Ведущий мост. Привод на ведущие колеса

5.3.1. Назначение и требования к приводу. Типы привода

Передача крутящего момента от дифференциала к ведущим колесам осуществляется полуосями (полувалами) или карданными передачами. Полуоси применяются в приводе ведущих неуправляемых колес при зависимой подвеске; карданные передачи с простыми жесткими шарнирами применяются в приводе ведущих неуправляемых колес при независимой подвеске; карданные шарниры равных угловых скоростей применяются в приводе ведущих управляемых колес как при независимой подвеске, так и при зависимой подвеске. Типы, конструкция и расчет карданных передач рассмотрен в разделе 4-м разделе данного учебного пособия. Здесь рассмотрим только конструкцию и особенности расчета полуосей (полувалов).

Типы полуосей и их классификация по различным признакам приведены на рис. 5.20.

 

 

Рис. 5.20. Типы полуосей и их классификация по различным признакам

Фланцевые полуоси (рис. 5.21, а) представляют собой вал, на внешнем конце которого имеется заодно выполненный с ним фланец 2, а на внутреннем конце шлицевой участок 1 для соединения с полуосевой шестернею. Такие полуоси нашли наибольшее распространение на легковых и грузовых автомобилях

Бесфланцевые полуоси имеют вал со шлицами на обоих концах (рис. 5.21, б). Внешний конец 3 соединен со шлицевой часть фланца крепления полуоси к ступице колеса, а внутренний 1 для соединения со шлицами полуосевой шестерни.

В зависимости от испытываемых полуосью нагрузок их делят на полуразгруженные (рис. 5.21, в) и полностью разгруженные (рис. 5.21, г). Полуразгруженные полуоси кроме крутящего момента воспринимают изгибающие моменты, возникающие при прямолинейном движении автомобиля от действия тяговых или тормозных сил и при движении на поворотах, при заносах от действия боковых сил. Такая полуось опирается внешним концом на подшипник 4, установленный в балке 5 заднего моста. такие полуоси нашли применение в ведущих мостах легковых автомобилей и легких грузовиков. Разгруженная полуось 6 соединена фланцами со ступицей колеса 7, установленной на полуосевых рукавах балки 5 моста на двух, как правило роликовых конических, подшипниках. В такой конструкции все изгибающие моменты воспринимаются балкой моста, а через полуось передается только крутящий момент. Поэтому в ней возникают только напряжения кручения. Такие полуоси применяют в ведущих мостах грузовых автомобилей средней и большой грузоподъемности.

Рис. 5.21. Конструкция и схемы полуосей: а – фланцевая; б - бесфланцевая; г - полуразгруженная; в - разгруженная

К полуосям, наряду с общими требованиями, предъявляют и специальные требования:

• обеспечение передачи крутящего момента к ведущим колесам без пульсации при изменении частоты вращения вала;

• предохранительные функции при чрезмерных динамических нагрузках в приводе.

Предотвращению пульсации полуосей служит изготовление с необходимой угловой жесткостью, определяемой углом закручивания. Жесткость полуоси должна быть такой, чтобы максимальный угол закручивания не превышал 8⁰ на один погонный метр. При больших значениях угла закручивания полуось будет склонна к колебаниям, в том числе резонансным, и к пульсации момента и угловой скорости. При этом не будет соблюдаться постоянство отношений: M_от/M_заб = const  и ω_от /ω_заб= const.

  При чрезмерных нагрузках в трансмиссии, прежде всего инерционных, полуоси выполняют предохранительные функции, являясь наиболее слабым звеном по прочности в ведущем мосту. Разрушаясь, полуось предохраняет от поломок детали главной передачи, которые  сложнее по конструкции и дороже в изготовлении.

Расчет полуосей

   Полуоси рассчитывают по каждому из трех нагрузочных режимов, приведенных в 1-й главе учебного пособия: при прямолинейном движении с максимальной продольной силой при отсутствии действия боковой силы, при полном заносе автомобиля в условиях сухого асфальта и отсутствия действия продольной силы и при динамическом нагружении колес. Расчетные схемы нагружения полуразгруженных и полностью разгруженных полуосей приведены на рис. 5.22.

Рис. 5.22. Расчетная схема полуосей: а – полуразгруженной, б – разгруженной

  Полуразгруженная полуось (рис. 5.22, а) рассчитывается на прочность при изгибе и кручении.

При прямолинейном движении автомобиля изгибающий момент от сил, действующих в вертикальной (R_z) и горизонтальной (P_T) плоскостях на плече b по отношению к подшипнику колеса, определится по формуле:

Mиз = b .                                                                                                           (5.46)

Крутящий момент от силы P_T, действующей на плече r_к определиться по формуле:

M_кр = P_T r_к.                                                                                                                        (5.47)

Продольная сила P_T (тяговая и тормозная) определяется как предельная по сцеплению колес с дорогой: P_T = R_z φ_x, где φ_x = 0,8.

