|
|
На автомобилях применяют две группы
узлов, обеспечивающих передачу вращения с одного вала на другой при
изменяющемся угле наклона между ними (карданные передачи), и карданные
шарниры равных угловых скоростей, обеспечивающие передачу мощности от
двигателя к передним управляемым ведущим колесам автомобилей.
Карданная передача является элементом, передающим усилие
от коробки передач или раздаточной коробки к главной передаче ведущего моста
автомобиля. В процессе движения автомобиля угол наклона между валами этих
узлов изменяется, так как ведущий мост подвешен на рессорах или пружинах и
может перемещаться относительно рамы или кузова. Преимущественное применение
на автомобилях получили жесткие карданные шарниры (шарниры Гука), состоящие
из двух вилок, закрепленных на валах, и крестовины с игольчатыми
подшипниками, соединяющими их. Вилки могут качаться на крестовине во взаимно
перпендикулярных плоскостях. На концах карданного вала установлено по
крестовине. Применяют карданные передачи с одним карданным валом или с
главным и промежуточными валами, установленными на промежуточной опоре. В двойной
карданной передаче с одним валом к одному концу трубчатого вала 8 ( 7,а)
приварен наконечник 5 со шлицами, а к другому концу—наконечник с вилкой
второго карданного шарнира 9. Карданный вал наконечника 5 соединен со
шлицевой ступицей 4 вилки 3. Скользящее шлицевое соединение одного из
карданных шарниров с валом необходимо для обеспечения возможности осевого
перемещения вала при деформации рессор подвески.
Основным элементом передачи является карданный шарнир, на
долю которого в зависимости от типа автомобиля п условий эксплуатации
приходится 67...91% отказов узла [32).
Условия работы игольчатых подшипников карданных валов
характеризуются наличием циклических нагрузок с частотой колебаний
1000...3000 мин-1. Основным параметром, влияющим на работоспособность
подшипника, является нагрузка или крутящий момент. Контактные напряжения в
игольчатых подшипниках большинства автомобилей достигают 2000 МПа, а на
отдельных моделях грузовых автомобилей даже 3000 МПа. В момент трогаиия
автомобиля они могут достигать 3400...3900 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 основ- оном
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 бринел- лирование 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,
ло 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.
Необходимо отметить, что до конца 60-х годов все шарниры
карданных валов отечественных автомобилей смазывали только трансмиссионными
маслами (ТАп-15, ТАп-15В и др.). Использование же пластичных смазок в этих
узлах категорически запрещалось, В связи с этим крестовины карданных валов
снабжались масленками и клапанами соответственно для заправки и удаления
излишков масла. Лишь в 70-х годах исследованиями, проведенными на ЗИЛе и
ГАЗе, было установлено, что заимствованные в 40-х годах без экспериментальной
проверки зарубежные рекомендации по применению масел являются ошибочными.
Несмотря на регулярное обслуживание и смазывание шарниров, которое
проводилось через 600... 1500 км пробега, т. е. практически ежедневно,
работоспособность шарниров оставалась низкой и не превышала 30...50 тыс. км
[34], Это объясняется быстрым выбрасыванием масла через кромки радиальных
сальников, из масленок и особенно через предохранительный клапан. Кроме того,
практически невозможно с помощью шприца заполнить маслом весь внутренний
объем игольчатых подшипников и тем самым обеспечить оптимальный режим трения.
При остановке автомобиля масло из верхнего шипа стекало в нижний, что также
неблагоприятно сказывалось на режиме работы узла.
В процессе эксплуатации выброс смазочного материала
способствует накоплению значительных количеств пыли и грязи на поверхностях
крестовин и сальников, что по мере износа сальников способствует
проникновению пыли и влаги к поверхностям трения, а это в свою очередь
вызывает повышенный износ деталей и выход из строя узла. В этих случаях
частая смена масла не только не полезна, но даже вредна, так как вместе со
свежим маслом в узел попадают и абразивные частицы, осевшие в головке
масленки.
