Особенности расчета карданной передачи с целью обеспечения ее безопасной работы в процессе эксплуатации

УДК 629.34.02

С.Н. Иванов, д.т.н, В.А. Савельев, к.т.н., Н.П. Кочешков / ФГУП «НАМИ»

Для обеспечения безопасной работы карданной передачи в процессе эксплуатации проводят расчет запаса по критической частоте ее вращения [1, 2, 3]. Однако, как выяснилось в практике эксплуатации автобуса ПАЗ 320412-03, соответствие запаса по критической частоте вращения валов карданной передачи рекомендуемым требованиям является обязательным условием, но не является достаточным. Дальнейшее рассуждение в настоящей работе проводится применительно к конкретной конструкции карданной передачи этого автобуса.

В эксплуатационных условиях движения были разрушены карданные передачи двух автобусов. Одна карданная передача разрушена при движении по загородной дороге автобуса в снаряженном состоянии со скоростью около 90 км/ч на 5-й передаче. Разрушение карданной передачи произошло при переходе от спуска с горы к движению автобуса на подъем. Карданная передача другого автобуса разрушена при движении по прямому участку дороги в снаряженном состоянии со скоростью около 90 км/ч на 5-й передаче. В обоих случаях возникновению разрушений карданных передач предшествовало резкое увеличение вибраций в течение 10…20 с, а затем ощущался удар.

Карданная передача автобуса после аварии имеет разрушение трубы промежуточного карданного вала в средней части, погнутость трубы заднего карданного вала и разрушение его вилок. Следует отметить, что по компоновке промежуточный карданный вал расположен в значительно более ограниченном пространстве, чем задний вал. Разрушения валов карданной передачи обусловлены потерей их устойчивости при работе в режиме критических частот вращения.

ОЦЕНКА КРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ КАРДАННЫХ ВАЛОВ АВТОБУСА ПАЗ 320412-03

Согласно ГОСТ Р 52430-2005 критическая частота вращения карданных валов определяется следующим образом:


где D — наружный диаметр трубы, см;
d — внутренний диаметр трубы, см;
L — расстояние между центрами карданных шарниров вала (для промежуточных карданных валов — расстояние между центрами карданного шарнира и промежуточной опоры), см.

По результатам замеров представленного серийного образца карданной передачи автобуса ПАЗ-320412-03 промежуточный карданный вал имеет длину от центра карданного шарнира до центра промежуточной опоры — 1675 мм, а задний карданный вал имеет длину между центрами карданных шарниров 1646 мм. Масса представленного образца карданной передачи — 46 кг.

Критическая частота вращения промежуточного карданного вала, определенная расчетом по формуле (1), составляет 4422 мин-1, а заднего карданного вала — 4579 мин-1. Критические частоты вращения карданных валов в трансмиссии соответствуют резонансным частотам их изгибных колебаний.

ЧАСТОТА ВРАЩЕНИЯ КАРДАННЫХ ВАЛОВ АВТОБУСА ПАЗ 320412-03 ПРИ ЕГО ДВИЖЕНИИ СО СКОРОСТЬЮ 90 км/ч

Для автобуса ПАЗ 320412-03 скорость 90 км/ч согласно данным завода ПАЗ является максимальной скоростью движения этого автобуса. В момент аварий оба автобуса двигались с такой скоростью, т.е.Va составляла 90 км/ч.

Частоту вращения карданных валов автобуса при заданной скорости его движения определим с помощью следующей формулы:


где ne — частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1;
rk — статический радиус ведущих колес, м;
ik — передаточное число коробки передач;
i0 — передаточное число редуктора ведущего моста.

Для автобуса ПАЗ 320412-03:
i5 = 0,76 (пятая передача); i0 = 4,875; rk = 0,389 м.

Используя формулу (2) определена частота вращения коленчатого вала двигателя автобуса при движении его со скоростью 90 км/ч. Эта частота составляет 2274 мин-1. При этом частота вращения карданных валов составляет 2992 мин-1.

