Текст книги "Автомобиль"

Элементы карданной передачи

Карданная передача, служит для передачи крутящего момента с ведомого вала коробки передач к главной передаче под изменяющимся углом (для автомобилей с классической компоновкой) или к управляемым колесам при помощи качающихся полуосей (для переднеприводных автомобилей), а также между мостами, раздаточными коробками и другими агрегатами. Для карданных передач обычного типа используются карданные шарниры неравных угловых скоростей с карданными крестовинами, а для карданных передач переднеприводных автомобилей используются полуоси с карданными шарнирами равных угловых скоростей в виде зацепленных дисков, центрируемых кулаков с шариками и пр. В качестве шарниров карданных передач используются также упругие муфты, обеспечивающие небольшой угол между валами.

Принцип действия карданной передачи: крутящий момент на выходном валу коробки передач и соответственно его вращение передаются к ведущим колесам за счет элемента называемого карданным валом или как вариант-полусями непосредственно к ведущим и управляемым колесам.

Коробка передач располагается в корпусе, который жестко закреплен на двигателе посредством болтового крепления, и вместе с ним располагается непосредственно на кузове автомобиля или его раме. От выходного вала коробки передач таким образом вращение далее передается к колесам, которые катятся по неровностям дороги и связаны с кузовом автомобиля с помощью подвижной подвески. Поэтому при движении автомобиля расстояние между выходным валом коробки передач и непосредственно, например, ведущим мостом – изменяется как по горизонтали так и по вертикали, поэтому основными требованиями к карданной передаче являются высокая прочность, изменяемый угол передачи вращения ведомых звеньев, а так же обязательное изменение их длины.

Вал карданных передач изготавливают легким и пустотелым специально увеличенного диаметра, на концах которого укрепляются (завариваются) фланцы для крепления карданных шарниров с подвижными шлицевыми разьемами. Так как карданный вал работает в условиях вибрации при движении по неровностям дороги, то к нему предьявляется требование уравновешенности, иначе суммарная вибрация карданного вала может превысить допустимые пределы и станет передаваться на кузов и ощущаться в салоне. Таким образом, один из концов карданного вала может иметь шлицевой валик для изменения длины карданной передачи при движении. Это соединение обычно должно иметь хорошую смазку и закрытый кожух, так как сам кардан располагается под днищем и работает в условиях самой агрессивной среды. Другой конец карданного вала обязательно имеет вилку-фланец для закрепления и установки карданного шарнира (стандартный шарнир-это карданная крестовина на игольчатых подшипниках).Когда функции полукарданов выполняют полуоси привода к ведущим и управляемым колесам, то они имеют шлицевое компенсирующее соединение на валу или прямо в главной передаче, но карданными шарнирами являются шарниры равных угловых скоростей, так как по сравнению с карданными крестовинами они должны более ровно и без виброускорений передавать вращающий момент к поворачиваемым управляемым колесам, т.е. под углами хотя бы до 45 градусов поворота и больше.

При приводе к задним колесам используется карданный вал в виде трубы (тонкостенной пустотелой из стали или композитных материалов) с карданными вилками на концах (одинарными, сдвоенными) или двух труб с промежуточной подшипниковой опорой на резиновой обойме. Иногда в качестве компенсатора изменения длины посредственно шлицевое соединение также устанавливается на карданном валу. На выходном валу коробки передач в качестве карданного шарнира могут быть установлены резиновые, упругие шарниры.

Основным карданным шарниром является карданная крестовина с игольчатыми подшипниками в крышках. Для переднеприводных автомобилей используются карданные шарниры равных угловых скоростей типа Weis Rzeppa, дисковый, сухарный, Tripod, с жесткими центрирующими шпильками и шариками, одним диском и пр., которые передают равномерный крутящий момент.

