Работа карданного шарнира неравной угловой скорости.

Карданная передача с шарниром неравных угловых скоростей

Данный тип передачи можно обнаружить на автомобилях с задним приводом или полноприводных авто. Устройство такой передачи следующее: на карданных валах расположены шарниры неравных угловых скоростей. На концах передачи имеются соединительные элементы. По необходимости используется соединительная опора.
Шарнир объединяет пару вилок, крестовину и фиксирующие устройства. В проушинах вилок установлены игольчатые подшипники, в которых вращается крестовина.

Копипаста:

На тщательно обработанных пальцах крестовины 3 установлены стальные стаканы 13 с игольчатыми подшипниками 12. Иглы подшипника с внутреннего конца опираются на опорную шайбу 11. Стакан уплотнен на крестовине резиновым сальником 10, установленным в металлическом корпусе 9, который надет на крестовину. Крестовина со стаканами закреплена в ушках вилок 2 и 4 стопорными кольцами или пластинками 6 с винтами. Подшипники крестовины смазываются через центральную масленку 7, от которой масло к подшипникам подходит по каналам в крестовине. Для устранения излишнего давления масла в крестовину завернут на резьбе корпус с предохранительным клапаном 8.

Подшипники нельзя отремонтировать или обслужить. Масло в них заливается при установке.

Особенностью шарнира является то, что он передает неравный крутящий момент. Дополнительный вал периодически обгоняет и отстает от основного вала. Для компенсации этого недостатка в передаче используется несколько шарниров. Вилки противоположных шарниров располагают в одной плоскости.

В зависимости от того, на какое расстояние необходимо передать крутящий момент, в карданной передача используют один или два вала. При числе валов, равном двух, один из них называется промежуточным, второй — задним. Для фиксации валов устанавливается промежуточная опора, крепящаяся к кузову авто.

С другими элементами автомобиля карданная передача соединяется при помощи фланцев, муфт и других соединительных элементов.

Можно с уверенностью говорить, что шарниры неравных угловых скоростей имеют малую надежность и относительно небольшой срок службы. В современных условиях используют карданные передачи с шарнирами равных угловых скоростей.

Конструкции шарниров карданных передач

Асинхронный жесткий карданный шарнир (рис. 8, а) состоит из двух неподвижно закрепленных на ведущем и ведомом валах стальных вилок 6 и 1О и шарнирно соединяющей их крестовины 8. Крестовина 8 соединяется с вилкой подвижно с помощью игольчатого подшипника. Корпус подшипника 3 (рис. 8, б) устанавливается в отверстие проушины 12 вилки с натягом и фиксируется от осевого перемещения и поворота с помощью крышки 4. Иголки 15 подшипника опираются на цилиндрические шлифованные поверхности 13 шипов вилки. Между торцевыми поверхностями корпуса 3 и шипов вилок 13 устанавливаются грязеотражатели 16 и сальники 5, предохраняющие поверхности подшипника от попадания грязи и препятствующие вытеканию смазки. Сальник устанавливается в тонкую штампованную обойму 17 и запрессовывается в корпус подшипника. В современных конструкциях подшипников крестовин смазка может закладываться при сборке или подаваться в процессе обслуживания карданной передачи.

Рис. 8. Конструкция асинхронного жесткого карданного шарнира

Фиксация корпуса в осевом направлении осущестJВляется с помощью крышки 4 (рис. 8, б) или стопорного кольца 14 (рис. 8, в). Игольчатые подшипники позволяют уменьшить размеры карданного шарнира и увеличить число тел качения, передающих крутящий момент. При небольших углах между валами перекатывание иголок по поверхности шипа затруднено, в результате иголки подшипника могут вдавливаются в поверхность шипов (явление «бринелирования)» и шарнир выходит из строя. Поэтому в карданных передачах обеспечивается небольшая (1… 2)° разность между углами установки валов, обеспечивающая перемещение иголок.

Синхронные жесткие карданные шарниры являются достаточно сложными конструктивно, технологически и более дорогими. Поэтому их в основном применяют в приводах управляемых колес или для снижения вибрации карданной передачи. Карданные шарниры равных угловых скоростей по конструкции делятся: на шариковые с делительными канавками, шариковые с делительным рычажком, кулачковые, дисковые и сдвоенные простые жесткие.

Простой сдвоенный карданный шарнир (рис. 9) состоит двух простых карданных шарниров, установленных на ведущем 1 и ведомом 2 валах и короткого вала 3 (сдвоенной вилки) между ними. Центры сферических поверхностей вала 1 и сферического делителя 5, подвижно установленного на конце 4 вала 2, расположены на оси валов, на середине расстояния между осями крестовин 7 и 8. При угловом смещении одного из валов, центр сферического отверстия 6, жестко соединенного с валом 1, смещается по дуге окружности, равной половине расстояния между осями вертикально расположенных шипов.

Сферический делитель 5 поворачивается в плоскости осей валов, а подвижный конец 4 вала 2 смещается относительно делителя и центр шарнира делителя оказывается смещенным в сторону ведущего вала. Защитный чехол 9 герметично закрывает полость делителя 5. Для шарниров неравных уг­ловых скоростей, объединенных сдвоенной крестовиной равенство угловых скоростей валов должно обеспечиваться делительным рычажком. Однако такое равенство возможно только при равенстве углов α1=α2, рис. 9.

Рис. 9. Схема сдвоенного карданного шарнира

В данной конструкции это требование не соблюдается, так как при наклоне вала плечо, связанное с левым валом, остается постоянным, а плечо, связанное с другим валом, увеличивается. Поэтому в сдвоенном шарнире с делительным рычажком синхронное вращение соединяемых валов может быть обеспечено только с некоторым приближением. Несмотря на имеющееся кинематическое несоответствие, делитель обеспечивает поворот валов примерно на одинаковые углы, и угловые скорости валов отличаются незначительно.

Кулачковый шарнир (рис. 10) состоит из двух вилок 1 и 6, соединенных с ведущим и ведомыми валами, и двух фасонных кулачков 3 и 4.

Рис. 10. Конструкция кулачкового шарнира: а — схема; 6 — детали

Угловое перемещение деталей осуществляется при скольжении сопряженных цилиндрических и центрирующих плоских поверхностей вилок и кулачков. Цилиндрические поверхности 7 вилок 1 и 6 охватывают цилиндрические поверхности кулачков 8, которые центрируются по плоскости вилок прямоугольными вырезами 9. Фасонный выступ 2 кулачка 3 (сегмент диска) входит в фасонную прорезь 5 (такой же формы) кулачка 4, центрируется по боковым поверхностям прорези и может поворачиваться в прорези. Конструкция кулачкового шарнира подобна простому сдвоенному шарниру, при этом фасонные кулачки выполняют функции сдвоенной вилки.

Шарниры используются в приводах управляемых колес ведущих мостов грузовых автомобилей с большой полной массой. Размещенные в картере моста они защищены от воздействия внешних факторов и хорошо смазываются, а сравнительно большая поверхность контакта деталей снижает нагрузку и обеспечивает приемлемую долговечность. Карданный шарнир такого типа обеспечивает передачу крутящего момента при углах до 40°.

Кулачково-дисковый шарнир (рис. 11) состоит из ведущей 1 и ведомой 4 вилок, жестко закрепленных на валах карданной передачи, кулачков 2 и 3 и диска 5.

Рис. 11. Конструкция кулачково-дискового шарнира

Внутренние цилиндрические поверхности 6 вилок охватывают наружные цилиндрические поверхности 7 кулачков, диск 5 вставляется в прорези 8 кулачков, имеющих форму сегмента диска. При вращении расположенных под углом валов, вилки поворачиваются относительно кулачков и вместе с кулачками относительно диска. Кулачки и диск выполняют функции сдвоенной вилки. При небольших отклонениях соосности валов и симметричности расположения деталей шарнира обеспечивается примерное равенство угловых скоростей валов. Конструкция шарнира достаточно проста и технологична . Применяется в приводах управляемых колес грузовых автомобилей. Обеспечивает передачу крутящего момента при углах до 50°.

