Карданные передачи с шарнирами равных угловых скоростей

Работа шарниров неравных угловых скоростей сопровождается увеличением пульсаций крутящего момента, уменьшением КПД шарниров, снижением их долговечности. Стремление избежать этих негативных явлений заставляет конструкторов использовать в приводе ведущих управляемых колес более сложные и дорогие шарниры равных угловых скоростей.

Устройства подобных шарниров отличаются большим конструктивным разнообразием. Среди этого многообразия можно выделить следующие основные группы шарниров:

• сдвоенные:

• кулачковые;

• шариковые;

• трехшиповые.

Иногда названия шарниров определяются именами изобретателей или фирм, их изготовляющих. Поэтому не имеющие принципиальных отличий конструкции шарниров в разных литературных источниках могут называться по-разному.

Сдвоенные карданные шарниры. Наиболее просто равномерное вращение валов обеспечивается сдвоенным карданом (рис. 7). Равномерное вращение валов 1 и 2 возможно при соблюдении условия α₁ = α₂ (рис.7-а). Для этого в конструкцию кардана необходимо ввести делительный меха­низм для поворота сдвоенной вилки 3. На рис.7-б показан пример такой конструкции. В валы 1 и 5 запрессованы пальцы 2 и 4, причем сфериче­ская деталь, установленная на конце пальца, входит внутрь сферической чашки, распо­ложенной на конце пальца 4. Центры сферических поверх­ностей совпадают с середи­ной расстояния между кре­стовинами карданов. При смещении вала 5 делитель­ный механизм поворачивает сдвоенную вилку 3 в поло­жение, при котором углы α₁ и α₂ всегда равны.

Применяемые в приводе управляемых ведущих колес сдвоенные шарниры с двумя крестовинами могут иметь различную конструкцию. Один из вариантов приведен на рис.8. Здесь два шарнира 1 неравных угловых скоростей объединяются общей двойной вилкой 2. Равенство угловых скоростей должно обеспечиваться делительным рычажком. Однако такое равенство возможно только при равенстве углов γ₁ = γ₂, что в данной конструкции не соблюдается точно, так как при наклоне вала плечо, связанное с левым валом, остается постоянным а, а плечо, связанное с другим валом, увеличивается на величину Δа (рис. 8-б).

а)

б)

Рис. 7. Схема и конструкция сдвоенного шарнира.

Поэтому в сдвоенном шарнире с делительным рычажком синхронное вращение соединяемых валов может быть обеспечено только с некоторым приближением.

Рис. 8. Вариант конструкции сдвоенного карданного шарнира.

Степень неравномерности вращения сдвоенного шарнира зависит от угла между валами и от конструк­тивных размеров делительного устройства. Например, при γ = 30° степень неравномерности вращения сдвоенного шарнира не превосходит 1%, что примерно в 30 раз меньше степени неравномерности вращения, шарнира неравных угловых скоростей при том же значении угла наклона γ.

Для двойного шарнира на игольчатых подшипниках характерен значительный износ этих подшипников и шипов крестовин. Применение подшипников скольжения повышает ресурс работы сдвоенных шарниров, но снижает их КПД. Сдвоенный карданный шарнир может работать при углах между осями валов до 40⁰.

Кулачковые карданные шарниры. Кулачковые шарниры применяются на автомобилях большой грузоподъемности в приводе к ведущим управляемым колесам. Если разделить по оси симметрии кулачковый карданный шарнир на две части, то каждая часть будет представлять собой карданный шарнир неравных угловых скоростей с фиксированными осями качания (так же как у сдвоенного карданного шарнира). Благодаря наличию развитых поверхностей взаимодействующих деталей шарнир способен передавать значительный по величине крутящий момент при обеспечении угла между валами 45...50°.

На зарубежных автомобилях большой грузоподъемности широко применяется кулачковый карданный шарнир, показанный на рис. 9-а, известный под названием «шарнир Тракта».

а)

Рис. 9. Кулачковые карданные шарниры: - а - «шарнир Тракта»; б— кулачково-дисковый.

Он состоит из четырех штампованных деталей: двух вилок 1 и 4 и двух фасонных кулаков 2 и 3, трущиеся поверхности которых подвергаются шлифованию.

