Карданные шарниры

явлению в нем трещин от действия внешних нагрузок. А при нагрузках, близких кразрушающим, когда в растянутой зоне бетонного ядра начитается трещинообразование, арматура будет воспринимать растягивающие усилия аналогично арматуре в железобетонных элементах.

На рисунке 2 представлены возможные схемы натяжения армирующих элементов в трубобе-тонной балке. Очевидно, что для облегчения заполнения полости трубы бетоном, эти элементы надо располагать или под углом, или вертикально, причем вполне можно применять и самоуплотняющийся бетон.

а б

Рисунок 2 - Способы реализации асимметричного предварительного напряжения в прямых трубо-бетонных балках: а) с передачей усилия на упоры 3; б) с передачей усилия на бетон ядра 2; 1 - старогодная нефтегазовая труба; 2 - бетонное ядро; 3 - торцевой упор; 4 - армирующие элементы (только арматура для б, стальной трос или арматура для

а)

Напряженное состояние трубобетонной конструкции можно регулировать в широких пределах, создавая искусственные поля напряжений, благоприятные для работы несущей балки (управляя усилиями натяжения в армируюших элементах при создании предварительного напряжения). Важно отметить, что повышение грузоподъёмности рассматриваемой прямой трубобетонной балки достигается не технологическими, а конструктивными мероприятиями. Это существенно снижает стоимость изготовления (в т.ч. путем использования старогодных нефтегазовых труб) и значительно расширяет эксплуатационные свойства балки. Так в схеме по рисунке 2а можно вместо стальной арматуры применять стальные тросы, отделив их от бетонного ядра полимерными чехлами. При этом возникает возможность управления не только статическими, но и динамическими напряжениями в трубобетонной балке при её использовании в пролетном строении малого моста. В таком случае можно говорить о классе малых мостов, адаптируемых к эксплуатационным нагрузкам.

В настоящее время практически отсутствуют методы расчета прямых трубобетонных балок для пролетных строений малых мостов. Расчетные методы должны учитывать особенности конструкции предлагаемых балок, в первую очередь рассматривать их как выполненные из композиционных материалов на неметаллической матрице, у которых поля напряжений в общем случае нелинейные и нестационарные. Кроме того, следует рассмотреть все физически реализуемые варианты совместной работы металлической трубчатой оболочк и , бет о н н о г_о ядра ( м а_т р и ц ы) и арм и р ую -

СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 11

щих элементов (стальной арматуры или стальных тросов), что позволит раскрыть потенциальные эксплуатационные свойства предлагаемой трубо-бетонной балки как элемента пролетного строения малых мостов.

Следует иметь в виду, что при поставке прямых трубобетонных балок на строительную площадку их необходимо четко маркировать, чтобы не перепутать ориентацию балок с частично предварительно напряженным ядром при установке в проектное положение.

Дополнительно, как конструктивный вариант, можно рассматривать повышение несущей способности трубобетонных балок на изгиб путем установки горизонтальной тонкостенной металлической (или фибропластиковой) перегородки и заполнения верхней части полости металлической трубчатой балки обычным бетоном, а нижней части - фибробетоном, что позволит более эффективно использовать возможности каждого материала.

Список литературы

1 Овчинников И. И., Овчинников И. Г., Чесноков Г. В. и др. О проблеме расчета трубобетонных конструкций с оболочкой из разных материалов. Ч. 2. Расчет трубобетонных конструкций с металлической оболочкой // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ». Т. 7. №4 (2015).

2 Кришан А. Л., Трубобетонные колонны с предварительно обжатым ядром : монография. Ростов н/Д. : Рост. гос. строит. ун-т, 2011. 372 с.

3 Маренин В. Ф. Исследование прочности стальных труб, заполненных бетоном, при осевом сжатии : дисс. канд. техн. наук. М., 1959. 231 с.

4 Долженко А. А. Трубчатая арматура в железобетоне : дисс. д-ра техн. наук. М., 1963. 413 с.

5 Яровой И. С. Исследование напряженно-деформированного состояния гибких внецентренно сжатых трубо-бетонных элементов при кратковременном и длительном действии нагрузки : дис. канд. техн. наук. Кривой Рог, 1974. 195 с.