Шариковый шарнир с центрирующим шариком (рис. 12) состоит из ведущей 2 и ведомой 3 вилок, жестко соединенных с валами 1 и 4 рис. 12, а. На внутренних поверхностях вилок имеются четыре делительные канавки 5 специального профиля, в которых установлены шарики 6 . Центрирующий шарик 7 установлен в сферических выемках вилок (рис. 12, а, в ), соосных с валами 1 и 4 .

Рис. 12. Шариковый шарнир с центрирующим шариком

Средние линии профилированных канавок являются окружностями с одинаковыми радиусами R, (рис. 12, 6) центры которых удалены на одинаковое расстояние «а» от центра шарнира. При вращении вилок, средние линии канавок образуют две сферические поверхности с радиусом R, линия пересечения которых является окружностью, расположенной в биссекторной плоскости А-А угла между валами. При этом центры шариков, расположенные на средней линии канавок, благодаря симметричному расположению канавок в обеих вилках, также всегда находятся в биссекторной плоскости.

Шарик 7 обеспечивает центрирование валов и обеспечивает беззазорное соединение вилок. Передача крутящего момента с помощью шариков приводит к значительным контактным напряжениям на поверхности сопряженных деталей, тем более, что конструкция шарнира предусматривает передачу крутящего момента в каждом направлении с помощью двух, а не всех четырех шариков. В случае несоосности валов, шарики не только катятся по канавкам, но и скользят по их поверхностям. В сочетании с большими контактными напряжениями это снижает долговечность шарниров.

Шариковые шарниры такого типа в основном применяются в ведущих управляемых мостах грузовых и легковых автомобилей с отключаемым приводом. Корпус шарнира, соединяющий поворотный кулак с кожухом ведущего моста, испытывает большие осевые нагрузки, что ограничивает возможность их использования. Шарниры обеспечивают передачу крутящего момента при углах между валами до 30°.

Шариковый июрнир с делительным рычагом (рис. 13, 14) состоит из ведущей звездочки 3 и сферического корпуса 1, закрепленного на ведомом валу, сепаратора 4, делительного рычага 7 с пружиной 6, закрепленного внутри корпуса 1, направляющей чашки 5 и шести шариков 2.

Рис. 13. Детали шарикового шарнира с делительным рычагом

На внутренней поверхности корпуса 1 и наружной поверхности звездочки 3 имеются по шесть канавок 9 и 10 с тороидальными поверхностями, симметричными относительно плоскости, проходящей через оси валов. В канавках находятся шарики 2, их относительное положение задается сепаратором 4 и направляющей чашкой 5. Делительный рычаг 7 с помощью шарнира 9 (рис. 14) закреплен в направляющей чашке. Сферическая поверхность 10 делительного рычага устанавливается в отверстие корпуса 1 шарнира, а сферическая поверхность 8 — в сферическую втулку 11, запрессованную в отверстие звездочки З. Рычаг поджимается пружиной 6, обеспечивающей беззазорное соединение делительного рычага со звездочкой.

Рис. 14. Шариковый шарнир с делительным рычагом: а — схема; 6 — конструкция

При изменении угла между валами делительный рычаг 7 перемещает направляющую чашку 5 и вместе с ней сепаратор 3, таким образом, что центры шариков располагаются в плоскости, делящей этот угол между валами пополам. Крутящий момент в шарнире передается через все шарики, поэтому карданные шарниры такого типа отличаются высокой долговечностью, работают при углах между валами до 35… 38°.

Шариковый шарнир с эксцентричным расположением канавок (рис. 15) состоит из ведомой части — корпуса 1, ведущей звездочки 4, жестко закрепленной на валу 5, и шариков 2, установленных в сепараторе 3. Шарнир закрыт резиновым гофрированным чехлом 6. Тороидальные поверхности канавок корпуса 1, звездочки 4 и центры шариков 2 образуют эксцентричные сферические поверхности. Центр сферы корпуса 1 — 01 и центр сферы звездочки 3 — 03 с радиусом R3 смещены относительно центра сферы центров шариков — О на расстояние «а» (рис. 15, б). Если появляется угол между валами, расстояние между поверхностями сфер корпуса и звездочки меняется. Например, при повороте вала 5 по часовой стрелке, верхний шарик, под действием составляющей нормальных сил в точках контакта, выталкивается из уменьшающегося по высоте зазора между корпусом и звездочкой, а нижний (и другие шарики) за счет сепаратора смещается в сторону увеличения этого зазора.

Рис. 15. Шариковый шарнир с эксцентричным расположением канавок: а — конструкция; б — схема

Работа шарнира отличается менее точной кинематикой, чем работа шарикового шарнира с делительным рычагом, но простота конструкции, надежность и небольшие габариты обеспечили массовое применение шарнира в приводах управляемых ведущих колес.

Карданная передача с шарниром равных угловых скоростей

Данный тип передачи широко используется в автомобилях с передним приводом. При помощи неё соединяется дифференциал и ступица ведущего колеса.

Передача имеет два шарнира – внутренний и внешний, соединенных валом. ШРУСы часто применяются и в автомобилях с задним приводом, в полноприводных авто. Дело в том, что шарниры равных угловых скоростей более современны и практичны, к тому же, уровень шума от них значительно ниже, чем от ШНУС.

Самым распространенным из существующих является шарнир равных угловых скоростей шарикового типа. ШРУС передает крутящий момент от ведущего до ведомого вала. Угловая скорость передачи крутящего момента постоянная. Она не зависит от угла наклона валов.

ШРУС, или как его называют в народе «граната» представляет из себя сферический корпус, в котором расположена обойма. Между ними вращаются шарики. Они движутся по специальным канавкам.

В результате, крутящий момент равномерно передается от ведущего вала к ведомому при условиях изменения угла. Сепаратор удерживает шарики в нужном положении. «Граната» защищается от воздействия внешней среды «пыльником» — защитным кожухом.

Обязательным условием долгого срока службы ШРУСов является наличие в них смазки. А наличие смазки, в свою очередь, обеспечивается герметичностью самого шарнира.

Отдельно стоит сказать о безопасности ШРУСов. Если в «гранате» слышится треск или шум, то её незамедлительно нужно менять. Эксплуатация автомобиля с неисправным ШРУСом предельно опасна. Попросту говоря, может отвалиться колесо. Причиной же, по которой карданный вал приходит в негодность, чаще всего является неправильный выбор скорости и плохое дорожное покрытие.

Классификация карданов

В конструкции современных авто используется несколько видов карданных валов. Они могут отличаться не только от производителя, но и типа автомобиля. На некоторых одинаковых моделях могут устанавливать разные типы передач.

В зависимости от конструкции карданные передачи могут быть:

1. Одновальные – более мощный тип, часто устанавливают на полноприводные или заднеприводные автомобили. Такой механизм позволяет максимально быстро передать крутящий момент на колеса.
2. Многовальные — это более сложный, но хрупкий механизм, который присутствует на большинстве легковых переднеприводных авто. Дополнительно к основному валу, добавляется промежуточный (где и нужен подшипник).

Работа многовальной карданной передачи
По количеству опор валов бывают следующие виды:

1. Двухопорные – не имеют подвесного подшипника, крепится на грузовые автомобили или полноприводные транспортные средства.
2. Трехопорные – имеют один подшипник, который соединяет промежуточный вал и основной. Применяется для большинства автомобилей.
3. Четырехопорные – имеют несколько промежуточных валов, соединенных двумя подшипниками. Редкая разновидность, устанавливается на некоторых джипах марки Lexus и Chrysler.

По особенностям конструкции можно выделить следующие модели:

1. С шарниром НУС (неравных угловых скоростей) – стандартная схема, устанавливаемая на большинстве авто с задним приводом колес.
2. ШРУС – современная карданная передача, которая сохраняет равность угловых скоростей.
3. Упругие полукарданные шарниры.
4. Жесткие полукарданные шарниры.

На большинство современных переднеприводных авто, устанавливается кардан типа ШРУС. Он более удобен и менее подвержен вибрациям, что имеет важное значение для легковых машин. Однако, такая система и более сложная, она не дешевая в обслуживании и при неправильном уходе может легко сломаться.

