CC BY
80
УДК 621.22
УСЛОВИЯ РАБОТЫ КАРДАННЫХ ПЕРЕДАЧ ПОД ВЛИЯНИЕМ ВИБРАЦИИ
Е. В. Кукушкин, Д. С. Осеев, Д. А. Пятаев*
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: pyataev-13@yandex.ru
Рассмотрены последствия влияния вибрации на условия работы карданных передач, причины возникновения вибрации, ее влияние на работу карданных шарниров и способы её устранения. Рассматриваются некоторые виды разрушений в карданной передаче. В качестве исследовательской задачи авторами была определена попытка оценить данные процессы в совокупности. Однако данная проблема мало изучена и требует дальнейших исследований.
Ключевые слова: вибрация, карданный шарнир, карданная передача.
TERMS OF WORK OF CARDAN TRANSMISSIONS UNDER INFLUENCE
OF VIBRATION
E. V. Kukushkin, D. S. Oseev, D. A. Pyataev*
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: pyataev-13@yandex.ru
In this article, the consequences of the influence of vibration on the working conditions of universal joint gears, the causes of vibration, its influence on the work of universal joints and the ways of its elimination are considered. Also in the article some types of destruction in the universal gear are considered. As a research task, the authors defined an attempt to evaluate these processes in the aggregate. However, this problem has been little studied and requires further research.
Keywords: vibration, universal joint, universal joint gear.
Введение. В настоящее время карданные передачи используются достаточно часто. Конструкции карданных передач имеют большой недостаток - это значительный дисбаланс, проявляющийся как на низких, так и на высоких частотах вращения карданных валов. Из-за вибраций карданной передачи могут возникать неисправности ведущего моста, коробки передач, элементов карданной передачи и других агрегатов [1].
В карданной передаче используются шарниры неравных угловых скоростей, общие технические требования к которым регламентированы ГОСТ. Отклонение от указанных требований приводит к существенному увеличению вибрации в трансмиссии от карданных валов и разрушению элементов агрегатов, соединяемых карданными валами. Так как при установке карданной передачи под углом угловая скорость изменяется по синусоидальному закону по отношению к угловой скорости ведомого вала КПП, что и вызывает вибрацию. [2]
Под вибрацией понимают механические, часто синусоидальные, колебания системы с упругими связями, возникающие в машинах и аппаратах при периодическом смещении центра тяжести какого-либо тела от положения равновесия, а также при периодическом изменении формы тела, которую оно имело в статическом состоянии. Чаще всего такое колебательное движение происходит из-за неуравновешенных силовых воздействий: дисбаланс вращающихся частей, инерционное возбуждение при работе возвратно-поступательных механизмов, ударные процессы и др.
Основная часть. В шарнирах неравных угловых скоростей карданных передач транспорт-но-технологических машин применяются специальные игольчатые роликоподшипники, игольча-
тые подшипники, которые работают в режиме колебательного движения под воздействием больших радиальных нагрузок, в условиях вибрации. При свободном вращении карданного вала от вторичного вала коробки передач (без передачи крутящего момента) карданный вал получает инерционную нагрузку за счет своего неравномерного вращения. Имеется угловое ускорение и замедление. Малый угол перемещения игольчатых роликов, недостаточность смазки, проникновение пыли в подшипник, иногда пониженная твердость цилиндрической поверхности цапфы, вибрация от разбалансированного карданного вала создают условия для износа поверхности цапф по типу «ложного бринеллирования» [3].
Остаточная неуравновешенность карданной передачи практически всегда имеет место. Это объясняется двумя причинами: во-первых, невозможностью идеальной динамической балансировки на балансировочных станках; во-вторых, при монтаже карданной передачи на транспорт-но-технологических машинах накапливаются геометрические погрешности, связанные с непараллельностью осей валов соединяемых фланцев и их угловыми смещениями. Наибольшая вибрационная активность карданной передачи проявляется на частоте вращения коленчатого вала двигателя п и передается на раму через опорные связи двигателя и коробки передач с частотой / = п/60. Следует отметить, что возможна также статическая неуравновешенность карданного вала, вызываемая смещением центра масс вала относительно геометрической оси вращения. Динамический дисбаланс обусловлен наклоном главной оси инерции вала по отношению к геометрической оси вращения [4].