Механизмы главной передачи

Главная передача служит для передачи крутящего момента от карданного вала к полуосям под прямым углом для заднеприводных автомобилей или непосредственно к полуосям управляемых и ведущих колес для переднеприводных автомобилей. Главные передачи по количеству шестерен зацепления могут быть одинарными и двойными. По типу зацепления они могут быть одинарными и двойными. По типу зацепления они могут быть с прямозубым зацеплением или косозубым зацеплением (цилиндрические, конические).Конические передачи, кроме того, могут быть центральными с пересекающимися осями и гипоидными со скрещивающимися осями. Последние находят наибольшее применение, так как обладают меньшей удельной нагрузкой на зубья высокой долговечностью при соблюдении условий смазки, низким шумом, они также более высокоскоростные и позволяют располагать ниже общий центр тяжести автомобиля. Кроме того, существует червячный тип главной передачи, который иногда находит применение на автобусах и обеспечивает наибольшее понижение числа оборотов. Все главные передачи являются понижающими (по этому признаку к ним можно

отнести также разнесенные колесные редукторы). Для грузовых автомобилей используются двойные, главные передачи с конической и цилиндрической парой. Для современных легковых автомобилей используется цилиндрическая пара зацепления (прямозубая, косозубая). Ведомая шестерня главной передачи укрепляется с помощью болтового соединения на коробке дифференциала, так как это позволяет заменять вышедшую из строя шестерню. Ведущий вал имеет малую по диаметру шестерню, устанавливаемую на шлицах или отлитую с ним и опирается на шарикоподшипники (или роликовые подшипники).

Главная передача мотоцикла, как правило, представляет собой цепную понижающую передачу (открытую или в кожухе);ведомая звездочка устанавливается непосредственно на колесе. Для тяжелых мотоциклов главная передача выполнена в виде конической пары зацепления с приводом с помощью карданного вала.

Принципом действия главной передачи является понижение частоты вращения на колесах, подводимой от карданного вала. Это понижающий редуктор, однако он в этом случае наоборот увеличивает величину крутящего момента на ведущих колесах, т.е. непосредственно силу тяги на них, что принципиально важно для автомобилей. Этот понижающий редуктор является последним силовым механизмом в трансмиссии, предназначенным для увеличения тяги на колесах автомобиля, так как все другие агрегаты применены уже до него. Кроме этого, главную передачу стремяться расположить как можно ниже под полом кузова с сохранением необходимого клиренса для проходимости, что позволяет увеличить устойчивость всего тяжелого автомобиля за счет смещения его центра тяжести вниз. Для обеспечения плавности хода и бесшумности работы главной передачи используются как минимум косозубые шестерни зацепления естественно расположенные в герметичном корпусе в масляной ванне. Когда применяется гипоидное зацепление его долговечность еще более возрастает и затруднение движения связано только с задним ходом (повышенный шум и износ, поэтому движение задним ходом на большие расстояния вообще не рекомендуется). Но для переднеприводных автомобилей гипоидные схемы практически вообще не применяются, а главные передачи являются очень долговечными.

Важнейшим элементом главной передачи является дифференциал, который располагается всегда в ее корпусе. Дифференциал распределяет крутящий момент на полуоси автомобилей к любому мосту при возможности обеспечивания относительного скручивания колес двигающихся по разным радиусам поворота или по неровностям дороги. Если это не обеспечивается, то полуоси ведущего моста неминуемо выйдут из строя, т.е. просто оборвуться так как привод левого и правого колеса автомобиля двигающегося, например на повороте не может иметь одинаковую синхронную частоту. Силы дорожного сопротивления у этих колес окажутся разными и настолько большими, что поломка полуосей или интенсивнейший износ шин произойдут однозначно, а сам автомобиль просто не сможет двигаться по своему курсу поворота. Поэтому главная передача вместе с дифференциалом в одном корпусе имеет необходимую прочностную конструкцию и конструктивные элементы для этого. Главные передачи выполняются сьемными с мостов для заднеприводных автомобилей и из коробок передач для переднеприводных автомобилей.

