Карданная передача с шарниром равных угловых скоростей нашла широкое применение в переднеприводных автомобилях для соединения дифференциала и ступицы ведущего колеса.
Карданная передача данного типа включает два шарнира равных угловых скоростей, соединенных приводным валом. Ближайший к коробке передач (дифференциалу) шарнир носит название внутреннего, противоположный ему – внешний шарнир.
С целью снижения уровня шума карданная передача с шарниром равных угловых скоростей также применяется в трансмиссиях автомоблей с задним и полным приводом. В данном случае шарнир неравных угловых скоростей уступает более соершенной конструкции ШРУС.
Карданный шарнир равных угловых скоростей обеспечивает передачу крутящего момента от ведущего к ведомому валу с постоянной угловой скорость, независимо от угла наклона валов. Самым распространенным в конструкции трансмиссии переднеприводного автомобиля является шариковый шарнир равных угловых скоростей.
Шарнир равных угловых скоростей (сокращенное название – ШРУС , обиходное название – граната ) имеет следующее устройство :
сепаратор;
грязезащитный чехол.
Схема шарнира равных угловых скоростей
Корпус имеет внутреннюю сферическую форму. Внутри корпуса располагается обойма . В корпусе и обойме выполнены канавки, по которым движутся шарики . Такая конструкция обеспечивает равномерную передачу крутящего момента от ведомого вала к ведущему под изменяющимся углом. Сепаратор удерживает шарики в определенном положении. Для защиты шарнира от негативных факторов внешней среды (кислорода, воды, грязи) на ШРУС устанавливается грязезащитный чехол – «пыльник».
При изготовлении в шарнир равных угловых скоростей закладывается смазка, приготовленная на основе дисульфида молибдена.
Карданная передача с полукарданным упругим шарниром
Полукарданный упругий шарнир обеспечивает передачу крутящего момента между двумя валами, расположенными под небольшим углом, за счет деформации упругого звена.
Схема полукарданного упругого шарнира
Характерным примером данного типа шарнирного соединения являетсяупругая муфта Гуибо (Guibo). Муфта представляет собой предварительно сжатый шестигранный упругий элемент, с двух сторон которого крепятся фланцы ведущего и ведомого валов.
53)Главная передача.
Главная передача служит для увеличения крутящего момента и изменения его направления под прямым углом к продольной оси автомобиля. С этой целью главную передачу выполняют из конических шестерен. В зависимости от числа шестерен главные передачи разделяют на одинарные конические, состоящие из одной пары шестерен, и двойные, состоящие из пары конических и пары цилиндрических шестерен. Одинарные конические, в свою очередь, подразделяют на простые и гипоидные передачи.
Типы главной передачи: 1 - ведущая коническая шестерня, 2 – ведомая коническая шестерня, 3 - ведущая цилиндрическая шестерня, 4 - ведомая цилиндрическая шестерня.
Одинарные конические простые передачи (рис. а) применяют преимущественно на легковых автомобилях и грузовых автомобилях малой и средней грузоподъемности. В этих передачах ведущая коническая шестерня 1 соединена с карданной передачей, а ведомая 2 с коробкой дифференциала и через механизм дифференциала с полуосями. Для большинства автомобилей одинарные конические передачи имеют зубчатые колеса с гипоидным зацеплением (рис. 6). Гипоидные передачи по сравнению с простыми обладают рядом преимуществ: они имеют ось ведущего колеса, расположенную ниже оси ведомого, что позволяет опустить ниже карданную передачу, понизить пол кузова легкового автомобиля. Вследствие этого снижается центр тяжести и повышается устойчивость автомобиля. Кроме того, гипоидная передача имеет утолщенную форму основания зубьев шестерен, что существенно повышает их нагрузочную способность и износостойкость. Но это обстоятельство обусловливает применение для смазки шестерен специального масла (гипоидного), рассчитанного для работы в условиях передачи больших усилий, возникающих в контакте между зубьями шестерен.
Двойные главные передачи (рис. в) устанавливают на автомобилях большой грузоподъемности для увеличения общего передаточного числа трансмиссии и повышения передаваемого крутящего момента. В этом случае передаточное число главной передачи подсчитывается как произведение передаточных чисел конической (1, 2) и цилиндрической (3, 4) пар.
|
При движении автомобиля в поворотах и по неровностям дороги колёса ведущей оси проходят путь разной длины. Чтобы шины не проскальзывали по поверхности дороги, колёса должны вращаться с разными скоростями. Дифференциал - механизм, позволяющий колёсам ведущей оси вращаться с разными скоростями и одинаковым (или разным), подводящимся к ним, крутящим моментом. В трансмиссии автомобилей с одной ведущей осью дифференциал устанавливается между приводами колёс (межколёсный дифференциал). В полноприводных автомобилях он может находиться и между ведущими осями (межосевой дифференциал). Сила тяги на колесе зависит от радиуса колеса и подводимого к нему крутящего момента. Произведение силы тяги на динамический радиус колеса даёт тот крутящий момент, который дифференциал должен передать на колёса. Когда сцепление с дорогой слабое или одно колесо вывешено (разгружено), крутящий момент и сила тяги на колесе очень малы или отсутствуют, автомобиль не сможет продолжить движение. Это особенность дифференциала с коническими шестернями, получившего широкое распространение на легковых отечественных автомобилях. Этот вид дифференциала называют симметричным, так как он поровну распределяет крутящий момент между колёсами. Это происходит потому, что сателлит работает как равноплечий рычаг и передаёт только равные усилия к шестерням полуоси, а соответственно и к ведущим колёсам. Если одно из колёс имеет малое сцепление с дорожным покрытием, то эффективный крутящий момент на нём небольшой, соответственно симметричный дифференциал подведёт такое же усилие к другому колесу. То есть, если одно колесо буксует, сила тяги на втором равна нулю, что отрицательно сказывается на проходимости. Для её улучшения на автомобилях применяют полную или частичную блокировку дифференциалов, степень которой оценивают коэффициентом блокировки. Коэффициент блокировки (Кб) - соотношение крутящего момента на отстающем колесе к моменту на забегающем колесе. Его величина для симметричного дифференциала всегда равна 1, для дифференциалов повышенного трения от 1 до 5. Чем больше Кб, тем лучше проходимость автомобиля. То есть, при Кб = 3 момент на отстающем колесе будет в три раза больше, чем на буксующем, а при Кб = 5 - в пять раз. Но момент на колесе в эту секунду будет возможным от 20 до 70%, в зависимости от возможности блокирующего механизма. |
55)Полуоси Полуоси передают крутящий момент от полуосевого зубчатого колеса дифференциала на ступицу ведущего колеса. К полуоси могут быть приложены изгибающие моменты от вертикальной реакции на действие силы тяжести, приходящейся на колесо, от касательной реакции, обусловленной тяговой и тормозной силами, и от боковой силы, возникающей при заносе, а также под действием бокового ветра. Полуоси, в зависимости от конструкции внешней опоры, определяющей степень их нагруженности изгибающими моментами, бывают двух типов - полуразгруженные и разгруженные. По конструкции полуоси могут иметь на одном конце фланец для крепления болтами к ступице колеса, а на другом шлицевую часть, входящую в зацепление с полуосевым зубчатым колесом дифференциала. Другая конструкция предусматривает шлицевую часть на обоих концах полуоси. На грузовых автомобилях малой грузоподъемности и на легковых автомобилях применяют обычно полуразгруженные полуоси, у которых подшипник установлен между полуосью и кожухом на определенном расстоянии от средней плоскости колеса. Благодаря этому создаются изгибающие моменты на плече (плоскость наружной части диска и подшипника), действующие на полуось в вертикальной и горизонтальной плоскостях, в вертикальной плоскости и (боковая реакция) на плече, равном радиусу колеса. На автобусах и грузовых автомобилях средней и большой грузоподъемности применяют полностью разгруженные полуоси. В этом случае все изгибающие моменты воспринимаются подшипниками, установленными между ступицей колеса и кожухом полуоси, а полуось передает только крутящий момент. Полуоси в процессе эксплуатации автомобилей испытывают значительные нагрузки, особенно при движении по грунту и по шоссе с твердым покрытием в плохом состоянии. Поэтому к полуосям предъявляют особые требования. Снижение напряжений достигается увеличением радиусов перехода между полуосью и фланцем. Долговечность подшипников колес обеспечивается надежной защитой от попадания в них грязи.
