Проверочный расчет карданной передачи ВАЗ 21214(Нива)

1 Нагрузочный режим

Как известно, карданная передача представляет собой один из элементов трансмиссии, жесткость которого в значительной мере определяет колебательные характеристики привода. 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. Однако указывать параметры карданной передачи, необходимо с точки зрения благоприятного спектра частот.
Проверочный расчет карданной передачи производится по максимальному крутящему моменту, развиваемому двигателем – Mmax при частоте вращения - nM при движении автомобиля на первой передаче, когда крутящий момент, передаваемый через трансмиссию, максимален. Передаточное число первой передачи i1КПП = 3.67 и передаточное число первой передачи раздаточной коробки i1РК = 2,135.
Суммарные передаточные числа «нижнего» ряда (I передачи) i1 = 7,82. Максимальный крутящий момент, развиваемый двигателем (127,5 Нм при 4000 об/мин). На рисунке 1.1 изображена карданная передача автомобиля ВАЗ 21214(Нива)
2 Определение напряжения кручения и угла закручивания карданного вала

Максимальное напряжение кручения вала, определяется для случая максимального момента двигателя и при действии динамических нагрузок. Действие динамических нагрузок учитывается коэффициентом динамичности: KД = 1…3. В расчете принимаем KД = KL = 1.
Вал карданной передачи автомобиля ВАЗ 21214(Нива) – будем считать полым. Наружный диаметр вала D = 0,1 м, внутренний диаметр вала d = 0,097 м и длина карданного вала l = 0,65 м.

Момент сопротивления кручению определяется по формуле:
, (2.1)
Wкр = 3.14 * (0,14 - 0,0974) / 16 * 0,1 = 2,25113*10-5 м3.
Максимальное напряжение кручения вала определяется по формуле:
, (2.2)
τ = 127,5 * 7,82 * 1 / 2,25113*10-5 = 44,3 МПа
Напряжение кручения τ для валов, изготовленных из низкоуглеродистых сталей 15, 20 составляет 100…120 МПа – для грузовых и 25…55 МПа – для легковых. В выполненных расчета не превосходит среднестатистических значений.
Момент инерции сечения вала при кручении:
, (2.3)
Iкр = 3,14 * (0,14 - 0,0974) / 32=1,12556*10-6 м3
Величина угла закручивания вала определяется по формуле:
, (2.4)
ϴ = 180 * 127,5 * 7,82 * 0,65 * 1 / 3,14 * 8,5*1010 * 1,12556*10-6 = 0,388 º
где G – модуль упругости при кручении, G = 8,5*1010 Па;
Величина угла закручивания единицы длины карданного вала составляет:
, (2.5)
ϴ' = 0,388 / 0,65 = 0,5974 º/м
Величина угла закручивания карданного вала составляют ϴ'= 0,6, º/м полученное значение не превышает 3…9 º/м длины вала.
Таким образом, нормальная работа карданного вала по максимальным напряжениям кручения и углу закручивания обеспечена.
 3 Определение осевой силы, действующий на карданный вал

Кроме крутящего момента, на карданный вал действуют осевые силы Q, возникающие при перемещениях ведущего моста, двигателя и других частей трансмиссии.
Осевые нагрузки в карданной передаче возникают в шлицевом соединении при перемещениях, связанных с изменением расстояния между шарнирами, например при колебаниях кузова на рессорах. Величина осевых перемещений на преобладающих режимах эксплуатации составляет 2…5 мм. 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 = 0,45. 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.
Осевые силы являются одной из главных причин того, что долговечность карданных передач в 2...3 раза ниже долговечности основных агрегатов автомобиля.