Кроме этого вся конструкция главной передачи вместе с дифференциалом имеет простую разборную схему для возможной замены изношенных или вышедших из строя их элементов. Крутящий момент от главной передачи с дифференциалом передается непосредственно на полуоси привода ведущих колес с помощью шлицевых соединений.

Дифференциал служит для обеспечения возможности движения автомобиля на повороте без буксования ведущих колес, а также с различной их угловой скоростью при движении по неровностям. Дифференциалы бывают следующих типов: обычного, повышенного трения, самоблокирующиеся, межосевые (вискозные муфты),иногда используются муфты свободного хода с блокировкой и т. п.

Дифференциалы обычного типа имеют два или четыре сателлита, устанавливаемых на оси или крестовине и входящих в зацепление с шестернями полуосей. Они обеспечивают нормальную работу дифференциала лишь при примерно равных силах сопротивления на ведущих колесах. Для дифференциалов повышенного трения или самоблокирующихся характерно то, что они могут обеспечить движение в любых сложных условиях без относительного скольжения одного колеса к другому. Это достигается за счет появления циркуляции мощности (затрат на внутреннее трение) внутри него путем установки специальных фрикционных шайб, создания специальной профилированной поверхности, установки подтормаживающих фрикционов. Межосевые самоблокирующиеся дифференциалы зарубежных автомобилей представляют собой муфты повышенного трения цилиндрической формы, внутри которых собран пакет сильно перфорированных пластин, между которыми циркулирует силиконовая жидкость, блокирующая в целом их относительное перемещение.

Устройство и конструктивные особенности ходовой части и систем управления автомобиля

Подвеска автомобилей имеет упругие, направляющие и гасящие элементы. Упругими элементами подвески являются листовая рессора, витая пружина, торсион и пневматический (гидропневматический) баллон. Направляющими элементами являются продольные и поперечные рычаги, их функции также выполняет листовая рессора.

Гасящими элементами являются гидравлический (гидропневматический, пневматический) амортизатор или баллон. Витые пружины, в частности, с переменным шагом, являются наиболее простым и распространенным упругим элементом для легковых автомобилей как на передней подвеске, так и на задней. Листовая рессора состоит из нескольких сложенных вместе листов разной длины, а также верхнего или нижнего подрессорника, которые увеличивают жесткость подвески при большой нагрузке. Рессорная подвеска применяется в основном на грузовых автомобилях, автобусах, а иногда на легковых автомобилях. Прогрессивными видами упругих элементов являются торсион на задних подвесках легковых автомобилей и пневматическая (гидропневматическая) подвеска с регулируемыми внутренним давлением и дорожным просветом (применяется как на легковых автомобилях, так и на автобусах и грузовых автомобилях).

На мотоциклах используются пружинные передние вилки и пружинные и гидравлическо-пружинные амортизаторы заднего рычага. Упругие элементы подвески предназначены для уменьшения колебаний автомобиля при его движении по неровностям, т.е. для повышения комфортабельности движения.

.

Подвески бывают независимого типа, одно колесо не влияет на колебания другого и зависимого типа (имеют жесткую балку моста). Существуют подвески связанного или полунезависимого типа (с П-образной балкой моста). По типу направляющих и упругих элементов подвески бывают: с двумя поперечными рессорами, рессорно-рычажная, трапециевидная, Мс-Ferson (качающаяся свеча),параллельная, торсионная, De-Dion, спортивного типа с длинными рычагами, тросово-пружинная, рычажно-тросовая и т. п. Зависимые подвески как правило имеют продольные рычаги и жесткую балку. Кроме того, существуют передние и задние, стабилизаторы поперечной устойчивости, обеспечивающие уменьшение бокового крена на повороте при больших скоростях, особенно, для независимых подвесок.

