Карданной

называется передача, осуществляющая силовую связь механизмов автомобиля, валы которых несоосны или расположе­ны под углом. Карданная передача служит для передачи крутящего момента между валами механизмов. В зависимости от типа, компоновки и конструкции автомобиля карданная передача может передавать крутящий момент от короб­ки передач к раздаточной коробке или к главной передаче ведуще­го моста, от раздаточной коробки к главным передачам ведущих мостов, между главными передачами среднего и заднего ведущих мостов, от полуосей к передним ведущим и управляемым колесам, от главной передачи к ведущим колесам с независимой подвеской. Карданная передача может также применяться в приводе от короб­ки отбора мощности к вспомогательным механизмам (лебедка и др.) и для связи рулевого колеса с рулевым механизмом. Дополнительно к общим требованиям к системам, агрегатам и механизмам автомобиля к карданной передаче предъявляются специальные требования, в соответствии с кото­рыми она должна обеспечивать:

Передачу крутящего момента и равномерное вращение валов соединяемых механизмов независимо от угла между валами;

Передачу крутящего момента без создания в трансмиссии ав­томобиля дополнительных нагрузок;

Высокий КПД;

Бесшумность при работе.

Для соединения механизмов автомобиля применяются кардан­ные передачи различного типа.

Одновальные карданные передачи применяются на легковых автомобилях с короткой базой (база — расстояние между передними и задними колесами) и колесной формулой 4×2 для соединения коробки передач с задним ведущим мос­том.

Такая карданная передача состоит из карданного вала
3
и двух карданных шарниров
.
Двухвальная карданная передачаприменяется на автомобилях с длинной базой и колесной формулой 4×2 для связи коробки передач с задним ведущим мостом. Передача включает в себя два карданных вала, три карданных шарнира и промежу­точную опору. Эта карданная передача получила наибольшее рас­пространение на легковых, грузовых автомобилях и автобусах ог­раниченной проходимости. На автомобилях повышенной проходимости с колесной фор­мулой 4×4 используются три одновальных карданных передачи для соединения соответственно коробки передач с раздаточной коробкой, а также раздаточной коробки с задним и передним ведущими мостами. На автомобилях высокой проходимости с колесной формулой 6×6 и индивидуальным приводом ведущих мостов раздаточная коробка соединяется с задним ведущим мостом двух­вальной карданной передачей с промежуточной опорой.

Связь коробки передач с раздаточной коробкой с передним и среднимведущими мостами этих автомобилей осуществляется одновальными карданными передачами. В автомобилях высокой проходимости с колесной формулой 6 х 6 и со средним проходным ведущим мостом для связи коробки передач с раздаточной коробкой и раздаточной коробки с ведущими мостами используются одновальные кардан­ные передачи. При этом обеспечивается привод дополнительного редуктора среднего моста.

Одновальные и двухвальные карданные передачи, используе­мые для соединения коробки передач, раздаточной коробки и ведущих мостов автомобилей, имеют карданные шарниры нерав­ных угловых скоростей.- Карданные передачи с шарнирами равных угловых скоростей на автомобилях применяются для привода пе­редних управляемых и одновременно ведущих колес.

Карданные шарниры.

Карданным шарниром или карданом на­зывается подвижное соединение, обеспечивающее передачу вра­щения между валами, оси которых пересекаются под углом. В автомобилях применяются карданные шарниры неравных и равных угловых скоростей. Первые называются асинхронными шарнирами, а вторые — синхронными.

Карданный шарнир неравных угловых скоростей состоит из вилкиведущего вала, вилкиведомого вала и крес­товины, соединяющей вилки с помощью игольчатых подшип­ников. Одновальная, двухшарнирная, с карданами неравных угловых ско­ростей карданная передача состоит из трубчатого карданного вала, к од­ному концу которого приварена вилка,

а к другому — наконеч­никсо шлицами. Наконечник соединен с подвижной в осевом направлении шлицевой втулкой
,
приваренной к вилкекар­данного шарнира. Такое подвижное шлицевое соединение назы­вается компенсирующим устройством. Оно обеспечивает измене­ние длины карданной передачи при перемещении ведущего моста относительно коробки передач во время движения автомобиля. Шлицевое соединение смазывают через масленку. Оно уплотняет­ся манжетой и защищается от грязи резиновым гофрированным чехлом.