56)ШРУС (сокр. от шарнир равных угловых скоростей ), как и хорошо всем известный карданный шарнир, предназначен для передачи вращения под углом. ШРУСы присутствуют в конструкции автомобилей с управляемыми ведущими колесами, а среди автолюбителей их еще очень часто называют ”гранатами”. ШРУС передает равномерное вращение и этим отличается от обычного "кардана", который имеет одно неприятное свойство: если к входному валу подвести равномерное вращение, то на выходе оно станет прерывистым, пульсирующим. Внешне все шарниры равных угловых скоростей выглядят одинаково, новнутреннее устройство ШРУСов для разных машин отличается. Каждый вал привода передних колес имеет два шарнира. Они обеспечивают передачу вращения под углом и, кроме того, компенсируют изменение длины вала при работе подвески, поэтому один из шарниров должен иметь еще и осевое перемещение (как правило, это внутренний ШРУС). Наружные ШРУСы всех отечественных переднеприводных автомобилей одинаковы: на валу установлена обойма с шестью канавками, выполненными по радиусу. В корпусе также имеется шесть радиальных канавок, в которых помещены шарики, передающие крутящий момент от вала к корпусу и далее к ступице колеса. Такая конструкция допускает только изгиб, поэтому внутренние шарниры сделаны немного иначе и рассчитаны на осевое перемещение. Для того, чтобы лучше представить принцип работы ШРУСа, взгляните на рисунок.
Карданные передачи с шарнирами
равных угловых скоростей
Передние ведущие колеса полноприводных и переднеприводных автомобилей являются одновременно и управляемыми, т. е. должны поворачиваться, что требует применения между колесом и полуосью шарнирного соединения.
Карданные шарниры неравных угловых скоростей передают вращение циклически и приемлемо работают лишь при небольших значениях углов между валами, поэтому не могут удовлетворять требованиям равномерности передаваемого вращательного движения. В приводе ведущих управляемых колес крутящий момент должен передаваться с равномерной скоростью к колесам, поворачивающимся относительно продольной оси автомобиля на угол 40…45
˚.
Выполнение таких условий могут обеспечить карданные передачи с шарнирами равных угловых скоростей (ШРУС). Иногда их называют синхронными карданными передачами.
В переднеприводном автомобиле обычно используются два внутренних шарнира равных угловых скоростей, кинематически связанные с коробкой передач, и два внешних шарнира, которые крепятся к колесам. В обиходе такие шарниры обычно называют «гранатами».
До середины прошлого века в конструкциях автомобилей часто встречались спаренные карданные шарниры неравных угловых скоростей. Такая конструкция получила название сдвоенного карданного шарнира. Сдвоенный шарнир отличался громозкостью и усиленным износом игольчатых подшипников, поскольку при прямолинейном движении автомобиля иглы подшипников не проворачивались и линии их контакта с обоймой и крестовиной подвергались воздействию значительных контактных напряжений, что приводило к износу и даже сплющиванию игл.
В настоящее время такие подшипники в конструкциях автомобилей встречаются редко.
Равенство угловых скоростей ведущего и ведомого валов будет соблюдено только в том случае, если точки контакта в шарнире, через которые пересекаются окружные силы, будут находиться в биссекторной плоскости, делящей угол между валами пополам. Конструкции всех карданных шарниров равных угловых скоростей основаны на этом принципе.
Шариковые шарниры равных угловых скоростей
Наибольшее применение получили шариковые карданные шарниры равных угловых скоростей. Среди них наиболее часто в конструкциях отечественных автомобилей можно встретить шарниры с делительными канавками типа «Вейс»
.
Эту конструкцию в 1923 году запатентовал немецкий изобретатель Карл Вейс. Шарниры Вейса широко применяются в разборном и неразборном вариантах на отечественных автомобилях марок «УАЗ», «ГАЗ», «ЗиЛ», «МАЗ» и некоторых других. Шарнирные сочленения типа «Вейс» технологичны и дешевы в производстве, позволяют получать угол между валами до 32
°, однако срок их службы ограничен 30…40 тыс. км
пробега из-за высоких контактных напряжений, возникающих при работе.
Разборный шарнир (рис. 1
) устроен следующим образом. Валы 1
выполнены заодно с кулаками 2
и 5
, в которых вырезаны четыре канавки 3
. В собранном виде кулаки располагаются в перпендикулярных плоскостях, а между ними в канавки 3
устанавливаются четыре шарика 7
.
Для центрирования кулаков в отверстие, выполненное в одном из них, устанавливается штифт 6
с центрирующим шариком 4
. От осевого перемещения штифт фиксируется другим штифтом 6
, расположенным радиально.
Средние линии канавок 3
нарезаны так, что шарики 7
, передающие усилия, располагаются в биссекторной (биссекториальной) плоскости между валами. В передаче усилия участвуют только два шарика, что создает высокие контактные напряжения и сокращает срок службы шарнира. Два других шарика передают крутящий момент при движении автомобиля задним ходом.
В других конструкциях контактные напряжения уменьшаются путем увеличения числа шариков, одновременно участвующих в работе, что неизбежно приводит к усложнению шарниров.
