Устройство карданной передачи

Шарнир равных угловых скоростей

Полуоси, независимо оттого, где они применяются, в переднеприводном автомобиле или в автомобиле с приводом на задние колеса с независимой подвеской, представляют собой карданные валы в миниатюре

Важное различие заключается в том, что они короче, и в том, что внешние концы перемещаются с колесами, которые они приводят в движение, а углы, под которыми они передают крутящий момент, больше. Вес является важным фактором, потому что, валы образуют часть «неподрессоренной массы», которая влияет на плавность хода и устойчивость

Одновременно полуоси должны быть по возможности небольшими, потому что они должны проходить через подвеску и оставлять место для других компонентов, таких, как тормозной механизм и привод, которые образуют часть колесного узла. Поэтому полуоси могут быть трубчатыми, но более часто сплошными, из-за того, что это дает возможность сделать их тоньше и дешевле.

Однако конструкция самого вала не настолько важна, насколько важна конструкция шарниров на каждом конце вала. Основная задача любого карданного шарнира — передавать крутящий момент при изменяющихся углах между валами. Чтобы не допустить вибраций, шарнир должен обеспечивать постоянное равенство угловых скоростей соединяемых валов. Конструкция шарнира должна обеспечивать равенство угловых скоростей, работать при больших углах между валами, компенсировать продольные перемещения и иметь минимальное трение.

Наиболее распространенным шарниром в приводных валах является универсальный карданный шарнир неравных угловых скоростей, который хорошо работает в различных конструкциях. В альтернативных конструкциях могут использоваться эластичные материалы, резиновые «бублики» или диски из прочного пластика. Но все эти конструкции обладают одним недостатком: если два соединенных шарниром вала вращаются под углом и ведущий вал вращается с постоянной скоростью, скорость ведомого вала будет изменяться при каждом обороте вала, то увеличиваться относительно ведущего, то уменьшаться.

Что такое ШРУС?

Увеличение угла между валами увеличивает разницу в угловых скоростях

Это свойство может не приниматься во внимание, если углы между валами небольшие или они вращаются медленно, но понятно, что они не могут применяться в приводе к передним ведущим и управляемым колесам. Колеса должны вращаться с постоянной скоростью, а не с вибрацией, то быстрее, то медленнее, причем изменяясь сотни раз в минуту

Таким образом, шарнир ведущей полуоси в переднем приводе должен обеспечивать равенство угловых скоростей ведущего и ведомого валов привода — следовательно, нужен шарнир равных угловых скоростей (ШРУС).

Историческая справка

После 1930 года появилось несколько конструкций ШРУС, особые улучшения конструкции были разработаны специалистами по трансмиссиям компании GKN. Первый производитель серийных автомобилей с передним приводом использовал «сдвоенные» карданные шарниры неравных угловых скоростей, что дало возможность решить проблему. Большинство шарниров равных угловых скоростей соединяют два вала через «сепаратор», в котором находятся шарики или ролики, которые перемещаются в канавках, выполненных на концах обоих валов. Вместо циклического изменения скорости ведомого вала, циклические движения совершают шарики или ролики, а ведомый вал вращается с той же скоростью, что и ведущий. Можно также обеспечить осевое перемещение шариков или роликов в корпусе шарнира, для компенсации изменения длины такой передачи. В полуосях, приводящих в движение передние колеса, таким выполняется внутренний шарнир, потому что ему не нужно работать под такими большими углами, как наружному.

Нагрузки на ШРУС

Нагрузки на ШРУС увеличиваются при увеличении угла между валами, и если им приходится работать долгое время под большими углами, это может уменьшить их долговечность и точность работы. Однако при очень больших углах работают только наружные шарниры в переднем приводе, а время их работы в таком положении не очень большое, потому что это происходит, только когда колеса вывернуты до упора. ШРУСы в основном обладают очень высокой долговечностью, если обеспечена адекватная смазка шарнира.

Иногда не обращают внимания на эластичные защитные чехлы ШРУСа, хотя они защищают шарниры от попадания в них грязи и пыли, а это существенно влияет на долговечность шарнира. Как уже упоминалось, ШРУСы сейчас широко используются в карданных передачах заднеприводных автомобилей. На самом деле инженеры по современным трансмиссиям, сталкиваясь с проблемой шума и вибраций, обычно заменяют обычные карданы на ШРУС.

Устройство и принцип работы ШРУСа

Работают ШРУСы по принципу регуляции подаваемого вращения на каждую полуось трансмиссии (в нашем случае – на каждое колесо в отдельности). Однако стоит о включается в работу лишь тогда, когда между данными полуосями появляется некоторый угол, как правило, не превышающий 70-75 градусов.

Подобное устройство ШРУСа позволило придать ему сразу несколько положительных свойств:

Во-первых, шарнир организует привод, который даёт возможность использовать передние колёса (очень редко – задние) в качестве и ведущих, и приводных элементов трансмиссии;
Во-вторых, шарнир осуществляет наиболее оптимальную передачу вращательного момента на каждую из полуосей при возникновении между ними угла до 75 градусов

В итоге, это позволяет повысить КПД функционирования мотора и существенно продлить срок эксплуатации целого ряда узлов подвески;
И в-третьих, шарнир способен работать достаточно долго, что немаловажно для комфортабельного использования автомобиля.. Как показало время, лучшими вариациями конструкции «гранат» являются те, что предполагают использование двух составных частей

Более чем 90 % современных машин с передним приводом оборудованы именно такими шарнирами, которые называются либо привод, либо ШРУС в сборе. Состоит подобный привод из двух частей – внутренний (задний) и внешний (передний) шарниры

Как показало время, лучшими вариациями конструкции «гранат» являются те, что предполагают использование двух составных частей. Более чем 90 % современных машин с передним приводом оборудованы именно такими шарнирами, которые называются либо привод, либо ШРУС в сборе. Состоит подобный привод из двух частей – внутренний (задний) и внешний (передний) шарниры.

Первая составляющая «Гранаты» имеет более громоздкие размеры, но в работе нагружена не настолько сильно, как её «собрат». В любом случае, обе детали имеют колоссальное значение:

• Внутренний ШРУС отвечает за передачу вращения от КПП к редукторному валу;
• Внешний шарнир передаёт вращение от вала редуктора непосредственно к колесу.

Непростые функции и долговечность – вот, чем отличается как передний, так задний ШРУС, но как это возможно? «Виной» всему простейшая для столь важной детали конструкция, которая включает в себя:

• сферическую чашу, работающую в купе с ведомым валом (они соединены между собой и формируют корпус любой «гранаты»);
• сферический кулак, работающий вместе с ведущим валом (данные составляющие шарнира также соединены между собой, но образуют уже обойму узла);
• 6 шариков (нейтрализуют разницу скоростей, по факту, выполняя главную функцию ШРУСа);
• сепаратора (он удерживает 6 шариков в спецканавках и помогает им в нейтрализации разницы скоростей);
• пальников (эти детали защищают поверхности шарнира, работающие с большим трением и имеющие смазку, от загрязнений из окружающей среды);
• мелких элементов: стопорные кольца, крепления и т.п. (необходимы для организации единого механизма всех описанных выше элементов «гранаты»).

Отметим, что описанная выше структура ШРУСа актуальна для подобных деталей шарикового типа, которые являются наиболее используемыми в конструкции современных авто. Помимо данного вида шарниров, также можно выделить сухариковый (часто используется на грузовых машинах), триподный (усовершенствованный наружный ШРУС) и спаренный (сложноустроенный шарнир, работающий с максимально возможным КПД). Вне зависимости от конструкционных особенностей любой ШРУС выполняет описанные выше функции и является неотъемлемой частью любого переднеприводного автомобиля, как минимум, в течение последних 50 лет.

Карданный шарнир

Вилки карданного шарнира с изношенными шлицами, а также изношенные подшипники и сальники заменяют. Прогиб карданного вала определяют в центрах с помощью индикатора. Если величина прогиба в средней части вала превышает 0 5 мм, вал подвергают правке в холодном состоянии под прессом. Валы, имеющие скручивание, износ и смятие шлицев, заменяют новыми.
 

Разрушение карданных шарниров происходит в результате бринеллирования и выкрашивания ( питтинга) шипов крестовины; бринеллирования и выкрашивания рабочих поверхностей стаканов / игольчатых подшипников ( чаще всего у подрезов); износа рабочих поверхностей шипов и стаканов игольчатых подшипников при попадании в соединение грязи и утечки смазки из-за недостаточной герметичности узла, обеспечиваемой уплотнением игольчатых подшипников.
 

Долговечность карданного шарнира в значительной степени зависит также от соосности отверстий вилки карданного шарнира. При использовании процесса хонингования отверстий вместо растачивания отклонения от соосности снижаются более чем в 2 раза.
 

Работоспособность карданного шарнира зависит от работоспособности всех четырех подшипников.
 

Сборку карданных шарниров ведут в последовательности, обратной разборке, с учетом особенностей конструкции автомобиля.
 

Конструкция современных карданных шарниров должна свести к минимуму появление плавающего дисбаланса карданного вала вследствие самопроизвольного устранения осевых зазоров в карданных шарнирах под действием центробежной силы. В связи с этим для уменьшения вибрации карданных валов предъявляются определенные требования к осевым зазорам в шарнирах и к точности фиксации центра крестовины относительно продольной оси карданного вала.
 

Кроме карданных шарниров описываемого типа, применяются карданы равных угловых скоростей ( шариковые или кулачковые), обеспечивающие равномерное вращение ведомого вала.
 

Следовательно, двойной карданный шарнир при кинематических парах, показанных на рис. 1.17, имеет одну подвижность и одну избыточную связь, создающую натяг вдоль оси вала. Для ее устранения необходимо на валу поставить подвижное щлицевое соединение.
 

Для смазки карданных шарниров применяют трансмиссионное масло ( нигрол), а для смазки шлицевых соединений — консистентные смазки.
 

Смазка подшипников карданного шарнира производится смазкой № 158 ( см. карту смазки) до выдавливания ее из-под кромок торцевых уплотнений всех четырех подшипников шарнира.
 

Для разборки карданных шарниров нужно расшплинтовать стопорные пластины и отвернуть болты крышек игольчатых подшипников. Затем, поставив деревянную или медную выколотку в торец одного из подшипников, легкими ударами молотка выпрессовать оба подшипника: один наружу, другой внутрь вилки ( фиг. Наружный подшипник следует снять с цапфы, а внутренний снова вставить в гнездо и, ударяя через выколотку по торцу цапфы крестовины, выпрессовать наружу. Крестовина после этого легко вынимается из вилки, если ее перекосить на величину зазоров между цапфами и гнездами подшипников ( фиг.
 

Для смазки карданных шарниров придается дополнительный наконечник 2, который надевается на основной наконечник шприца.
 

Скользящие вилки карданных шарниров с изношенными шлицами обычно заменяют новыми. Вилка с изношенными шлицами по наружному диаметру и по толщине может быть восстановлена наплавкой, применяя постоянный ток обратной полярности. После наплавки осуществляют нормализацию при температуре нагрева 860 С, механическую обработку ( проточку и нарезание шлиц), закалку, отпуск и шлифование по наружному диаметру. Скользящие вилки должны свободно, без заедания, перемещаться вдоль шлицевой части карданного вала. При этом не должно быть ощутимого радиального люфта.