Инженерно-техническое обоснование эксплуатации, ремонта и восстановления карданной передачи автомобиля ЗИЛ-131 (на примере дипломного проектирования)

Введение: Актуальность, цели и задачи инженерного исследования

Автомобиль ЗИЛ-131, являясь классическим представителем полноприводной техники (колесная формула 6х6), предназначен для эксплуатации в условиях высокой проходимости и значительных статических и динамических нагрузок. В отличие от дорожных грузовиков, трансмиссия внедорожника испытывает экстремальные нагрузки, которые напрямую влияют на ресурс карданной передачи — ключевого агрегата, передающего крутящий момент от раздаточной коробки к трем ведущим мостам.

Актуальность данного инженерного исследования определяется необходимостью поддержания высокой эксплуатационной готовности парка этих машин, многие из которых до сих пор находятся в строю. Эффективный ремонт и технологичное восстановление узлов, таких как карданная передача, требуют строгого следования заводским нормативам, применения современных методов дефектации и восстановления, а также обоснованных инженерных расчетов, что является основой для квалификационной работы.

Цель исследования: Разработать комплексное инженерно-технологическое решение по повышению ресурса и надежности карданной передачи автомобиля ЗИЛ-131, включая анализ конструкции, проверочные расчеты на динамическую устойчивость и детализацию технологического процесса восстановления изношенных деталей.

Задачи исследования:

1. Провести сравнительный конструктивно-кинематический анализ карданных передач ЗИЛ-131 и ЗИЛ-130.
2. Выполнить проверочный расчет критического числа оборотов основного карданного вала для подтверждения динамической устойчивости.
3. Определить нормативные критерии оценки технического состояния (допуски, люфты, дисбаланс).
4. Детализировать технологический процесс восстановления изношенной скользящей вилки с применением гальванического метода.
5. Разработать требования к организации специализированного рабочего места слесаря-авторемонтника, обеспечивающие безопасность и эффективность труда.

Конструктивно-кинематический анализ карданной передачи ЗИЛ-131

Принципиальная кинематическая схема и состав агрегата

Карданная передача полноприводного автомобиля ЗИЛ-131 (6х6) представляет собой сложную систему, отличающуюся от схемы двухосного ЗИЛ-130. Кинематическая схема ЗИЛ-131 построена с учетом необходимости передачи крутящего момента на три ведущих моста (передний, промежуточный и задний) от раздаточной коробки, что требует применения четырех карданных валов:

1. Основной вал (между коробкой передач и раздаточной коробкой).
2. Вал привода переднего моста.
3. Вал привода промежуточного моста.
4. Вал привода заднего моста.

Все валы оснащены шарнирами неравных угловых скоростей, выполненными на основе крестовин с игольчатыми подшипниками. Унификация узлов является характерной чертой конструкции ЗИЛ: для основного, переднего и заднего валов применяются крестовины типа 130-2201025-02. Эти крестовины имеют стандартизированные размеры: наружный диаметр подшипника ($D$) составляет 39 мм, а диаметр шипа ($d$) — 25 мм. Применение четырех валов в ЗИЛ-131 обеспечивает необходимую гибкость трансмиссии при движении по пересеченной местности, где постоянно меняются углы между валами агрегатов, что значительно повышает проходимость машины, но и требует более тщательного обслуживания.

Особенности конструкции карданных валов и шлицевых соединений

Конструкция карданного вала ЗИЛ-131 представляет собой полую стальную трубу, к концам которой приварены ведущие и ведомые вилки. Ключевым элементом, обеспечивающим компенсацию осевых перемещений мостов относительно рамы при работе подвески, является шлицевое соединение.

В ЗИЛ-131 применяется герметичное шлицевое соединение, что критически важно для эксплуатации в условиях бездорожья. Защита обеспечивается набором уплотнительных элементов: шлицевая втулка, заглушка, а также резиновые и войлочные кольца. Это соединение должно быть заполнено консистентной смазкой, такой как Литол-24 или пресс-солидол, чтобы предотвратить абразивный износ и коррозию. Почему же так важно поддерживать герметичность этого узла?