Основные неисправности, их признаки

Самым прочным механизмом в конструкции является сам вал. Его отливают из крепкого сплава, который способен выдерживать предельные нагрузки. Поэтому нужно сильно постараться, чтобы повредить его. Как правило, это механические повреждения при ДТП.

В целом основные неисправности можно разделить на несколько видов:

1. Вибрация – при трогании с места или в движении могут возникать сильные или слабые вибрации. Это первый признак повреждения подшипников крестовины. Также, проблема может говорить о неправильной балансировке вала, такое случается после его механического повреждения.
2. Стук – характерный стук при движении с места, будет означать, что болты крепления или шлицы износились. В таком случае, лучше всего сразу обратиться на СТО, дабы проверить целостность соединения.
3. Течь масла – можно обнаружить небольшие масляные капельки в местах расположение подшипников и сальников.
4. Скрипы – они могут появляться в момент нажатия педали газа. В большинстве случаев, скрипы могут быть связаны с неисправностями шарниров. С появлением коррозии, крестовины может заклинивать, что приводит к повреждению подшипника.
5. Неисправность подвижного подшипника – выявить проблему можно по характерному шуршанию в области движущей части вала. При нормальной работе, механизм не должен издавать никаких звуков, все движения плавные. Если слышно шуршание, скорей всего выходит из строя подшипник. Проблема решается только полной заменой неисправной части.

В редких случаях, когда происходит механическое повреждение основного вала, сильная вибрация может исходить из-за его неправильной геометрии. Некоторые умельцы, рекомендуют вручную исправить геометрию трубы, но это неверное решение, которое может привести к быстрому износу всей конструкции. Лучшим решением будет полная замена поврежденных элементов.

Принцип действия КВ

Принцип работы карданной передачи заключается в возможности транспортировки крутящего момента при изменяющемся положении «кардана» в пространстве. Реализация этого принципа происходит за счет двух механизмов:

1. Вилка скользящая карданного вала;
2. Крестообразный шарнир.

Скользящая вилка необходима для некоторого увеличения длины механизма при движении по неровной дороге. За счет длинного шлицевого соединения поступление момента не прекращается тогда, когда подвеска вместе с задним мостом смещается вверх или вниз.

Шарнир, в свою очередь, обеспечивает вращение колес при изменении угла изгиба КВ. Считается, что механизм способен продуктивно работать при углах не более 20°. Далее начинается его активный износ.

Приложение б (справочное). расчет дисбаланса карданного вала

Приложение Б (справочное)

Б.1 Дисбаланс карданного вала зависит от его массы и зазоров в шарнирах и механизме изменения длины.

Б.2 Дисбаланс D, г·см, в сечении опоры карданной передачи вычисляют по формулам:- для вала без механизма изменения длины

(Б.1)

— для вала с механизмом изменения длины

(Б.2) где m — масса карданного вала, приходящаяся на опору, г; e — суммарное смещение оси вала, обусловленное осевыми зазорами в шарнире между торцами крестовины и донышками подшипников и радиальным зазором в соединении «цапфа крестовины — подшипник крестовины», см; e — смещение оси вала, обусловленное зазорами в механизме изменения длины, см. Массу m определяют взвешиванием на весах, размещаемых под каждой опорой горизонтально расположенного вала. Суммарное смещение оси вала e, см, вычисляют по формуле (Б.3)

где H — осевой зазор в шарнире между торцами крестовины и донышками подшипников, см;

D — внутренний диаметр в подшипнике по иглам, см; D — диаметр цапфы крестовины, см. Смещение оси вала e, см, для подвижного шлицевого соединения с центрированием по наружному или внутреннему диаметру e вычисляют по формуле (Б.4) где D — диаметр шлицевого отверстия во втулке, см; D — диаметр шлицевого вала, см. Примечание — Для карданного вала без механизма изменения длины e=0. Минимальный или максимальный дисбаланс D рассчитывают с учетом поля допуска сопрягаемых элементов карданного вала.

Частые неисправности и их устранение

Все неисправности можно разделить по возникающим признакам поломки:

1. Вибрация при движении — износились подшипники крестовины или скользящая втулка, нарушилась балансировка вала;
2. Стуки при трогании — износились шлицы скользящего соединения, ослабли болты крепления;
3. Вытекание масла из подшипников — износ сальников.

Для устранения вышеописанных неполадок «карданы» демонтируют и дефектуют, неисправные детали заменяют. При наличии дисбаланса требуется балансировка вала в динамических условиях.

Перспективы развития системы карданной передачи

Классический ШНУС имеет некоторые технологические недостатки. Скорость вращения его валов изменяется в процессе движения. При этом ведомый вал может ускоряться и замедляться при стабильной скорости ведущего вала. Это приводит к ускоренному износу механизма, а также создает лишнюю нагрузку на задний мост. Также работа шарнира сопровождается вибрацией.

Назначение карданной передачи может выполнять вал, оборудованный ШРУСами (передним и задним). Подобные системы уже сегодня применяются на некоторых внедорожниках. Также ШРУСом может быть оборудована карданная передача автомобиля ВАЗ-2107 и другой «классики». В продаже имеются ремонтные комплекты.

Использование шарнира равных угловых скоростей позволяет ликвидировать недостатки, свойственные классической крестовине. Скорость вращения вала выравнивается, исчезает вибрация, КВ не требует балансировки после ремонта, до 17° увеличивается угол передачи крутящего момента.

Типы карданной передачи

В современном автомобилестроении могут применяться следующие типы карданных передач:

• Оснащенные шарниром неравных угловых скоростей (классическая карданная передача автомобиля);
• Оснащенные ШРУС (шарнирами равных угловых скоростей);
• Оснащенные полукарданными упругими шарнирами;
• Оснащенные жесткими полукарданными шарнирами.

Система с шарниром НУС считается классической. Здесь присутствуют вилки, крестовина, игольчатые подшипники. Применяется на большинстве заднеприводных автомобилей.

На современных внедорожниках чаще используется система, оборудованная ШРУСами. Такие устройства обеспечивают более комфортные условия езды, практически полностью устраняя вибрации.

Упругие шарниры представляют собой резиновую муфту, способную передавать момент при изгибах не более 8°. Резина достаточно мягкая, поэтому вал, имеющий подобное строение, обеспечивает плавное начало движения и отсутствие резких динамических нагрузок. Кроме того, гибкие соединения не требуют технического обслуживания. Жесткий полукарданный шарнир имеет сложное техническое устройство и передает момент за счет зазоров в шлицевом соединении. В силу сложности изготовления, технических недостатков и быстрого износа в автомобилестроении не применяется.

Карданная передача – назначение, типы передач, устройство и работа

С началом своего движения автомобиль заставляет двигаться все свои узлы и агрегаты, в том числе и свою трансмиссию. Так как она находится в постоянном движении, соответственно взаимное месторасположение отдельных ее деталей может изменяться.

Неровное дорожное покрытие провоцирует колебание ведущих мостов, связанных подвеской. Рама и кузов автомобиля также совершают некоторые движения, как результат воздействия внешних факторов. Соответственно, могут смещаться относительно друг друга и оси валов агрегатов, которые передают крутящий момент от двигателя автомобиля к ведущим колесам.

Эта система агрегатов называется карданной передачей и предназначена она для того, чтобы уравновесить колебательные движения механизмов автомобиля для спокойной передачи крутящего момента.

В зависимости от автомобиля карданная передача может соединять такие механизмы:

• коробку передач и раздаточную коробку;
• коробку передач и главную передачу ведущего моста;
• главные передачи заднего и среднего ведущих мостов;
• полуоси и передние ведущие колеса;
• главную передачу и ведущие колеса.

Строение карданных передач в разных автомобилях одинаково, отличия лишь в размерах агрегатов или в форме отдельных элементов.

Конструкция карданной передачи

Карданную передачу составляют такие элементы:

• шарниры карданные;
• основной и промежуточный валы;
• промежуточная опора с подшипником;
• эластичная муфта;
• соединительные механизмы.

