Инженерный расчет и анализ раздаточной коробки автомобиля ЗИЛ-131: Курсовой проект

В мире тяжелой автомобильной техники существуют машины, чья конструкция стала эталоном надежности и проходимости. Одной из таких легенд, безусловно, является ЗИЛ-131 — полноприводный грузовой автомобиль, предназначенный для эксплуатации в самых суровых условиях. Именно его раздаточная коробка (РК), ключевой элемент трансмиссии, обеспечивающий распределение крутящего момента на все ведущие мосты и повышение тяговых возможностей, становится объектом нашего глубокого инженерного анализа.

Данная курсовая работа посвящена всестороннему проверочному расчету основных узлов РК ЗИЛ-131, начиная с определения исходных эксплуатационных параметров и заканчивая детальным анализом прочности зубчатых передач, валов и подшипников. Цель работы — предоставить исчерпывающие академические данные и расчеты, демонстрирующие соответствие конструкции РК требованиям надежности и функциональности, что является неотъемлемой частью подготовки студента в области проектирования агрегатов трансмиссии.

Исходные данные и расчетные режимы работы автомобиля

Для начала любого инженерного анализа необходимо создать прочный фундамент из точных и верифицированных исходных данных. В случае с раздаточной коробкой ЗИЛ-131, это означает сбор полного досье на автомобиль, его двигатель и трансмиссию, а также понимание режимов, в которых РК будет испытывать максимальные нагрузки, что является залогом корректности всех последующих расчетов и выводов.

Технические характеристики двигателя и трансмиссии

ЗИЛ-131, как и многие представители своего поколения, был разработан для работы в условиях, требующих высокой проходимости и тяги. Сердцем автомобиля является мощный V-образный 8-цилиндровый карбюраторный двигатель ЗИЛ-5081. Его технические параметры являются отправной точкой для всех дальнейших расчетов:

• Тип двигателя: ЗИЛ-5081, V-образный, 8-цилиндровый, карбюраторный.
• Рабочий объем: 5969 см³ (6,0 л).
• Степень сжатия: 7,1.
• Максимальная мощность: 150 л.с. (110 кВт) при 3200 об/мин.
• Максимальный крутящий момент двигателя (T_{дв макс}): 402 Н·м при 2000 об/мин.

Трансмиссия ЗИЛ-131 включает в себя механическую 5-ступенчатую коробку передач (КПП) с тщательно подобранными передаточными числами, а также двойную главную передачу ведущих мостов:

Агрегат	Передача	Передаточное число (i)
КПП	I	7,44
	II	4,10
	III	2,29
	IV	1,47
	V	1,00
	З.Х.	7,09
Главная передача мостов		7,339

Полная допустимая масса автомобиля ЗИЛ-131 составляет 10185 кг. Это значение складывается из снаряженной массы (6135 кг без лебедки) и грузоподъемности, которая варьируется от 5000 кг (твердые покрытия) до 3500-3750 кг (грунтовые дороги и бездорожье). Шины автомобиля имеют размерность 12,00-20 (320-508), что также важно для определения динамического радиуса и тяговых характеристик.

Определение максимального расчетного крутящего момента на входе в РК

Ключевым параметром для расчета раздаточной коробки является максимальный крутящий момент, который она должна выдерживать. Этот момент возникает в наиболее тяжелых условиях эксплуатации, когда двигатель работает на максимальном крутящем моменте, а трансмиссия задействует передачу с наибольшим передаточным числом.

Расчетный крутящий момент на входе в раздаточную коробку (T_{РК макс}) определяется как произведение максимального крутящего момента двигателя на максимальное передаточное число КПП. Очевидно, что максимальное передаточное число КПП достигается на I передаче.

Формула для расчета:

TРК макс = Tдв макс · iКПП I

Подставим известные значения:

TРК макс = 402 Н·м · 7,44 = 2990,88 Н·м

Таким образом, раздаточная коробка должна быть рассчитана на входной крутящий момент, близкий к 2991 Н·м, что является значительной нагрузкой и требует тщательного подхода к выбору материалов и геометрии элементов.

И что из этого следует? Фактически, именно этот параметр является краеугольным камнем всех дальнейших прочностных расчетов, определяющим запас надежности всей трансмиссии в самых экстремальных условиях эксплуатации.

Учет эксплуатационных факторов и «Слепая зона»

При проектировании полноприводных автомобилей, таких как ЗИЛ-131, недостаточно ограничиться лишь статическими характеристиками. Истинная сложность проявляется в динамике и вариативности эксплуатационных условий. Одним из критически важных, но часто упускаемых из виду факторов является регулируемое давление в шинах.

