3. Карданные шарниры и передачи

Карданным шарниром называется подвижное соединение, обеспечивающее передачу крутящего момента между валами, оси которых пересекаются под углом.

На автомобилях и тракторах применяют карданные шарниры неравных и равных угловых скоростей. 

Карданный шарнир неравных угловых скоростей (рис. 5.3,а) состоит из вилки 1 ведущего вала, вилки 3 ведомого вала и крестовины 2, соединяющей вилки с помощью игольчатых подшипников. Вилка 3 может поворачиваться относительно оси ОО крестовины и одновременно с крестовиной поворачиваться относительно оси О₁О₁, при передаче крутящего момента с ведущего на ведомый вал при изменяющемся угле γ между валами. 

Если ведущий вал повернется на угол α, то ведомый вал за это же время повернется на другой угол β и соотношение между углами поворота валов будет: 

tgα=tgβcos γ.

Рис. 5.3. Карданный шарнир неравных угловых скоростей:

а – схема; б – детали шарнира; 1, 3 – вилки; 2 - крестовина; 4 – крышка; 5 – стопорная пластина; 6 – стакан подшипника; 7 – игольчатый подшипник; 8 – сальники; 9 – предохранительный клапан; 10 – масленка; 11 - карданный вал; ω ₁ и ω ₂ - угловые скорости соответственно ведущего и ведомого валов; γ - углы между валами

Следовательно, валы вращаются с разными угловыми скоростями (ω₁ ≠ω₂), а ведомый вал - еще и неравномерно. Неравномерность вращения валов тем больше, чем больше угол γ между валами. При этом неравномерное вращение валов вызывает дополнительную динамическую нагрузку на детали трансмиссии и уменьшает их долговечность.

Карданный шарнир (рис. 5.3,б) состоит из вилок 1 и 3, крестовины 2 и игольчатых подшипников 7, стаканы 6 которых зафиксированы в проушинах вилок крышками 4 и стопорными пластинами 5. На стопорных пластинах имеются усики, которые после завертывания болтов загибаются на головки болтов, предотвращая их самопроизвольное отворачивание. Вместо крышек и стопорных пластин крестовина и стаканы в проушинах вилок могут крепиться стопорными кольцами. 

Вытеканию смазки из игольчатых подшипников и попаданию в них грязи и пыли препятствуют резиновые армированные сальники 8. Для предотвращения повышения давления масла при нагревании или в процессе его нагнетания через масленку 10 в крестовине предусмотрен предохранительный клапан 9. 

В современных конструкциях карданных шарниров неравных угловых скоростей в игольчатые подшипники при сборке шарнира закладывается так называемая «вечная смазка» типа №158, что обеспечивает нормальную работу шарнира в процессе всего периода его эксплуатации.

Для соединения несоосных валов, расположенных под углом, карданный шарнир неравных угловых скоростей один обычно не применяется. Он получил широкое распространение в карданных передачах, основные схемы которых приведены на рис. 5.4.

Карданная передача с двумя шарнирами неравных угловых скоростей и одним валом

(рис. 5.4,а  и  рис. 5.4,б) применяется наиболее часто (привод переднего и заднего ведущего мостов автомобилей и тракторов. Для обеспечения равномерности вращения ведущего 1 и ведомого валов 3 вилки карданного вала 2 расположены в одной плоскости при равенстве углов γ ₁ и γ ₂.

Карданная передача с тремя шарнирами неравных угловых скоростей и двумя валами

(рис. 5.4,в) применяется с целью сокращения длины карданных валов. В приведенной схеме карданный вал 3 имеет вилки, установленные в одной плоскости, а вал 2 - вилки, развернутые под углом 90^о. Синхронность вращения ведущего 1 и ведомого 4 валов обеспечивается при условии cosγ₁ ⋅cosγ₂ = cosγ₃ . Однако при движении автомобиля или трактора углы γ₂и γ₃ могут изменяться при постоянном угле γ ₁.

Рис. 5.4. Основные схемы карданных передач с шарнирами неравных угловых скоростей:

 а, б - с двумя шарнирами и одним валом;  в - с тремя шарнирами, двумя валами и промежуточной опорой;  г - с четырьмя шарнирами,  двумя  валами и промежуточной опорой; γ ₁… γ ₄ - углы между валами

Подшипник промежуточной опоры 5 карданного вала 2 устанавливают на резиновой упругой втулке, что уменьшает напряжения в валу, вызываемые неточностями монтажа опоры и деформацией остова автомобиля или трактора и корпусных деталей соединяемых агрегатов.

Карданная передача , состоящая из четырех шарниров неравных угловых скоростей , двух карданных валов и промежуточной опоры между ними (рис. 5.4,г), также применяется при большом расстоянии между агрегатами с целью сокращения длины карданных валов. Эта схема получила широкое распространение на современных тракторах и автомобилях. 

Рис. 5.5. Карданная передача трактора МТЗ-82:

Корпус 5 промежуточной опоры крепится снизу к картеру ФС. В корпусе 5 установлена многодисковая предохранительная фрикционная муфта, работающая в масле. Сжатие ведущих 10 и ведомых 11

дисков осуществляется через нажимной диск 12 усилием четырех тарельчатых пружин 13. Муфта регулируется на передачу определенной величины крутящего момента. Если крутящий момент, подводимый к переднему мосту, превысит заданное значение, муфта буксует и, тем самым, предохраняет детали переднего моста трактора от перегрузок и поломок. 

Рис. 5.6. Карданная передача:

Карданные шарниры неравных угловых скоростей с игольчатыми подшипниками имеют высокий КПД (до 0,99 при угле между валами до 8...10^о), малые габаритные размеры, обеспечивают точную центровку валов и отличаются высокой долговечностью. Если угол между валами карданного шарнира неравных угловых скоростей менее 1^о и при передаче крутящего момента не изменяется, то наблюдается явление деформации шипов крестовины иглами подшипника  (бринеллирование) и быстрое последующее разрушение шарнира.

Помимо бринеллирования возможно также усталостное выкрашивание (питтинг) на соприкасающихся с иглами поверхностях, что объясняется высокими контактными напряжениями. В связи с этим шипы крестовины карданного шарнира подвергают поверхностному упрочнению.                                                       

Карданные шарниры равных угловых скоростей (ШРУС) применяют для привода управляемых ведущих колес и ведущих колес          с независимой подвеской, где они обеспечивают равномерное вращение колес при углах γ между валами до 50^о. Широкое распространение получили шариковые шарниры (с делительным рычажком и с делительными канавками) и кулачковые. 

На рис. 5.7 показан четырехшариковый карданный шарнир с делительными канавками типа “Вейс”. Такие шарниры широко применяются в приводе управляемых ведущих колес старых моделей автомобилей и тракторов. При движении машины вперед усилие передается одной парой шариков, а при движении задним ходом - другой парой. Канавки 5 в кулаках  2 и 3 имеют специальную форму, которая независимо от изменения угла γ между валами обеспечивает расположение рабочих шариков 6  в плоскости

АА, делящей угол θ пополам, что и обеспечивает синхронность вращения валов 1 и 4 (ω₁=ω₂). Центрирование кулаков осуществляется шариком 7, размещенным в сферических углублениях внутренних торцов кулаков.

Рис. 5.7. Четырехшариковый карданный шарнир с делительными     канавками типа “Вейс”:

а – схема; б – детали шарнира;  1, 4 – ведущий и ведомый валы; 2, 3 – кулаки; 5 – делительные канавки в кулаках; 6 - рабочие шарики; 7 – центрирующий шарик; ω ₁ и ω₂ - угловые скорости соответственно ведущего и ведомого валов   

Шарнир применяют при углах γ между валами до 32^о.

Возможность передачи больших крутящих моментов через шарнир ограничена тем, что передача усилия осуществляется только двумя шариками 6 при больших контактных напряжениях. Необходимо отметить, что в эксплуатации износу наиболее подвержены средние части канавок 5, что соответствует прямолинейному движению автомобиля или трактора. При этом ненагруженные канавки изнашиваются более интенсивно, чем нагруженные. Это объясняется тем, что большая часть времени работы автомобиля и трактора происходит с выключенным передним мостом, когда шарнир нагружается в обратном направлении небольшим, но длительно действующим моментом сопротивления вращению части трансмиссии. 

Основными элементами шестишарикового карданного шарнира с делительным рычажком (рис. 5.8,а) являются сферический кулак 7, закрепленный на шлицах вала 8, и сферическая чашка 5 вала 1. На кулаке и внутренней стороне чашки выфрезеровано по шесть меридиональных канавок полукруглого сечения для размещения шариков 6. Канавки  на кулаке 7 и в чашке 5 выполнены из одного центра.

Рис. 5.8. Шестишариковый карданный шарнир с делительным  рычажком типа “Рсцепп”:

 а - установка шарнира в приводе переднего ведущего колеса;   б - схема шарнира; 1, 8 – валы; 2 – пружина; 3 – делительный рычажок; 4 – сепаратор; 5 – сферическая чашка; 6 – шарики; 7 -  кулак        

При наклоне валов 1 и 8 на угол γ сепаратор 4, в котором размещены шарики 6, с помощью делительного рычажка 3 принудительно устанавливает их в биссекторной плоскости под углом γ /2 (см. рис. 5.8,б), что и обеспечивает синхронность вращения валов. Пружина 2 служит для поджатия делительного рычажка 3 к гнезду в торце вала 8 при изменении положения рычажка в результате наклона валов.  

Карданный шарнир с делительным рычажком допускает максимальный угол между валами γ= 37^о . Так как усилие в шарнире передается всегда шестью шариками, то он обеспечивает передачу большого крутящего момента при малых габаритах. 

Шарнир  обладает высокой надежностью, высоким КПД, однако технологически сложен, так как все его детали подвергаются токарной и фрезерной обработке с обеспечением высокой точности, необходимой для одновременной передачи усилия всеми шариками.

На рис. 5.9 представлен шестишариковый карданный шарнир типа “ Бирфильд”. На кулаке 4, наружная поверхность которого выполнена по сфере радиуса R₁ (центр О),  выфрезеровано  шесть канавок. Канавки кулака имеют переменную глубину,  так  как они  нарезаны по радиусу R_З (центр О₁ смещен  влево относительно центра О шарнира на расстояние а). Внутренняя поверхность корпуса 1 выполнена по сфере радиуса R₂ (центр О), имеет также шесть канавок переменной глубины, нарезанных по радиусу R₄ (центр О₂ смещен в противоположную сторону относительно центра О шарнира также на расстояние а). 

Сепаратор 3, в котором размещены шарики 2, имеет наружную и внутреннюю поверхности, выполненные по сфере радиусов соответственно R₁ и R₂. В положении, когда валы шарнира соосны, шарики находятся в плоскости, перпендикулярной осям валов, проходящей через центр шарнира. 

При наклоне валов 6 и 7 на угол γ верхний шарик выталкивается из сужающего пространства канавок вправо, а нижний - перемещается сепаратором 3 в расширяющееся пространство канавок влево. Центры шариков всегда находятся на пересечении осей канавок. Это обеспечивает их расположение в биссекторной плоскости, что является условием синхронного вращения валов. 

В отличие от карданного шарнира с делительным рычажком в данном шарнире профиль сечения канавок выполнен не по дуге окружности, а по эллипсу (рис. 5.9,б). Благодаря этому силы взаимодействия стенки канавки и шарика составляют с вертикалью угол 45^о, что предохраняет кромки канавок от смятия и скалывания. Отсутствие делительного рычажка позволяет этому шарниру работать при угле между валами  γ = 45^о . 