Схема карданной передачи, автомобиль ГАЗ-3302 Газель: 1 — хвостовик скользящей вилки; 2 — грязеотражатель скользящей вилки; 3 — скользящая вилка; 4 — вилка промежуточного карданного вала; 5 — промежуточный карданный вал; 6 — грязеотражатель; 7 — промежуточная опора; 8 — защитное кольцо; 9 — подшипник промежуточной опоры; 10 — защитное кольцо; 11 — шлицевая вилка; 12 — П-образная пластина; 13 — стопорная шайба; 14 — крестовина; 15 — вилка заднего карданного вала; 16 — задний карданный вал; 17 — фланец ведущей шестерни главной передачи; 18 — задний карданный шарнир; 19 — игольчатый подшипник; 20 — стопорное кольцо; 21 — болт; 22 — уплотнительное кольцо.

Итак, разберем устройство карданной передачи

Эластичная муфта в этой конструкции поглощает резкие рывки и вибрационные движения.

Схема эластичной муфты: 1 — муфта эластичная; 2 — фланец промежуточного вала коробки передач; 3 — грязевой отражатель; 4 — промежуточный вал коробки передач; 5 — гайка; 6 — уплотнитель центрирующего кольца; 7 — кольцо центрирующее; 8 — вкладыши муфты эластичной; 9 — болт; 10 — пробка; 11 — фланец переднего карданного вала; 12 — манжета; 13 — шлицевой конец переднего карданного вала.

С помощью двух фланцев муфта соединяет коробку переключения передач и передний карданный вал. Эти два механизма совмещаются с помощью центрирующего кольца на валу коробки передач и центрирующей втулки, которая находится во фланце карданного вала.

Обратите внимание

Карданные валы созданы из стальной трубы. Передний вал оборудован шлицевыми наконечниками, а задний — вилками карданных шарниров.

Промежуточная опора представляет собой шариковый подшипник, который установлен в кронштейне внутри резиновой изоляционной подушки.

Карданный шарнир состоит из двух вилок, соединенных между собой крестовиной. Сами вилки закреплены на карданных валах. На полых шипах крестовины находятся игольчатые подшипники с уплотнительными кольцами.

Типы карданных передач

Главную роль в карданной передаче выполняет карданный шарнир, в зависимости от конструкции которого выделяют такие типы карданных передач:

• передача с шарниром равных угловых скоростей;
• передача с шарниром неравных угловых скоростей;
• передача с полу карданным упругим шарниром;
• передача с полу карданным жестким шарниром.

По количеству валов карданные передачи могут быть: одновальные, двухвальные и многовальные, а по количеству шарниров — одношарнирные, двухшарнирные и многошарнирные.

Работа карданных передач

Карданная передача с шарниром равных угловых скоростей, как правило, используется в автомобилях с передним приводом для соединения коробки передач с ведущими колесами. Этот механизм состоит из двух шарниров (внешнего и внутреннего), которые соединяются приводным валом.

Схема шарнира равных угловых скоростей (ШРУС): 1 — хомут;2 — полуось; 3 — грязезащитный чехол («пыльник»); 4 — хомут; 5 — сепаратор; 6 — обойма; 7 — малая полуось; 8 — корпус шарнира; 9 — стопорное кольцо; 10 — шарик; 11 — конусное кольцо; 12 — пружинная шайба.

Шарнир равных угловых скоростей (ШРУС) имеет сферический корпус, внутри которого находится обойма. В обойме и корпусе расположены канавки, по которым передвигаются металлические шарики. Представленная конструкция позволяет равномерно передавать крутящий момент, даже несмотря на изменяющийся угол наклона механизмов.

Карданная передача с шарниром неравных угловых скоростей в зависимости от расстояния, на которое надо передать крутящий момент имеет один или два карданных вала. Если используется два вала, то первый вал называется промежуточным, а второй — задним карданным валом. Валы соединяются с помощью промежуточной опоры, которая прикреплена к кузову автомобиля.

Шарнир неравных угловых скоростей представляет собой две вилки, расположенные друг к другу под углом 90 градусов, крестовину и соединительные элементы (болты, муфты, фланцы). Подшипники, в которых вращается крестовина, вставлены в специальные отверстия вилок.

Представленная карданная передача отличается тем, что в процессе работы крутящий момент движется неравномерно, то есть за один цикл ведомый вал два раза отстает и два раза опережает ведущий вал, поэтому здесь применяется как минимум два шарнира — по одному на каждом конце вала.

Карданная передача с полу карданным упругим шарниром обеспечивает перемещение крутящего момента между двумя валами, находящимися под небольшим углом относительно друг друга.

Эксплуатация и возможные неисправности карданной передачи

Бережная эксплуатация автомобиля позволяет шарнирам карданного вала и шаровым шарнирам передних валов сохранить свою работоспособность надолго, как минимум до 100 тысяч побега.

Что касается труб, то при отсутствии механических повреждений их можно использовать долгие годы без замены, в противном же случае изогнутый механизм стоит просто заменить новым.

Следует уделять внимание состоянию чехлов шарниров и заменять их при любом повреждении, уберегая тем самым шарниры.

Важно

Сокращение работоспособности шарниров могут спровоцировать резкие разгоны, пробуксовка в грязи, неправильный выбор скоростей, долгие поездки по снежным и грунтовым дорогам с глубокими колеями.

О неисправности карданной передачи можно узнать по появившимся посторонним звукам или рывкам автомобиля при движении. Существует несколько причин потери работоспособности карданной передачей, и среди них такие:

• износ карданных шарниров;
• деформация карданных валов;
• повреждение или износ сальников;
• повреждение защитного чехла шарнира;
• износ подшипников;
• ослабление соединительных механизмов.

Данные неисправности очень легко устранить, заменив поврежденные детали или подтянув крепежные детали.

Глава 6. Карданные передачи (стр. 1 )

Глава 6.

карданные передачи

1. Назначение карданных передач

Передачу крутящего момента при несовпадении осей валов и изменении их взаимного положения способны обеспечить карданные шарниры

. Валы, соединяющие карданные шарниры, называются
карданными валами
. Механизм, состоящий из одного или нескольких карданных валов и карданных шарниров и предназначенный для передачи крутящего момента между агрегатами, оси которых не совпадают и могут изменять свое положение, называется
карданной передачей
. Для компенсации изменения расстояния между агрегатами трансмиссии и карданной передачей могут использоваться подвижные в осевом направлении шлицевые муфты.

К карданным передачам предъявляют следующие требования:

— передача крутящего момента без создания дополнительных нагрузок в трансмиссии (изгибающих, скручивающих, вибрационных, осевых);

— возможность передачи крутящего момента с обеспечением равенства угловых скоростей ведущего и ведомого валов независимо от угла между соединяемыми валами;

— высокий КПД;

— бесшумность.

На длиннобазных автомобилях часто карданная передача состоит из двух валов: промежуточного и главного (перед­него или заднего). Это необходимо в тех случаях, когда применение длинного вала может привести к опасным поперечным колебаниям, в результате совпадения его критической угловой скорости с эксплуатационной. Короткий вал обладает более высокой критической частотой. Промежуточный вал устанавливается на промежуточной опоре.

Если промежуточный вал связывает ведомый вал коробки передач с главным карданным валом (автомобили ВАЗ, ЗИЛ), то промежуточная опора должна иметь некоторую эластичность. Это необходимо по той причине, что силовой агрегат автомобиля (двигатель, сцепление, коробка передач), установленный на упругих подушках, имеет некоторую свободу как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. По этой причине корпус подшип­ника промежуточной опоры установлен в кронштейне с резиновым кольцом 1, а кронштейн укреплен на поперечине рамы (рис. 1-а).

На некоторых автомобилях применяют промежуточные опоры с жестко установленными в корпусе подшипниками, но сам корпус в этом случае может качаться на цапфах, которые связаны с кронштейном, закрепленным на поперечине рамы.

На трехосных автомобилях, имеющих автономный кардан­ный привод к промежуточному и заднему мостам, на промежуточном валу обычно устанавливают жесткую опору (рис. 1-б

).

Рис.1. Промежуточные опоры карданного вала:

а – упругая; б – жесткая.

Карданные шарниры неравных угловых скоростей (асинх­ронные), имеющие две фиксированные оси качания, используют в карданной передаче при наклоне ведомого вала на угол не более 20°.

Некоторые варианты трансмиссий автомобилей с различным сочетанием расположений карданных передач неравных угловых скоростей приведены на рис. 2.

Универсальные карданные шарниры

отличаются от простых тем, что в них осевая компенсация осуществляется в самом механизме шарнира без использования дополнительного шлицевого соединения (муфты).

Карданные шарниры равных угловых скоростей

(синхрон­ные) применяют в приводе ведущих управляемых колес (рис. 1-
а
и 1-
б
); угол наклона ведомого вала в зависимости от конструкции шарнира может достигать 45°. Некоторые конструкции синхронных шарниров выполня­ются с компенсирующим устройством внутри механизма, то есть являются универсальными.

Рис.1-а. Привод передних колес:

/ — корпус внутреннего шарнира; 2 — фиксатор внутреннего шарнира; 3 —

кольцо крепления чехла;
4—
вал привода передних колес; 5— защитный кожух чехла;
6 —
защитный чехол; 7— упорное кольцо обоймы;
8
— сепаратор; 9 — хомут;
10—
ша­рик;
11
— обойма;
12
— стопорное кольцо обоймы;
13 —
корпус наружного шарнира.

Рис.1-б. Детали наружного шарнира привода передних колес:

1

— корпус шарнира;
2
— сепаратор;
3
— обойма;
4
— шарики.

Рис.2. Схемы трансмиссий автомобилей:

а

– с одним задним ведущим мостом;
б
— с передним и задним ведущими мостами;
в
— с двумя задними ведущими мостами;
г
и
д
– с тремя ведущими мостами;
е
— четырьмя ведущими мостами;
1
– сцепление;
2
– коробка передач;
3
и
6
– карданные валы;
4
и
8
– задние ведущие мосты; 5 – передний ведущий мост; 7 – раздаточная коробка.

2. Карданные шарниры неравных угловых скоростей

Обычный карданный шарнир имеет две вилки и крестовину. Вилки могут покачиваться относительно шипов крестовины, что дает возможность передавать крутящий момент от одного вала к другому при угловом несовпадении их осей.

Рис.3. Кинематика карданного шарнира неравных угловых скоростей.

Рассмотрим два положения карданного шарнира, отличающиеся тем, что во втором случае ведущий вал повернут на 900 относительно первоначального положения.

В положении, изображенном на рис. 3-а

, мгновенная окружная скорость точки
А
может быть выражена через угловые скорости ведущего и ведомого валов следующим образом:

VА
= ω1·r = ω2·r ·cos α
,

где ω1

— угловая скорость ведущего вала;

ω2

— угловая скорость ведомого вала.

Откуда:

.

В положении, изображенном на рис.3-б

, мгновенная окружная скорость точки
В
равна:

VВ
= ω2·r = ω1·r ·cos α
.

Таким образом:

.

При повороте ведущего вала на еще на угол 900 мгновенная угловая скорость ведомого вала опять станет равной . Следовательно, при ω1

=
const
дважды за один оборот угловая скорость ведомого вала изменяется в интервалах:

ω1 ·cos α

<
ω2
< ,

что иллюстрируется графиком, приведенным в нижней части рис.2.

Очевидно, что при постоянных моменте и скорости ведущего вала мощность, передаваемая ведомому валу, будет постоянной. Это означает, что пульсации угловой скорости ведомого вала будет вызывать синхронное зменение крутящего момента, что увеличивает динамическую нагруженность деталей трансмиссии. Колебания крутящего момента будут передаваться на кузов в виде вибраций, ухудшающих комфортабельность автомобиля.

Поскольку наличие в транмиссии шарнира неравных угловых скоростей является причиной возникновения дополнительных динамических нагрузок и вибраций, необходимо свести к минимуму последствия его применения. Равномерность вращения выходного вала передачи можно добиться, используя два карданных шарнира

неравных угловых скоростей (рис.4).

Рис.4. Схемы двух шарнирной карданной передачи.

В этом случае неравномерность частоты вращения, порождаемая первым шарниром, будет гаситься вторым при условии, что выполняются следующие требования:

1) углы между валами 1 и 2 и валами 2 и 3 равны между собой по абсолютной величине (γ1 = γ2

); при этом возможно взаимное расположение валов как показано на рис.3-
а
и рис.3-
б
;

2) второй шарнир повернут относительно первого на 900; это приведет к соответствующему сдвигу по фазе порождаемых им колебаний, и компенсации колебаний от первого шарнира; иными словами, вилки среднего (промежуточного) вала должны лежать в одной плоскости;

3) все валы карданной передачи лежат в одной плоскости, причем расположение этой плоскости в пространстве безразлично.

Следует отметить, что даже в случае соблюдения этих требований частота вращения карданного вала будет пульсировать. Для её снижения стремятся уменьшить углы между валами.

Применяемые в современных автомобилях карданные шарниры неравных угловых скоростей устанавливаются на игольчатых подшипниках, которые должны надежно смазываться.

В существовавших ранее конструкциях шарниров предусматривалось обязательное периодическое заполнение полости крестовины жидким (трансмиссионным) маслом через масленку, а для предохранения сальников от пробоя при нагнетании масла служил клапан. Периодическое пополнение смазочного материала было необходимо, так как масло недостаточно надежно удерживалось сальниковыми уплотнениями. Кроме того, наличие клапана не позволяло надежно смазы­вать все подшипники и удалять отработанный смазочный материал.

В настоящее время на большинстве автомобилей приме­няются карданные шарниры, не требующие частого периодического смазывания в процессе эксплуатации. В таких шарнирах применяется пластичный смазочный материал: смазка № 000, ЛИТОЛ-24 или ФИОЛ-2У, который удерживается надежными сальниковыми уплотнителями. Смазочный материал закладывается в стаканчики с игольчатыми подшипниками при сборке шарнира (например, автомобили ВАЗ) или небольшие углубления в торцах шипов крестовины. Для удаления отработанного смазочного материала и заполнения новым шарнир необ­ходимо демонтировать. В этих шарнирах нет масленок и клапанов.

В ряде современных карданных шарниров, смазываемых пластичным смазочным материалом, сохраняется масленка или резьбовое отверстие, закрытое резьбовой пробкой, а клапан отсутствует. Нагнетаемый смазочный материал заполняет полость крестовины и поступает к подшипникам, а излишки его выдавливаются через резиновые сальниковые «проточные» уплотнения. Уплотнение состоит из радиального сальника и двухкромочного торцового сальника, предохраняющего подшипник от попадания пыли и грязи.

Получить текст

Карданная передача, карданные шарниры. Шрус – назначение, устройство

_____________________________________________________________________________________________________________________

Карданные передачи используются во многих как грузовых, так и легковых автомобилях. А если учесть всевозможную сельскохозяйственную технику, то там карданная передача нашла весьма широкое применение. Как известно, подвеска автомобиля имеет подвижное крепление, поэтому как ведущие, так и управляемые колеса машины имеют возможность перемещаться относительно кузова в вертикальной плоскости. Однако силовой агрегат и коробка передач имеют эластичное, но довольно жесткое крепление к кузову автомобиля. Тем не менее, коробка передач и ведущие колеса связаны друг с другом. И эта связь осуществляется посредством карданной передачи.

Основным предназначением карданной передачи является передача вращения от силового агрегата через КПП к ведущим колесам машины, которые к тому же, могут быть и управляемыми.

Карданная передача обеспечивает жесткую связь колес и выходного вала КПП и не препятствует работе подвески.

Другими словами, карданная передача автомобиля позволяет передать крутящий момент при переменной соосности сочлененных агрегатов.

Устройство карданной передачи

Карданная передача представляет собой ведущий и ведомый валы, которые соединены гибким шарниром. Гибкое шарнирное соединение позволяет беспрепятственно передавать вращение при некотором изменении угла между двумя валами. По типу шарнирного соединения существуют две разновидности карданных передач:

• устаревшие шарниры неравных угловых скоростей;
• более современные шарниры равных угловых скоростей.

Карданная передача, основанная на шарнирах неравных угловых скоростей, наиболее часто применяется для соединения выходного вала и ведущего моста в заднеприводных как легковых, так и грузовых автомобилях.

Помимо этого, такие шарниры используют для подсоединения раздаточных коробок и прочего вспомогательного оборудования. Более совершенные в конструктивном плане шарниры равных угловых скоростей используются в современных передне- и полноприводных автомобилях.

Посредством таких карданных передач осуществляется соединение ведущих колес машины с дифференциалом ведущего моста.

Шарнир неравных угловых скоростей

Карданная передача с шарнирами неравных угловых скоростей имеет в конструкции следующие элементы:

• ведущие, ведомые и промежуточные карданные валы;
• крестовины (шарниры);
• подвесные и промежуточные опоры.

Непосредственно шарнир состоит из двух так называемых вилок, расположенных на валах и крестовины – соединительного элемента вилок. В собранном состоянии, вилки валов расположены относительно друг друга под углом в 90° и соединяет их крестовина, которая имеет на концах четыре чашки с игольчатыми подшипниками.

Наличие игольчатых подшипников обеспечивает нормальное функционирование шарнира при различных углах отклонения валов. Однако наибольший угол между валами для шарнира неравных угловых скоростей обычно составляет не более 20°.

Подшипники при сборке заполняются пластичной смазкой, которая рассчитана на весь срок службы.

Если рассмотреть для примера карданную передачу заднеприводного автомобиля ВАЗ, то в ее конструкции имеется два шарнира, промежуточный вал и подвесная опора промежуточного вала.

В силу своей, так сказать, несовершенной конструкции, шарнир неравных угловых скоростей не имеет конструктивной возможности обеспечить постоянное (с постоянной скоростью) вращение ведомого вала по отношению к ведущему.

За один оборот шарнира, ведомый вал дважды запаздывает и дважды обгоняет ведущий вал. Кроме того стоит учесть, что неравномерность вращения напрямую зависит от угла между валами, чем он больше, тем больше выражена неравномерность.

Однако для устранения данного недостатка устанавливается второй аналогичный шарнир и промежуточный вал с опорой. Второй шарнир компенсирует и выравнивает скорости обоих валов.

Типы и кинематика карданных шарниров

Карданные шарниры по кинематическим свойствам разделяются на шарниры: неравных угловых скоростей — упругие и жесткие, равных угловых скоростей.

Упругие карданные шарниры (мягкий) неравных угловых скоростей имеют два конструктивных исполнения: с упругой муфтой или с резина-металлическими втулками (упругая втулочно-пальцевая муфта).

Шарнир с упругой муфтой (рис. 2) может передавать крутящий момент при углах между вала­ми до (3… 5)° и допускает небольшое осевое смещение валов.

Рис. 2. Упругий карданный шарнир: а — схема; 6 — конструктивный вариант

Шарниры с упругой муфтой применяются для соединения установленных на раме или несущей системе агрегатов трансмиссии (коробка передач, раздаточная коробка) и обеспе­чивают компенсацию угловых и линейных отклонений установочных размеров. Обладая демпфирующими свойствами, шарниры несколько снижают динамические нагрузки на детали трансмиссии при резком изменении крутящего момента и способствуют гашению вибраций и крутильных колебаний в трансмиссии.

На ведущей 1 и ведомой 2 частях шарнира жестко закреплены пальцы 4, входящие в армированные тонкостенными металлическими втулками отверстия упругой (резиновой) муфты 5. Наружная поверхность муфты охватывается металлической обоймой 3. Передача крутящего момента сопровождается упругой деформацией муфты и неравномерностью вращения ведомого вала, но при небольших углах между валами нагрузка на детали карданной передачи увеличивается незначительно.

Шарнир с резино-металлическими втулками (рис. 3) допускает установочные углы между валами до 12° и большее осевое смещение валов соединяемых агрегатов.

Рис. 3. Шарнир с резинометаллическими втулками

Резина-металлическая втулка 1 легко может быть заменена в случае поломки. Основное применение шарниры такого типа получили в трансмиссиях тракторов и стационарных механизмов.

Жесткий карданный шарнир неравных угловых скоростей (асинхронный простой жесткий карданный шарнир) передает крутящий момент через подвижные соединения жестких деталей. Вилки шарнира 3 и 5 (рис. 4) жестко закреплены на ведущем 1 и ведомом 2 валах карданной передачи.

Рис. 4. Кинематика асинхронного жесткого карданного шарнира

В цилиндрические отверстия проушин вилок установлены концы (шипы) А, Б, В, Г крестовины 4. Шипы крестовины неподвижны в осевом направлении, но могут вращаться в отверстиях вилок. При вращении ведущего вала, шипы А и В крестовины 4 вращаются в плоскости, перпендикулярной оси вала 1. Шипы Б и Г крестовины 4, вращаясь в плоскости, расположенной под углом у к плоскости вращения шипов А и В, одновременно поворачиваются относительно этой оси.

Угол между осью шипов Б и Г и осью ведущего вала, при его поворо­те, изменяется в пределах от 0 до γ через каждые 90°. Эта особенность кинематики шарнира приводит к неравномерному вращению ведомого вала при равномерном вращении ведущего. При повороте ведущего вала на угол а, мгновенное значение угла поворота р ведомого вала (рис. 4) будет изменяться в зависимости от величин углов а и р, что отображается зависимостью tgα = tgβcosγ. Неравномерность вращения ведомого вала является причиной появления в трансмиссии дополнительных пульсирующих нагрузок, возрастающих с увеличением угла γ, рис. 5.

Рис. 5. Неравномерность вращения частей асинхронного жесткого карданного шарнира

При γ = 10° разность (φ1 — φ2) 0 между углами поворота ведущего φ1 и ведомого φ2 валов передачи составляет примерно 0,5°, а при γ= 30° становится более 4°. Но уже при γ = 15… 20° нагрузка на трансмиссию, за счет неравномерности вращения карданной передачи превышает нагрузку от крутящего момента двигателя. Чтобы избежать неравномерного вращения ведомого вала карданной передачи, должны быть выполнены определенные требования в отношении её конструкции.

Равномерное вращение ведомого вала карданной передачи с простыми жесткими карданными шарнирами обеспечивается (рис. 6), если число жестких карданных шарниров передачи четное, углы между осями валов равны (α1 = α2) , а вилки 2 и 3, закрепленные на неравномерно вращающемся валу 1, расположены в одной плоскости.

Рис. 6. Карданная передача с асинхронными шарнирами

В силу особенностей компоновки автомобиля бывает достаточно трудно обеспечить равенство углов а 1 и а 2, и расположить оси всех валов в одной плоскости. Кинематические погрешности уста­новки валов компенсируют уменьшением установочных углов валов карданной передачи. Для этого ось вращения коленчатого вала двигателя и ведущего вала главной передачи устанавливают с наклоном относительно рамы автомобиля.

Жесткий карданный шарнир равных угловых скоростей (синхронный) обеспечивает равенство мгновенных значений угловых скоростей ведущего и ведомого валов при любых их относительных положениях. Шарнир равных угловых скоростей (ШРУС) может быть получен из двух шарниров неравных угловых скоростей.

В этом случае длина неравномерно вращающегося вала уменьшается до размера, обеспечивающего размещение крестовин. Конструкция таких шарниров в случае использования вместо игольчатых подшипников скольжения может быть значительно упрощена.

Конструктивными вариантами шарниров с подшипниками скольжения являются кулачковый и кулачково-дисковый шарниры. Кроме указанных типов шарниров равных угловых скоростей, широко используются шариковые шарниры. Принцип действия шарикового карданного шарнира равных угловых скоростей объясняется из следующих соображений. Равенство угловых скоростей валов 1 и 2, (рис. 7), возможно, если выполняется условие равенства линейных скоростей точки Б, принадлежащей обоим валам.

Рис. 6.7. Кинематика синхронного жесткого карданного шарнира

Скорость точки Б, принадлежащей валу 1, равна v1 = ω1b, принадлежащей валу 2, равна, v2 = ω2a. Отсюда следует: для равенства угловых скоростей точки Б, принадлежащей одновременно валам 1 и 2 (ω1 = ω2) необходимо, чтобы радиусы вращения точки относительно каждого вала были равны, а = b. Условие может быть выполнено, если равны углы Ψ и Θ, т. е., если точка Б лежит в биссекторной плоскости угла (180° — γ) и перемещается в этой плоскости при вращении валов. Конструктивно это условие обеспечивается различными способами.