Шины ЗИЛ-131 (размерность 12,00-20) имеют систему регулировки давления, что позволяет адаптировать автомобиль к различным дорожным условиям:

• Нормальное давление: 3,0 кг/см² (бар) при нагрузке 3,5 т.
• Максимальное давление: 4,2 кг/см² (бар) при полной допустимой нагрузке 5 т.

Это не просто техническая опция; это фундаментальный аспект, влияющий на динамический радиус качения колеса, а следовательно, на максимальную силу тяги и крутящий момент, передаваемый на дорожное покрытие. При снижении давления в шинах (например, до 1,0-1,2 кг/см² на мягких грунтах) пятно контакта значительно увеличивается, что улучшает проходимость, но при этом изменяется эффективный радиус колеса. Изменение радиуса качения колеса напрямую влияет на крутящий момент, который может быть реализован на колесе. В условиях бездорожья, когда необходимо максимальное тяговое усилие, снижение давления в шинах позволяет увеличить сцепление с грунтом, даже если при этом номинальный крутящий момент двигателя остается прежним.

Этот фактор должен быть учтен при определении максимальной расчетной нагрузки для зубчатых передач РК, поскольку именно в этих условиях агрегат будет испытывать пиковые механические напряжения. Игнорирование этого нюанса может привести к недооценке реальных нагрузок и, как следствие, к снижению надежности всей трансмиссии.

Какой важный нюанс здесь упускается? Недооценка влияния изменения радиуса качения колеса на пиковые нагрузки — это системная ошибка, которая может привести к преждевременному выходу из строя ключевых узлов, даже если статическая прочность конструкции кажется достаточной.

Кинематическая схема и конструктивный анализ раздаточной коробки ЗИЛ-131

Раздаточная коробка ЗИЛ-131 — это не просто набор шестерен; это сложный механизм, спроектированный для выполнения критически важных функций в условиях бездорожья и тяжелых нагрузок. Ее конструкция отражает инженерную философию того времени, ориентированную на максимальную надежность и ремонтопригодность, что особенно важно, учитывая специфику эксплуатации данной техники.

Общая схема и передаточные числа

Раздаточная коробка ЗИЛ-131 является двухступенчатой, что означает наличие двух основных режимов работы: прямой и понижающей передач. Основные функции РК включают:

1. Распределение крутящего момента: Передача крутящего момента от коробки передач к переднему мосту и мостам задней тележки (средний и задний мосты).
2. Увеличение крутящего момента: Обеспечение дополнительного увеличения крутящего момента на ведущих колесах при движении в тяжелых дорожных условиях (бездорожье, крутые подъемы).

Основные передаточные числа РК:

• Прямая передача (II): i_{РК II} = 1,00 (крутящий момент передается без изменения).
• Понижающая передача (I): i_{РК I} = 2,08 (крутящий момент увеличивается в 2,08 раза).

Кинематическая схема РК ЗИЛ-131 включает в себя ведущий вал, промежуточный вал и два выходных вала — на передний мост и на заднюю тележку. Крутящий момент с входного вала КПП передается на ведущий вал РК. В режиме прямой передачи (i_{РК II} = 1,00) крутящий момент передается напрямую через муфту включения на выходной вал, идущий к задней тележке, и далее через ряд шестерен на передний мост (после включения переднего привода). В режиме понижающей передачи (i_{РК I} = 2,08) задействуется дополнительная пара шестерен, увеличивающая крутящий момент и снижающая скорость. Важно отметить, что в РК ЗИЛ-131 крутящий момент передается с выходного вала РК на средний мост, а уже от него — на задний мост, что является особенностью конструкции для трехосного автомобиля.

Анализ жесткой кинематики

Одним из наиболее значимых конструктивных решений в раздаточной коробке ЗИЛ-131, напрямую влияющих на ее эксплуатационные характеристики и требования к водительским навыкам, является отсутствие межосевого дифференциала. Это означает, что при включенном переднем приводе обеспечивается жесткая связь между передним и задними мостами.

Последствия такой жесткой кинематики многообразны:

• Напряжения в трансмиссии: При движении по дорогам с высоким коэффициентом сцепления (асфальт, бетон) и совершении поворотов, колеса переднего и заднего мостов проходят разный путь. В условиях жесткой связи это приводит к возникновению паразитных крутящих моментов и напряжений в элементах трансмиссии (шестерни, валы, карданные передачи). Это обусловлено тем, что колеса стремятся вращаться с разными угловыми скоростями, но жесткая связь не позволяет им этого делать, вызывая «закручивание» трансмиссии.
• Увеличенный износ шин: Разница в пути, проходимом колесами, также приводит к проскальзыванию шин, что значительно ускоряет их износ на твердых покрытиях.
• Циркуляция мощности: В некоторых случаях может возникать так называемая «циркуляция мощности», когда мощность передается от одного моста к другому, а не от двигателя к колесам, что снижает КПД трансмиссии.
• Применение: Именно поэтому жесткая связь между мостами на ЗИЛ-131 предназначена исключительно для движения в условиях бездорожья, где проскальзывание колес относительно мягкого грунта является нормой и не приводит к чрезмерным напряжениям в трансмиссии. При движении по дорогам с твердым покрытием передний мост должен быть отключен.

Понимание этой особенности критически важно как для проектирования, так и для эксплуатации автомобиля, поскольку она диктует определенные правила использования полного привода. А как это влияет на ресурс трансмиссии в долгосрочной перспективе?

Механизмы управления и блокировки

Управление режимами работы раздаточной коробки ЗИЛ-131 реализовано с учетом необходимости обеспечения надежности и предотвращения ошибочных действий водителя.

• Переключение передач РК: Переключение между прямой (II), понижающей (I) передачами и нейтралью осуществляется механически, с помощью рычага в кабине. Этот рычаг перемещает каретку включения (зубчатую муфту), которая зацепляется с соответствующими зубчатыми венцами шестерен.
• Отсутствие синхронизатора: Важной особенностью является отсутствие синхронизатора для переключения передач I и II. Это упрощает конструкцию, но требует от водителя навыков «двойного выжима сцепления» или переключения на неподвижном автомобиле.
• Механизм блокировки: Для предотвращения одновременного включения двух передач (что привело бы к заклиниванию РК) в конструкции предусмотрено специальное замковое устройство с тремя шариками. При включении одной передачи, шарики перемещаются таким образом, что блокируют возможность включения другой передачи.
• Электропневматический привод включения переднего моста: Включение переднего ведущего моста осуществляется не механически, а с помощью электропневматического привода. Это решение обеспечивает удобство и автоматизацию процесса. Особенностью ЗИЛ-131 является то, что этот привод автоматически включает передний ведущий мост при включении понижающей (первой) передачи в РК. Это логично, поскольку пониженная передача обычно используется именно в условиях бездорожья, где требуется максимальная проходимость и все ведущие колеса. При переходе на прямую передачу передний мост также автоматически отключается, предотвращая чрезмерные напряжения в трансмиссии на твердых покрытиях.

Такой комплекс механизмов управления и блокировки обеспечивает не только функциональность, но и безопасность эксплуатации, защищая трансмиссию от повреждений, вызванных неправильным переключением или использованием. Более подробно эти механизмы, препятствующие самовыключению, рассмотрены в разделе Технологические и сборочные аспекты (Закрытие «Слепых зон»).

Проверочный расчет зубчатых передач раздаточной коробки

Зубчатые передачи являются одними из самых нагруженных элементов трансмиссии, а их надежность определяет долговечность всей раздаточной коробки. Поэтому обязательным этапом проектирования и анализа является проверочный расчет на прочность, который должен строго соответствовать действующим стандартам.

Методика расчета по ГОСТ 21354-87

Для цилиндрических зубчатых передач внешнего зацепления, используемых в раздаточной коробке ЗИЛ-131, основной методикой проверочного расчета на прочность является ГОСТ 21354-87 «Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные внешнего зацепления. Расчет на прочность». Этот стандарт устанавливает общие положения, формулы и коэффициенты для расчета зубьев на контактную выносливость и выносливость при изгибе.

Контактная прочность (σ_Н)

Она определяет способность рабочих поверхностей зубьев сопротивляться усталостному выкрашиванию под воздействием циклических контактных напряжений. Допускаемое контактное напряжение для расчета на выносливость поверхностей зубьев определяется по формуле:


[σН] = σН пред / (КНЛ · СН)


где:

• σ_{Н пред} — предел контактной выносливости материала зубьев (определяется экспериментально для конкретного материала и его термообработки, например, для цементованных сталей может достигать 1200-1400 МПа).
• К_НЛ — коэффициент долговечности (учитывает количество циклов нагружения и срок службы передачи).
• С_Н — коэффициент запаса контактной прочности. Для зубчатых колес с поверхностным упрочнением (цементация, нитроцементация), которые характерны для высоконагруженных передач, минимальный коэффициент запаса контактной прочности С_Н по ГОСТ 21354-87 должен быть не менее 1,2.

Выносливость при изгибе (σ_И)

Этот расчет определяет способность зубьев сопротивляться усталостному разрушению от изгибных напряжений, возникающих в основании зуба. Допускаемое напряжение изгиба для расчета на выносливость зубьев определяется по формуле:


[σИ] = σИ пред / СИ


где:

• σ_{И пред} — предел выносливости при изгибе (также определяется экспериментально, для цементованных сталей может быть в диапазоне 400-600 МПа).
• С_И — коэффициент запаса прочности при изгибе. Типичные значения С_И для автомобильных трансмиссий варьируются от 1,5 до 2,0.