6 Дуванова И. А., Сальманов И. Д. Трубобетонные колонны в строительстве высотных зданий и сооружений // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2014. №6 (21). С. 89-103.

7 Стороженко Л. И., Семко А. В. Сравнение методик расчета трубобетонных конструкций // Коммунальное хозяйство городов : научно-технический сборник. 2005. №63. С. 59-67.

629.11.01:62-23:534.1 Б.М. Тверсков

Курганский государственный университет

карданные шарниры

Аннотация. В работе представлены характеристики карданных шарниров неравных угловых скоростей и рассмотрена возможность замены шарниров равных угловых скоростей в приводе к управляемым колесам.

Ключевые слова: шарниры, привод, угловые скорости, колебания,крестовина.

41

B.M. Tverskov Kurgan State University

universal joints

Annotation. The article considers characteristics of non-constant-velocity joints and the possibility of replacement of constant-velocity universal joints in the steer wheels drive.

Keywords: joints, drive, angular rates, oscillations, crosspiece.

Шарниры с крестовинами (шарниры неравных угловых скоростей) широко используются в конструкциях карданных передач автомобилей и тракторов для передачи крутящих моментов к их агрегатам. Ограничивающими факторами для карданной передачи являются: угол в шарнире, длина карданного вала, критическая частота вращения..

По Гост Р 52430-2005 максимальные углы в шарнирах карданных передач в статическом положении допускаются: для легковых автомобилей - 30, для грузовых - 50, для полноприводных автомобилей - 80 [1]. Но при движении автомобиля на неровных дорогах эти углы при качании мостов

могут быть значительно больше и достигать 30 и даже 400 [2]. Прочность шарнира при этом сохраняется, поломок, как правило, не бывает. Шарниры с игольчатыми подшипниками нельзя устанавливать совершенно без угла - в этом случае при работе на шипах крестовины появляется деформация поверхности (питинг) и шарнир выходит из строя.

Наибольшая длина карданного вала определяется исходя из наружного и внутреннего диаметров его трубы и критической частоты вращения [2]:

VD

_>2 + а2

п = 12х104 ----

кр ЬЬ ,

где пкр - критическая частота вращения; D - наружный диаметр трубы; d- внутренний диаметр трубы; L - длина карданного вала.

Иногда в приводе управляемых колес вместо шарниров равных угловых скоростей (4-х шариковых, типа Вейс) устанавливаются шарниры неравных угловых скоростей, которые дешевле и долговечней. Так, например, сделано на тягачах КЗКТ (рисунок 1), где угол при полностью повернутых колесах равен 290.

Рисунок 1 - Ведущий управляемый мост четырехосного тягача КЗКТ с шарнирами в поворотном устройстве: а - равных угловых скоростей б - неравных угловых скоростей

б

4-х шариковый шарнир равных угловых скоростей был исключен путем удлинения карданного вала и размещения на месте шарнира равных угловых крестовины карданного вала привода, как показано [3]. Причем, центр крестовины на оси поворота колеса разместить не удалось и он отстоит от оси поворота на 40 мм внутри тягача..

Исключение шарнира позволило значительно упростить привод, сделать его более надежным при снижении стоимости изготовления. Кроме того, шариковый шарнир равных угловых скоростей работает в карданной смазке, для размещения которой в довольно большом количестве нужна герметичная емкость. На грузовых автомобилях такой емкостью служит стальная опора поворотного устройства, снаружи которой по сфере работает уплотнение. На легковых автомобилях для этого используется резиновый чехол. Шарнир неравных угловых скоростей содержит небольшое количество смазки и надежное уплотнение.

Неравномерность вращения управляемых колес тягачей КЗКТ при движении по кругу с полностью повернутыми колесами и установленными а в приводе шарнирами неравных угловых скоростей, мало заметна. Это объясняется наличием колесного редуктора с большим передаточным числом - 5,625. Уменьшенный на эту величину передаваемый крутящий момент оказывается слишком мал, чтобы вызывать значительные угловые колебания колеса. При полностью повернутом колесе отмечаются лишь его дрожание. Деформируются в этом случае в основном полуоси и карданный вал, соединяющий главную передачу и проходной рндуктор. Если колесный редуктор отсутствует, угловые колебания колес могут достигать больших значений. Так испытания автомобиля УАЗ-469 с шарнирами неравных угловых скоростей в приводе к управляемым колесам показали, что при движении с полностью повернутыми колесами угловые колебания колес могут быть довольно большие, хотя быстрый выход из строя деталей привода не отмечался.