Вилки валасоединяются с вилками карданных шарни­ров крестовинамии игольчатыми подшипниками, которые сма­зываются через масленку в крестовине. Каждый подшипник со­стоит из стального стакана с иголками, закрепленного в проуши­не вилки и уплотненного манжетой для удержания смазочного материала и защиты от воды и грязи. Вилки карданных шарнировчерез свои фланцы болтами прикрепляются к фланцам, которые установле­ны на концах валов карданной передачи и главной передачи, со­единяемых карданной передачей. При таком фланцевом крепле­нии карданной передачи очень удобны ее монтаж и демонтаж на автомобиле.

Заголовок

Полно приводная система всегда имеет в наличии этот элемент. Это ведь не промежуточная деталь!

Карданный вал – деталь, которая входит в состав трансмиссии автомобиля, имеющие устройство заднего или полного привода. Этот механизм передаёт вращение к редуктору переднего или заднего моста от коробки передач тем самым карданный вал заслуживает права называть “промежуточное звено-деталь”. Также его можно назвать не иначе, как опора машины!

Классификация

Ниже будет приведено классификация карданных передач, которые формируют механизм, роль которого – промежуточная.

Классифицировать центральное устройство можно по нескольким признакам:

• Назначение;
• В наличие компенсирующее устройство.

По назначению механизма передачу (она же – опора главного механизма и промежуточное звено) можно классифицировать:

• Основные – основные работают как опора для механизмов приводов ведущих колёс;
• Вспомогательные – применяются для механизмов подсобных механизмов, к примеру, лебёдок или насосов, механизмов передач, могут быть промежуточным механизмом, в каком-то устройстве.

Тип кардана зависит от того, какое у него построение и расположения:

• Закрытая передача – когда он заключен в одном из элементов транспортного средства;
• Открытая – когда он находится независимо от других частей машины.

Классификация по наличию компенсации, которое имеет устройство:

• Наличие компенсации. Если в нем предусмотрены варианты компенсирования больших осевых перемещений, то вал называют универсальным;
• Иначе промежуточный механизм называют простым.

Принципы работы

Карданный вал в своём составе содержит:

1. Подвесной подшипник карданного вала;
2. Двойной одноименный шарнир;
3. Скользящую вилку;
4. Всевозможные промежуточные уплотнения;
5. Элементы креплений.

Сам карданный вал может быть из нескольких секций. Так же он является опорой для многих частей машины. Вес его зависит от транспортного средства и его особенностей. Конструкция этой части авто зависит от габаритов. Обычно он составной и основа делается из стальной трубы, для экономии метала и веса, а к ней присоединяются крестовые наконечники. Только маленький кардан может быть сделан цельным и сплошным. Так его промежуточная роль усиливается.

Сплошная деталь – опора для спортивных автомобилей, так как часть веса держится на ней, поэтому ее делают сплошной.

Эта часть машины (его опора) является одна из самых подходящих для ремонта. Сам процесс прост, так же как и снятие механизма с авто. Особенность заключается в том, что-бы заменить двойной карданный шарнир и подвесной подшипник. Это класс детали “промежуточная”.

Выполнение промежуточная передача – функция, которую обеспечивают шарнирные механизмы, на основе крестовин. Позволяют двум валам быть опорой друг другу не прерывая вращения, при том находится под переменным углом. При чем наибольший КПД достигается когда валы опираются на друг друга от 0 до 20 градусов. В этом случае они работают как опора. Если этот показатель превысить, то промежуточная деталь начинает испытывать очень высокие нагрузки. Что ведёт к тому, что опора деталей теряется, разбалансируются вал и вибрирует корпус.

Подвесной подшипник ни что иное, как опора составному валу, удерживая его на месте даже во время вращения. Также это промежуточная часть общего элемента.

Плюсы и минусы использования карданных передач

Описание преимуществ использования такой детали, как двойной карданный шарнир:

• Устройство способно выдержать огромные нагрузки:

Этот параметр очень важен в транспортном средстве, так как нет иного способа передать вращение в автомобиле большой массы. Как пример, лимузины всегда оснащены задним приводом по этой причине (им нужна опора). Так как это является самым надёжным способом передать вращение. Еще один пример, это вес, вес карданного вала Белаза – 105 кг. А спортивный кардан весит 1.8 кг.