Детали шарикового шарнира «Рцеппа»
(рис. 1, б
) располагаются в чашке 8
, которая во внутренней части имеет шесть сферических канавок для установки шести шариков 7
. Такие же канавки имеет и сферический кулак 10
, в шлицевое отверстие которого входит ведущий вал карданной передачи. Шарики в одной биссекторной плоскости устанавливаются делительным устройством, состоящим из сепаратора 9
, направляющей чашки 11
и делительного рычажка 12
.
Рычажок имеет три сферические поверхности: концевые входят в гнезда ведущего и ведомого валов, а средняя – в отверстие направляющей чашки 11
. Рычажок к ведущему валу прижимается пружиной 13
. Длины плеч рычажка таковы, что при передаче момента под углом он поворачивает направляющую чашку 11
и сепаратор 9
так, что все шесть шариков 7
устанавливаются в биссекторной плоскости и все они воспринимают и передают усилия. Это позволяет уменьшить габаритные размеры шарнира и увеличить срок его службы.
Шарнир типа «Рцеппа» технологически сложен, однако он компактнее шарнира с делительными канавками, и может работать при углах между валами до 40 °. Поскольку усилие в этом шарнире передается всеми шестью шариками, он обеспечивает передачу большого крутящего момента при малых размерах. Долговечность шарнира «Рцеппа» достигает 100–200 тыс. км .
Еще один шариковый карданный шарнир типа «Бирфильд»
представлен на рисунке 1, в
. Он состоит из чашки 8
, сферического кулака 10
и шести шариков 7
, размещенных в сепараторе 9
. Сферический кулак 10
надевается на шлицованную часть ведущего вала 16
и стопорится кольцом 14
. От попадания грязи во внутреннюю полость шарнир защищен защитным резиновым чехлом 15
.
Все сферические поверхности деталей шарнира выполнены по разным радиусам, а канавки имеют переменную глубину. Благодаря этому при наклоне одного из валов шарики выталкиваются из среднего положения и устанавливаются в биссекторной плоскости, что обеспечивает синхронное вращение валов.
Шарниры типа «Бирфильд» имеют высокий КПД, долговечны, и могут работать при углах до 45
˚. Поэтому они широко применяются в приводе управляемых колес многих переднеприводных легковых автомобилей в качестве наружного шарнира, или, как его еще называют - наружной «гранаты».
Основной причиной преждевременного разрушения шарнира является повреждение эластичного защитного чехла. По этой причине автомобили высокой проходимости часто имеют уплотнение в виде стального колпака. Однако это приводит к увеличению габаритов шарнира и ограничивает угол между валами до 40
°.
При использовании шарнира типа «Бирфильд» на внутреннем конце карданной передачи необходимо устанавливать шарнир равных угловых скоростей, способный компенсировать изменение длины карданного вала при деформации упругого элемента подвески.
Такие функции совмещает в себе универсальный шестишариковый карданный шарнир типа «ГКН»
(GKN).
Осевое перемещение в шарнирах типа GKN обеспечивается перемещением шариков по продольным канавкам корпуса, при этом, требуемая величина перемещения определяет длину рабочей поверхности, что влияет на размеры шарнира. Максимальный допустимый угол наклона вала в данной конструкции ограничивается 20
°.
При осевых перемещениях шарики не перекатываются, а скользят в канавках, что снижает КПД шарнира.
В конструкциях современных легковых автомобилей иногда встречаются карданные шарниры типа «Лебро» (Loebro), которые, как и шарниры GKN обычно устанавливаются на внутреннем конце карданной передачи, поскольку способны компенсировать изменение длины карданного вала.
Шарниры «Лебро» отличаются от шарниров GKN тем, что канавки в чашке и кулаке нарезаны под углом 15-16
° к образующей цилиндра, а геометрия сепаратора правильная - без конусов и с параллельными наружной и внутренней сторонами.
Такой шарнир имеет меньшие габариты, чем другие шестишариковые шарниры, кроме того, сепаратор его менее нагружен, поскольку не выполняет функции перемещения шариков в кулаках.
Принципиальное устройство этих шариковых шарниров представлено на рисунке 2 .
Привод передних колес автомобиля ВАЗ-2110
Привод передних колес автомобиля ВАЗ-2110 (рис. 3 ) состоит из вала 3 и двух карданных шарниров 1 и 4 равных угловых скоростей. Вал 3 привода правого колеса выполнен из трубы, а левого колеса – из прутка. Кроме того, валы имеют разную длину. На вал надевается защитный чехол 6 , а затем шарнир в собранном виде со смазочным материалом фиксируется от осевого перемещения стопорным кольцом 5 . Защитные чехлы крепятся хомутами 2 .