Угол поворота колеса с 4-х шариковым шарниром равных угловых скоростей не может превышать 300, т.к. при большем угле находящиеся в шарнире шарики выкатываются из него и, попав между деталями в поворотном устройстве, могут сделать автомобиль неуправляемым. Но такой угол явно недостаточен, радиус поворота оказывается большой, поэтому неопытные водители иногда, убирают болты, ограничивающие поворот колес. Угол становится больше, а это может привести к саморазборке шарнира.

Кроме того, при максимальном угле поворота колеса шарик в шарнире находится на конце вилки. Под действием передаваемого крутящего момента край вилки отгибается и шарик не может вернуться в исходное положение. В дальнейшем при повороте полуоси ломается край вилки или сама вилка (рисунок 2). Чтобы этого не происходило , угол п о в о рота управляемо го кол е са на тя -СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 11

гачах КЗКТ был уменьшен до 240, что увеличило и без того большой радиус поворота тягача. После замены 4-х шариковых шарниров равных угловых на шарниры неравных угловых скоростей угол поворота был восстановлен до 290.

На автомобилях с другими типами шарниров угол поворота ведущих, а также ведомых колес обычно бывает 350 и более.

б

Рисунок 2 - Поломки вилок шарниров равных угловых скоростей, имевшие место при их испытаниях: а - тягач КЗКТ-538; б - автомобиль ЗИЛ-157

Если передний мост отключается, как сделано на грузовиках ГАЗ и ЗИЛ, автомобиль в основном движется с выключенным мостом, в этом случае привод вращается ведомым колесом и вилка шарнира равных угловых скоростей больше изнашивается с обратной стороны (рисунок 3, показано стрелкой).

Рисунок 3 - Износ вилки шарнира равных угловых скоростей

4-х шариковый шарнир равных угловых скоростей - конструкция довольно сложная и трудоемкая в изготовлении (рисунок 5). Передающие усилия шарики 1 и 2 (рис. 6) располагаются в шарнире в месте пересечения канавок, нарезанных на вилках по дуге с радиусом R из разных центров, смещенных от центра шарнира на величину а. При работе, когда соединяемые шарниром валы

находятся под углом друг к другу, пересечение изменяет свое положение, но всегда находится в биссекторной плоскости, делящей угол между осями валов пополам. Это обеспечивает равенство угловых скоростей соединяемых валов.

Рисунок 4 - Разрез шарнира равных

Отношение сил в треугольнике сил, показанном на рис.7, характеризует КПД шарнира:

ц = = cos а

Pi

где а - угол в шарнире; Р1 - окружная сила на ведущем валу; Р2 - окружная сила на ведомом валу.

Численные значение КПД шарнира приведены в таблице 1.

Таблица 1 - КПД шарнира неравных угловых скоростей

Угол, град. 5 10 15 20 30 40

КПД 0,996 0,984 0,965 0,939 0,866 0,766

С учетом трения в подшипниках КПД будет несколько меньше

Эксплуатация автомобилей ГАЗ-69 и УАЗ-469 с установленными на авторемонтных заводах в приводе управляемых колес шарнирами неравных угловых скоростей с плоскими рабочими поверхностями (рисунок 9) показала их надежность и высокую износостойкость. Замечаний в связи с неравномерностью вращения колес практически не было. По просьбе Минсельхоза полуоси с такими шарнирами много лет изготавливались в Кургане. Шар с пазами делали на КМЗ, короткую и длинную полуоси - на КЗКТ.

Рисунок 5 - Положение шариков угловых скоростей шарнира в биссекторной плоскости

КПД шарнира неравных угловых скоростей с крестовиной зависит от угла, с которым работает шарнир. КПД можно определить, если из центра шарнира, соединяющего два вала, построить треугольник сил, создающих крутящие моменты на этих валах. Замыкающая сила Рс, проведенная из конца силы Р1 параллельно ведомому валу, определит величину окружной силы Р2 на ведомом валу - рисунок 6.

