Шарніри рівних кутових швидкостей

В основі всіх конструкцій карданних шарнірів рівних кутових швидкостей лежить єдиний принцип: точки контакту, через які передаються колові сили, знаходяться в біссекторній площині валів.

Шарніри рівних кутових швидкостей використовуються, як правило, в приводі ведучих керованих коліс. Конструкції таких шарнірів різноманітні. Розглянемо деякі з них, які найчастіше використовуються.

Чотирьохкульковий карданний шарнір з ділильними канавками (типу “Вейс”, рис.1). Встановлються на ряді вітчизняних машин (УАЗ-469, ГАЗ-66, ЗІЛ-131) в приводі керованих ведучих коліс. При русі автомобіля вперед зусилля передається одною парою кульок; при русі заднім ходом – іншою парою. Канавки в кулаках 2 і 3 нарізані по дузі кола радіусом R’. Чотири кульки 6 розміщуються на пересіченні симетрично розміщених канавок 5 – в біссекторній площині, що забезпечує рівність кутових швидкостей валів 1 і 4. Кулька 7 є центруючою. Найбільш точно кульки встановлювалися б при пересіченні канавок під кутом 90°, але при цьому ковзання кульок приводило б до швидкого зношування кульок 6 і 7, так і канавок 5 і до зниження ККД шарніра.

Довговічність в експлуатації, як правило, не перевищує 25…30 тис. км. В зношеному шарнірі кульки при передачі підвищеного крутного моменту, коли кулачки дещо деформуються, можуть випасти, що приводить до заклинювання шарніра і втрати керованості. Найбільше зношуються середні частини канавок, що сприяє прямолінійному руху, при чому ненавантажені канавки зношуються більше, ніж навантажені. Це пояснюється тим, що навантажується шарнір при порівняно рідкому вмиканні переднього ведучого моста керованого моста для руху в важких погодніх умовах, а більша частина пробігу автомобіля здійснюється з вимкненим переднім мостом, коли шарнір навантажується в зворотньому напрямку невеликим, але тривало діючим моментом опору обертанню частини трансмісії.

Універсальний шестикульковий карданний шарнір (типу ГКН, рис.2). на внутрішній поверхні циліндричного корпуса шарніра нарізані шість поздовжніх канавок еліпсного перерізу, такі ж самі канавки є на сферичній поверхні кулака паралельно до поздовжньої осі вала. В канавках розміщено шість кульок, встановлених в сепараторі. Взаємодіючі поверхні кулака і сепаратора сферичні, радіус сфери R1 (центр О1 на віддалі а від центра О, який лежить в площині центрів кульок). Сферична зовнішня частина сепаратора (радіус R2) переходить в конічну (кут конуса близько 10°), що обмежує максимальний кут нахилу вала приблизно до 20°.

Рис. 2. Шестикульковий універсальний карданний шарнір (типу ГКН):

а – конструкція; б – схема; 1 – корпус; 2 – кульки; 3 – кулак; 4 – сепаратор.

В результаті зміщення центрів сфер сепаратора кульки при нахилі вала встановлюються і фіксуються в біссекторній площині. Пояснюється це тим, що при нахилі вала кулька повинна переміщуватися відносно двох центрів О1 і О2, що заставляє кульку встановлюватися на пересіченні в вертикальній площині, яка проходить через центр кульки, зовнішньої і внутрішньої сфер сепаратора.

Якщо, як показано на схемі (мал.5,б), провести осі, які проходять через центри кульок, паралельно до осей канавок корпуса і кулака, то при нахилі вала кулька встановиться на пересіченні цих осей. При відхиленні вала на кут g площина, яка проходить через центри кульок, відхилиться на кут b=0,5g. Це легко побачити, розглянувши рівнобедренний трикутник АОВ. Сума кутів трикутника АОВ 90-b+90-b+g=180, звідки b=0,5g.

Осьове переміщення виконується по поздовжніх канавках корпуса, при чому переміщення карданного вала рівне робочій довжині канавок корпуса, що впливає на розміри шарніра. При осьових переміщеннях кульки не перекочуються, а ковзають, що знижує ККД шарніра. Так виконаний внутрішній шарнір передньопривідних автомобілів ВАЗ. При передачі великих крутних моментів використовують восьмикульковий шарнір цього типу.

Для двойного шарніра на гольчатих підшипниках характерне значне зношення цих підшипників і шипів хрестовин. Це пояснюється тим, що завдяки переважно прямолінійному руху автомобіля голки підшипників не перекочуються, внаслідок чого поверхні деталей, з якими вони дотикаються, підпадають під брінелірування, а самі голки деколи сплющуються.

Кулачковий карданний шарнір (рис.4). Кулачкові шарніри використовуються на автомобілях великої вантажопідіймальності в приводі до ведучих керованих коліс. Якщо розділити по осі симетрії кулачковий карданний шарнір на дві частини, то кожна частина буде являти собою карданний шарнір нерівних кутових швидкостей з фіксованими осями коливання (так же як і у здвоєного карданного шарніра). Завдяки наявності розвитих поверхонь деталей, що взаємодіють, шарнір може передавати значний по величині крутний момент при забезпеченні кута між валами 45…50°.

Рис.4. Кулачкові карданні шарніри:

а – “шарнір Тракта”; б – дисковий.

На закордонних автомобілях великої вантажопідіймальності широко використовується кулачковий карданний шарнір, показаний на рис. 4,а, відомий під назвою “шарнір Тракта”. Він складається з чотирьох штампованих деталей: двох вилок 1 і 4 і двох фасонних кулаків 2 і 3, поверхні що труться яких піддаються шліфуванню.

В нашій країні був розроблений кулачковий шарнір (рис.4,б), який встановлюється на ряді автомобілів (КамАЗ-4310, “Урал-4320”, КАЗ-4540, КрАЗ-260 і ін.). Шарнір складається з п’яти простих по конфігурації деталей: двох вилок 1 і 4, двох кулаків 2 і 3 і диска 5, тому часто його ще називають дисковим. Трудоємкість його виготовлення в порівнянні з трудоємкістю “шарніра Тракта” дещо більша. Максимальне значення кута між валами, яке забезпечує даний шарнір - 45°.

ККД кулачкових шарнірів є нижчим, ніж ККД інших шарнірів рівних кутових швидкостей, так як для їх елементів характерне тертя ковзання. В експлуатації спостерігається значне нагрівання, а іноді і задири деталей шарніра в результаті незадовільного підведення змащувального матеріалу до поверхонь тертя.