Устройство карданного вала

Основные элементы наиболее популярной модификации устройства:

• Центральный вал (карданная труба, ось). Полая труба из металла. Цельнотянутая деталь. Конструктивный элемент, на который крепятся другие детали.
• Крестовина. Важна для реализации функции контроля углов переменного наклона и, соответственно, вращающихся элементов. Корректный диапазон углов переменного наклона — от 0 до 20 градусов. Это важно для того, чтобы вал не прерывал вращения. Качественные крестовины изготавливаются из легированной стали путём горячей штамповки.
• Приварная вилка. Соединительный элемент между промежуточным и основным валом. Играет роль компенсатора расстояния по высоте между валами. Значение приварной вилки особенно легко оценить на бездорожье. При подборе вилки для КВ (например, в случае замены) важно учитывать величину крестовины, посадочный диаметр трубы, максимальный угол шарнира и тип крепления.
• Фланец-вилка шарнира (фланец кардана). Фланец-вилка монтирована в области крепления вала к мосту. Состоит из фланца (плоского диска) и двух рогов, в которых сделаны отверстия под крестовину, для болтов. Вилка крепится к ответному фланцу на ведущих мостах или коробке передач. Наиболее перспективные — вилки–фланцы с 4-мя шлицевыми «пятками» в зонах установки болтов и шлицами на ответных фланцах. Такие решения — гарант качественного соединения узлов. При выборе фланца при замене детали важно учитывать диаметр отверстий и их количество, диаметр самого фланца.
• Шлицевое соединение. Ответственно за трансформацию рабочей длины при движении. Одна точка шлицевого соединения фиксируется на коробке передач, другая — на редукторе. Когда транспортное средство вынуждено преодолевать ухабы, ямы, то интервал между точками опоры возрастает, и благодаря шлицевому соединению кардан «растягивается».

Обе вилки, крестовина и шлицевое соединение образуют так называемый шарнирный узел. Его основная задача — передача крутящего момента с изменяющимся углом. Исключение! На некоторых внедорожниках вместо крестовины можно встретить карданы с ШРУС. В этом случае шлицевое соединение отсутствует. Устройство ряда КВ включает эластичную муфту. Она помогает сгладить колебания крутящего момента и компенсировать осевые, угловые отклонения.

Подшипники

Если же речь идёт не только о карданном вале, но и карданной передаче в целом, рассматривая устройство, нужно не забывать про подшипники. Для поддержания карданного вала в технически корректном положении на нем установлен подвесной металлический подшипник с металлической обоймой и резиновой подушкой. Именно подвесной подшипник принимает на себя нагрузку (осевую, радиальную), обеспечивает вращение, качение. Это один из наиболее нагруженных элементов трансмиссии, поэтому требует регулярного технического обслуживания. Промежуточный подшипник выполняет функцию поддержки основного вала, обеспечивает ему возможность вращаться в необходимом направлении. Наиболее лучшими демпфирующими свойствами обладают подшипники в виде кольца, сделанного из эластомера.

Приложение а (справочное). расчет критической частоты вращения карданного вала

Приложение А(справочное)

Для карданного вала со стальной трубой критическую частоту вращения n, мин, вычисляют по формуле (А.1)

где D — наружный диаметр трубы, см;d — внутренний диаметр трубы, см;

L — максимальное расстояние между осями шарниров карданного вала, см;

где n — частота вращения карданного вала в трансмиссии (собственная частота поперечных колебаний вала по первой форме), соответствующая максимальной скорости ТС, мин. Примечания

1 В данном расчете упругость опор не учитывают.

2 Для карданных передач с промежуточной опорой значение L принимают равным расстоянию от оси шарнира до оси подшипника промежуточной опоры. Критическую частоту вращения вала, выполненного в виде стержня между карданными шарнирами, вычисляют при d, равном нулю. Критическую частоту вращения карданного вала, состоящего из трубы и стержня, вычисляют, исходя из приведенного значения длины трубы L см, вычисляют по формуле ,(А.2) где L — длина трубы вала, см; l — длина трубы, заменяющей стержень вала, см. Длину трубы l, заменяющей стержень вала, вычисляют по формуле (А.3) где l — длина стержня вала, см; d — диаметр стержня вала, см. Критическую частоту вращения карданного вала с учетом упругости его опор в трансмиссии устанавливает экспериментально разработчик ТС. Частота вращения карданного вала в трансмиссии, соответствующая максимально возможной скорости движения ТС, должна составлять не более 80% критической частоты с учетом упругости опор.

А еще интересно: Установка противотуманных фар на ниву шевроле

Какую функцию выполняет карданный вал?

КВ способен выполнить две важные функции.

• Базовая. Передача крутящего момента от КП или же раздаточной коробки автомобиля к задним колесам. Кардан позволяет мягко передать момент с трансмиссии на колеса, погасить вибрацию на бездорожье, обеспечить ходу плавность.
• Дополнительная. Играет роль звена между рулевой колонкой и рейкой. То есть это уже часть рулевого механизма. КВ помогает улучшить чувствительность руля.

Благодаря КВ транспортному средству даже на неровной дороге обеспечен хороший разгон. КВ – это фактически оптимизатор эффективной разгрузки передних колёс и инструмент для снижения рисков пробуксовки.

Где еще применяются валы карданного типа

Для чего нужен карданный вал, кроме соединения КПП с мостом и колесами? В реальности сфера применения шарниров НУС достаточно велика. Их применяют для создания регулируемых рулевых колонок, где необходимо передать крутящий момент от руля к колесам. Также крестовидные соединения используют в наборах инструментов. Они позволяют работать с болтами, не находящимися на прямой линии с удлинителем ключа.

Сегодня карданные шарниры, несмотря на широкое применение во многих областях промышленности, считаются устаревшими. Все большее развитие получают ШРУСЫ, а крестовины и вилки медленно уходят в прошлое.

Что еще стоит почитать

Устройство глушителя автомобиля

Коробка передач четырехступенчатая

Назначение системы смазки

Как работает механическая коробка передач

Гипоидная передача

Обслуживание карданного вала

Традиционная схема обслуживания базируется на трёх операциях:

• Проверка состояния вала.
• Замена неисправных деталей (именно замена, восстановление при наличии люфтов и трещин – неграмотное решение проблемы).
• Смазка шлицевого соединения. При подборе смазки обращайте внимание на нагрузку сваривания (ответственная за противозадирные свойства). Дорогостоящие продукты ориентированы на нагрузку сваривания до 3920 Ньютонов. Для шлицев на КВ на тяжёлом грузовом транспорте их применение только приветствуется. Для легковых же автомобилей достаточно смазки для низконагруженных шлицев. Переплата за продукт здесь нецелесообразна.

У некоторых автомобилей смазывать также нужно подшипники крестовин КВ. Но транспорта, нуждающегося в такой процедуре, не очень много. Это транспортные средства с КВ с тавотницей (пресс-масленкой).

Особенности функционирования

Главная особенность, которая является и недостатком этого шарнира, — неравномерная циклическая передача вращения. То есть, из-за имеющегося угла между валами ведомая часть привода переменно то обгоняет, то отстает от ведущей. Из-за этой особенности шарнир и называется «неравных угловых скоростей». Поэтому в переднем приводе валы с таким устройством не используются.

Особенность принципа работы карданной передачи учитывается конструкцией. Чтобы частично компенсировать неравномерную передачу, в устройстве привода используется одновременно два и больше шарнира. Также на легковых авто нередко можно встретить и полукарданный упругий элемент.

Чтобы имеющиеся карданы компенсировали цикличную неравномерную передачу, их еще необходимо правильно разместить относительно друг друга. Для этого шарниры располагают синхронно, а не со смещением между собой. То есть, внутренние вилки, установленные на трубчатом валу, и внешние, соединяемые фланцами с осями узлов, установлены в одной плоскости.

Полукарданный упругий элемент конструктивно очень схож с шарниром неравных угловых скоростей. У него также имеются две вилки, но соединены в единую конструкцию они при помощи эластичной (резиновой) вставки. Бывают конструкции и с фланцевым соединением.

