Расчет автомобиля

4.3. Расчет синхронизаторов

Наибольшее распространение  на современных транспортных средствах  получили инерционные конусные синхронизаторы (рис. 4.2), которые не допускают включения  передачи до полного выравнивания угловых  скоростей соединяемых деталей.

Рис. 4.2. Расчетная схема  инерционного конусного синхронизатора

Цель расчета синхронизатора - определение углов наклона конусов и блокирующих поверхностей, обеспечивающих соблюдение условия невключения передачи до полного выравнивания угловых скоростей соединяемых деталей, а также момента трения и времени синхронизации.

При расчетах синхронизатора пренебрегают влиянием сопротивления  масла на снижение частоты вращения зубчатых колес, так как оно при  нормальном температурном режиме не оказывает существенного влияния  на процесс синхронизации. Предполагается также, что скорость автомобиля за время  синхронизации не изменяется.

 

Синхронизаторы принято  оценивать по удельной работе буксования.

Удельную работу буксования рассчитывают по формуле

,                                                                                                          (4.3.1)

= = 5,18* Дж/

где l_с – удельная работа буксования, МДж/м²; L_c – работа буксования при выравнивании угловых скоростей вала и установленного на нем зубчатого колеса, Дж; F_с – площадь поверхности трения синхронизатора, м².

Работу буксования определяют по формуле

,                                                                   (4.3.2)

= 14 Дж

где J_пр – суммарный приведенный момент инерции, кг·м²; w_е – расчетная угловая скорость коленчатого вала двигателя при переключении передач, рад/с; i_к – передаточное число выключаемой передачи; i_к+1 – передаточное число включаемой передачи.

Для двухвальной коробки  передач:

,                                               (4.3.3)

 

где SJ_k^вщ – суммарный момент инерции зубчатых колес на ведущем валу, кг·м².

Момент инерции диска (шестерни, вала) относительно оси, проходящей через его центр и перпендикулярной плоскости его вращения, в общем  случае можно определить по формуле

,                                                                                                  (4.3.4)

 

где J – момент инерции, кг×м²; M – масса диска, кг; R – радиус диска, м.

Для нахождения моментов инерции  валов необходимо определить их размеры.

Размеры валов коробок  передач выбираются, исходя из условия  обеспечения достаточной их жесткости.

 Диаметр ведущего вала  коробки передач приближенно  определяют по формуле

,                                                                                     (4.3.5)        

= 22,7 мм.

где d_вщ – диаметр ведущего вала, мм; k – коэффициент.

Коэффициент – k = 4,0 – 4,6 [5]. Принимаем k = 4,0

Из рекомендуемого отношения  диаметра ведущего вала к его длине [2],  можно найти длину вала:

,

Принимаем = 0,16    = 22,7\ 0,16 =141,8 мм.

Диаметр ведомого и промежуточного валов в средней их части (валы ступенчатые) определяют по формуле

,                                                                            (4.3.6)

 0,45*105 =  47,2 мм.

где d_{вд (пром)} – диаметр ведомого (промежуточного) вала, м.

Длину ведущего вала двухвальной  коробки передач приближенно  рассчитывают по формуле

 

lвд =dвд/0,18 =47,2/0,18 =262,2 мм

 

	М, кг.	J, кг*
Диск сцепления	3,5	0,07
Ведущий вал КПП	1,65	0,106
Ведомый вал КПП	3,52	0,002
Шестерня	4,08	0,0006
Шестерня	0,22	0,00013
Шестерня	0,305	0,00025
Шестерня	0,043	0,000005
Шестерня	0,191	0,00010
Шестерня	0,061	0,000010
Шестерня	0,130	0,00004
Шестерня	0,104	0,00003
Шестерня	0,130	0,00004
Шестерня	0,226	0,00014

 

Jпр=0,07+0,106+0,002+(0,006+0,00025+0,00010+0,00004+0,00004)+(0,00014*+0,00003*+0,000010*+0,000005*+0,00013*) =

= 1,86 кг*

Расчетная угловая скорость коленчатого вала двигателя при  переключении передач приведена  в табл. 1.5 [5].

                                                                                                

                                                                                                           Таблица 4.6

Расчетная угловая скорость коленчатого вала двигателя

при переключении передач, рад/с

Направление переключения	Бензиновый двигатель		Дизель
передач	Легковой автомобиль	Грузовой автомобиль	Грузовой автомобиль
С низшей на высшую	(0,6 – 0,7)wN	(0,7 – 0,8)wN	(0,75 – 0,85)wN
С высшей на низшую	(0,4 – 0,5)wN	(0,5 – 0,6)wN	(0,9 – 1,0)wM

где w_N, w_M - угловая скорость коленчатого вала двигателя при максимальной мощности и максимальном крутящем моменте соответственно, рад/с.