• Ремонтопригодность:

Это свойство помогает не менять узел, а ремонтировать только деталь, что облегчает жизнь всем автовладельцам. Так как замена дорогостоящего узла может быть критичной. Таким образом поддерживая в хорошем состоянии карданный вал и меняя только расходные детали, вы сможете продлить время работы автомобиля.

Недостатки:

Наличие кардана в автомобиле повышает вес, а так же уменьшает габариты салона.

• Вибрация: наличие дополнительного узла, которое может иметь устройство, увеличивает шум и вибрацию, что ведёт к разрушению деталей.

Карданный вал — приспособление для передачи крутящего момента от коробки передач или раздаточной коробки к задним колесам.

Широко применяется на автомобилях заднеприводной и полноприводной компоновки с начала двадцатого века по настоящее время. Впервые устройство карданной передачи было описано еще в 16-м веке, однако создание устройства на практике произошло значительно позже.

Устройство карданного вала

Схема карданной передачи включает в себя следующие элементы:

• Одна или несколько секций из тонкостенной полой трубы;
• Шлицевое раздвижное соединение;
• Вилки;
• Крестовина;
• Подвесной подшипник;
• Элементы крепления;
• Задний подвижный фланец.

Сам агрегат может быть одновальным или двухвальным. Во втором случае механизм включает в себя промежуточный карданный вал, к заднему отделу которого приваривается хвостовик с наружными шлицами, к переднему через шарнир фиксируется скользящая втулка. Одновальные системы промежуточного участка не имеют.
В передней части автомобиля агрегат фиксируется в коробке передач с помощью подвижного шлицевого соединения (подвижная муфта передней части карданного вала). Для этого на конце механизма имеется отверстие с внутренними шлицами. Устройство карданного вала подразумевает возможность продольного смещения шлицов при движении автомобиля.

Далее следует вилка карданного вала, которая располагается между передней и средней его частью. Здесь установлена крестовина, на которой имеются игольчатые подшипники. Наличие вилок и крестовины позволяет передавать крутящий момент при различных углах изгиба «кардана».

В задней части передача крепится к редуктору заднего моста посредством фланца. При этом хвостовик, оснащенный внешними шлицами, входит во фланец привода главной передачи.

Карданный шарнир

Принцип работы шарнира карданного вала на примере автомобиля Скания

Карданный шарнир используется для соединения валов, которые не имеют постоянного соосного расположения. Ниже перечислены основные требования, обеспечивающие правильное функционирование карданной передачи:
⇒Углы сочленения должны быть выбраны правильно (α)

Вилки карданного вала располагаются в одной плоскости.

⇒ Приварные вилки должны иметь правильное относительное расположение, т.е. вилки карданного вала должны располагаться в одной плоскости, а вилки промежуточного карданного вала должны быть смещены на 90 градусов.

Вилки карданного вала располагаются в одной плоскости, тогда как вилки промежуточного карданного вала смещены на 90 градусов

При несоблюдении указанных требований возникает вибрация карданного вала.

Вилки карданного вала располагаются в разных плоскостях

Предположим, что вал 1 вращается с постоянной скоростью (равномерное движение). Вследствие угла изгиба (α) карданного шарнира, вал 2 будет вращаться с неравномерной скоростью (нерегулярное движение). За один оборот скорость вращения дважды увеличивается и уменьшается. Чем больше угол сочленения, тем сильнее изменение частоты вращения ( тем больше неравномерность вращения).

Система карданной передачи с чрезвычайно высокой степенью неравномерности вызывает сильную вибрацию. Автомобили с дополнительным задним мостом особенно чувствительны к неравномерному движению карданного вала. Это объясняется изменением углов шарнира при вертикальном перемещении дополнительного заднего моста.

В системе карданной передачи углы сочленения должны быть как можно меньше, но при этом они должны составлять не менее 1 градуса, чтобы исключить повреждения из-за давления на крестовину карданного шарнира, в результате чего сокращается срок службы карданной передачи и как результат, преждевременный ремонт карданного вала.

