2.3. Методы расчета элементов трансмиссии

В процессе эксплуатации автомобиля на его узлы и детали действуют нагрузки, величина и характер которых обусловлены взаимодействием колес с дорогой, воздействием водителем на органы управления, режимами работы двигателя и другими факторами. Детали трансмиссии автомобиля вместе с вращающимися частями двигателя, колесами и массой всего автомобиля образуют многомассовую колебательную систему, в которой при определенных условиях возможно возникновение резонансных колебаний, снижающих долговечность трансмиссии.

Надежность автомобиля зависит от фактических нагрузок, действующих на него во время эксплуатации. Условия эксплуатации чрезвычайно не постоянны и разнообразны во времени. Значение и характер распределения напряжений в деталях автомобиля изменяются в широких пределах. Усилия, вызывающие эти напряжения, могут быть постоянными (вес, затяжка при монтаже) и переменными (усилия при трогании и торможении, погрешности при изготовлении деталей, динамические воздействия и т.п.).

Долговечность деталей, механизмов и агрегатов автомобиля зависит от величины и времени действия часто повторяющихся нагрузок в характерных для данного автомобиля условиях эксплуатации.

Часто повторяющимися нагрузками называют такие, которые за срок службы автомобиля повторяются не менее 1000 раз.

Долговечность зависит также от жесткости конструкции, т.к. деформации картеров, валов и опор вызывают перекосы, нарушающие точность расположения соприкасающихся деталей, что значительно снижает их срок службы. Рациональная форма деталей, исключающая повышенную концентрацию напряжений, а также оптимальные размеры сечений создают условия для обеспечения необходимой долговечности. Улучшенная обработка поверхностей, применение высококачественных материалов, упрочняющих способов обработки поверхностей, обработка антикоррозийными покрытиями, использование уплотнений, высококачественных смазочных материалов также способствуют повышению долговечности автомобиля.

Различают статическую прочность, т.е. способность детали сопротивляться разрушениям под действием кратковременных максимальных нагрузок и усталостную прочность – способность детали сопротивляться разрушению под влиянием многократно повторяющихся нагрузок. Усталостное разрушение возможно при сжатии и растяжении, изгибе и кручении, при их раздельном или совместном действии.

Разновидностью усталостной прочности является контактная прочность – способность рабочей поверхности (например, зубчатых колес) сопротивляться разрушению под действием контактных напряжений сжатия или сдвига.

Детали и агрегаты автомобиля должны обладать износостойкостью, т.е. должны противостоять изменению размеров и формы под действием нагрузок, возникающих при эксплуатации.

Прочность и износостойкость деталей автомобиля оцениваются при испытаниях опытных образцов автомобилей, а также расчетным путем.

Из всего разнообразия нагрузок следует выбрать расчетные, которые в значительной степени характеризуют прочность деталей. При проведении анализа нагрузочных режимов рассматривают три расчетных режима:

1. По максимальному крутящему моменту двигателя.

В этом случае расчетный крутящий момент определяют по формуле:

, (2.9)

где – максимальный крутящий момент двигателя,– передаточное число до рассчитываемой детали.

При таком расчете получают условные величины напряжений, которые меньше напряжений, возникающих при пиковых нагрузках, но превышают напряжения, действующие при эксплуатационных нагрузках. Поэтому данный метод используется обычно для сравнительных проверочных расчетов.

При расчете раздаточных коробок, карданных валов и ведущих мостов многоприводных автомобилей определение моментов по двигателю является трудоемкой операцией, что объясняется значительной разницей в жесткостях приводов к ведущим колесам от раздаточной коробки. В этих случаях, а также у автомобилей с центральным трансмиссионным тормозом величины расчетных моментов используется другой режим.

2. По максимальному сцеплению ведущих колес с дорогой.

Так, например, для полуоси ведущего моста:

, (2.10)

где – нормальная реакция дороги на колеса соответствующих мостов;– максимальный коэффициент сцепления шин с дорогой;– динамический радиус колеса.

Величина расчетного момента в данном случае обычно превышает преобладающие эксплуатационные моменты.

Такой расчетный режим целесообразно применять и для автомобилей с высокой удельной мощностью, когда расчетная сила тяги выше, чем сила тяги по сцеплению на низших передачах.

Приведенные выше формулы не учитывают динамических на­грузок в трансмиссии, на величины которых влияет ряд факторов, к числу которых, прежде всего, относятся:

1. темп включения сцепления, зависящий обычно от водителя;

2. тип и конструкция сцепления;

3. тип опорной поверхности, по которой движется автомобиль, и ее состояние;

4. конструктивные особенности автомобиля, такие как общее переда­точное число и податливость трансмиссии, полный вес автомобиля и прицепа, моменты инерции вращающихся частей и др.

Для учета перечисленных факторов импользуют третий расчетный режим.