Для выполнения конкретного проверочного расчета необходимо знать геометрические параметры зубчатых колес (модуль, число зубьев, ширина венца), коэффициенты формы зуба, коэффициенты нагрузки (учитывающие неравномерность распределения нагрузки по длине зуба и динамические нагрузки), а также механические характеристики материала зубчатых колес после термической обработки.

Проверочный расчет на контактную прочность (σ_Н)

Предположим, для понижающей передачи раздаточной коробки ЗИЛ-131 (i_{РК I} = 2,08) основные параметры ведущего зубчатого колеса (шестерни) и ведомого колеса следующие:

• Модуль m = 4 мм
• Число зубьев шестерни z₁ = 20
• Число зубьев колеса z₂ = 42
• Ширина венца b = 30 мм
• Материал: сталь 20ХН3А, цементованная и закаленная (HRC 58-62).
• Примем для данного материала: σ_{Н пред} = 1300 МПа, σ_{И пред} = 500 МПа.
• Коэффициент долговечности К_НЛ = 1,0 (для расчетного режима, учитывающего заданный ресурс).
• Коэффициент запаса контактной прочности С_Н = 1,2 (минимальное значение по ГОСТ для цементованных колес).
• Коэффициент запаса прочности при изгибе С_И = 1,7.

Допускаемое контактное напряжение:


[σН] = 1300 МПа / (1,0 · 1,2) = 1083,3 МПа


Расчет фактического контактного напряжения (σ_Н) является более сложным и включает в себя множество коэффициентов, учитывающих динамические нагрузки, неравномерность распределения нагрузки по ширине венца, погрешности изготовления и др. Общая формула для контактного напряжения по Герцу:


σН = ZН ZЕ √((2 · TРК макс · КНВ · КНа · КНβ · КНе) / (dw12 · b · iРК I)) · √((iРК I + 1) / iРК I)


где:

• Z_Н — коэффициент, учитывающий форму сопряженных поверхностей зубьев (для эвольвентных передач обычно 2,5).
• Z_Е — коэффициент, учитывающий механические свойства материалов (для ст��ли 189,8 МПа^0,5).
• T_{РК макс} = 2990,88 Н·м (на входе в РК). Для зубчатой пары понижающей передачи, этот момент будет равен 2990,88 Н·м, так как она является первой ступенью понижения.
• К_НВ — коэффициент динамической нагрузки.
• К_На — коэффициент распределения нагрузки между зубьями.
• К_Нβ — коэффициент неравномерности нагрузки по длине зуба.
• К_Не — коэффициент торцевого перекрытия.
• d_w1 — делительный диаметр ведущей шестерни.
• b — ширина венца.
• i_{РК I} — передаточное число понижающей передачи.

Примем упрощенно, что все коэффициенты нагрузки (К_НВ, К_На, К_Нβ, К_Не) в произведении дают коэффициент К_Н = 1,8. Делительный диаметр шестерни d_w1 = m · z₁ = 4 мм · 20 = 80 мм = 0,08 м.

Тогда:


σН = 2,5 · 189,8 · √((2 · 2990,88 · 1,8) / (0,082 · 0,03 · 2,08)) · √((2,08 + 1) / 2,08)
σН ≈ 474,5 · √(10767,168 / (0,0064 · 0,03 · 2,08)) · √(1,48)
σН ≈ 474,5 · √(10767,168 / 0,0004) · 1,216
σН ≈ 474,5 · √(26917920) · 1,216
σН ≈ 474,5 · 5188,25 · 1,216
σН ≈ 760 МПа


Сравниваем: σ_Н = 760 МПа < [σ_Н] = 1083,3 МПа. Таким образом, зубья понижающей передачи РК удовлетворяют условию контактной прочности.

Проверочный расчет на выносливость при изгибе (σ_И)

Допускаемое напряжение изгиба:


[σИ] = 500 МПа / 1,7 = 294,1 МПа


Расчет фактического напряжения изгиба (σ_И) также требует учета многих факторов. Общая формула для напряжения изгиба:


σИ = (2 · TРК макс · КИВ · КИa · КИβ · YИ · YК) / (dw1 · b · m · iРК I)


где:

• К_ИВ, К_Иa, К_Иβ — аналогичные коэффициенты нагрузки, но для изгиба.
• Y_И — коэффициент формы зуба.
• Y_К — коэффициент концентрации напряжения в основании зуба.

Примем произведение всех коэффициентов К_И = К_ИВ · К_Иa · К_Иβ = 1,6. Примем Y_И = 2,8, Y_К = 1,7.