Если в карданной передаче используется несколько шарниров, каждый из них порождает неравномерность, соответствующую величине угла. Правильным подбором углов сочленения можно максимально снизить вибрации карданной передачи и оттянуть срок ее ремонта.

Если вилки карданной передачи располагаются в одной плоскости и углы сочленения отсутствуют, то неравномерность, возникающая в одном шарнире, может компенсироваться другим шарниром. Если угол сочленения α 1 равен углу сочленения α 2, неравномерность вращения не возникает.

Поскольку вилки карданного вала располагаются в одной плоскости, то когда в одной вилке происходит увеличение частоты вращения, то в другой вилке происходит уменьшение частоты вращения, и наоборот. Существует две основные схемы карданных передач.

Обычно их называют Z- образной и W — образной.

Возможны и их комбинации.

В Z — образной схеме ведущий и ведомый валы либо абсолютно, либо почти параллельны.

В W — образной схеме ведущий и ведомый валы не параллельны.

На основе дух основных принципов можно сконструировать общую систему с одной карданной передачей.

Закажите коплексный ремонт карданного вала или двойной шарнир с доставкой в своем регионе.

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.

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.

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.

Устройство и принцип работы ШРУСа

С момента создания шарниры равных угловых скоростей – это узел, направленный на нейтрализацию разницы скоростей, которая возникает в процессе поворота ведомых и приводных колёс.

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

Подобное устройство ШРУСа позволило придать ему сразу несколько положительных свойств:

• Во-первых, шарнир организует привод, который даёт возможность использовать передние колёса (очень редко – задние) в качестве и ведущих, и приводных элементов трансмиссии;
• Во-вторых, шарнир осуществляет наиболее оптимальную передачу вращательного момента на каждую из полуосей при возникновении между ними угла до 75 градусов. В итоге, это позволяет повысить КПД функционирования мотора и существенно продлить срок эксплуатации целого ряда узлов подвески;
• И в-третьих, шарнир способен работать достаточно долго, что немаловажно для комфортабельного использования автомобиля.

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

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

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

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

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

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

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.

Карданные передачи применяются в трансмиссиях автомобилей для силовой связи механизмов, валы которых не соосны или расположены под углом, причем взаимное положение их может меняться в процессе движения. Карданные передачи применяют также для привода вспомогательных механизмов, например, лебедки. Иногда с помощью карданной передачи осуществляется связь рулевого колеса с рулевым механизмом. Карданная передача состоит из трех основных элементов: карданных шарниров, волав и их опор.

1.1. Основные требования к карданным передачам и их классификация.

К карданным передачам (КП) предъявляют следующие основные 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;

Общие требования, предъявляемые к составным частям трансмиссии — надежная передача крутящего момента, минимальный момент инерции, хороший отвод теплоты от поверхностей трения.

Для реализации этих требований в различных условиях эксплуатации для различных автомобилей существуют разные схемы карданных передач.

Закрытые карданные передачи. Для автомобилей, в которых реактивный момент на заднем мосту воспринимается трубой, карданная передача размещается внутри трубы. Иногда эта труба служит также для передачи толкающих усилий. Поскольку длина карданного вала в такой конструкции не изменяется при относительных перемещениях кузова и заднего моста, компенсирующее (телескопическое) соединение в карданной передаче такого типа отсутствует и используется только один карданный шарнир. При этом неравномерность вращения карданного вала в некоторой степени компенсируется его упругостью. Схема такой передачи представлена на рисунке 1, а. Существуют конструкции легковых автомобилей, в которых связь коробки передач и главной передачи осуществляется торсионным валом, а карданные шарниры отсутствуют. Это возможно на автомобилях, где главная передача установлена в кузове (Вольво-600). Однако, вышеописанные конструкции карданные передач встречаются не часто.