3. По максимальным динамическим нагрузкам, возникающим при переходных режимах движения автомобиля.

В этом случае:

, (2.11)

где – коэффициент динамичности, равный отношению максимально возможного момента на первичном (ведущем) валу к максимальному крутящему моменту двигателя.

Основное влияние на величину динамических нагрузок в транс­миссии автомобиля с фрикционным сцеплением оказывает темп его включения при трогании с места и разгоне, при резком торможении трансмиссионным тормозом.

Снижение динамических нагрузок при установке гидротрансформатора или гидромуфты в трансмиссии обусловлено отсутствием жесткой связи между двигателем и транс­миссией. Коэффициент динамичности в этом случае может быть принят равным единице.

Для вновь проектируемых автомобилей составление эквивалентной динамической системы и аналитическое определение коэффициента динамич­ности трудоемко. В этом случае коэффициент динамичности опреде­ляют по результатам испытаний существующих моделей автомоби­лей. Как правило, для легковых автомобилей – = 1,5 ÷ 1,75;грузо­вых – = 1,8 ÷ 2,0;автомобилей высокой проходимости – =2,0 ÷ 2,5.

При проектировании необходимо выполнять несколько расчетов, комплекс которых для одной и той же детали называют расчетами по предельным состояниям. Связано это с тем, что размеры детали определяются не только напряженным состоянием материала детали, но и требованиями, предъявляемыми к данной детали, как к звену машины.

Пре­дельным является такое состояние детали, по достижении которого даль­нейшая ее работа или невозможна (например, поломка) или становится совершенно нецелесообразной, а часто и недопустимой, из-за существенного ухудшения показателей работы всего узла. Характерные предельные состоя­ния некоторых типовых деталей следу­ющие:

1. для фрикционных накладок ве­домых дисков сцепления или тормозных механизмов – износ по толщине, при котором поверхность го­ловок заклепок начинает совпадать с активной поверхностью накладок. Если накладка крепится с помощью клея – износ, при котором оказывается исчер­панным предел регулировки механиз­ма, или износ, при котором прочность оставшегося слоя накладки достигла критического значения;

2. для зубчатых колес – поломка зубьев или трещины, повреждения, уве­личивающие шум при работе передачи, такие как выкрашивание или смятие активной поверхности зубьев;

3. для подшипников качения – износ беговых дорожек и тел качения, вызывающий появление осевого и ра­диального люфтов, превышающих допустимые; выкрашивание на поверх­ности беговых дорожек и тел качения; трещины обойм; поломки сепараторов;

4. для валов – остаточные дефор­мации, поломка, предельный износ шеек под подшипники;

5. для корпусных деталей – тре­щины, предельный износ гнезд под подшипники до значений, ограничивае­мых техническими условиями.

Расчеты по предельным состояниям можно разбить на четыре группы:

1. Расчеты по основным внутренним напряжениям (по несущей способности). Главнейшими из них для деталей машин являются: расчет на прочность, при этом максимальные напряжения, действующие ограниченное число раз (для зубчатых колес менее 2·10⁵ раз) не должны превышать значений, ограниченных кривой усталости; расчет на усталость, при этом многократно возникающее напряжение должно соответствовать пределу выносливости.

2. Расчеты по внешней поверхностной напряженности. Так же как и в предыдущем случае основными являются два расчета: на усталость от многократных нагрузок и смятия от малого числа больших нагрузок

3. Расчеты по вибростойкости. При этом определяются деформации (прогибы, углы закручивания), частоты собственных колебаний и максимально возможные вибрации

4. Расчет по экстремальным нагрузкам.

В процессе эксплуатации автомобиля большинство деталей подергается воздействию переменных напряжений. Если величина переменных напряжений превосходит определенный предел, то в материале деталей происходит процесс постепенного накопления напряжений, который приводят к образованию микротрещин. Постепенно увеличиваясь, трещины приводят к ослаблению сечения детали и к ее разрушению. Этот процесс называют усталостью материала. Сопротивление усталости зависит от вида деформации (изгиб или кручение) и характера изменения напряжения от времени.

Расчеты на усталость валов, зубчатых колес и подшипников рекомендуется проводить по одному из нагрузочных режимов в трансмиссии.

Методика расчета заключается в следующем:

1. выбирают расчетный предел выносливости;

2. определяют кривую распределения нагрузок;

3. выбирают расчетную нагрузку и находят эквивалентное число циклов ее действия;

4. по расчетной нагрузке и числу циклов определяют расчетное число часов работы элемента или пробег до выхода его из строя.

При этом для расчета эквивалентной динамической нагрузки необходимо в начале определить долю работы детали на каждой передаче, учитывая нагрузку и соответствующее число оборотов за время работы на данной передаче.

Примерное распределение пробега автомобиля на передачах (в процентах) приведено в таблице: