О влиянии усилия осевой компенсации в шарнирах равных угловых скоростей на вибронагруженность силового агрегата переднеприводного автомобиля Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. болтом 8 крепится к корпусу. От бокового смещения ступица 2 удерживается за счет имеющихся на корпусе и ступице цилиндрических направляющих поверхностей, по которым контактируют эти детали.

Наружный диаметр винтовой пружины (рис. 2) меньше, чем спиральной, поперечные силы отсутствуют за исключением возможных центробежных из-за неуравновешенности, однако демпфер с такой пружиной длиннее, в витках пружины действуют высокие изгибные напряжения, поэтому для винтовой пружины предпочтительно использовать пруток прямоугольного сечения. Пруток круглого сечения может не проходить по изгибным напряжениям.

На рис. 5 показан демпфер с фрикционом 1, который может потребоваться, если в трансмиссии появятся колебания ещё от других источников кроме двигателя, например, от

Рис. 5. Демпфер крутильных колебаний с регулируемым моментом трения: 1 -фрикцион; 2 - тарельчатая пружина; 3 - гайка

Устранение опасных крутильных колебаний трансмиссии, появляющихся в результате неравномерного вращения коленчатого вала, может быть выполнено за счет очень мягкого соединения двигателя и трансмиссии, при котором амплитуда колебания подводимого к трансмиссии крутящего момента двигателя меньше, чем момент трения в трансмиссии. Выполнять трудоемкий расчет трансмиссии на крутильные колебания в этом случае не потребуется, а подготовленное соединение может использоваться для различных однотипных машин.

О влиянии усилия осевой компенсации в шарнирах равных угловых скоростей на вибронагруженность силового агрегата переднеприводного

автомобиля

к.т.н. доц. Прокопьев М.В., Наймушин Е.Ю., ОАО «АвтоВАЗ», Тольяттинский государственный университет Как известно, при движении автомобиля передние управляемые колеса, вследствие неровностей дороги, совершают колебательные перемещения в вертикальной плоскости, при этом кинематика перемещений определяется конструкцией подвески автомобиля. На перед-

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. неприводных автомобилях LADA применяется передняя подвеска типа "McPherson", которая при ходах сжатия и отбоя приводит к изменению расстояния между центром колеса и центром дифференциала, что требует вводить компенсирующий элемент в конструкцию приводов передних колес (рис. 1).

Рис. 1. Изменение расстояния между центром колеса и центром дифференциала в

зависимости от хода подвески

Этим элементом является внутренний шарнир равных угловых скоростей (ШРУС). Однако вследствие конструктивных особенностей ШРУС в процессе компенсации расстояния между центром колеса и центром дифференциала возникают осевые силы, действующие со стороны приводов передних колес на силовой агрегат и подвеску автомобиля. Это в свою очередь приводит к колебаниям силового агрегата, которые, передаваясь через его опоры на кузов, ведут к повышенным вибрациям кузова. Кроме этого длины правого и левого валов привода передних колес значительно отличаются, следовательно, они имеют различные кинематические характеристики, что ведет к несимметричному действию сил на силовой агрегат со стороны приводных валов.

В зависимости от величин сил, действующих на силовой агрегат, а также от боковых жесткостей подвесок колес автомобиля и подвески силового агрегата возможны два варианта компенсации перемещений. В первом случае, когда сила внутреннего трения в шарнирах высока, компенсация изменения расстояния между центром колеса и центром дифференциала произойдет за счет боковых смещений подвески колеса и силового агрегата вдоль поперечной оси автомобиля без компенсации внутри шарнира. Во втором случае, когда сила внутреннего трения мала, произойдет компенсация изменения расстояния между центром колеса и центром дифференциала за счет боковых смещений подвески колеса и силового агрегата и одновременно компенсации внутри шарнира.

Усилие осевой компенсации напрямую зависит от конструкции компенсирующих устройств, в качестве которых могут применяться:

• универсальный кардан с двойным смещением и подвижным концом, получивший широкое распространение в конструкции автомобилей отечественного производства;

• трёхколокольный универсальный шарнир с подвижным концом (трипод), применяющийся на многих серийных переднеприводных автомобилях европейского производства;

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели.

• универсальный шарнир Гука с подвижным шлицевым соединением, применяющийся на некоторых внедорожниках производства России и США;

• универсальный шарнир типа АКТ (разработка ОАО «АвтоВАЗ»).

Конструкция универсального кардана с двойным смещением и подвижным концом имеет подвижное соединение корпуса и обоймы при помощи шариков, помещённых в прямолинейные канавки, ориентированные вдоль оси. Шарики перемещаются в плоскости постоянной частоты вращения и удерживаются в ней сепаратором со смещёнными вдоль оси сферическими поверхностями (рис. 2).

Сепаратор

Шарик

Корпус

Защитный кожух

Обойма

Рис. 2. Конструкция универсального кардана с двойным смещением и подвижным

концом

Конструкция трипода представлена на рис. 3. Корпус шарнира подвижно соединён с валом посредством трёх равноудалённых шаровых втулок на крестовине, имеющих возможность перемещаться не только вдоль дорожек корпуса, но и вдоль шипов крестовины [2].

Рис. 3. Конструкция трёхколокольного универсального шарнира с подвижным концом

(трипода)

Конструкция шарнира типа АКТ, представленная на рис.4, отличается от конструкции универсального шарнира с двойным смещением изменёнными геометрическими параметрами обоймы и сепаратора и наличием шаровой втулки.