Несмотря на свой недостаток, карданы достаточно широко используются. И способствует этому высокая надежность шарнира и неприхотливость к условиям работы. Это позволяет карданную передачу оставлять открытой, без каких-либо защитных элементов.

В целом, карданная передача может отработать очень длительный срок без какого-либо обслуживания. Выход из строя шарнира может вызвать только попадание внутрь подшипников загрязняющих веществ из-за поврежденных сальников. И то, к поломке это сразу не приведет. Кардан станет негодным для использования только при значительном износе игольчатых тел качения подшипников. Сам шарнир является неремонтируемым и при износе он просто заменяется.

Виды

На автотранспорте применяется несколько видов этих шарниров:

1. Равных угловых скоростей
2. Неравных
3. Упругий полукарданный

Первый вариант – ШРУСы, используются только на машинах с передачей вращения на передние колеса.

Что касается заднеприводных и полноприводных моделей, то в их конструкции могут устанавливаться одновременно все перечисленные виды. К примеру, на обычных автомобилях с приводом на заднюю ось устанавливается один шарнир неравных угловых скоростей, и один – полукарданный. А вот на кроссоверах со всеми приводными колесами и с поперечным положением мотора есть все виды шарниров – на передке используются ШРУСы, а сзади – два других вида.

Карданные передачи классифицируются по трем признакам:

• по количеству валов (одновальные, двухвальные, многовальные);
• по количеству шарниров (одношарнирные, двухшарнирные, многошарнирные);
• по виду шарниров (с шарнирами равных/неравных угловых скоростей).

Изделия с разными угловыми скоростями используются в конструкциях заднеприводных автомобилей, а также в полноприводных автомобилях. Шарнир представляет собой две вилки, которые расположены на валах. Между собой вилки соединены при помощи крестовины.

Требования к карданным передачам

Основные требования к карданным передачам следующие:

• передача крутящего момента при всех возможных в эксплуатации значениях угловых скоростей и углов у между осями валов;
• высокий КПД даже при значительных углах у;
• минимальные вибрации и шум;
• отсутствие значительных осевых усилий и износов в компенсирующем соединении.

Кроме того, к карданным передачам, как и к остальным механизмам автомобиля, предъявляют также общие требования:

• обеспечение минимальных размеров и массы
• высокая надежность
• минимальное обслуживание
• технологичность

Рассмотрим, какими конструктивными мероприятиями обеспечивается выполнение требований к карданным передачам.

Высокий КПД карданных передач с шарнирами неравных угловых скоростей обеспечивается применением в шарнирах игольчатых подшипников с надежной смазкой и надежным уплотнением при углах излома в пределах у = 5… 10°. Для уменьшения угла излома до указанных значений иногда двигатель или задний мост располагают с углом наклона 2…4°. При углах излома, меньших 3…5°, иглы оказывают бринсллируюшее воздействие на шипы крестовины (под иглами образуются вмятины). Поэтому при очень малых углах излома вместо игольчатых подшипников необходимо применять бронзовые втулки. Бринсллиронанис может также возникать при большом межигловом зазоре, когда иглы перекашиваются и создают высокое давление на шип крестовины. Поэтому суммарный межигловой зазор должен быть меньше половины диаметра иглы.

Высокий КПД карданных передач с шарнирами равных угловых скоростей обеспечивается в основном применением в этих шарнирах сравнительно крупных шариков, перекатывающихся в канавках специального профиля. У иногда применяемого сдвоенного карданного шарнира с игольчатыми подшипниками обычно наблюдается значительный износ этих подшипников и шипов крестовин. Это происходит из-за того, что при прямолинейном движении иглы подшипников не перекатываются. У кулачковых карданных шарниров, применяемых на автомобилях большой грузоподъемности, по сравнению с другими шарнирами равных угловых скоростей КПД ниже, так как между их деталями при углах излома, не равных нулю, используется трение скольжения. Однако и у шариковых шарниров наиболее изнашиваются средние-части канавок, что соответствует прямолинейному движению.

Минимальные вибрации и шум при использовании шарниров неравных угловых скоростей обеспечиваются уменьшением длины карданного вала, например, применением трехшарнирной карданной передачи с промежуточной опорой, увеличением диаметра карданного вала, уменьшением угла излома, уменьшением зазоров в подшипниках, установкой упругого шарнира в карданной передаче. Тем не менее карданный вал, расположенный после первого карданного шарнира неравных угловых скоростей является источником крутильных колебаний.

При использовании шарниров равных угловых скоростей большое значение имеет точность совпадения центра шарнира с осью шкворня.

Отсутствие значительных осевых усилий и износов в компенсирующем соединении при использовании шарниров неравных угловых скоростей обычно обеспечивается применением шлицевого соединения с несколько увеличенным боковым зазором и длиной шлицов, равной около двух диаметров их вала, при надежных смазке и уплотнении. Были попытки заменить трение скольжения в шлицевом соединении трением качения, размещая на боковых поверхностях шлицов ролики. Однако такая конструкция не получила распространения.

При использовании некоторых шарниров равных угловых скоростей в приводе передних ведущих колес легковых автомобилей один из двух шарниров выполняют универсальным, выполняющим функции как шарнира, так и компенсирующего устройства. В этом случае шарики или ролики, перемещаясь в продольных пазах, позволяют чашке перемещаться в осевом направлении относительно внутренней звездочки.

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.

Характерным примером данного типа шарнирного соединения является упругая муфта Гуибо (Guibo). Муфта представляет собой предварительно сжатый шестигранный упругий элемент, с двух сторон которого крепятся фланцы ведущего и ведомого валов.

Назначение, классификация и основные требования

Карданные передачи предназначены для передачи крутящего момента от одного агрегата (механизма) автомобиля к другому, если оси их валов не лежат на одной прямой или во время работы изменяют относительное положение в пространстве.
На автомобилях с помощью карданных передач осуществляется передача крутящего момента от коробки передач, раздаточной коробки или коробки отбора мощности к ведущим мостам или ведущим колесам, к дополнительным агрегатам и механизмам автомобиля. В общем случае карданная передача (рис. 1) состоит из следующих конструктивных (функциональных) элементов: карданных шарниров 1, 2, 3, карданных валов 4, 5, промежуточной опоры 6 с подшипником и компенсирующего соединения 7.

Рис. 1. Схема карданной передачи

Валы карданной передачи обеспечивают передачу крутящего момента на необходимое расстояние, карданные шарниры передачу крутящего момента между момента между валами, оси которых расположены под углом. Компенсирующее соединение обеспечивает изменение длины и относительного положения валов карданной передачи, например, при вертикальном перемещении ведущего моста на упругом элементе подвес­ки, в результате чего меняется длина вала 5 и величина углов γ.

Промежуточная опора поддерживает валы в передачах, имеющих два вала и более. Карданная передача должна обеспечить:

• передачу крутящего момента между агрегатами трансмиссии при всех возможных эксплуатационных условиях (угловой скорости вращения валов, углах между их осями, величине крутящего момента);
• передачу крутящего момента без значительного увеличения нагрузки на элементы трансмиссии, сниженияr долговечности деталей, увеличения вибрации и шума;
• передачу крутящего момента с максимально возможным КПД.

Карданные передачи подразделяются (классифицируются) по назначению и конструктивным признакам.

По назначению:

• для передачи крутящего момента между агрегатами, установленными на раме или несущей системе автомобиля, и работающие при значительных углах у между осями валов, γmах= (3… 5)° ;
• для передачи крутящего момента от коробки передач или раздаточной коробки к ведущим мостам, γmах= (15… 20)° ;
• для передачи крутящего момента от главной передачи к ведущим колесам с независимой подвеской, γmах= (20 … 25)° ;
• для передачи крутящего момента к ведущим управляемым колесам, γmах= (30… 40)° ;
• для передачи крутящего к вспомогательным, редко используемым механизмам, γmах= (15… 20)° .

По конструктивным признакам:

• с шарнирами неравных угловых скоростей (асинхронные шарниры);
• с шарнирами равных угловых скоростей (синхронные шарниры);
• с одним или несколькими карданными валами;
• с одним, двумя или несколькими карданными шарнирами;