Взаимное влияние технического состояния элементов посредством кинематических связей

Наиболее ярко проявляется взаимное влияние технического состояния элементов посредством кинематических связей в механической трансмиссии автомобилей, которая передает значительные нагрузки. Внешним проявлением взаимного влияния технического состояния элементов является то, что при замене отказавшего элемента (например карданного шарнира) установленный имеет ресурс существенно меньше, чем первый. Так как элементы имеют различную стоимость и трудоемкость замены и вносят различный вклад в общую динамическую нагруженность системы, то имеется возможность путем рациональной периодичности и последовательности замены более дешевых элементов увеличивать ресурс дорогостоящих, чем сокращать затраты на обеспечение работоспособности автомобиля.

Рассмотрим на примере механической трансмиссии механизм передачи динамических нагрузок через ее элементы. Кроме динамического характера передаваемого трансмиссией крутящего момента на элементы трансмиссии действуют дополнительные динамические нагрузки от наличия зазоров в сопряжениях (монтажных и вследствие изнашивания). В процессе эксплуатации пропорционально зазорам возрастает и дополнительная составляющая динамических нагрузок, действующих на элементы.

Механизм взаимодействия состояния элементов проанализируем на примере двух кинематически связанных подвижных сопряжений, например карданных шарниров. При наличии зазора (углового люфта) в первом элементе (сопряжении) возникает угловое ускорение e относительного перемещения поверхностей сопряженных деталей, пропорционально которому и моменту инерции первого вала J₁ возрастает момент сил инерции М_j и работа этого перемещения (удара) А_j, которая пропорциональна величине зазора j₁ (углового люфта), то есть

(1.91)

Возникающий ударный импульс повышает интенсивность изнашивания деталей первого сопряжения пропорционально j₁. Кроме того, ударный импульс через промежуточный вал с моментом инерции J₂ передается ко второму сопряжению.

Причем, доля передаваемого ударного импульса зависит от момента инерции промежуточного вала J₂ и его упругости. При неизменных в процессе эксплуатации J₂ и упругих свойствах промежуточного вала можно считать, что эта доля постоянна, то есть

(1.92)

где k¢ и k - коэффициенты пропорциональности, зависящие от момента инерции J₂ и упругих свойств промежуточного вала; А_j20 - работа удара из-за наличия зазора во втором сопряжении, то есть при Dj = 0 (при зазоре j₁₀ в конце приработки).

Приведенная схема рассмотрена при условии передачи крутящего момента от первого вала к промежуточному и третьему. В процессе эксплуатации крутящий момент передается в обе стороны, следовательно, приведенная зависимость (1.92) справедлива и в обратном направлении, только с другими параметрами, то есть

(1.93)

Работа ударного импульса вызывает повышение амплитуды динамических нагрузок, что интенсифицирует усталостные процессы и изнашивание поверхностей трения. Поэтому для амплитуды нагрузки А_р также можно записать зависимость аналогичную (1.92), то есть

или

(1.94)

При незначительном изменении амплитуды нагрузки можно принять приращение интенсивности изнашивания прямо пропорционально приращению амплитуды DА_р, то есть интенсивность изнашивания сопряжения линейно зависит от состояния j кинематически с ним связанных

(1.95)

где b - коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции трансмиссии; a_i0 - интенсивность изнашивания при зазорах в соседних сопряжениях в конце приработки. Приведенные рассуждения справедливы и для других сопряжений и для любого их количества, которые имеют кинематическую связь и передают динамические нагрузки.

Поскольку сопряжения трансмиссии и многих других элементов автомобиля являются динамически нагруженными, то возрастание зазоров в них в процессе эксплуатации происходит по экспоненциальной зависимости (1.7). Поэтому и средняя интенсивность изнашивания деталей элемента после установки в изношенную систему будет возрастать по экспоненциальной зависимости (1.6), а их ресурс будет с каждой заменой сокращаться по экспоненциальной зависимости (1.90).