Ведущий вал

Рисунок 6 - Схема действия сил в шарнире с крестовиной

б

Рисунок 7 - Шарнир неравных угловых скоростей с плоскими рабочими поверхностями: а - шарнир в сборе; б - полуоси с вилками

Угол поворота ведомого вала такого шарнира определяется по графику на рисунке 9 или рассчитывается по формуле

tg92 = tg9i • cosa

где - угол поворота ведомого вала;

а

- угол поворота ведущего вала; а - угол между осями валов, соединенных, шарниром неравных угловыхскоростей.

<Р?-Ч>2

ч

3

г

1

*

о

-7

-г -з

-v -5

Рисунок 8 - Неравномерность вращения ведомого вала, соединенного шарниром неравных угловых скоростей

Ритмичные колебания крутящих моментов в приводе управляемых колес с шарнирами неравных угловых скоростей в поворотных устройствах тягачей КЗКТ отмечались лишь при движении по кругу на асфальтированной площадке с полностью повернутыми колесами (угол 290). Размахи колебаний составляли 5-10% от максимального момента, рассчитанного по сцеплению на сухой дороге (коэффициент сцепления 0,7). Буксование повернутых управляемых колес вызывало появление колебаний с размахом 10-12 % от максимального момента. С шарнирами равных угловых скоростей размахи колебаний момента в этих условиях практически отсутствовали.

При движении по кругу на грунтовой площадке размахи колебаний имели место как с шарнирами равных так и неравных угловых скоростей, причем заметной разницы в колебаниях не было. Если неровности на грунтовой площадке значительные, то размахи могут достигать и 30 и 50% от максимального момента по сцеплению независимо от того, какие шарниры в приводе. На грунтовых дорогах колебания момента в приводах к управляемым колесам могут превышать те, которые создаются шарнирами неравных угловых скоростей, и колебания момента, вызванные неравномерным вращением соединяемых шарниром валов, становятся не заметны.

Размахи колебаний зависят от скорости движения (чем больше скорость, тем больше размах) и состояния дороги. На дорогах с небольшими поворотами разницы в нагружении приводов с шар-

СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 11

нирами равных и неравных угловых скоростей практически не наблюдалось.

Установлено, что создаваемые полуосевыми шарнирами неравных угловых скоростей колебания при повернутых колесах распространяется на главную передачу и карданный вал, соединяющий главную передачу и проходной редуктор. За проходным редуктором действие этих шарниров не заметно: запись моментов и оборотов велась одновременно на всех карданных валах, соединяющих эти агрегаты.

На устойчивость и управляемость тягачей шарниры неравных угловых скоростей не влияют.

Длительные ходовые испытания тягачей, в поворотных устройствах которых были шарниры неравных угловых дали положительный результат, что позволило рекомендовать заменить в поворотном устройстве шарниры равных угловых скоростей на шарниры неравных угловых скоростей.

За 30 лет эксплуатации двух- и четырехосных тягачей КЗКТ, в поворотных устройствах которых были установлены шарниры неравных угловых скоростей, замечаний к приводам не было. Как достоинство всегда отмечалась простота и надежность привода. Но использовать такой привод можно, если на автомобиле имеются колесные редукторы с достаточно большим передаточным числом, снижающем подводимый к управляемым колёсам крутящий момент, который не вызывает угловые колебания повернутых колес

Список литературы

1 Гост Р 52430- 2005. Автомобильные транспортные средства. Передачи карданные автомобилей с шарнирами неравных угловых скоростей.

2 Лукин П. П. и др. Конструирование и расчет автомобиля : учебник для студентов втузов, обучающихся по специальности «Автомобили и тракторы». М.: Машиностроение, 1984. 376 с.

3 Автомобиль МАЗ-537 и его модификации. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М.: Военное издательство, 1984. 459 с.

УДК 621. 791.

Д.А. Троценко, И.А. Тараторкин, И.В. Лисихин, А.К. Давыдов

Курганский государственный университет

исследование циклической работоспособности уширителей траков болотохода

Аннотация. Описана методика усталостных испытаний уширителей. Показано, что характер и стыки разрушения уширителей на стенде и в условиях эксплуатации совпадают. Приведены результаты испытаний уширителей, изготовленных по различным технологиям. Выданы рекомендации по повышению их ра бо тоспособност и.

45