Принцип действия подвески. Автомобили имеют кузова с двигателями, к которым укрепляются шасси с колесами и подвеской. Шасси автомобиля может крепиться к хребтовой или леснитчной раме. При движении по неровной дороге автомобиль, как и колеса перемещаются в вертикальной плоскости, т.е. начинают колебаться. Если колеса могут следовать неровностям профиля дороги, то для кузова это не допустимо. Ни пассажиры, ни груз находящиеся внутри не смогут выдержать вибрацию и толчки от неровностей дороги, условия движения самого автомобиля должны быть полностью комфортабельными и комфортными. Поэтому назначением подвески служит создание комфортабельного перемещения автомобиля при движении за счет элементов, сглаживающих толчки от неровностей, ям, выбоин и пр. препятствий на дорожном полотне или тем более по бездорожью. Поэтому назначение всех элементов подвески соответствует их классификационному названию: упругие элементы за счет своей упругости напрямую сглаживают толчки от колес, снижая их амплитуду, а также реактивные силы, гасящие элементы-снижают вибрацию и раскачки упругих элементов за счет своих внутренних демпфирующих элементов, направляющие элементы служат для эластичной кинематической связи колес и рычагов подвески с кузовом или мостом автомобиля. Мост автомобиля с подвеской по типу может быть зависимым или независимым.

Зависимый мост имеет жесткую балку для двух колес (левого и правого),Поэтому при движении колебание одного колеса в любом случае передается к другому, это менее комфортабельно, но прочность и долговечность самого моста являются очень высокими. Такие мосты применяются в основном для движения по бездорожью и в основном на грузовых автомобилях, либо для внедорожников старого типа. Независимый мост имеет не жесткую связь левого и правого колеса, и т.е. фактически без обьединенной балки колес, а связывающей их с помощью рычагов. Такие мосты являются комфортабельными, обязательно должны применяться для легковых автомобилей как минимум для переднего моста. В этом случае как уже указывалось левое и правое колеса при колебаниях на дороге друг на друга не влияют и нет поперечного раскачивания, следовательно для автомобиля – это комфортабельные условия движения. Остальное связывается с параметрами упругости и жесткости самих элементов подвесок. Для легковых автомобилей с целью увеличения комфортабельности стремяться применять и задний мост независимого типа.

Тип подвески характеризуется в основном расположением рычагов, которые обеспечивают наиболее выгодную для данной модели кинематику качения колеса.

Гидроэластичное подрессоривание типа Haidragas с пневмо-элементами, также гидропневматическое, подрессоривание с баллонами упругости, содержащими азот с микропроцессорной системой управления являются основной, перспективной возможностью изменения жесткости и величины дорожного просвета.

В пневматических элементах функции гасителя играют дефлекторные внутренние отверстия, а в гидравлических амортизаторах эти функции выполняет поршневое устройство.

Существуют также гидропневматические амортизаторы с внутренним воздушным объемом.

Гасящие элементы подвески служат для уменьшения колебательного процесса с помощью изменения сопротивления при отдаче за счет клапанов различного проходного сечения.

Механизмы рулевого привода

Рулевое управление автомобиля служит для обеспечения возможности заданного криволинейного движения автомобиля на поворотах и т. п. Оно состоит из рулевого колеса, рулевого вала (пустотелая труба с безопасной вставкой или сочлененная карданная труба),рулевого механизма, рулевого усилителя, тяг рулевого привода (продольной тяги рулевой сошки) и рулевой трапеции. Рулевой механизм бывает следующих типов: червяк-сектор, винтовая передача, реечный, червячно-роликовый, червячно-кривошипный, гайка с шариками и т. п. Наиболее распространенные типы рулевого механизма: червяк-глобоидный ролик и реечный рулевой механизм. Последний тип применяется на большинстве легковых автомобилей из-за его компактности и надежности.