В нашей стране был разработан кулачковый шарнир (рис. 9-б), который устанавливается на ряде автомобилей (КамАЗ-4310, Урал-4320, КАЗ-4540, КрАЗ-260 и др.). Шарнир состоит из пяти простых по конфигурации деталей: двух вилок 1 и 4, двух кулаков 2 и 3 и диска 5, поэтому его часто называют дисковым. Трудоемкость его изготовления по сравнению с трудоемкостью «шарнира Тракта» несколько большая. Максимальное значение угла между валами, обеспечиваемое этим шарниром, 45°.

КПД кулачковых шарниров ниже, чем КПД шариковых шарниров равных угловых скоростей, так как для их элементов характерно трение скольжения.

Шариковые карданные шарниры. Принцип действия шариковых шарниров равных угловых скоростей основан на том, что при любом относительном положении валов точки контакта деталей (шариков), через которые они связаны между собой, находятся в плоскости биссектрис углов, образованных осями валов. Эта плоскость называется биссекторной. На рис.10 приведена схема, иллюстрирующая этот принцип.

Ведущий вал 1 снабжен шипом 3, который через аналогично расположенный на вале 2 шип 4 передает ему крутящий момент. По условию положение валов 1 и 2 задано таким образом, что ОС = ОД.

При вращении валов в какой-то момент точка контакта валов совпадает с тачкой А. Треугольники АОС и АОД равны, из чего вытекает, что линия АО совпадает с биссектрисой угла между валами 1 и 2. При этом мгновенные угловые скорости валов равны, так как точка их контакта находится на одинаковом расстоянии от обоих валов r₁ = .

Рис.10. Кинематика шарикового шарнира равных угловых скоростей.

Если вывернуть валы на половину оборота, то контакт произойдет в точке В, лежащей на биссектрисе угла между валами. Расстояние между точкой контакта и осями валов r₁ = , и, следовательно, угловые скорости также останутся равными.

Таким образом, при любом положении валов точка их контакта находится на равном от них расстоянии, то есть ω₁ = ω₂, что является особенностью шарниров равных угловых скоростей. Естественно, при этом необходимо обеспечить постоянное положение точек контакта валов в биссекторной плоскости, что может быть конструктивно реализовано несколькими способами.

Четырехшариковый карданный шарнир с делительными канавками типа «Вейс» (рис. 11). Устанавливается на ряде отечественных автомобилей (УАЗ-469, ГАЗ-66, ЗИЛ-131) в приводе управляемых ведущих колес.

Усилие от вилки 1 к вилке 5 передается через шарики 3, которые перемещаются по криволинейным канавкам 2 и 4, расположенным симметрично в вилках 1 и 5, во взаимно перпендикулярных плоскостях. Средние линии этих канавок представляют собой окружности одинакового радиуса, проведенные из центров О₁ и О₂ (рис. 11-а), расстояния от которых до центра кардана О одинаковы. Оси канавок при вращении образуют две сферические поверхности, пересекающиеся одна с другой по окружности n n, которая и является траекторией движения шариков 3. Вследствие симметричного расположения канавок в обеих вилках, при угловом смеще­нии валов, центры шариков всегда находятся в биссекторной плоскости.

Рис.11. карданный шарнир с делительными канавками типа «Вейс».

При вращении по часовой стрелке усилие передается через одну пару шариков, а при вращении в обратном направле­нии — через вторую пару. В этом кардане даже при не­большом осевом смещении одной вилки относительно другой по­лучается значительное измене­ние окружности n n, являющей­ся траекторией движения шари­ков 3. Поэтому вилки карданов должны четко фиксироваться по отношению друг к другу. Для этого между торцами ви­лок вводят установочный ша­рик 6 (рис.11-б). Шпилька 7 входит внутрь шарика 6 и фик­сирует его, а шпилька 8 запи­рает шпильку 7 в вилке. Лыска на шарике необходима для про­хода шариков 3 при сборке и разборке кардана. На рис. 11-в показана установка такого кардана в передней ведущей оси автомобиля ГАЗ-63. Устано­вочное кольцо 9 служит для осе­вого крепления кардана и для воспринятия осевых нагрузок.

Карданные шарниры этого типа обеспечивают предельный угол между валами γ = 30…32⁰. Малая трудоемкость изготовления (наименьшая по сравнению с синхронными шарнирами других типов), простота конструкции и низкая стоимость обеспечили их широкое распространение. КПД шарнира достаточно высокий, так как в нем преобладает трение качения.

Следует отметить некоторые особенности этого шарнира, ограничивающие возможность его применения. Передача усилия только двумя шариками при теоретически точечном контакте приводит к возникновению больших контактных напряжений. Поэтому четырехшариковый карданный шарнир обычно устанавливают на автомобилях с нагрузкой на ось не свыше 25...30 кН. При работе шарнира возникают распорные нагрузки, особенно если центр шарнира не лежит на оси шкворня. Для точной установки шарнира необходимы упорные специальные шайбы или подшип­ники.