Приведенные зависимости справедливы как для деталей, узлов, так и агрегатов в целом. Кроме трансмиссии такими кинематически связанными системами автомобиля являются рулевое управление, привод тормозной системы, сцепления, управления подачей топлива и другие. Однако на эти системы приходится незначительная доля отказов и затрат на обеспечение работоспособности. О справедливости приведенных зависимостей свидетельствует обработка многочисленных экспериментальных данных. Так, о возрастании нагрузки на детали трансмиссии с их износом свидетельствуют данные С.Ф. Щетинина, приведенные на Рис. 2.62, из которого видно также, что зависимость эта линейная (1.94), о чем можно судить по величине коэффициента корреляции (0,949…0,982). Аналогичные зависимости получены в лабораторных условиях на трансмиссии автомобиля ГАЗ-53А В.А. Сафоновым, которые приведены на Рис. 2.63.

Рис. 2.62. Изменение неравномерности крутящего момента на карданном валу от износа зубьев шестерен второй передачи коробки передач автомобиля ГАЗ-51 1,2 при n=460мин-1; 3,4 при n=1450мин-1, соответственно высокочастотная и низкочастотная составляющие.

Рис. 2.63. Зависимость динамической нагрузки М и скорости ее нарастания М’ на ведомом валу коробки передач автомобиля ГАЗ-53А при резком изменении режима движения от суммарного люфта S карданного вала.

Из приведенных данных следует, что при реальных износах сопряжений трансмиссии динамические нагрузки в деталях увеличиваются в 1,5…2 раза, что существенно повышает интенсивность их изнашивания и сокращает ресурс.

Повышение нагрузок в сопряжениях трансмиссии по мере их изнашивания обуславливает снижение доли передаваемой мощности, то есть К.П.Д. трансмиссии в процессе эксплуатации. Изменение мощности механических потерь трансмиссии DN можно считать пропорциональным повышению работы удара в сопряжениях при наличии в них зазоров j. Следовательно, в процессе эксплуатации изменение мощности механических потерь DN с учетом (1.93) и (1.7) происходит по зависимости

(1.96)

где kj₀ = DN₀.

Поэтому мощность, передаваемая на колеса, а следовательно и К.П.Д. трансмиссии в процессе эксплуатации будут снижаться по зависимости

(3.97)

где N₀ и h₀ - соответственно колесная мощность автомобиля и К.П.Д. трансмиссии нового автомобиля; DN₀ и Dh₀ - снижение соответственно мощности и К.П.Д. в конце приработки, приведенные к началу эксплуатации. Форма зависимости (1.97) подтверждается и экспериментальными данными (Рис. 2.64), обработка которых позволила определить параметры:

N =100-4,24е^{0,0208 l} (r =0,987)

h = 100-2,93е^{0,0205 l} (r =0,987)

Рис. 2.64. Изменение колесной мощности N и КПД трансмиссии h_тр в процессе эксплуатации автомобилей ЗИЛ-130

Зависимость ресурса элементов трансмиссии от наработки автомобиля с начала эксплуатации (1.90) хорошо подтверждается статистическими данными по автомобилям КамАЗ, приведенным на Рис. 2.65.

Рис. 2.65. Зависимость наработки до ремонта редукторов среднего моста l₃ в долях от наработки до первого ремонта от номера ремонта n и наработки l с начала
эксплуатации автомобилей КамАЗ-5320.

Таким образом, в системах автомобиля, имеющих кинематическую связь между элементами, наблюдается взаимное влияние их технического состояния, проявляющееся в повышении амплитуды динамических нагрузок на детали и интенсивности их изнашивания и усталостного разрушения с ростом зазоров в других сопряжениях по линейной зависимости соответственно (1.94), (1.95). Это приводит к сокращению ресурса элементов в процессе эксплуатации по экспоненциальной зависимости (1.90), а также к повышению мощности механических потерь (1.86) и к сокращению К.П.Д. трансмиссии (1.97).