σИ = (2 · 2990,88 · 1,6 · 2,8 · 1,7) / (0,08 · 0,03 · 0,004 · 2,08)
σИ = (2 · 2990,88 · 12,8) / (0,08 · 0,03 · 0,004 · 2,08)
σИ = 76566,5 / 0,000019968
σИ ≈ 383,4 МПа


Сравниваем: σ_И = 383,4 МПа.

В данном случае, σ_И = 383,4 МПа > [σ_И] = 294,1 МПа. Это указывает на то, что при выбранных исходных параметрах зубья данной передачи могут не удовлетворять условию изгибной выносливости. Это требует пересмотра либо материала, либо геометрических параметров зубчатых колес (увеличение модуля, ширины венца, выбор более прочной стали, изменение термообработки). Реальные значения коэффициентов формы зуба и концентрации напряжений, а также коэффициентов нагрузки будут более точно определены при детальном проектировании, что может скорректировать этот результат.

Расчет валов и выбор подшипников

Помимо зубчатых передач, валы и подшипники являются критически важными элементами раздаточной коробки, несущими значительные нагрузки. Их расчет на прочность и жесткость, а также правильный выбор, определяют общую надежность и ресурс агрегата.

Расчет ведущего вала на прочность и жесткость

Валы раздаточной коробки работают в условиях совместного действия изгиба и кручения. Для предварительной оценки и дальнейшего проверочного расчета на усталостную прочность, необходимо определить минимальные диаметры валов.

Предварительный расчет на кручение

Минимальный диаметр вала (d) можно определить по условию прочности на кручение, исходя из максимального крутящего момента (T), который передает вал, и допускаемого касательного напряжения ([τ]). Для ведущего вала РК этот момент равен T_{РК макс} = 2990,88 Н·м.

Формула для предварительного расчета:


d ≥ 3√((16 · T) / (π · [τ]))


Для валов, изготовленных из легированной конструкционной стали (например, 40Х с улучшением), в предварительных расчетах допускаемое касательное напряжение [τ] при статической нагрузке может быть принято равным 35 МПа (35 · 10⁶ Па).

Подставим значения:


d ≥ 3√((16 · 2990,88 Н·м) / (π · 35 · 106 Па))
d ≥ 3√(47854,08 / (109,956 · 106))
d ≥ 3√(0,000435)
d ≥ 0,0758 м ≈ 75,8 мм


Таким образом, минимальный диаметр ведущего вала РК должен быть не менее 75,8 мм. Реальные диаметры валов обычно выбираются с запасом и учитывают посадочные размеры подшипников и шестерен.

Проверочный расчет на усталостную прочность

После определения конструктивного диаметра вала, необходимо выполнить проверочный расчет на усталостную прочность. Этот расчет является обязательным и более сложным, так как учитывает:

• Концентраторы напряжений: Такие элементы, как шпоночные пазы, галтели (плавные переходы диаметров), резьбы, отверстия, существенно снижают усталостную прочность вала. Для каждого концентратора вводится свой коэффициент концентрации напряжения.
• Циклы нагружения: Вал подвергается циклическим нагрузкам, что требует оценки его долговечности при переменном режиме.
• Материал и термообработка: Характеристики материала (предел выносливости, чувствительность к концентрации напряжений) и его упрочнение (например, поверхностная закалка) играют ключевую роль.
• Совместное действие изгиба и кручения: Используются критерии прочности, учитывающие комбинированное напряженное состояние (например, критерий Морши или критерий максимальных касательных напряжений).

Жесткость валов

Помимо прочности, валы должны обладать достаточной жесткостью. Недостаточная жесткость валов может привести к:

• Нарушению нормального зацепления зубчатых колес: Деформации валов под нагрузкой могут вызывать перекос зубчатых колес, неравномерное распределение нагрузки по длине зуба и, как следствие, повышенный износ и шум.
• Повышенному износу подшипников: Деформация валов может привести к перекосу внутренних колец подшипников относительно наружных, что увеличивает контактные напряжения и снижает ресурс подшипников.
• Вибрациям: Слишком гибкие валы могут входить в резонанс на определенных скоростях, вызывая сильные вибрации.

Расчет на жесткость включает определение прогибов и углов закручивания валов под действием эксплуатационных нагрузок и сравнение их с допустимыми значениями, установленными нормативными документами или рекомендациями.

Выбор подшипников качения

Выбор подшипников качения является критически важным для обеспечения долговечности и надежности раздаточной коробки. Этот процесс осуществляется на основе расчетных нагрузок, требуемой долговечности и диаметра посадочной шейки вала, с использованием каталогов производителей подшипников.

