Нагружение и динамические нагрузки в трансмиссии автомобиля

Наиболее полное и наглядное представление о характере нагружения механизмов автомобиля предоставляет метод тензометрирования. Этот экспериментальный подход позволяет точно измерить деформации и напряжения в деталях в реальных условиях эксплуатации. На основе данных тензометрирования строятся осциллограммы, которые визуализируют динамические нагрузки на различные узлы транспортного средства, как это показано на рисунке 10.

Рис. 10. Осциллограммы нагружения деталей автомобиля на переходных режимах: а - выезд из глубокой колеи методом «раскачки»; б — торможение трансмиссионным тормозом; е — движение по разбитой дороге; 1 и 2 — крутящие моменты соответственно на карданном валу и полуоси; 3 — перемещение педали сцепления; 4 —усилие на рычаге стояночного тормоза; 5 и 6 напряжение кручения и изгиба в коренном листе рессоры

Крутящие моменты в трансмиссии могут значительно превышать номинальные значения. Испытания автомобилей различных типов, включающие трогание с места в тяжелых дорожных условиях с использованием кинетической энергии маховика и резкое включение сцепления, демонстрируют это явление. Установлено, что максимальный момент на ведущем валу коробки передач может превышать максимальный момент двигателя в 3–3,5 раза, а момент сцепления — в 1,5–2 раза, что создает экстремальные нагрузки на детали.

Значительные динамические нагрузки возникают в трансмиссии и при торможении. Особенно опасны большие моменты инерции, генерируемые при торможении колес без выключения сцепления или при использовании трансмиссионного тормоза. Конструктивной особенностью является отсутствие предохраняющего фрикционного элемента между этим тормозом и ведущими колесами, что при резком торможении может привести к разрушению деталей. Как видно из рисунка 10, момент на карданном валу при таком торможении может в 2,6 раза превышать момент по сцеплению колеса с дорогой.

Эффективным методом снижения динамических нагрузок является применение в трансмиссии гидродинамических преобразователей. Введение гидротрансформатора или гидромуфты разрывает жесткую кинематическую связь между инерционными массами двигателя, колес и массой автомобиля. Это обеспечивает заметное демпфирование и снижение пиковых нагрузок, что наглядно иллюстрирует рисунок 11, а, сравнивающий процессы трогания.

Рис. 11. Изменения крутящего момента на полуосях автомобилей: а — при трогании автомобиля; б — при переезде через единичное препятствие; I и II — трогание соответственно резкое и плавное; — — — с механической трансмиссией; ^_________ с гидротрансформатором

Сравнительные испытания подтверждают высокую эффективность гидротрансформатора. Установлено, что пиковые нагрузки в трансмиссии с гидротрансформатором снижаются в 2–2,5 раза по сравнению с классической механической трансмиссией во всех режимах эксплуатации. Например, при переезде единичной неровности максимальный крутящий момент у автомобиля с механической трансмиссией может превышать аналогичный показатель автомобиля с гидротрансформатором в 2,7 раза, как показано на рисунке 11, б.

Значительное влияние на динамические нагрузки в трансмиссии и ходовой части оказывают дорожные неровности. Движение по любой дороге характеризуется непрерывным стохатическим изменением сил взаимодействия колес с поверхностью. Эти изменения, обусловленные формой и размерами неровностей, вызывают сложные колебания. Например, напряжения в коренном листе рессоры изменяются по времени хаотично, не подчиняясь четкой закономерности, что демонстрирует осциллограмма на рисунке 10, в.

Практика эксплуатации подтверждает возникновение в трансмиссии резонансных крутильных колебаний. Основным источником возбуждения этих колебаний является поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Эти колебания оказывают крайне негативное влияние на долговечность деталей трансмиссии и повышают общий уровень шума при работе силового агрегата, что требует специальных инженерных мер для их гашения.

Рис. 12. Изменение крутящего момента трансмиссии легкового автомобиля: a — одноузловая форма колебаний; б — амплитудно-частотная характеристика; 1 — резонансный пик с гармоникой i — 0,5; 2 и 3 резонансный пик трехузловых форм колебаний соответственно с гармониками i = 4,0 и i = 2,0

Для анализа резонансных явлений строятся амплитудно-частотные характеристики. На рисунке 12 представлено изменение крутящего момента трансмиссии легкового автомобиля, где явно видны резонансные пики. Эти пики соответствуют разным формам колебаний: одноузловой (например, с гармоникой i = 0,5) и трехузловой (с гармониками i = 4,0 и i = 2,0), что необходимо учитывать при проектировании для смещения резонансных зон за пределы рабочих режимов.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: П. П. Лукин; Г. А. Гаспарян; В. Ф. Родионов; К. Ю. Чириков.

Источник: Конструирование и расчет автомобиля. Необычные двигатели.

Данные публикации будут полезны студентам автомобилестроительных и транспортных специальностей, начинающим инженерам-конструкторам и технологам автопрома, а также всем, кто интересуется глубоким пониманием процессов проектирования и компоновки современных автомобилей.