Радикальное решение проблемы стало возможным при
использовании высококачественных пластичных смазок в сочетании с установкой
уплотнений, обеспечивающих герметизацию узла, и другими мероприятиями по
повышению Точности и качества изготовления деталей шарнира. Одной из самых
эффективных в таких узлах, устанавливаемых ha грузовых автомобилях, оказалась
смазка № 158, а на автомобилях ВАЗ — фиол-2у. Так, на автомобилях МАЗ
применение смазки № 158 в тех же крестовинах из цементированной стали 18ХГТ
снизило износ в 6...3,1 раза по сравнению с маслом ТАп-15В. Внедрение указа иных
мероприятий дало возможность на ряде моделей автомобилей (ЗИЛ, «Урал» и
некоторых других) за счет укомплектования их карданными валами, шарниры
которых не требуют пополнения смазки, исключить операции по техническому
обслуживанию данных узлов в процессе эксплуатации. В крестовинах таких
карданных шарниров нет масленок, а осевые каналы в них выполнены глухими (
8). В настоящее время долговечность карданных шарниров в зависимости от типа
автомобиля и дорожных условий составляет не менее 100..150 тыс. км.
Карданные шарниры равных угловых скоростей предназначены
для передачи крутящего момента на ведущие н/или управляемые колеса
переднеприводного и полноприводного автомобиля. К наиболее распространенным
конструкциям карданных шарниров равных угловых скоростей относятся следующие
[14] : шариковый шарнир типа Вейс, используемый на автомобилях ЗИЛ-131 и
ГАЗ-66 ( 9,а); шарнир Рцеппа; шарнир Тракта, применяемый на большегрузных автомобилях
Уральского, Камского и Кременчугского автозаводов ( 9,6); шарнир типа Бирфильд,
применяемым на гюлно- приводном легковом автомобиле ВАЗ-2121 «Нива»;
сдвоенные карданные шарниры с игольчатыми подшипниками ( 10) и др.
Характерной особенностью условий работы пар трения этих узлов являются
повышенные удельные нагрузки [4].
Первые две конструкции шарниров (Вейса и Рцеппа) в
качестве рабочих элементов имеют шарики, перемещающиеся одновременно в
канавках ведущей и ведомой вилки. При их работе наблюдается повышенный износ
вследствие проскальзывания шариков. Ресурс таких шарниров достигает 50...60
тыс. км. Для них характерна работа при высоких контактных налряжениях,
достигающих 3400...3900 МПа. В тяжелых условиях температура этих узлов
повышается до 150...200 °С, а максимальный крутящий момент до 80 Н-м. В
результате недостаточных смазывающих свойств применяемых в них смазочных
материалов нарушение нормальной эксплуатации (повышение температуры, стук,
задиры и вырывы металла на рабочих поверхностях) наступает задолго до
выработки рабочего ресурса узла. К уменьшению этого ресурса приводит также
попадание в узел воды, пыли и других абразивных материалов. Так, в процессе
преодоления водных преград смазка AM карданная разрушается и вымывается из
шарниров.
Шарнирные соединения, в том числе карданные шарниры разных
угловых скоростей,— наиболее нагруженные узлы трения автомобилей, Их
существенная особенность состоит и реверсивности трения скольжения
сопряженных деталей. В силу конструктивных особенностей в шарнирных узлах
невозможно создать режим жидкостного трения ввиду того, что относительная
скорость скольжения сопряженных поверхностей постоянно проходит через пулевое
значение, а возникающие гидродинамические пленки в процессе вибрации
постоянно нарушаются.
Специфика работы смазочного материала в карданных шарнирах
равных угловых скоростей состоит в предотвращении прямого контакта
поверхностей трения сопряженных деталей, работающих при высоких удельных
нагрузках в режиме качения, скольжения и вибрации.
Карданные передачи включают и другие узлы трения, Которые
смазывают пластичными смазками, например шлнцевые скользящие соединения и
промежуточные опоры карданных валов. Шлнцевые соединения характеризуются
относительно невысокими удельными нагрузками, редко превышающими 10...20 МПа.
Для них типичны максимальные температуры не выше 60 СС, а рабочие — порядка
50 °С. Режим трения шлицевых соединений, так же как и в карданных шарнирах
равных угловых скоростей, реверсивный, для них также характерны трение
скольжения и вибрация. В промежуточных опорах используются шариковые и
роликовые подшипники. Для легковых и двухосных грузовых автомобилей типична
опора, состоящая из шарикового подшипника, закрепленного внутренним кольцом
на валу и установленного на резиновой подушке, которая, в свою очередь,
крепится к раме или кузову автомобиля. В грузовых трехосных автомобилях
промежуточная опора обычно включается в карданную передачу ко второму заднему
ведущему "Осту и состоит из корпуса и вала, установленного корпусе на
роликовых подшипниках. В обоих случаях подшипники защищают сальниками и
грязеотражателями. Подшипники работают при невысоких нагрузках и
температурах. К смазкам для этих узлов повышенных требо ваний не
предъявляется.
|