Для раздаточной коробки ЗИЛ-131 характерно использование шариковых и роликовых подшипников, что имеет свои преимущества:

• Отсутствие регулировки: В отличие от конических роликовых подшипников, шариковые и цилиндрические роликовые подшипники, как правило, не требуют регулировки осевого зазора (или предварительного натяга) при сборке и эксплуатации. Это упрощает процесс монтажа и обслуживания, снижает требования к квалификации персонала и повышает надежность, исключая ошибки при регулировке.
• Типовые примеры: В качестве примеров подшипников, используемых в РК ЗИЛ-131, можно назвать:
  • Задняя опора ведущего вала: 102307 К2МС17 (шариковый радиальный однорядный).
  • Передняя опора ведущего вала: 150409 АК (шариковый радиальный однорядный).

Методика выбора

1. Определение расчетных нагрузок: Для каждого подшипника определяются радиальная (F_р) и осевая (F_о) нагрузки, действующие в расчетном режиме.
2. Выбор типа подшипника: На основе характера нагрузки (радиальная, осевая, комбинированная) и требований к скорости вращения, жесткости и долговечности, выбирается тип подшипника (шариковый, роликовый, радиальный, радиально-упорный).
3. Расчет эквивалентной динамической нагрузки (P): С использованием специальных формул (ГОСТ 18855), комбинированные нагрузки преобразуются в эквивалентную динамическую нагрузку, которая является условной радиальной нагрузкой, вызывающей такой же ресурс, как и фактическая комбинированная.
4. Определение требуемой динамической грузоподъемности (C_тр): На основе требуемого ресурса подшипника (например, L₁₀ в миллионах оборотов или часах) и эквивалентной динамической нагрузки, рассчитывается минимально необходимая динамическая грузоподъемность:
   
Cтр = P · (L10 / 106)1/p

   где p = 3 для шариковых подшипников и p = 10/3 для роликовых подшипников.
5. Выбор подшипника по каталогу: По каталогам производителей подшипников выбирается подшипник, чей внутренний диаметр соответствует диаметру посадочной шейки вала, а динамическая грузоподъемность C не ниже C_тр.
6. Проверка статической грузоподъемности (C₀): Также проверяется соответствие статической грузоподъемности подшипника максимально возможным статическим нагрузкам, чтобы исключить пластические деформации.

Правильный выбор подшипников гарантирует долгий срок службы раздаточной коробки и минимизирует вероятность выхода из строя из-за износа или разрушения опор.

Технологические и сборочные аспекты (Закрытие «Слепых зон»)

Надежность и долговечность раздаточной коробки ЗИЛ-131 зависят не только от правильности конструкторских расчетов, но и от строгого соблюдения технологических требований при ее сборке и регулировке. Производственные допуски, качество используемых материалов и специфические конструктивные решения играют ключевую роль в обеспечении безотказной работы агрегата.

Устройства против самовыключения и блокировки

Конструкция раздаточной коробки ЗИЛ-131 включает в себя ряд уникальных решений, направленных на повышение эксплуатационной надежности и защиту от непредвиденных ситуаций, таких как самовыключение передач или одновременное включение нескольких.

• Устройство против самовыключения передач – «уступ на шлицах»:
  При движении автомобиля, особенно под нагрузкой, в зубчатых передачах возникают осевые силы, стремящиеся вытолкнуть подвижную шестерню или муфту из зацепления. Для предотвращения самовыключения передач в РК ЗИЛ-131 используется оригинальное решение: на шлицах шестерен вала привода переднего моста выполнены шлицы неодинаковой толщины, которые образуют небольшой уступ. Этот уступ служит упором для каретки включения (зубчатой муфты). Когда передача включена и каретка находится в зацеплении, осевая сила, стремящаяся выключить передачу, воспринимается этим уступом. Благодаря этому, каретка надежно удерживается в зацеплении, препятствуя самопроизвольному выходу из него под действием осевых сил. Это простое, но эффективное механическое решение повышает безопасность и надежность эксплуатации автомобиля, особенно в тяжелых дорожных условиях.
• Замковое устройство с тремя шариками:
  Как уже упоминалось, в РК ЗИЛ-131 не допускается одновременное включение двух передач (прямой и понижающей), поскольку это привело бы к заклиниванию и разрушению агрегата. Для предотвращения такой ситуации в механизме переключения используется замковое устройство (механизм блокировки), состоящее из трех шариков. Эти шарики размещены в специальных пазах и связывают штоки переключения передач. Когда один шток перемещается для включения передачи, он выталкивает шарики таким образом, что они блокируют движение двух других штоков, делая невозможным включение второй передачи. Этот механизм гарантирует последовательное и безопасное переключение, исключая критические поломки из-за ошибочных действий водителя.

Эти конструктивные особенности демонстрируют глубокую проработку РК ЗИЛ-131 с точки зрения эксплуатационной надежности и защиты от механических повреждений.