Принцип действия рулевого управления заключается в том, что его механизмы позволяют обеспечивать движение любого автомобиля на поворотах за счет поворота руля водителем, т.е. в необходимом направлении, а так же обеспечивать его управляемость и безопасность движения при больших скоростях. Водитель сам задает поворот и направление движения автомобилю с помощью руля, что является его главным исполнительным механизмом, имеющим необходимые вспомогательные для этого. Но при движении на больших скоростях существует опасность выхода из строя рулевого привода, или его отказы в виду недостаточной силы на рулевом колесе, и тогда может возникнуть вылет автомобиля с дороги, заклинивание управляемых колес, даже их шимми и т.п.Поэтому все механизмы рулевого управления взаимосвязаны и к ним предьявляются высокие требования по безопасности.

Когда водитель поворачивает руль в нужную ему сторону он воздействует через вал рулевой колонки на рулевой механизм, который в свою очередь начинает поворачивать сошку рулевого колеса и она с помощью тяг рулевой трапеции поворачивает левое и правое управляемые колеса на нужный угол и в нужную сторону. Но рулевая трапеция предназначена для того, что бы обеспечивать доворот этих колес на разные углы так как автомобиль имеет ширину и при повороте левое и правое колеса двигаются по радиусам разной величины. Все элементы между собой в данном случае связаны шарнирно, но беззазорно, так как при движении имеются большие реактивные силы на колесах от дорожного полотна (например, центробежные силы с учетом сил реакции упругих шин и т.п.).зазоры и люфты таким образом в рулевом приводе вообще не допустимы – в любом таком случае может произойти не управляемый поворот колес автомобиля и он сойдет с курса, а на больших скоростях просто слетит с дорог и попадет в аварию. Кроме этого, при небольших люфтах в рулевом управлении могут возникнуть небольшие колебания обоих управляемых колес синхронно (такое явление носит название шимми),что тем более опасно, так как это неуправляемый вид движения, также приводящий неминуемо к аварийной ситуации на дороге. Такие недостатки рулевого управления не допускаются, кроме этого, простые механизмы рулевого привода могут обладать сильной реакцией от дороги на рулевое колесо, т.е. водителю станет сложно поворачивать рулевое колесо не только на стоянке, но и при движении.

Основным способом улучшения и облегчения управляемости, а так же безопасности автомобиля особенно при поворотах является применение гидроусилителя руля, т.е. рулевого механизма с гидравлическим приводом, позволяющим увеличивать силу поворота руля водителем настолько, что ему будет достаточно делать это даже одной рукой на скорости; при этом гидроусилитель блокирует противодействие сил от дорожного полотна, так как не имеет принципа обратного действия специально для этого же. Если, например, колесо попадает в яму, то за счет связи с другим управляемым колесом на рулевой сошке появляется реактивная сила сопротивления силе поворота на рулевом колесе. Но рулевой усилитель не имеет обратного действия и водитель практически даже не почувствует выбоины на дороге при управлении. Другим важнейшим случаем является внезапный прокол любой покрышки автомобиля на большой скорости. Это самая опасная аварийная ситуация. Но рулевой гидравлический усилитель сможет блокировать неуправляемые колеса, хотя бы удерживая их ровно на дороге. Поэтому назначением гидроусилителя рулевого привода (механизма) является кроме увеличения легкости управления рулем так же и обеспечение безопасности движения на больших скоростях в случае внезапных отказов или проколов.

Для облегчения управления движением автомобиля и повышения безопасности его движения при внезапном выходе покрышки колеса из строя даже при больших скоростях применяется гидроусилитель рулевого привода в виде сочлененного или разделенного механизма с гидромотором и золотниковым устройством. На зарубежных автомобилях он применяется даже для легковых автомобилей малого и среднего класса.

Рулевая трапеция бывает разрезного типа для независимой подвески и жесткого типа для зависимой подвески и состоит из двух продольных наклонных рычагов и одного или трех поперечных. Она служит для обеспечения возможности кинематики качения управляемых колес на повороте без бокового скольжения.

При разрезной трапеции колебания одного управляемого колеса не влияет на другое. Шарнирами рулевых тяг обычно являются сферические или полусферические с регулировочным устройством или в долговечной пластмассовой обойме.