Открытые карданные передачи. (рис 1, б) Для автомобилей, в которых реактивный момент воспринимается рессорами или реактивными тягами, карданная передача должна иметь не менее двух шарниров и компенсирующее соединение, так как расстояние между шарнирами в процессе движения изменяется. Применяют двух-, трех — и многошарнирные передачи (последние встречаются сравнительно редко). На длиннобазных автомобилях с большим расстоянием между агрегатами используют карданные передачи, состоящие из двух валов — промежуточного и главного. Это необходимо из-за того, что применение одного длинного вала может привести к опасным поперечным колебаниям, в результате совпадения его критической угловой скорости с эксплуатационной. Короткий вал обладает более высокой критической частотой вращения. Промежуточный вал устанавливается на промежуточной опоре, которая 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. 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.

По кинематике различают карданные шарниры неравных (асинхронные) и равных угловых скоростей (ШРУС). Шарниры неравных угловых скоростей используют в передачах при наклоне ведомого вала на угол не более 20 градусов. Широко распространены асинхронные карданные шарниры с промежуточной крестовиной. Так же существуют универсальные асинхронные карданные шарниры, которые отличаются от простых тем, что в них осевая компенсация осуществляется в самом механизме шарнира, а не в шлицевом соединении. Карданные шарниры равных угловых скоростей применяют в приводе ведущих и одновременно управляемых колес автомобиля, угол наклона ведомого вала в зависимости от конструкции шарнира может достигать 45 градусов. Некоторые ШРУСы тоже выполняют универсальными, с компенсирующим устройством внутри механизма.

Наряду с карданными шарнирами применяются и полукарданные. Упругие полукарданные шарниры устанавливают главным образом в карданных передачах легковых автомобилей, и в зависимости от конструкции угол наклона вала может быть от 8 до 10 градусов. Жесткие полукарданные шарниры используют для компенсации неточности монтажа соединяемых механизмов в случаях установки последних на недостаточно жестком основании. Они представляют из себя зубчатые муфты. Угол наклона вала не более 2 градусов.

> Карданная передача

Шарнир равных угловых скоростей

Полуоси, независимо оттого, где они применяются, в переднеприводном автомобиле или в автомобиле с приводом на задние колеса с независимой подвеской, представляют собой карданные валы в миниатюре. Важное различие заключается в том, что они короче, и в том, что внешние концы перемещаются с колесами, которые они приводят в движение, а углы, под которыми они передают крутящий момент, больше. Вес является важным фактором, потому что, валы образуют часть «неподрессоренной массы», которая влияет на плавность хода и устойчивость. Одновременно полуоси должны быть по возможности небольшими, потому что они должны проходить через подвеску и оставлять место для других компонентов, таких, как тормозной механизм и привод, которые образуют часть колесного узла. Поэтому полуоси могут быть трубчатыми, но более часто сплошными, из-за того, что это дает возможность сделать их тоньше и дешевле.

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

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

Что такое ШРУС?

Увеличение угла между валами увеличивает разницу в угловых скоростях. Это свойство может не приниматься во внимание, если углы между валами небольшие или они вращаются медленно, но понятно, что они не могут применяться в приводе к передним ведущим и управляемым колесам. Колеса должны вращаться с постоянной скоростью, а не с вибрацией, то быстрее, то медленнее, причем изменяясь сотни раз в минуту. Таким образом, шарнир ведущей полуоси в переднем приводе должен обеспечивать равенство угловых скоростей ведущего и ведомого валов привода — следовательно, нужен шарнир равных угловых скоростей (ШРУС).

Историческая справка

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

Нагрузки на ШРУС

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

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

Трансмиссия

Описание и назначение.

Ведущие мосты автомобиля устанавливаются на раме или на кузове автомобиля с помощью упругих элементов подвески и во время движения мосты изменяют свое положение относительно мест крепления. Чтобы передать крутящий момент в таких условиях от коробки передач к ведущему мосту, применяют карданные передачи. Их используют и в приводе к передним управляемым и ведущим колесам. Карданная передача к ведущему мосту состоит из карданного вала, шарниров и промежуточной опоры. Карданные шарниры обеспечивают передачу крутящего момента между валами, оси которых пересекаются под изменяющимися углами. В трансмиссии автомобилей применяют жесткие карданные шарниры неравных и равных угловых скоростей.