Долговечность в эксплуатации обычно не превышает 25000...30000 км. В изношенном шарнире шарики при передаче повышенного крутящего момента, когда кулаки несколько деформируются, могут выпасть, что приводит к заклиниванию шарнира и потере управляемости. Износу наиболее подвержены средние части канавок, что соответствует прямолинейному движению, причем ненагруженные канавки изнашиваются больше, чем нагруженные. Объясняется это тем, что нагружается шарнир при сравнительно редком включении переднего ведущего управляемого моста для движения в тяжелых до­рожных условиях. Однако, большая часть пробега автомобиля со­вершается с выключенным передним мостом, когда шарнир нагружается в обратном направлении небольшим, но длительно действующим моментом сопротивления вращению части трансмиссии.

Шестишариковый карданный шарнир типа Рцеппа. На ином принципе действия основан другой шариковый карданный шарнир равной угловой скорости (типа Рцеппа) (рис. 12). Шарики 2 в этом кардане расположены и плоскости, проходящей через центр кардана в шести меридиональ­ных канавках полукруглого профиля, сделанных на внутренней сферической поверхности корпуса 1, которым заканчивается один вал, и в наружной сферической поверхности звездочки 3 на конце второго вала (рис. 12, а). Центры сферических поверхностей совпадают с центром карданного шарнира.

Чтобы предотвратить защемление шариков в канавках или их выпадение из них, а также, чтобы обеспечить расположение шариков в биссекторной плоскости при любом смещении валов кардана, шарики заключены в сепараторную обойму 4, в торец которой упирается сфери­ческая чашка 5 (рис.12-а и б). На делительном рычажке 7 имеются три сферические поверхности, средняя из них входит без зазора в гнездо чашки 5. Рычажок 7 прижимается к сухарю 8, вставленному в конец вала, с помощью пружины 6.

Рис.12. Шестишариковый карданный шарнир с делительным рычажком типа Рцеппа

При наклоне валов шарики устанавливаются в биссекторной плоскости при помощи делительного рычажка 7, который поворачивает направляющую чашку 5, а вместе с ней и сепаратор. Делительный рычажок будет устанавливать шарики в биссекторной плоскости, если угол поворота обоймы с шариками λ равен поло­вине угла α между валами.

В данном кардане усилие от одного вала к другому передается через все шесть шариков при вращении в обоих направле­ниях. На рис. 12-г показана установка кардана типа Рцеппа в перед­ней ведущей оси автомобиля.

Точность установки шариков в биссекторной плоскости зависит от выбора длины плеч a и b делительного рычажка 7 (рис. 12-в). Этот выбор производят с учетом следующего соотношения:

,

где k = m/b; n = a/b.

При соответствующем выборе длины плеч a и b делительного рычажка данный карданный шарнир допускает максимальный угол между валами γ = 37⁰. Так как усилие в этом шарнире передается шестью шариками, он обеспечивает передачу большого крутящего момента при малых размерах. Распорные нагрузки отсутствуют в шарнире, если центр последнего совпадает с осью шкворня. Шарнир обладает большой надежностью, высоким КПД, однако технологи­чески сложен: все детали его подвергаются обработке с соблюдением строгих допусков, обеспечивающих передачу усилий всеми шариками. По этой причине стоимости шарнира относительно высока.

Шестишариковый карданным шарнир с делительными канавками типа «Бир-фильд» (рис. 13). На кулаке 4, поверхность которого выполнена по сфере радиуса R₁ (центр О), выфрезеровано шесть канавок. Канавки кулака имеют переменную глубину, так как они нарезаны по радиусу R₃ (центр O₁ смещен относительно центра шарнира О на расстояние а). Внутренняя поверхность корпуса 1 выполнена по сфере радиуса R₂ (центр О), также имеет шесть канавок переменной глубины, нарезанных по радиусу R₄ (центр O₂ смещен относительно центра шарнира О также на расстояние а). Сепаратор 3, в котором размещены шарики 2, имеет наружную и внутреннюю поверхности, выполненные по сфере радиусов соответственно R₂ и R₁.

В положении, когда валы шарнира соосны, шарики находятся в плоскости, перпендикулярной осям валов, проходящей через центр шарнира.

Рис.13. Шестишариковый карданный шарнир с делительными