Наиболее распространенный критерий отказа подшипниковых узлов указанного типа, работающих в автомобилях, тракторах, станках, подъемно-транспортном оборудовании - усталостное разрушение. Подшипниковые узлы сельскохозяйственной техники выходят из строя в основном из-за абразивного изнашивания, связанного с попаданием грязи и пыли. В то же время для подшипниковых узлов специального применения важны и другие характеристики, такие, как жесткость, уровень и спектр вибрации, момент сопротивления вращению, долговечность. Характерным видом разрушения карданных шарниров на игольчатых подшипниках - пластическое оттеснение материала в зоне силового контакта («бринеллирование»). Во многом этот вид разрушения на прямую связан с углом излома карданного вала и перекосом тел качения игольчатых подшипников карданных шарниров транспортно-технологических машин. Хотя практика эксплуатации показывает наличие усталостных процессов, а также тепловое воздействие на рабочие поверхности в подшипниках [5].
Вилки изготавливают из среднеуглеродистых сталей 35, 40 и 45 или легированной стали 40ХНМА, крестовину - из низкоуглеродистой стали 12ХН3А, 18 ХГТ и 20Х. Ее шипы цементируют для получения высокой твердости поверхности (не ниже ИЯС 58...65). Карданный вал состоит из средней трубчатой части и приваренной к ней наконечников. Преимуществом трубчатых валов являются большие жесткость и прочность при меньшей массе. Во время работы карданный вал испытывает изгибающие, скручивающие и осевые нагрузки. Факторы, влияющие на надёжность элементов карданных передач можно разделить на конструктивные, технологические и эксплуатационные. Однако ещё многие факторы изучены недостаточно. Кроме того, отказы в карданных передачах наступают из-за возникновения вибрации карданного вала.
В свою очередь вибрация карданного вала возникает по следующим причинам: вал раздаточной коробки и вал редуктора моста взаимно непараллельные (в этом случае их скорости будут различными, т. е. возникнут мгновенные колебания угловой скорости и, следовательно, повышенные пики крутящего момента); углы в карданных шарнирах больше допустимых.
Угол в работы шарнирного соединения зависит от частоты вращения карданного вала п:
п • в < 32 000 мин-1,
где п - частота вращения карданного вала. Существуют кинематические ограничения, накладываемые на угол работы шарнирного соединения. В идеале, угол должен быть не более 3 градусов для оптимальной работы карданного шарнира. Поэтому при превышении такового необходимо применять вал с двойным карданным шарниром. Если угол превышает 3 градуса, то ресурс карданного шарнира уменьшается следующим образом: при = 6° на 19 %; при = 9° на 28 %; при = 12° на 34 %; при = 15° на 38 % и т. д. [6]
Основным параметром, влияющим на работоспособность подшипника, является нагрузка или крутящий момент. Контактные напряжения в игольчатых подшипниках большинства автомобилей достигают 2 000 МПа, а на отдельных моделях грузовых автомобилей даже 3000 МПа. В момент трогания автомобиля они могут достигать 3 400...3 900 МПа, что сопоставимо с контактными напряжениями, реализуемыми в гипоидных передачах. Рабочая температура игольчатых подшипников большинства автомобилей лежит в пределах минус 50...90 °С. Требуемый ресурс работы карданных передач в зависимости от модели автомобиля составляет 125...250 тыс. км. Недостаточная долговечность подшипников вызвана в основном конструкционными причинами, среди которых следует выделить необоснованный выбор конструкционных материалов, методов термообработки металлов, недостаточную степень герметизации узла, наличие в карданной передаче высокочастотных вибраций.