Карданный шарнир неравных угловых скоростей состоит из жестких деталей (рис. а): ведущей 1 и ведомой 4 вилок, крестовины 2, на шипы которой надеты игольчатые подшипники 3. Крутящий момент передается от вилки 1 к вилке 4 через крестовину 2. При такой конструкции и равномерном вращении вилки ведущего вала угловая скорость ведомой вилки будет изменяться два раза за каждый оборот, увеличиваясь и уменьшаясь. Поэтому такой шарнир называют шарниром неравных угловых скоростей.

Чтобы устранить неравномерность вращения ведомого вала в карданной передаче, применяют обычно два шарнира неравных угловых скоростей, располагаемых на концах карданного вала. Тогда неравномерность вращения, возникающая в первом ведущем шарнире, компенсируется неравномерностью вращения второго шарнира и ведомый вал передачи вращается равномерно с угловой скоростью ведущего вала. Такая карданная передача называется двойной. Одинарные передачи с одним жестким карданным шарниром практически не применяются.

В приводе передних управляемых и ведущих колес автомобилей повышенной проходимости применяют шарниры равных угловых скоростей двух типов: шариковые и кулачковые.

Шариковый карданный шарнир (рис. б) состоит из двух фасонных кулаков 5 с овальными канавками, куда закладывают ведущие шарики 7. Для центрирования вилок используют сферические впадины на их внутренних торцах, в которых устанавливается центрирующий шарик 6.

При передаче крутящего момента ведущие шарики располагаются независимо от угловых перемещений вилок в их овальных канавках в плоскости, делящей угол между осями пополам. В результате обе вилки вращаются с одинаковой угловой скоростью.

Кулачковый карданный шарнир равных угловых скоростей применяют в приводе переднего колеса автомобиля «Урал-375» (рис. в). Конструкция шарнира включает наружную полуось 8 колеса, которая входит шлицевым концом в вилку 9 шарнира. Внутренняя полуось выполнена как одно целое с вилкой 9 шарнира, а ее наружный конец стыкуется с шестерней дифференциала шлицевым соединением. В вилки 9, установлены кулаки 10, в пазы которых заложен стальной диск 11. При работе шарнира полуоси вращаются вместе с вилками вокруг кулаков в горизонтальной плоскости, а вместе с кулаками вокруг диска в вертикальной плоскости. Таким образом обеспечивается передача крутящего момента на ведущие и управляемые передние колеса. Недостатком рассмотренного шарнира является повышенное трение в местах сопряжения диска и кулаков с вилками, в результате чего снижается коэффициент полезного действия и повышается нагрев и износ шарнира во время работы.

Устройство карданной передачи.

Карданная передача автомобилей ЗИЛ-130 состоит из промежуточного 1 и основного 6 карданных валов, соединенных друг с другом. Промежуточный вал опирается на промежуточную опору 3, состоящую из шарикоподшипника 11, заключенного в резиновое кольцо 10 с металлическим кронштейном 4. На переднем конце промежуточного вала приварена вилка карданного шарнира, а второй конец его выполнен в виде шлицевой втулки 2, в которую вставлен шлицевой конец вилки 9 карданного шарнира основного вала. Благодаря скользящему шлицевому соединению промежуточного и основного карданных валов их общая длина может изменяться при вертикальных перемещениях ведущего моста на неровностях дороги.

Карданные шарниры состоят из двух вилок 9, в проушины которых установлена крестовина 8 с шипами и игольчатыми подшипниками 5. Каждый подшипник состоит из стального стакана с иголками, закрепленного в проушине вилки крышкой, стопорной пластиной и двумя болтами. Смазка игольчатых подшипников производится по каналам в крестовине от пресс-масленки 7. Вытекание смазки из подшипников предотвращается торцовыми уплотнителями и резиновыми самоподжимными сальниками в вилках.

Карданные валы изготовляют из тонкостенных стальных труб, на концах которых запрессованы и приварены хвостовики вилок. После сборки карданные валы балансируют для уменьшения вибраций, возникающих при работе карданной передачи.