Площадь поверхности трения синхронизатора определяют по формуле

,                                                                                             (4.3.8)

=2*3,14*0,55*0,0008 = 0,0027

где r – средний радиус поверхности трения конуса синхронизатора, м;  b_c – ширина кольца трения по образующей конуса, м.

Средний радиус поверхности  трения рассчитывают по формуле

,                                                                                                 (4.3.9)

 

r = = 0,55 м

 

где М_т – момент трения на поверхности конуса, Н·м; d – половина угла при вершине конуса, град; m – коэффициент трения; S – осевая сила, Н.

Момент трения на поверхности  конуса рассчитывают по формуле

,                                                         (4.3.10)

 = 166,86 Н*м

где t_с – время синхронизации, с.

Время синхронизации приведено  в табл. 1.6 [5].

Таблица 1.6

Время синхронизации, с

Передачи	Легковые автомобили	Грузовые автомобили
Низшие	0,5 – 0,8	1,0 – 1,5
Высшие	0,15 – 0,3	0,3 – 0,8

Одним из важнейших конструктивных параметров синхронизатора является угол конусности поверхностей трения. Низший предел половины угла конусности для  пары "сталь – бронза" – d = 6 – 12° [4]. Из-за возможного заклинивания поверхностей трения половина угла конусности должна быть больше угла трения, который связан с коэффициентом трения зависимостью:

,                                                                                                        (4.3.11)

где r – угол трения, град. 

Коэффициент трения для пары "сталь – бронза" – m= 0,06 – 0,1 [4].

Принимаем d = 6° и m= 0,09

Осевую силу определяют по формуле

,                                                                                            (4.3.12)

S = 60*5 = 300 H

где Р_рыч – усилие, прикладываемое водителем к рычагу коробки передач, Н; i_рыч – передаточное число рычага переключения передач (отношение хода рукоятки к ходу муфты).

Усилие, прикладываемое водителем  к рычагу коробки передач [5]:

• для легковых автомобилей и автобусов – Р_рыч £ 60 Н;
• для грузовых автомобилей – Р_рыч £ 100 Н.

Передаточное число рычага переключения передач [5]:

• для легковых автомобилей – i_рыч= 2 – 5;
• для грузовых автомобилей – i_рыч= 7 – 13.

Принимаем Р_рыч = 60 и i_рыч= 5

Ширину кольца трения по образующей конуса определяют по формуле:

,                                                                                  (4.3.13)

 

= = 0,0008 м

где Р_N – допустимое давление на поверхность конуса, Па.

Допустимое давление  – Р_N= 1,0 – 1,5 МПа [5].

Принимаем – Р_N= 1,1 МПа

Допустимая удельная работа буксования [4]:

• для легковых автомобилей – [l_с]= 0,03 – 0,1 МДж/м²;
• для грузовых автомобилей – [l_с]= 0,05 – 0,4 МДж/м².

Нижние пределы соответствуют  высшим ступеням коробки передач, верхние  – низшим.

5. Расчет карданной  передачи.

5.1 . Расчет карданной  передачи с шарнирами равных  угловых скоростей.

Карданные шарниры равных угловых скоростей (синхронные) устанавливаются  в приводе ведущих управляемых  колес.

Расчетная схема синхронного  карданного шарнира приведена на рис.2.3.

Рис. 2.3. Расчетная схема  синхронного карданного шарнира:

1 – шарик; 2 – наружная  обойма; 3 – сепаратор; 4 - внутренняя  обойма.

Максимальный момент по сцеплению, передаваемый шарниром, определяют по формуле

,                                                                                  (5.1)

= 1000*0,409*1 = 409 Н*м

где М_j – максимальный момент по сцеплению, передаваемый шарниром, Н×м; G_к – вес, приходящийся на колесо, Н; r_к - радиус качения колеса, м; j – максимальный коэффициент сцепления.

Максимальный коэффициент  сцепления при расчете синхронных карданных шарниров принимается  – j= 1,0 [3].

По рассчитанному крутящему  моменту из табл. 5.1 [5] выбирают диаметр  шарика шарнира равных угловых скоростей, а также наружный диаметр вала.

                                                                                                                                Таблица 5.1

Параметры синхронных карданных  шарниров

Параметр	Значение
Расчетный крутящий момент, кН·м	1,37	2,20	4,50	7,75
Диаметр шарика, мм	25,32 (25,50)	29,50	40,0	42,86
Максимальный диаметр  вращения шарнира, мм	98	109	142	156
Расстояние между наружными  торцами, мм	96	109	134	144
Наружный диаметр вала, мм	32,0	35,0	44,5	50,0
Нагрузка на передний мост  не более, кН	10,0	15,0	27,5	30,0

При расчете шариковых  карданных шарниров с делительным  механизмом число шариков должно быть четным.

Для обеспечения необходимой  плавности работы и равномерного распределения нагрузок устанавливают  шесть шариков, равномерно распределенных по окружности.

Допустимое окружное усилие рассчитывают по формуле