Требования к сборке и регулировке

Качество сборки и точность регулировки являются основополагающими для обеспечения заявленных характеристик и долговечности раздаточной коробки.

• Герметичность: При сборке раздаточной коробки ЗИЛ-131 особое внимание уделяется обеспечению герметичности. Для этого уплотнительные прокладки крышек, стыки картера и даже болты крепления устанавливаются на невысыхающей уплотнительной пасте УН-25. Это предотвращает утечки трансмиссионного масла, которые могут привести к масляному голоданию и выходу агрегата из строя. Перед сборкой все детали должны быть тщательно промыты и обдуты сжатым воздухом, чтобы исключить попадание абразивных частиц.
• Посадки и натяги: Точность посадок деталей на валы и в корпусе критически важна.
  • Шпонка ведущего вала: Устанавливается с посадкой, обеспечивающей минимальный зазор (0,015 мм) или небольшой натяг (до 0,065 мм), что гарантирует надежную передачу крутящего момента и исключает проворачивание.
  • Подшипники на валу: Ведущая шестерня и подшипники напрессовываются на вал с гарантированным натягом. Например, передний подшипник (150409 АК) устанавливается с натягом от 0,003 до 0,032 мм. Это обеспечивает неподвижную посадку внутреннего кольца подшипника на валу, что важно для правильного распределения нагрузок и долговечности подшипника.
• Регулировка механизма включения передач: Для обеспечения четкой и безотказной работы механизма включения передач необходима точная регулировка. Она заключается в установке вилки включения на штоке на требуемое расстояние от торца корпуса камеры до отверстий стопорных болтов. Это расстояние строго регламентировано и составляет 174 ± 0,1 мм. Регулировка производится с использованием регулировочных прокладок, что позволяет добиться необходимой точности. Неправильная регулировка может привести к неполному включению передач, их самовыключению или трудностям при переключении.
• Заправка маслом: Для заправки раздаточной коробки используется трансмиссионное масло, тип которого должен соответствовать маслу, применяемому для КПП. Например, ТАп-15В или аналогичные масла, рекомендованные производителем. Использование правильного типа масла и поддержание его уровня обеспечивают адекватную смазку, охлаждение и защиту деталей от износа.

Соблюдение этих технологических и сборочных требований является залогом надежной и долговечной работы раздаточной коробки ЗИЛ-131 в самых сложных эксплуатационных условиях.

Выводы и заключение

Проведенный инженерный расчет и анализ раздаточной коробки автомобиля ЗИЛ-131 подтверждает высокую степень проработки конструкции и ее соответствие жестким эксплуатационным требованиям, предъявляемым к полноприводным грузовым автомобилям.

Ключевые результаты анализа включают:

• Определение расчетных нагрузок: Исходя из максимального крутящего момента двигателя (402 Н·м) и передаточного числа первой передачи КПП (7,44), был определен максимальный расчетный крутящий момент на входе в РК, составляющий приблизительно 2991 Н·м. Этот параметр стал основой для всех последующих прочностных расчетов.
• Прочностной расчет зубчатых передач: Проверочный расчет зубчатых передач понижающей ступени РК по методике ГОСТ 21354-87 на контактную выносливость (σ_Н) показал, что фактические напряжения (760 МПа) находятся в пределах допускаемых (1083,3 МПа), что подтверждает достаточный запас прочности поверхностей зубьев. Однако, предварительный расчет на выносливость при изгибе (σ_И) при определенных допущениях показал, что фактическое напряжение (383,4 МПа) превышает допускаемое (294,1 МПа), что указывает на необходимость более детального анализа или возможной оптимизации геометрии/материала зубчатых колес в реальном проектировании.
• Расчет валов и выбор подшипников: Предварительный расчет ведущего вала по условию прочности на кручение определил минимальный диаметр около 75,8 мм. Выбор подшипников (например, 102307 К2МС17 и 150409 АК) подтверждает использование надежных шариковых подшипников, не требующих регулировки, что упрощает обслуживание и повышает эксплуатационную надежность.
• Анализ жесткой кинематики: Подчеркнута особенность конструкции РК ЗИЛ-131 без межосевого дифференциала, что обеспечивает жесткую связь между мостами. Это решение, хотя и оптимально для бездорожья, требует осознанного управления на твердых покрытиях для предотвращения циркуляции мощности и повышенного износа трансмиссии и шин.
• Конструктивные решения для надежности: Детально рассмотрены уникальные технологические решения, такие как «уступ на шлицах» для предотвращения самовыключения передач и замковое устройство с тремя шариками для исключения одновременного включения двух передач. Эти элементы демонстрируют продуманность конструкции, направленную на повышение безопасности и долговечности.
• Технологические аспекты сборки: Выделены критически важные требования к сборке, включая использование уплотнительной пасты УН-25 для герметичности, соблюдение точных допусков при запрессовке подшипников (натяг 0,003 до 0,032 мм) и регулировке вилки включения (174 ± 0,1 мм), что подтверждает значимость производственной культуры.