Внутренний шарнир (внутренняя «граната) 1 , который вязан с дифференциалом, является универсальным, т. е. кроме обеспечения равномерного вращения валов под изменяющимся углом он позволяет увеличивать общую длину привода, что необходимо для перемещения передней подвески и силового агрегата. Происходит это потому, что внутренняя поверхность корпуса шарнира 1 имеет цилиндрическую форму, и канавки в ней нарезаны продольно, это позволяет внутренним деталям шарнира перемещаться по продольным канавкам в осевом направлении.
Кулачковые шарниры равных угловых скоростей
На автомобилях средней и большой грузоподъемности марок «КамАЗ», «Урал», «КрАЗ» карданные передачи в приводе передних колес работают под большим крутящим моментом. Шариковые шарниры не могут передавать больших крутящих моментов из-за возникновения значительных контактных напряжений и ограничения по удельному давлению шариков на канавки. Поэтому в них применяют кулачковые карданные шарниры (рис. 1, г ). Аналогичные шарниры иногда устанавливают на переднеприводные автомобили марки «УАЗ».
Кулачковый карданный шарнир
равных угловых скоростей (рис. 1, г
) состоит из двух вилок 18
и 20
, которые вставлены в кулаки 2
и 5
с пазами; в эти пазы входит диск 19
. При передаче крутящего момента и вращения от ведущего вала 17
на ведомый вал при повернутом колесе каждый из кулаков 2
и 5
поворачивается одновременно относительно оси паза вилки в горизонтальной плоскости и относительно диска 19
в вертикальной плоскости.
Оси пазов вилок лежат в одной плоскости, которая проходит через среднюю плоскость диска. Эти оси расположены на равных расстояниях от точки пересечения осей валов и всегда перпендикулярны осям валов, поэтому точка их пересечения всегда располагается в биссекторной плоскости.
Такой карданный шарнир требует повышенного внимания к смазыванию, так как для его деталей характерно трение скольжения, вызывающее значительный нагрев и изнашивание трущихся поверхностей. Трение скольжения между контактирующими поверхностями приводит к тому, что кулачковый шарнир имеет самый низкий КПД из всех шарниров равных угловых скоростей. Однако он способен передавать значительный крутящий момент.
Еще один тип кулачкового шарнира равных угловых скоростей - шарнир «Тракта»
(на рисунке
), состоящий из четырех штампованных деталей: двух втулок и двух фасонных кулаков, трущиеся поверхности которых подвергаются шлифованию.
Если разделить по оси симметрии кулачковый карданный шарнир, то каждая часть будет представлять собой карданный шарнир неравных угловых скоростей с фиксированными осями качания. В такой конструкции тоже возникают значительные силы трения скольжения, снижающие КПД шарнира.
Трехшиповые шарниры равных угловых скоростей
В трехшиповом шарнире (на рисунке ) крутящий момент от ведущего вала передают три сферических ролика, которые установлены на радиальных шипах, жестко связанных с корпусом шарнира ведомого вала. Шипы относительно друг друга располагаются под углом 120 ˚. Сферические ролики чаще всего устанавливаются на шипы посредством игольчатых подшипников.
Ведущий вал имеет трехвальцевую вилку, в цилиндрические пазы которой входят ролики. При передаче крутящего момента между несоосными валами ролики перекатываются со скольжением вдоль пазов и одновременно скользят в радиальном направлении относительно шипов. Предельный угол между осями валов до 40 ˚.
Особенностью трехшипового шарнира является то, что в отличие от шариковых шарниров передача момента от ведущих элементов на ведомые происходит не в биссекторной плоскости, а в плоскости, проходящей через оси шипов. Равенство частот вращения ведущего и ведомого валов обеспечивается при любом взаиморасположении их осей.
Карданным шарниром считается главная единица по силовой части, входящая в состав карданного вала. Такой шарнир поставляется абсолютно с любой модификацией, при этом обеспечивает крутящий момент на пятьдесят, сто шестьдесят, двести пятьдесят, четыреста, шестьсот тридцать, и тысячу Н м к автомобильным транспортным средствам сельскохозяйственного характера, а также и к автомобилям со специальным назначением.
Для сельскохозяйственных автомобилей карданный шарнир полностью обеспечивает его передачу на крутящем моменте при таком количестве оборотов в минуту, как тысяча двести пятьдесят. Рабочий угловой наклон составляет до двадцати двух градусов. Если возникает желание получить более подробную и точную информацию об этих величинах, это можно найти по ГОСТУ 13758-89.