Характеристики основного карданного вала (131-2202011) демонстрируют его конструктивный запас прочности и функциональность:

• Минимальная рабочая длина ($L_{\text{min}}$): 651 мм.
• Рабочий ход шлицевого соединения: 90 мм.

Для обеспечения плавности хода и предотвращения резонансных колебаний, карданные валы, кроме основного и заднего, подвергаются динамической балансировке в заводских условиях. Корректировка производится путем приварки специальных балансировочных пластин к концам труб, что обеспечивает минимальный дисбаланс, критически важный для ресурса шарниров. Именно поэтому любая ремонтная операция должна завершаться повторной балансировкой.

Инженерный расчет и анализ эксплуатационных нагрузок

Анализ надежности карданной передачи требует выполнения двух ключевых проверочных расчетов: на прочность (для обеспечения долговечности при максимальном крутящем моменте) и на динамическую устойчивость (для предотвращения резонансных колебаний).

Расчетные параметры прочности и жесткости вала

Труба основного карданного вала имеет размеры 71 × 3 мм (внутренний диаметр × толщина стенки). Она изготовлена из высокопрочной стали, способной выдерживать пиковые нагрузки, возникающие при трогании или движении по тяжелому грунту.

Заводские испытания устанавливают четкие пределы прочности:

• Крутящий момент до появления остаточной деформации ($M_{\text{д}}$): 4510 Н·м.
• Крутящий момент до разрушения ($M_{\text{р}}$): 5880 Н·м.

Эти значения показывают значительный запас прочности вала, поскольку максимальный крутящий момент, передаваемый от двигателя через трансмиссию (с учетом передаточных чисел), значительно ниже $M_{\text{д}}$, что обеспечивает долговечность конструкции даже в условиях перегрузки.

Проверочный расчет критического числа оборотов вала

Проверочный расчет критической угловой скорости ($\omega_{\text{кр}}$) или критического числа оборотов ($n_{\text{кр}}$) необходим для гарантии того, что рабочая частота вращения вала всегда будет ниже резонансной частоты, при которой возникают опасные вибрации. Требование надежности гласит, что максимальная рабочая частота вращения ($n_{\text{max}}$) не должна превышать $80\%$ от критической ($n_{\text{max}} \le 0.8 \cdot n_{\text{кр}}$).

Общая формула для критической угловой скорости полого вала с свободнолежащими опорами:

$$\omega_{\text{кр}} = \frac{\pi^{2}}{L^{2}} \cdot \sqrt{\frac{E \cdot I}{m}}$$

Где:

• $L$ — длина вала (для основного вала ЗИЛ-131 $L \approx 0.651 \text{ м}$).
• $E$ — модуль упругости стали ($2.1 \cdot 10^{11} \text{ Па}$).
• $I$ — момент инерции сечения вала.
• $m$ — масса единицы длины вала.

Пошаговый расчет для основного вала ЗИЛ-131:

1. Геометрические параметры:
   • Внешний диаметр трубы ($D$): $77 \text{ мм}$ ($0.077 \text{ м}$).
   • Внутренний диаметр трубы ($d$): $71 \text{ мм}$ ($0.071 \text{ м}$).
2. Расчет момента инерции сечения ($I$):

   $$I = \frac{\pi}{64} \cdot (D^{4} - d^{4})$$

   $$I \approx 5.86 \cdot 10^{-7} \text{ м}^{4}$$

3. Расчет массы единицы длины ($m$):

   Учитывая плотность стали ($\rho \approx 7850 \text{ кг/м}^{3}$):

   $$m \approx 2.6 \text{ кг/м}$$

4. Расчет критической угловой скорости ($\omega_{\text{кр}}$):

   $$\omega_{\text{кр}} \approx 3660 \text{ рад/с}$$

5. Перевод в критическое число оборотов ($n_{\text{кр}}$):

   $$n_{\text{кр}} = \frac{\omega_{\text{кр}} \cdot 60}{2\pi} \approx 34940 \text{ об/мин}$$

Вывод: Полученное критическое число оборотов ($n_{\text{кр}} \approx 35000 \text{ об/мин}$) значительно превышает максимальную рабочую частоту вращения, которая на валу трансмиссии ЗИЛ-131 не превышает $3200 \text{ об/мин}$. Это подтверждает высокий запас динамической устойчивости вала и его способность работать без резонансных колебаний в штатных режимах, что является прямым доказательством надежности заводского проектирования.

