерно распределенной нагрузкой, равной собственному весу, и свободно лежащего на опорах, которые не воспринимают изгибающих моментов

,

где l - длина вала между опорами, l = 1,299 м;

E - модуль упругости, E = 21011 Н/м2;

I - момент инерции сечения вала;

m - масса единицы длины вала.

Учитывая, что и что (D, d - наружный и внутренний диаметры полого сечения вала, равные 75 мм и 71 мм соответственно), получаем следующую формулу для определения критической угловой скорости

.

Тогда критическая частота вращения карданного вала будет определяться

.

Для нормальной работы карданного вала необходимо, чтобы выполнялось следующее условие nкр (1,15…1,2) nmax. Здесь nmax - максимальная частота вращения карданного вала. Она равна максимальной частоте вращения двигателя, которая для ГАЗ-2410 составляет около 5000 об/мин. Таким образом, nкр не должна быть меньше 5750…6000 об/мин. Как видно, это условие выполняется и нормальная работа карданной передачи обеспечена.

площадь внешней щеки Sвнеш. щ. = 0,00198 м2;

площадь внутренней щеки Sвнутр. щ. = 0,00156 м2;

площадь боковой щеки Sбок. щ. = 0,0006 м2;

площадь половины поверхности крестовины Sкрест. = 0,0009 м2.

При определении общей площади поверхности охлаждения деталей карданного шарнира необходимо учесть, что поверхность внутренней щеки вилки используется для теплопередачи не полностью, так как в нее входит шип крестовины на игольчатом подшипнике. Радиус подшипника составляет R = 15 мм. Тогда общая площадь будет определяться

.

Также для составления уравнения теплового баланса необходима масса деталей, которым передается часть тепла, возникающего при трении в шарнире. Масса крестовины, определенная по ее рабочему чертежу, составляет mкрест. = 0,278 кг. Массу щеки вилки можно определить по формуле ( = 7800 кг/м3 - плотность материала деталей)

.

Общая масса деталей m тогда составит mкрест. + 4mщеки = 1,018 кг.

Мощность L, подводимая к карданному шарниру, определяется по формуле

,

где Mmax - максимальный крутящий момент, развиваемый двигателем, Mmax = 259,5 Нм;

i1 - передаточное число первой передачи коробки передач, i1 = 3,5;

- коэффициент трения между шипом и вилкой, = 0,03;

dш - диаметр шипа крестовины, dш = 0,016 м;

n - частота вращения карданного шарнира при максимальной мощности, развиваемой двигателем, определяется по следующей формуле:

;

R - расстояние от оси вращения вилки до точки приложения силы, R = 0,036 м;

- угол наклона между валами, = 3.

Таким образом, мощность, подводимая к карданному шарниру будет равна

.

Нагрев карданного шарнира определяется по формуле

.

Величина параметра А составляет

.

После подстановки всех известных численных значений в формулу для определения нагрева карданного шарнира, получаем следующую зависимость между нагревом и временем работы карданного шарнира:

.

Зависимость нагрева деталей карданного шарнира от времени его работы представлена в таблице 2. График зависимости - на рисунке 23.

Таблица 2.

Значения нагрева деталей карданного шарнира в зависимости от времени его работы.

Из графика видно, что после начала работы шарнира нагрев деталей постепенно растет и после некоторого времени устанавливается примерно постоянным и равным 45,8С. Это говорит об уравновешивании процессов образования теплоты и ее отвода в материал деталей и окружающую среду. Игольчатые подшипники карданных шарниров ГАЗ-2410 смазываются трансмиссионными маслами ТАД-17и или ТАП-15В. Верхняя граница температурного диапазона их применения составляет примерно 130…135С. Если принять температуру окружающего воздуха равной 25С, то температура деталей карданного шарнира, после 4 часов его работы, будет составлять примерно 70С. Видно, что она не превышает верхней границы диапазона применения смазки. Поэтому нормальные условия смазки и нормальная работа карданного шарнира обеспечиваются.

касательные напряжения кручения, возникающие в сечении карданного вала, не превосходят допустимых значений;

угол закручивания единицы длины вала лежит в допустимых пределах;

напряжения смятия, среза и изгиба шипов крестовины карданного шарнира и напряжение растяжения крестовины являются допустимыми;

реальная сила, действующая на игольчатый подшипник не превосходит рассчитанной максимально возможной,

соотношение между критической скоростью вращения карданного вала и его максимальной эксплуатационной частотой вращения, необходимое для нормальной работы карданной передачи, выполняется;

при работе карданного шарнира обеспечивается нормальная температура деталей.

Неудовлетворительные результаты были получены только при расчете вилки карданного шарнира - максимальные напряжения в отдельных точках сечения вышли за допускаемые пределы. (см. п.2.6). Для обеспечения нормальной работы вилки необходимо увеличить площадь сечения ее лапы. Размеры увеличенного сечения приведены в п.2.6.

Таким образом, работоспособность карданной передачи автомобиля ГАЗ-2410 при увеличении передаваемого крутящего момента в 1,5 раза обеспечена практически без изменений в конструкции передачи (за исключение увеличения сечения лапы вилки карданного шарнира). Это говорит о том, что при проектировании автомобиля карданная передача (следовательно, и вся трансмиссия) проектировалась "с запасом". При выборе исходных данных для расчета было принято, что на немодернизированном автомобиле установлен двигатель ЗМЗ-4021, развивающим крутящий момент 173 Нм. Однако, как указано в руководстве по эксплуатации, вместо него может быть установлен двигатель ЗМЗ-402, развивающий крутящий момент 182 Нм. При установке различных силовых агрегатов изменений в трансмиссии автомобиля не предусмотрено. По результатам расчета, выполненного в данной работе, видно, что на автомобиль ГАЗ-2410 можно без существенных изменений в конструкции карданной передачи установить двигатель, развивающий крутящий момент примерно до 260 Нм.