Карданный шарнир придает обеспечение в крутящем моменте относительно валов, у которых их оси делают пересечение непосредственно под углом. Карданные шарниры по угловым скоростям различают: равные и неравные. Шарниры равной угловой скорости в зависимости от своей конструкции подразделяются на: шарикового плана, с разделительными канавками, кулачкового и сдвоенного плана, и шариковые со специальным разделительным рычагом. Шарниры с неравной угловой скоростью бывают как упругого, так и жесткого плана.
Карданные шарниры с упругим планом отдают свое действие относительно осей и валов, которые пересекаются под углом в два и три градуса, либо чуть более. От деформации упругого характера на соединительных элементах они начинают выполнять функции с дополнительным гасителем в крутильном колебании.
Карданные шарниры с жестким планом неровной скорости отдают свой крутящий момент сначала к одному валу, а затем к другому. Происходит это непосредственно через довольно подвижные соединения в жестких деталях. У такого шарнира существует две вилки , у которых имеются цилиндрические отверстия. В них помещены концы соединительных элементов, которые называются крестовинами. Две вилки довольно плотно помещены на валах. Когда валы создают вращение, некоторые концы у крестовины начинают покачиваться на плоскости, которая расположена перпендикулярно оси на валу.
Карданные шарниры крестового плана используют исключительно для того, чтобы механическая связь между коленвалом и главным ведущим мостом была довольно прочной, хорошей и гибкой. Связь должна быть гибкой в первую очередь потому, что в этом случае происходит постоянное перемещение в области ведущей части моста по отношению к кузову автомобильного транспортного средства в тот момент, когда оно находится в своем движении. Состав такого карданного шарнира следующий: крестовина, состоящая из четырех шипов, чашки, сальники, игольчатые подшипники и стопорные кольца. В основном такие шарниры служат очень долгое время, порой даже могут пережить и сам автомобиль, но, стоит учесть, что на крестовый шарнир очень неблагоприятно сказываются плохие дороги, где частенько может изменяться высота кузова по отношению к дороге, где происходят значительные нагрузки переменного характера. Таким образом, в таких условиях функционирование шарнира резко ухудшается и это может привести к выходу его из строя. Для таких неблагоприятных условий существуют долговечный тип карданного вала, у которого оборудованы сдвоенные крестовые карданные шарниры. С таким карданным шарниром эта проблема не несет определенный смысл.
Карданная передача
:
1 - эластичная муфта;
2 - болт крепления эластичной муфты к фланцу;
3 - крестовина;
4 - сальник;
5 - стопорное кольцо;
6 - подшипник крестовины;
7 - гайка;
8 - фланец эластичной муфты;
9 - сальник;
10 - обойма сальника;
11 - кронштейн безопасности;
12 - болт крепления кронштейна к промежуточной опоре;
13 - передний карданный вал;
14 - кронштейн промежуточной опоры;
15 - промежуточная опора;
16 - вилка переднего карданного вала;
17 - задний карданный вал;
18 - вилка заднего карданного вала;
19 - фланец ведущей шестерни главной передачи;
20 - гайка;
21 - болт крепления вилки
В трансмиссиях автомобилей карданные передачи применяются для передачи моментов между валами, оси которых не лежат на одной прямой и изменяют свое положение в пространстве. В общем случае, карданная передача состоит из карданных валов, карданных шарни
ров, промежуточных опор и соединительных устройств.
По компоновке карданные передачи классифицируются на закрытые
и открытые
.
Закрытая карданная передача
размещается внутри трубы. Труба может воспринимать силы и реакции, возникающие на ведущем мосту, и служить направляющим элементом подвески . В такой карданной передаче применяется только один шарнир, а неравномерность вращения карданного вала компенсируется его упругостью. Известны конструкции, в которых роль карданного вала выполняет торсион (упругий вал небольшого диаметра), при этом карданные шарниры отсутствуют.
Конструкция промежуточной опоры
:
1 - вилка;
2 - упругая подушка;
3 - подшипник промежуточной опоры
Открытая передача
не имеет трубы, и реактивный момент воспринимается рессорами или реактивными тягами. Карданная передача должна иметь не менее двух шарниров и компенсирующее звено, так как расстояние между соединенными агрегатами в процессе движения изменяется. На длиннобазных автомобилях применяют карданную передачу, состоящую из двух валов. Этим исключается возможность совпадения критической угловой скорости вала с эксплуатационной. Уменьшение длины вала повышает его критическую частоту вращения, которая должна как минимум в 1,5 раза превышать максимально возможную при эксплуатации. Конструкция карданной передачи с двумя валами требует применения промежуточной опоры
одного из валов, подшипник которой для компенсации возможного осевого перемещения силового агрегата на раме или кузове установлен в эластичном кольце.