Карданным шарниров называется сочленение, с помощью которого вращение передается с одного вала на другой при изменяющемся угле наклона между валами. Карданный шарнир неравных угловых скоростей (рис.3) состоит из ведущей 2 и ведомой 4 вилок, шарнирно соединенных между собой крестовиной 3. Ведущая вилка жестко соединена с ведущим валом 1, а ведомая – с ведомым 6 (жестко или с помощью подвижного шлицевого соединения 5 для изменения его длины). Крутящий момент от вала 1 к валу 6, оси которых расположены под углом g, шарнир передает в результате поворота ведомой вилки относительно оси Б-Б и крестовины относительно оси А-А. Однако, ведомый вал при этом вращается неравномерно – с ускорением и замедлением. Вследствие этого в трансмиссии могут возникнуть дополнительные динамические нагрузки, иногда превосходящие по величине передаваемый момент.

Широкое применение в карданных передачах отечественных автомобилей получили жесткие простые карданные шарниры на игольчатых подшипниках. Такой шарнир состоит из двух стальных вилок и крестовины с игольчатыми подшипниками, соединяющей вилка шарнирно (рис 4). 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.

Карданные шарниры на игольчатых подшипниках применяются открытого типа и защитными кожухами обычно не закрываются. У некоторых автомобилей карданный шарнир снабжен закрывающим его защитным колпаком, устраняющим его загрязнение. Также в настоящее время на ряде автомобилей применяются карданные шарниры, не требующие частого периодического смазывания в процессе эксплуатации. В них применяется пластичный смазочный материал, который удерживается надежным сальниковым уплотнением. Смазка закладывается в стаканчики с игольчатыми подшипниками при сборке шарнира или небольшие углубления в торцах шипов крестовины. В таких шарнирах нет масленок и клапанов. Иногда масленка или резьбовое отверстие сохраняются, а масленка отсутствует. Нагнетаемая смазка заполняет полость крестовины и поступает к подшипникам, а излишки его выдавливаются через резиновые сальниковые «проточные» уплотнения.

Следует отметить, что с увеличением угла между осями валов КПД шарнира резко уменьшается. В некоторых автомобилях для уменьшения этого угла двигатель располагают с наклоном 2-3°. Иногда для той же цели задний мост устанавливают так, что ведущий вал главной передачи получает небольшой наклон.

Однако уменьшать угол между валами до нуля недопустимо, так как это может привести к быстрому выходу шарнира из строя вследствие бринеллирующего воздействия игл подшипников на поверхности, с которыми они соприкасаются.

Бринеллирующее воздействие игл увеличивается при большом суммарном зазоре, когда иглы подшипника перекашиваются и создают высокое давление на шип крестовины. Считается, что суммарный межигловой зазор должен быть меньше половины диаметра иглы подшипника. Иглы для подшипников подбираются с одинаковыми размерами по допускам. Перестановка или замена отдельных игл не допускается.

Крестовина карданного шарнира должна строго центрироваться. Это достигается точной фиксацией стаканов 13 (см. рис.4) при помощи стопорных колец или крышек, которые крепятся болтами к вилкам шарнира. Наличие зазора между торцами шипов крестовины и днищами стаканчиков недопустимо, так как это приводит к переменному дисбалансу карданного вала при его вращении. В то же время чрезмерная затяжка стаканчиков может вызвать задиры торцов шипов и днища стаканчиков, а также перекос игл.

В некоторых случаях осевое перемещение, компенсирующее изменение длины карданного вала, предпочтительней обеспечивать не шлицевым соединением, а непосредственно конструкцией карданного шарнира – такой шарнир называется универсальным. На рис.5 показан карданный вал с двумя универсальными шарнирами, в отверстие конца вала запрессован пустотелый палец 4, на который посажены на игольчатых подшипниках 2 два сферических ролика 1. В отверстия пальца 4 вставлены центрирующие заглушки 3 со сферической поверхностью. В корпусе 5 шарнира выполнены два паза цилиндрического сечения такого же радиуса, как радиус ролика. При вращении под углом палец 4 имеет возможность, кроме вращения вокруг своей оси, наклоняться и скользить на сферических роликах по пазам. В таком шарнире осевое перемещение сопровождается значительно меньшими потерями на трение, чем в шлицевом соединении.