Сложное напряжение от изгиба и кручения определиться

σ_∑ = ,                                                                                                                    (5.48)

где d – диаметр сечения полуоси под подшипником.

  При полном заносе автомобиля изгибающий момент от действия нормальной R_z и боковой реакций изгибающий момент на левом и правом полуосях (рис.5.22) будет равен:

M_из1 = R_z1b + R_y1r_к  и M_из2 = R_z2b - R_y2r_к.

Напряжение изгиба

σ_из =  .                                                                                                                    (5.49)

  При переезде колеса через препятствие возникает динамическая нагрузка от действия силы R_z k_д, где k_д – коэффициент динамичности: k_д = 1,75 – для легковых автомобилей; k_д = 2,5 – для грузовых автомобилей; k_д = 3,0 – для самосвалов.

Напряжение изгиба полуоси в этом режиме равно

σ_из = .                                                                                                                         (5.50)

  Полностью разгруженная полуось рассчитывается только на кручение по продольной силе P_T с определением напряжения кручения

τ_кр = .                                                                                                                            (5.51)

Полуоси изготавливают из сталей марок 30ХГС, 40Х, 40ХНМА, 40ХМА. Допускаемые напряжения составляют: изгиба – [σ_из] = 600…800МПа, кручения [τ_кр] = 500…600МПА.

  При расчетах на прочность по напряжениям изгиба и кручения необходимо знать диаметр полуоси d. На предварительном этапе его рекомендуется выбирать по формуле:

d = а ,                                                                                                                               (5.52)

где а = 0,62…0,64 для полуразгруженных полуосей, а = 0,46…0,5 – для разгруженных полуосей;

M_п = 0,5 M_emaxU_к U_гп η_T (1+ k_б).                                                                                (5.53)

    Поскольку полуось разрушается в месте перехода стержня в шлицы, то под шлицевой участок увеличивают диаметр на 10…15%, т.е. d_ш = (1,10…1,15)d. Количество шлицев на полуоси выбирают около 10 для полуразгруженных полуосей и 16…18 для разгруженных. Длина шлицевой части должна выбираться с учетом выхода фрезы при обработке и по отношению к диаметру равна L_ш = 1,3 d_ш. Шлицы рассчитываются на срез и смятие по моменту (5.53) с учетом среднего диаметра шлица. Допускаемые напряжения в расчетах принимаются: среза – [τ_ср] = 70…80МПа, смятия - [σ_см] = 200Мпа.

   Жесткость полуосей оценивают по углу закручивания

θ = ,                                                                                                                         (5.54)

где L –  длина полуоси, замеренная от фланца до середины шлицевой части;

  G = 85ГПа – модуль сдвига;

  J_кр =  -  момент инерции.

Допустимый угол закручивания на одном метре полуоси составляет 8⁰.

  Подшипники полуосей или ступиц колес выбираются только для режима прямолинейного движения с учетом преобладающих режимов движения, эксплуатационных нагрузок и частоты вращения. Реакции в опорах подшипников определяются из выражений:

для полуразгруженной полуоси (рис. 5.22, а)

R_A =                                                                                                           (5.55)

для разгруженной полуоси (рис. 5.22, в)

R_C = ; R_D =                                                                     (5.56)

Расчетная частота вращения колец подшипника определяется по средней скорости движения автомобиля V_ср = 0,6V_max. Методика расчета подшипников рассмотрена в параграфе 3.2.3.

5.4.   Вопросы для самоконтроля.

1. Какие бывают типы главных передач?

2. Какие технические требования предъявляются к главным передачам?

3. Конструктивные признаки гипоидной главной передачи.

4. Какие бывают компоновки двойных главных передач?

5. Какими способами повышают жесткость узла конической шестерни?

6. Какие материалы используются при изготовлении деталей главных передач?

7. Особенности расчета подшипников главных передач.

8. Назначение межосевого дифференциала.

9. Назначение межколесного дифференциала.

10. Какие бывают конструкции межколесных и межосевых дифференциалов?

11. Как влияет трение в дифференциале на эксплуатационные качества автомобиля?

12. Какие напряжения испытывают детали дифференциалов?

13. Какие бывают типы полуосей?

14. Какие нагрузки испытывают полностью разгруженная и наполовину разгруженные полуоси?

15. Допустимый диапазон углов закручивания полуосей.

16. Из каких материалов изготавливают полуоси?

17. Особенности выбора подшипников полуосей.