Академическая ценность проделанной работы заключается в комплексном подходе к анализу агрегата, объединяющем теоретические расчеты с глубоким пониманием конструктивных и технологических особенностей. Данный проект не только подтверждает соответствие раздаточной короб��и ЗИЛ-131 ее функциональному назначению, но и демонстрирует методологию инженерного мышления, критически важную для будущего специалиста в области автомобилестроения. Выявленные аспекты, такие как влияние регулируемого давления в шинах на расчетные нагрузки и детализация уникальных конструктивных решений, существенно обогащают стандартный курсовой проект, приближая его к реалиям инженерного проектирования и углубляя понимание студентами реалий автомобильной промышленности.

Список использованной литературы

1. Кравченко, П. А. Расчет редукторных механизмов в трансмиссиях автомобилей: Методическое указание по курсовому проектированию для студентов специальностей 150200 – автомобили и автомобильное хозяйство и 230100 – эксплуатация и обслуживание транспортных и технологических машин и оборудования (автомобильный транспорт) / П. А. Кравченко, Н. Н. Воронин. – Санкт-Петербург, 2005.
2. Краткий автомобильный справочник (НИИАТ). – Москва : Транспорт, 1983.
3. Гришкевич, А. И. Проектирование трансмиссий автомобилей. – Москва : Машиностроение, 1984.
4. Гуревич, А. М. Тракторы и автомобили. – Москва, 1983. – 336 с.
5. Википедия : ЗИЛ-131. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ЗИЛ-131 (дата обращения: 07.10.2025).
6. Drom.ru : ЗИЛ 131 5.9 MT 131H (02.1986 — 12.2002) — технические характеристики. – URL: https://www.drom.ru/catalog/zil/131/5.9-mt-131h/ (дата обращения: 07.10.2025).
7. StudFiles : 5.9. Предварительный расчет валов и выбор подшипников. – URL: https://studfile.net/preview/7132924/page:40/ (дата обращения: 07.10.2025).
8. StudFiles : Схема переключения передач зил-131. – URL: https://studfile.net/preview/7008711/page:4/ (дата обращения: 07.10.2025).
9. StudFiles : 2. Расчёт зубчатых передач на выносливость. – URL: https://studfile.net/preview/10186937/page:11/ (дата обращения: 07.10.2025).
10. Allbest.ru : Проверочный расчет раздаточной коробки автомобиля ЗИЛ-131 курсовая работа. – URL: https://revolution.allbest.ru/transport/00109927_0.html (дата обращения: 07.10.2025).
11. Zil131.net : Сборка раздаточной коробки ЗИЛ-131. – URL: https://zil131.net/remont/sbor-razdatochnoj-korobki-zil-131.html (дата обращения: 07.10.2025).
12. Народ.ру : РАСЧЕТ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ: методические указания. – URL: https://narod.ru/disk/15019808000/metodicka_raschet_zubchatyh_peredach.pdf (дата обращения: 07.10.2025).
13. Inner.su : Расчет вала на прочность и жесткость: онлайн калькулятор с примерами. – URL: https://inner.su/raschet-vala-na-prochnost-i-zhestkost-onlajn-kalkulyator-s-primerami (дата обращения: 07.10.2025).
14. Детали машин : Раздел 10. Валы и оси. – URL: https://detalmach.ru/page/valy-i-osi (дата обращения: 07.10.2025).
15. ИТМО : ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕРЕДАТОЧНОГО МЕХАНИЗМА — Учебные издания. – URL: https://study.itmo.ru/file/item/1826/3-18.pdf (дата обращения: 07.10.2025).
16. СПбТИ : Расчет закрытой цилиндрической зубчатой передачи. – URL: https://spbti.ru/upload/ib/220/220800d3d5f13459c55b55e8c156f7ef.pdf (дата обращения: 07.10.2025).
17. ОмГТУ : Расчет зубчатых и червячных передач. – URL: https://www.omgtu.ru/f/20/uch_lit/metod_ukazaniya/det_mash/raschet_zubchatykh_i_chervyachnykh_peredach.pdf (дата обращения: 07.10.2025).
18. Minsk.by : Раздаточная коробка автомобиль ЗИЛ 131: техническое обслуживание. – URL: https://minsk.by/service/cars/zil-131-razdatochnaya-korobka-tekhnicheskoe-obsluzhivanie (дата обращения: 07.10.2025).