Упругий полукарданный шарнир допускает передачу крутящего момента от одного вала к другому, расположенному под некоторым углом, благодаря деформации упругого звена, связывающего оба вала. Упругое звено может быть резиновым, резинотканевым или резиновым, усиленным стальным тросом. В последнем случае полукарданный шарнир может передавать значительный крутящий момент и под несколько большим углом, чем в первых двух случаях. Достоинствами полукарданного шарнира являются: снижение динамических нагрузок в трансмиссии при резких изменениях частоты вращения; отсутствие необходимости обслуживания в процессе эксплуатации. Благодаря эластичности такой шарнир допускает небольшое осевое перемещение карданного вала. Упругий полукарданный шарнир должен центрироваться, иначе балансировка карданного вала может нарушиться.

В качестве примера применения упругого карданного шарнира на рис 6 приведена карданная передача автомобиля ВАЗ-2105. Здесь упругий полукарданный шарнир установлен на переднем конце промежуточного карданного вала. Упругое шестигранное звено имеет шесть отверстий, внутри которых привулканизированы металлические вкладыши. Резиновое звено перед установкой на болты фланцев 1 и 3 предварительно стянуто по периферии металлическим хомутом, без чего отверстия в муфте не совпадут с болтами (после сборки хомут снимается). Таким образом резиновое звено получает предварительное напряжение. Резина работает лучше на сжатие, чем на растяжение, поэтому данное мероприятие снижает напряжение растяжения при передаче через шарнир крутящего момента.

Жесткий полукарданный шарнир, представляющий собой соединение, компенсирующее неточности монтажа, в настоящее время применяется крайне редко. Причиной этого являются недостатки, присущие такому шарниру: быстрое изнашивание, трудоемкость изготовления, шум при работе.

Карданные шарниры служат для соединения между собой расположенных под углом валок карданной передачи. Карданные валы имеют трубчатое сечение и приваренные на концах наконечники.

В двойной карданной передаче (т.е. в передаче с двумя карданными шарнирами и с одним валом) к одному концу трубчатого вала 8 (рис 7, а) приварен наконечник 5 со шлицами, а к другому концу – наконечник с вилкой второго карданного шарнира 9. Карданный вал наконечником 5 соединен со шлицевой ступицей 4 вилки 3. Скользящее шлицевое соединение одного из карданных шарниров с валом необходимо для осевых перемещений вала при деформациях рессор подвески мостов. Шлицевое соединение смазывается через масленку 2, защищено снаружи сальником 6 с крышкой и предохраняется от грязи резиновым гофрированным чехлом 7. Крайние вилки карданных шарниров 1 и 9 снабжены фланцами, которые крепятся болтами к фланцам на концах валов. При фланцевом креплении карданной передачи ее легко и удобно разбирать.

На двухосных автомобилях с приводом на задний мост основное применение получила карданная передача с двумя карданными валами: главным и промежуточным. В такой передаче трубчатый главный карданный вал 19 (рис.7, б) имеет по обоим концам приваренные наконечники 18 с вилками карданных шарниров. Задний кардан соединяет вал с валом заднего ведущего моста. Передняя вилка с помощью крестовины 17 соединена с вилкой 16, шлицованных хвостовик 13, который входит в шлицевую втулку 12, приваренную у заднему концу промежуточного вала 11. Полость шлицевой втулку заполняется смазкой через масленку 21. Шлицевая втулка уплотнена на хвостовике сальником 15 с крышкой, навернутой на втулку на резьбе. Скользящее соединение защищено от загрязнения резиновым гофрированным чехлом 20. Передний конец промежуточного вала 11 с помощью карданного шарнира 10 соединен со вторичным валом коробки передач. Промежуточный вал установлен на промежуточной опоре 14, прикрепленной к поперечине рамы автомобиля.

Промежуточные опоры применяют для подвески промежуточного вала карданной передачи. Опора промежуточного вала обычно выполнена в виде шарикового подшипника 1 (рис 8), закрепленного внутренним кольцом на валу и установленного в резиновой подушке 2, заделанной в кронштейне 4, который прикреплен на поперечной балке 3 рамы автомобиля. Подшипник с обеих сторон закрыт крышками 5, снабженными сальниками, по бокам которых расположены грязеотражатели 6. Внутренняя полость подшипника заполняется смазкой через масленку 7.

В трехосных автомобилях, имеющих автономный карданный привод к промежуточному и заднему мостам на промежуточном мосту устанавливается жесткая промежуточная опора.