В трансмиссии автобуса ПАЗ 320412-03 источником возмущения изгибных колебаний, передающихся на карданную передачу трансмиссии, являются неуравновешенные силы инерции второго порядка четырехцилиндрового рядного дизеля Камминз 185, частота возмущения которых — два импульса за оборот коленчатого вала двигателя. При совпадении частоты возмущения от неуравновешенных сил инерции второго порядка с основными собственными частотами изгибных колебаний промежуточного и заднего карданных валов резко возрастают амплитуды этих колебаний. Так как частота колебаний от неуравновешенных сил инерции второго порядка соответствует двум импульсам за оборот коленчатого вала, то при частоте вращения коленчатого вала 2274 мин-1 частота возмущения изгибных колебаний будет составлять 4548 мин-1, т.е. будет очень близка к критической частоте 4579 мин-1 заднего карданного вала. При этом в трансмиссии должны ощущаться сильные вибрации.

С изменением скорости движения автобуса возможна также ситуация, когда частота возмущения колебаний от неуравновешенных сил инерции второго порядка будет совпадать с критической частотой вращения промежуточного вала. В этом случае возникнет потеря устойчивости промежуточного карданного вала в виде деформаций и разрушения его элементов. По расчетам такая ситуация соответствует частоте вращения коленчатого вала двигателя 2211 мин-1.

Резонансные явления для трансмиссии автобуса ПАЗ 320412-03 возможны при переходных режимах его движения на высшей передаче, например, при движении со спуска на подъем, при торможении двигателем на горизонтальном участке дороги. При таких переходных режимах всегда в какой-то промежуток времени частота вращения коленчатого вала близка к частоте вращения карданной передачи и если при этих частотах вращения неуравновешенными силами инерции дизеля будут возбуждаться вибрации с частотой колебаний, соответствующей основным собственным частотам изгибных колебаний карданных валов, то в этом случае возможна потеря их устойчивости при работе.

Проверка параметров серийной карданной передачи автобуса ПАЗ 320412-03, изготовленной заводом «Белкард», показала, что геометрические параметры биения в средних и крайних сечениях валов, зазоры в подвижном соединении, величины остаточного дисбаланса у карданных шарниров и промежуточной опоры соответствуют требованиям представленной заводом ПАЗ технической справки, а также ГОСТ Р 52430-2005. Проведенные исследования материала трубы 71x3,0 разрушенного промежуточного вала карданной передачи свидетельствуют, что труба изготовлена из стали 10Г2. В технической справке завода ПАЗ указан материал трубы 71x3,0 ст20 ГОСТ 5005-82.

Для устранения возникновения в эксплуатации возможных разрушений валов карданной передачи автобусов ПАЗ 320412-03 необходимо пересмотреть конструкцию карданной передачи. Такая работа проведена в НАМИ. В результате этой работы после соответствующих расчетов изготовлен опытный образец конструкции карданной передачи (см. рисунок), проведены испытания в лабораторных и дорожных условиях, разработана техническая документация и передана заводу-изготовителю карданных передач для автобуса ПАЗ 320412-03.


В таблице представлены основные параметры карданной передачи автобуса ПАЗ 320412-03 до ее модернизации и после таковой, т.е. применительно к конструкции, разработанной в НАМИ.


ВЫВОД

Определение запаса по критической частоте вращения карданных валов с целью обеспечения безопасности при работе в эксплуатационных условиях является необходимым, но не является достаточным. Дополнительным условием при этом является учет влияния на колебательную систему неуравновешенных сил инерции второго порядка двигателя.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Проектирование трансмиссий автомобилей: Справочник / Под общ. ред. А.И. Гришкевича. — М.: Машиностроение, 1984, — 272 с.

2. Лукин П.П., Г.А. Гаспарянц, В.Ф. Родионов. — М.: Машиностроение, 1984, — 376 с.

3. ГОСТ Р 52430 — 2005. Передачи карданные автомобилей с шарнирами неравных угловых скоростей. Общие технические требования. — М.: Стандартинформ, 2006.