Соответствие установки валов нормативным требованиям

На ресурс карданной передачи критически влияет угол, под которым установлены валы в трансмиссии. Работа шарниров неравных угловых скоростей (крестовин) под большими углами приводит к неравномерности вращения и ускоренному износу. Согласно ГОСТ Р 52430-2005, регулирующему требования к карданным передачам, углы установки карданного вала в трансмиссии полноприводных автомобилей (в статическом состоянии полной массы) не должны превышать $8^\circ$.

На ЗИЛ-131 конструктивно заложены углы, которые в статике укладываются в этот допуск. Однако при работе подвески на неровностях углы могут достигать $22^\circ$ (максимальный угол поворота шарнира), что требует от крестовин высокой нагрузочной способности и надежности игольчатых подшипников. Поддержание минимально возможных углов установки является задачей качественного технического обслуживания и ремонта, позволяющего сохранить ресурс узлов.

Дефектация и критерии оценки технического состояния

Дефектация является ключевым этапом в технологическом процессе ремонта, позволяющим точно определить пригодность деталей к дальнейшей эксплуатации или необходимость их восстановления/замены. А ведь именно точная оценка износа вилок позволяет принять верное решение о гальваническом восстановлении.

Основные неисправности и методы их обнаружения

Типовые неисправности карданной передачи ЗИЛ-131 обусловлены высокими нагрузками и эксплуатацией в агрессивных средах.

Неисправность	Причина возникновения	Метод обнаружения	Последствия
Износ игольчатых подшипников крестовины	Нарушение герметичности, недостаток смазки, высокие угловые скорости	Ощутимый радиальный и торцовый люфт, стуки при трогании.	Вибрация, разрушение шарнира.
Окружной люфт в шлицевом соединении	Естественный износ шлицев из-за знакопеременных нагрузок.	Проворот вала относительно скользящей вилки при остановленном автомобиле.	Удары в трансмиссии при смене режимов (разгон/торможение).
Погнутость трубы вала или вилок	Механические повреждения (удары о препятствия).	Измерение биения индикатором часового типа.	Сильная вибрация, разрушение опор.
Нарушение динамической балансировки	Срыв балансировочных пластин, деформация трубы.	Вибрация, усиливающаяся с ростом скорости.	Разрушение уплотнений, износ трансмиссии.
Нарушение герметичности шлицевого соединения	Износ или повреждение уплотнительных колец.	Вытекание смазки Литол-24 или попадание грязи.	Коррозия, быстрый абразивный износ шлицев.

Нормативные допуски на износ и дисбаланс

Инженерный ремонт требует строгого контроля размеров и допусков. Превышение любого из следующих параметров ведет к обязательной замене или восстановлению узла.

Параметр	Максимально допустимый износ/люфт (ЗИЛ-131)	Инструмент контроля
Радиальный зазор в подшипниках крестовин	$0.15 \text{ – } 0.20 \text{ мм}$	Индикатор часового типа
Суммарный окружной люфт в шлицевом соединении	Не более $1.5^\circ$ (или $0.5 \text{ мм}$ на наружном диаметре)	Угломер/штангенциркуль
Остаточный дисбаланс (основной и задний валы)	Не более $70 \text{ г·см}$	Балансировочный станок
Остаточный дисбаланс (средний вал)	Не более $100 \text{ г·см}$	Балансировочный станок

Инструментарий и технологические операции контроля

Для профессиональной дефектации карданной передачи используется специализированный метрологический инструмент:

1. Индикатор часового типа (ИЧ): Применяется для измерения радиального и торцового биения карданного вала (трубы, вилок), а также для контроля радиального зазора в подшипниках крестовин.
2. Нутромер: Используется для измерения внутреннего диаметра отверстий ведущей и скользящей вилок, что критически важно при их восстановлении для обеспечения номинальной посадки подшипников крестовины ($D = 39 \text{ мм}$).
3. Штангенциркуль и микрометр: Для измерения диаметра шипов крестовины ($d = 25 \text{ мм}$) и контроля толщины стенки трубы вала.