Характерными видами разрушения карданных подшипников являются ложное бринелли-рование на дорожках качения и шипах крестовин, их износ с усталостным выкрашиванием в нагруженной зоне, задир торцев шипов крестовин, поломка иголок, фреттинг-коррозия и т. п. Внешними признаками неудовлетворительной работы карданных подшипников являются повышенные зазоры, стук в передаче, нагрев деталей. Усталостное выкрашивание в игольчатых подшипниках связано с тем, что при локальном разогреве в зоне шип - игла имеет место разрушение поверхности. Иглы под действием высоких нагрузок образуют на поверхности шипа вмятины, в результате чего скорость скольжения в зоне контакта резко возрастает, а это приводит к выкрашиванию частиц металла. Повреждение шипов может иметь характер оспин и раковин, т. е. питтинга, который является следствием не только контактной усталости поверхности шипа, но и схватывания контактирующих поверхностей с последующим вырывом металла. Большое влияние на долговечность сопряжения шип - игла оказывает коррозионное повреждение поверхности, предшествующее усталостному выкрашиванию. Следы ложного бринеллирования появляются, как правило, в наиболее нагруженной зоне, где тепловой износ носит ярко выраженный характер. При несоосности поверхностей трения появляются канавки на шипах крестовин и наружном кольце, а также наблюдается ускоренный износ поверхностей, который начинается со стороны торца шипа.
Предполагают, что в контакте возникает локальная температура порядка 200...400 °С. В зоне сопряжения из частиц износа и разложившейся смазки образуется мазеобразный абразивный продукт, который значительно ускоряет износ. Таким образом, образование следов ложного бринеллирования является следствием фрикционного, контактно-коррозионного и теплового износа. Дальнейшая работа подшипника в этих условиях приводит к перекосу, залеганию, поломке и высыпанию иголок, заклиниванию подшипника с последующим разрушением этого узла [7].
Заключение. В заключение хотим отметить, что проведенный анализ [1-8] позволяет предположить, что влияние вибрации было изучено недостаточно и требует более глубокого изучения. Но даже известные факты позволяют утверждать, что это влияние далеко не благоприятное.
Библиографические ссылки
1. Кулько П. А. Основы научных исследований : учеб. пособие / ВолгГТУ. Волгоград, 2005.
129 с.
2. Сторчилова Т. А., Голубев А. Г., Чернова Г. А. Подбор средства диагностирования вибрационных характеристик карданных передач // Современные проблемы транспортного комплекса России. 2013. № 4 (4). С. 187-192.
3. Сравнительный анализ конструкций карданных шарниров неравных угловых скоростей / С. П. Ереско, Т. Т. Ереско, Е. В. Кукушкин и др. // Вестник СибГАУ. 2015. Т. 16, № 3. С. 720-728.
4. Бабкин В. Ф., Дегтев Д. Н. Борьба с вибрацией и шумом на транспортно-технологи-ческих машинах. Российский Инженер. 2015. Т. 1. № 1. С. 29-35.
5. Меновщиков В. А., Ереско С. П. Оптимизация конструктивно-режимных параметров шарниров карданных передач на игольчатых подшипниках. Механики XXI веку. 2008. № 7. С. 29-33.
6. Клименко Н. П., Романченко В. Н., Савченко В. Б. Моделирование надежности карданных передач транспортных средств // Новая наука: Теоретический и практический взгляд. 2016. № 4-2 (75). С. 148-152.
7. Ваванов В. В., Вайншток В. В., Гуреев А. А. Автомобильные пластичные смазки. М. : Транспорт, 1986.
8. Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А. Основные направления развития, улучшения и совершенствования рабочих характеристик карданных передач на игольчатых подшипниках // Ре-шетневские чтения : материалы XVI Междунар. науч. конф. : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2012. С. 254-256.
© Кукушкин Е. В., Осеев Д. С., Пятаев Д. А., 2017