Конструкции рассмотренных ШРУС обеспечивают различные усилия осевой компенсации при передаче крутящего момента, вследствие своих конструктивных особенностей.

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. Для оценки усилия осевой компенсации, а также для определения его зависимости от приложенного крутящего момента для различных конструкций ШРУС проведён эксперимент, схема которого представлена на рис. 5.

Рис. 4. Конструкция универсального шарнира типа АВД

Динамометр

Рис. 5. Определение усилия осевой компенсации

Последовательность эксперимента заключалась в следующем: после установки вала с ШРУС в приспособление на шарнир прикладывался статический крутящий момент через шлицевое соединение, после этого сообщалась медленно увеличивающаяся сила через динамометр, стремящаяся произвести компенсационные перемещения в ШРУС. В момент, когда перемещение в ШРУС происходило, эксперимент заканчивался записью максимального значения осевой силы. Эксперимент повторялся для каждого из исследуемых ШРУС для нескольких различных значений крутящего момента в диапазоне от 200 до 1000 Нм.

Результаты испытаний представлены в таблице 1 и на рисунке 6.

Кроме этого полученные экспериментальные данные дополнены результатами экспериментов, представленных в [1].

Из анализа экспериментальных данных видно, что наибольшее усилие осевой компенсации характерно для шлицевого соединения из-за высокого уровня силы трения скольжения.

Универсальный кардан с двойным смещением обеспечивает меньшее усилие осевой

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. компенсации по сравнению со шлицами, но существенно превышает эту величину для ШРУС типа трипод и ARJ. Это обусловлено относительно большим скольжением шариков в канавках при осевом перемещении, поскольку обойма шарнира связана с сепаратором [3].

Таблица 1

Статический крутящий момент Н м Усилие осевого перемещения. Н.

Шарнир 2110 Шарнир ARJ Шпицы Трипод

200 1000 55 2800 50

400 1900 255 5000 210

600 2750 313 7700 300

800 3800 416 10000 380

12000

X

Рис. 6. Результаты сравнительных испытаний по определению усилия осевой

компенсации

Конструкция шарнира ARJ обеспечивает минимальное усилие осевой компенсации за счёт особенностей своей конструкции: обойма шарнира не имеет непосредственной связи с сепаратором, тем самым обеспечивая качение шариков по канавкам корпуса, а не их скольжение, как в шарнире с двойным смещением.

Минимальная величина усилия осевой компенсации, реализуемая в ШРУС типа трипод, достигается, как и в ШРУС ARJ, за счёт качения роликов вдоль дорожек корпуса.

Стоит отметить, что для всех рассматриваемых ШРУС характерно увеличение усилия осевой компенсации с увеличением угла в шарнире. Так, например, для ШРУС типа трипод при передаче крутящего момента 800 Нм с увеличением угла до 10° величина усилия осевой компенсации увеличивается с 380 Н до 900 Н [2], а для шарнира с двойным смещением с 3800 Н до 4700 Н [1].

С целью определения кинематических характеристик приводов передних колёс, на примере автомобиля LADA 2110, проведён расчёт по определению зависимостей перемещений центров шарниров от хода подвесок, при положении колёс, характерном для прямолинейного движения автомобиля. Результат представлен в виде графиков (рис. 7).

С целью наглядной иллюстрации величины усилия, действующего на силовой агрегат, на примере автомобиля Lada 2110, рассчитана величина максимального крутящего момента, передаваемого через внутренний ШРУС, которая может составлять до 800 Нм. Следовательно, величина силы внутреннего трения, препятствующая осевой компенсации и действующая

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. на силовой агрегат, составит 4000 Н для серийного ШРУС (шарнир с двойным смещением) и около 400 Н в случае применения ШРУС типа ARJ или трипода. Таким образом, силовой агрегат переднеприводного автомобиля, укомплектованного шарниром с двойным смещением, будет испытывать возмущающие воздействия, со стороны каждого ШРУС (в зависимости от профиля дороги) величиной до 4000 Н, что способно вызвать его смещение относительно опор на величину до 6 мм и вибрацию кузова и органов управления.

Рис. 7. Зависимость перемещения центров шарниров от хода подвесок

Выводы:

В процессе компенсации расстояния между центром колеса и центром дифференциала возникают осевые силы, действующие со стороны приводов передних колес на силовой агрегат автомобиля.

Величина усилия осевой компенсации напрямую зависит от конструкции ШРУС, а также от величины передаваемого крутящего момента.

При составлении математических моделей колебаний силового агрегата и кузова переднеприводного автомобиля необходим учёт влияния усилия осевой компенсации внутри шарниров, а также кинематических особенностей подвесок передних колёс.

Литература:

1. Беркер А.Х., и др. Проектирование универсальных шарниров и ведущих валов/ Пер. с англ. Ю. В. Попова. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1984. - 463 с., ил.

2. Lee, C.-H. (2008). Development of a semi-empirical friction model in automotive driveshaft. Int. J. Automotive Technology 9, 3, 317-322.

3. Schmelz, F., Seherr-Thoss, C. H.-C. and Aucktor, E. (1992).Universal Joints and driveshafts: Analysis, Design,Applications (Translated by S. J. Hill and J. A. Tipper).Springer-Verlag. New York.

Повышение эффективности двухвальных газотурбинных установок

д.т.н. проф. Кустарев Ю.С., к.т.н. доц. Костюков А.В., Плыкин М.Е.

МГТУ "МАМИ"

Газотурбинная установка выполнена по двухвальной схеме (рис. 1) с роторным регене-