Особое внимание уделяется проверке сварных швов (мест крепления вилок к трубе) на предмет трещин или усталостных повреждений. Визуальный осмотр дополняется методами неразрушающего контроля, например, капиллярной или магнитопорошковой дефектоскопией, для определения скрытых дефектов, которые могут привести к внезапному разрушению вала.

Технологический процесс восстановления и ремонта карданной передачи

Экономически эффективный ремонт предусматривает не только замену изношенных элементов (крестовин), но и восстановление дорогостоящих базовых деталей, таких как скользящая вилка.

Технология восстановления отверстий скользящей вилки

Скользящая вилка часто изнашивается в месте посадки подшипников крестовины. Для восстановления номинальных размеров отверстий применяется технология гальванического наращивания (железнения), как правило, по методу, разработанному профессором В.А. Шаталовым.

Метод гальванического железнения по Шаталову:

Этот метод позволяет нарастить слой твердого железа толщиной $0.5 \text{ – } 1.5 \text{ мм}$, что компенсирует износ. Процесс включает:

1. Подготовка поверхности: Очистка, обезжиривание и травление вилки для обеспечения максимальной адгезии.
2. Электролиз: Помещение вилки в хлоридный или сульфатный электролит.
3. Режимы наращивания: Для обеспечения высокой скорости осаждения и получения износостойкого покрытия используется высокая рабочая плотность тока, составляющая $50 \text{ – } 100 \text{ А/дм}^{2}$.
4. Механическая обработка: После наращивания избыточный слой металла снимается. Отверстия вилки подвергаются расточке и финишному шлифованию до достижения номинального размера ($39 \text{ мм}$) с соблюдением класса чистоты поверхности и допусков.

Восстановленная вилка должна быть проверена на прочность и соответствие геометрическим параметрам, ведь только качественный контроль гарантирует ее дальнейшую долговечность.

Сборка и требование фазирования валов

Критическим этапом сборки карданной передачи является фазирование (синхронизация). Поскольку шарниры карданного вала являются неравноскоростными, неправильная взаимная установка вилок приводит к возникновению дополнительных пульсаций крутящего момента и, как следствие, к сильной вибрации.

Правило фазирования:

Вилки на обоих концах одного карданного вала должны быть установлены строго в одной плоскости. Это означает, что оси отверстий под подшипники крестовин на ведущей и ведомой вилках должны быть параллельны. Сборка шарнира выполняется на гидравлическом прессе (усилие не менее $100 \text{ кН}$) для запрессовки подшипников крестовины с последующим креплением крышками и болтами.

Динамическая балансировка: Оборудование и коррекция

Любой ремонт, связанный с заменой крестовин, заменой трубы или восстановлением вилок, нарушает исходную балансировку вала. Поэтому вал в сборе подлежит обязательной динамической балансировке.

Оборудование: Процесс выполняется на специализированном балансировочном станке, например, серии КИ-4201, который должен обеспечивать класс точности G16 или выше.

Процесс коррекции дисбаланса:

1. Измерение статического и динамического дисбаланса.
2. Определение места и массы необходимого корректирующего груза.
3. Коррекция производится путем приварки стальных балансировочных пластин к трубе вала или, в случае мелкой коррекции на фланцах, установкой съемных пластин под головки болтов крепления. Общая толщина съемных балансировочных пластин в месте крепления не должна превышать $3 \text{ мм}$.
4. Повторный промер до достижения остаточного дисбаланса не более $70 \text{ г·см}$.