Карданные шарниры при всем многообразии конструкций и по кинематическим характеристикам и допустимым углам между валами могут быть классифицированы так, как это показано в таблице.
Карданный шарнир неравных угловых скоростей был изобретен в XVI в. итальянским математиком Джироламо Кардано и первоначально нашел применение для подвешивания фонарей в экипажах. Позже английский ученый Роберт Гук дал математическое описание кинематики данного механизма.
Детали карданной передачи (а) и график зависимости угловых скоростей (б):
1 - шлицевая вилка;
2 - П-образная пластина;
3 - стопорная шайба;
4 - крестовина;
5 - вилка заднего карданного вала;
6 - задний карданный вал;
7 - фланец ведущей шестерни главной передачи;
8 - задний карданный шарнир;
9 - игольчатый подшипник;
10 - стопорное кольцо;
11 - болт; 12 - уплотнительное кольцо;
α
- угол поворота ведущего вала;
β
- угол поворота ведомого вала;
γ
- угол между валами
Анализ схемы карданного шарнира показывает, что при постоянной угловой скорости ведущего вала ведомый вращается циклически: за один оборот дважды отстает и дважды обгоняет ведущий вал. При этом с увеличением угла γ между валами неравномерность вращения интенсивно возрастает. Для того чтобы карданная передача с шарнирами неравных угловых скоростей передавала синхронное вращение между валами соединенных агрегатов, она должна состоять из нескольких шарниров, взаимное расположение которых будет компенсировать неравномерную передачу вращения каждого шарнира. По этой причине минимальное количество шарниров должно быть равно 2. При этом в карданной передаче с двумя шарнирами необходимо соблюдение следующих компоновочных требований
:
- ведущие вилки расположены под углом 90 ° одна относительно другой;
- углы между валами в обоих шарнирах γ1 и γ2 равны между собой;
- все валы лежат в одной плоскости.
Карданный шарнир неравных угловых скоростей
Для карданных передач, имеющих число шарниров неравных угловых скоростей более трех, синхронность вращения валов соединенных агрегатов достигается определенным соотношением углов между валами всех шарниров, при этом соотношение зависит от числа шарниров. Карданный шарнир неравных угловых скоростей состоит из двух вилок, в цилиндрические отверстия которых вставлены концы крестовины. Вилки жестко закреплены на валах. При вращении валов концы крестовины перемещаются относительно плоскости, перпендикулярной к оси вала.
Крестовина карданного шарнира должна строго центрироваться для исключения переменного дисбаланса карданного вала при его вращении. Центрирование достигается точной фиксацией обойм подшипников при помощи стопорных колец или крышек, которые прикрепляются к вилкам шарнира. Минимальный угол между валами должен быть не менее 2°, иначе цапфы крестовин деформируются иглами и шарнир быстро разрушается (явление бринеллирования
).
Развитие конструкций карданных шарниров неравных угловых скоростей шло по пути снижения потерь, связанных с вращениями концов крестовины в отверстиях вилок. В конструкциях первых шарниров концы крестовины устанавливались на подшипниках скольжения.
С учетом того что в трансмиссии многоосных автомобилей число шарниров может превышать два десятка, применение в них подшипников скольжения может существенно снижать общий КПД трансмиссии. В карданных шарнирах современных автомобилей применяются только игольчатые подшипники качения.
В прежних конструкциях применялась смазка, которую было необходимо периодически обновлять через специальную масленку. Карданные шарниры современных автомобилей обычно заправляются высококачественной пластичной смазкой, при сборке и в эксплуатации ее не заменяют.
В механике существует уже большое количество технических устройств, которые способны преобразовать практическую любую величину энергии в более удобную нам с вами или другим техническим устройствам. В этой статье пойдет речь о том, что такое карданная передача, и какую роль она играет в автомобилестроении?
Что такое карданная передача?
Карданной передаче называют специальное механическое устройство, предназначенное для передачи вращающего момента между валами, которые пересекаются в центре кардана. Главной особенностью такого рода передачи является то, что валы имеют возможность углового перемещения, что очень актуально для применения во многих автомобилях.
Кардан состоит из двух валов, имеющих на концах специальные вилки. Данные вилки через оси крепятся к общему центру передачи. Таким образом, при угловом изменении положения, валы могут беспрепятственно вращаться, каждый в своем положении.