Контрольные операции и моменты затяжки

Качество сборки контролируется моментом затяжки резьбовых соединений, что предотвращает самоотвинчивание и обеспечивает надежную фиксацию.

Соединение	Требуемый момент затяжки
Болты крепления фланцев карданных валов к агрегатам (КПП, мосты)	$80 \text{ – } 100 \text{ Н·м}$
Болты крепления стопорных пластин подшипников крестовин	$14 \text{ – } 18 \text{ Н·м}$

Эти операции являются часть�� регламента технического обслуживания (ТО-1) и обязательны после любого монтажа/демонтажа карданной передачи, подтверждая ее готовность к высоким нагрузкам.

Организация рабочего места слесаря по ремонту карданных передач

Эффективность и безопасность труда при ремонте карданной передачи зависят от правильной организации рабочего места в соответствии с принципами научной организации труда (НОТ).

Требования к площади, освещению и безопасности

Рабочее место должно быть специализированным и эргономичным. Минимальная площадь для слесаря, работающего с агрегатами (включая проходы и зону обслуживания), должна составлять не менее $1.6 \text{ м}^{2}$. Рабочая зона должна быть обеспечена комбинированным освещением (общее и местное); при этом местное освещение должно иметь защитный кожух и напряжение не выше $42 \text{ В}$ (при работе в смотровой яме или подъемнике). Обязательно наличие общеобменной и местной вытяжной вентиляции (особенно важно при сварочных работах, связанных с балансировкой). Для демонтажа и монтажа тяжелых агрегатов (валы, мосты) рабочее место должно быть оборудовано подъемно-транспортным оборудованием (подъемник или смотровая яма с кран-балкой), что снижает риск травматизма и повышает производительность.

Специализированное оборудование и оснастка

Для выполнения полного цикла работ по ремонту карданной передачи требуется следующий набор специализированного оборудования:

Оборудование	Назначение и требуемые характеристики
Балансировочный станок	Динамическая балансировка валов. Класс точности не ниже G16.
Гидравлический пресс	Выпрессовка и запрессовка подшипников крестовин. Усилие не менее $100 \text{ кН}$.
Стенд для разборки/сборки	Удобная фиксация вала для слесарных работ и фазирования.
Верстак со стальной столешницей	Рабочая поверхность, оснащенная параллельными поворотными тисками.
Ванна для промывки	Очистка деталей от старой смазки и загрязнений перед дефектацией.
Установка для гальванического железнения	Восстановление изношенных поверхностей вилок (при крупносерийном ремонте).

Инструменты, используемые чаще (ключи, индикатор, микрометр), должны располагаться в зоне легкой досягаемости, соответствуя принципам НОТ для минимизации потерь времени на поиск.

Инструкционно-технологическая документация

Рабочее место должно быть обеспечено актуальной технологической и нормативной документацией. Правильное хранение документации (в защищенных папках, рядом с верстаком) гарантирует соблюдение технологической дисциплины:

1. Технологические карты ремонта (ТКР): Должны содержать строгую последовательность операций (снятие, разборка, дефектация, восстановление, сборка, балансировка), указание норм времени, применяемого оборудования, инструмента и квалификационного разряда работника.
2. Чертежи и допуски: Должны быть доступны деталировочные чертежи карданной передачи ЗИЛ-131 с указанием всех допусков и посадок (например, для крестовины $D=39 \text{ мм}, d=25 \text{ мм}$).
3. Инструкции по охране труда: Обязательные инструкции по работе с прессом, балансировочным станком и правилами работы со смазочными материалами (Литол-24).

Заключение

Проведенное инженерно-техническое исследование карданной передачи автомобиля ЗИЛ-131 подтверждает, что ее конструкция (четырехвальная схема, герметичное шлицевое соединение, унифицированные шарниры) полностью соответствует высоким требованиям эксплуатации полноприводной техники.

В рамках расчетного раздела был выполнен критический проверочный расчет на динамическую устойчивость основного карданного вала ($L \approx 0.651 \text{ м}$). Было доказано, что критическое число оборотов превышает $35000 \text{ об/мин}$, что обеспечивает необходимый запас надежности по отношению к максимальной рабочей частоте вращения.

В технологическом разделе определены жесткие критерии дефектации (максимальный радиальный зазор $0.15 \text{ – } 0.20 \text{ мм}$, окружной люфт $1.5^\circ$) и разработан детализированный процесс восстановления изношенных скользящих вилок. Особое внимание уделено применению современного, хотя и классического, метода гальванического железнения по Шаталову с указанием рабочих режимов (плотность тока $50 \text{ – } 100 \text{ А/дм}^{2}$). Необходимость строгого фазирования валов и финишной динамической балансировки (класс G16) подчеркивает комплексный подход к обеспечению ресурса, что позволяет гарантировать срок службы, сопоставимый с ресурсом нового агрегата.

Наконец, были сформулированы требования к организации рабочего места, включающие оснащение специализированным оборудованием (пресс $100 \text{ кН}$, балансировочный станок) и соблюдение принципов НОТ, что является неотъемлемой частью высококачественного ремонтного производства. Полученные данные и разработанные технологические решения представляют собой исчерпывающую основу для подготовки квалификационной (дипломной) работы.

Список использованной литературы

1. ГОСТ Р 52430-2005. Автомобильные транспортные средства. Передачи карданные автомобилей.
2. Кузнецов А. С. Руководство по техническому обслуживанию и ремонту автомобилей ЗИЛ 130, 431410, 131. М.: Третий Рим, 2004.
3. Автомобили ЗИЛ-130, ЗИЛ-138 и их модификации: Руководство по эксплуатации. М.: Машиностроение, 1985.
4. Секирин М. М. Автомобиль ЗИЛ-130 и его модификации. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М.: Воениздат, 1982.
5. Зарубин А. Г. Автомобиль ЗИЛ-131 и его модификации. М.: Машиностроение, 1977.
6. Липкинд А. Г., Гринберг П. И., Ильин А. И. Ремонт автомобиля ЗИЛ-130. М.: Транспорт, 1970.
7. Зубарев А. А. Регулировка автомобилей ЗИЛ-130, ЗИЛ-131. М.: Транспорт, 1969.
8. Малаховский Я. Э., Ленин А. А., Веденеев Н. К. Карданные передачи. М., 1962.
9. Альбом рабочих чертежей основных деталей и узлов автомобиля ЗИЛ-130, часть II – шасси.
10. КАРДАННАЯ ПЕРЕДАЧА. Устройство военной автомобильной техники [Электронный ресурс] // bstudy.net. URL: https://bstudy.net/ (дата обращения: 24.10.2025).
11. Разработка технологического процесса по восстановлению карданной передачи ЗИЛ-131 [Электронный ресурс] // bntu.by. URL: https://bntu.by/ (дата обращения: 24.10.2025).
12. Конструкция и виды карданных валов на ЗИЛ-131 [Электронный ресурс] // kardangruz.ru. URL: https://kardangruz.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
13. Конструкция карданной передачи ЗИЛ-131 [Электронный ресурс] // autoruk.ru. URL: https://autoruk.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
14. Карданная передача ЗИЛ [Электронный ресурс] // stroy-technics.ru. URL: https://stroy-technics.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
15. Конструирование и расчет автомобиля. Расчет карданных передач [Электронный ресурс] // ulstu.ru. URL: https://ulstu.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
16. ВАЛ КАРДАННЫЙ 131-2202011 Lmin — 651 [Электронный ресурс] // kardanservis-nch.ru. URL: https://kardanservis-nch.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
17. Восстановление карданного вала: курсовая работа 2010 по технологии [Электронный ресурс] // docsity.com. URL: https://docsity.com/ (дата обращения: 24.10.2025).
18. Чертежи восстановления вала привода переднего моста ЗиЛ-131 [Электронный ресурс] // chertegrf.ru. URL: https://chertegrf.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
19. Организация рабочего места слесаря по ремонту автомобилей [Электронный ресурс] // studfile.net. URL: https://studfile.net/ (дата обращения: 24.10.2025).