Изначально, карданный вал устанавливался на заднеприводные и полноприводные автомобили. Он позволял с крестовины коробки передач на заднюю ось, а также с редуктора раздаточной КПП на передний редуктор. Дело в том, что задний или передний мост крепится к подвеске автомобиля, которая находится в постоянном движении. Таким образом, получается, что изменение положения моста требует и изменение положения ведомого вала. Вот тут то и помогает карданный вал, который не только передаст нужный вращающий момент, но и выступит как дополнение к подвеске автомобиля.
Второй механизм, в котором кардан также активно применяется - это рулевое управление. Сейчас, практически все автомобили имеют, так называемую, безопасную рулевую колонку, которая в случае аварии быстро складывается и не повреждает ноги водителя. Все это достигается с помощью его способности менять угловое положение под любым угловым положением относительно другого вала.
Видео - Принцип работы карданной передачи
Почему карданный вал не применяют вместо ШРУСов?
Казалось бы вполне логичный вопрос. Если карданный вал имеет такую способность к вращению даже при изменении угла валов относительно друг друга, то почему бы его не использовать в переднеприводных автомобиля?
Прежде чем ответить на этот вопрос, необходимо рассмотреть один из существенных недостатков такого вида передачи. Он заключается в несинхронности вращения одного их валов. Дело в том, что если, например, ведущий вал вращается с равномерной скоростью, то ведомый будет обязательно вращаться неравномерно. В автомобилях с передним приводом передача синхронного вращающего момента на ведущие передние колеса является самым главным, поэтому там используются более сложные аналоги кардана - ШРУСы.
Тем не менее, не смотря на этот недостаток, можно сделать вывод о том, что он легко устраняем, если установить на каждом валу специальные парные шарниры, которые сравняют синхронность вращения, пусть не до абсолютно, но хотя бы примерно равных размеров.
ШРУС же, является разновидностью кардана и имеет более сложную конструкцию и другой существенный недостаток - невозможность поворота колес более угла в 70 градусов. Шарнир же значительно выигрывает по сравнению с обычным карданом, но имеет и свои недостатки.
- Во-первых, «гранаты» имеют более низкий срок службы, чем кардан и очень часто выходят из строя.
- Во-вторых, надежность крепления шарнира и кардана - тут безусловно выигрывает именно кардан, так как имеет более толстую цельнометаллическую конструкцию.
В процессе работы на заднем приводе, кардан имеет свойство создавать определенные вибрации при движении на больших оборотах. Данные недостатки сокращаются путем применения сразу двух карданных валов. Увеличение количество передач приводит к плавности движения и при преодолении различных неровностей дорожного покрытия.
Все соединения с коробкой передачей смазываются трансмиссионным маслом. В некоторых коробках передач такой вал вставляется прямо внутрь коробки, где и происходит смазка данного элемента.
Крестовина и карданный вал укрепляются при помощи игольчатых подшипников, которые снижают трение при вращении и изменении углового положения одного из валов.
Неисправности карданного вала
В процессе работы карданного вала можно наблюдать некоторый перечень неисправностей. К первому роду можно отнести различные вибрации, которые вызваны погнутостью и дисбалансом карданного вала. Погнутость может возникнуть при неаккуратной и агрессивной езде по неровному дорожному покрытию. Второй неисправностью можно назвать стуки, которые появляются в процессе работа кардана.
Все эти неприятности пагубно влияют не только на состояние карданного вала, но и на коробку переключения передач, а также редуктор заднего моста. На самом деле, биение карданного вала - это очень опасное явление, ведь при полном износе элементов крепления или разрыве детали, автомобиль станет полностью обездвиженным.
Где еще применяется карданная передача?
Карданная передача нашла широкое применение не только в автомобилестроении, но и в инструментальной части любого автомеханика. Так, например, появилась специальная насадка на отвертку, которая имеет карданный способ передачи вращающего момента. Такая отвертка помогает без труда открутить те гайки или болты, которые закручены в тех местах, где подобраться обычным инструментом является проблематичным, а порой и невозможным заданием.
Вот, пожалуй, и все, что необходимо знать о карданной передаче. При работе с такими элементами необходимо проявлять осторожность. Дело в том, что при изменении или деформации какой-либо части кардана, он начинает работать неровно, а, следовательно, постепенно изнашивает коробку передач и крестовину заднего редуктора. Разобрать и собрать карданный вал можно самостоятельно, при наличии самого минимального набора инструментов и специального оборудования.