Шарнир  обладает высокой надежностью и высоким КПД. Основной причиной преждевременного выхода из строя шарнира является повреждение защитного резинового чехла 5.

Рассмотренные выше ШРУС при соединении валов обеспечивают только их угловую компенсацию. Для выполнения одновременно угловой и осевой компенсации применяют универсальные карданные ШРУС.

Рис. 5.9. Шестишариковый карданный шарнир типа “Бирфильд”:

а - конструкция;  б - схема; 1 - корпус; 2 - шарик; 3 - сепаратор; 4 - кулак; 5 - защитный чехол; 6, 7 - вал

На рис. 5.10 представлен шестишариковый универ сальный карданный шарнир (типа ГКН).  На внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1 нарезаны шесть продольных канавок эллиптического сечения, такие же канавки выполнены на сферической поверхности кулака 3 параллельно продольной оси. В канавках размещены шесть  шариков 2, установленных в сепараторе 4. 

Взаимодействующие поверхности кулака 3 и сепаратора 4 сферические. Внутренняя сферическая поверхность сепаратора выполнена радиусом R₁ из центра О₁ на расстоянии  а  вправо от центра О, лежащего в плоскости шариков. Сферическая наружная часть сепаратора выполнена радиусом R₂ из центра О₂  также на расстоянии  а  влево от центра О шарнира. При этом  сферическая поверхность переходит в коническую (угол конуса около 10^о), что ограничивает максимальный угол наклона вала до 20^о.

Рис. 5.10. Шестишариковый универсальный карданный шарнир типа ГКН: 

В результате смещения центров О₁ и О₂ сфер сепаратора относительно центра О шарнира  шарики 2 при наклоне вала устанавливаются в биссекторной плоскости. Это объясняется тем, что при наклоне вала шарики 2 должны перемещаться относительно двух центров О₁ и О₂, что и заставляет их устанавливаться в биссекторную плоскость. Осевая компенсация в шарнире обеспечивается за счет возможности продольного перемещения шариков 2 по канавкам корпуса 1. При этом продольное перемещение шариков, а следовательно, и связанного с ними через кулак 3 вала, равно рабочей длине канавок корпуса 1. 

Необходимо отметить, что при осевых перемещениях шарики не перекатываются, а скользят, что снижает КПД шарнира. Долговечность шарнира высокая, так как передача усилия осуществляется одновременно всеми шариками. Для передачи больших крутящих моментов используется аналогичные по конструкции восьмишариковые шарниры.

Рис. 5.11. Шестишариковый  универсальный  карданный  шарнир типа “Лебро”:

На поверхности сферического кулака 2 нарезано также шесть прямых канавок под таким же углом. Шесть шариков 4 вставлены в сепаратор 3 и центрируются по внутренней цилиндрической поверхности канавок в корпусе 1. На кулаке 2 они установлены с зазором. При сборке шарики устанавливаются на пересечении канавок в корпусе 1 и на кулаке 2, что обеспечивает синхронность вращения валов, так как шарики в независимости от угла между валами всегда находятся в биссекторной плоскости. Передача усилия в шарнире осуществляется одновременно шестью шариками, для чего канавки в корпусе 1 и на кулаке 2 выполняются с высокой точностью.

Данная конструкция шарнира имеет меньшие размеры по сравнению с другими типами универсальных ШРУС, так как рабочая  длина канавок и ход шариков 4 в два раза меньше осевого перемещения вала. При этом сепаратор 3 не выполняет функцию деления угла между валами. Следовательно, он менее нагружен и требования к точности его изготовления более низкие. КПД шарнира высокий (около 0,99 при γ=10^о ).  

В приводе ведущих управляемых колес переднеприводного легкового автомобиля часто применяют карданные передачи, состоящие из простого (см. рис. 5.9) и универсального (рис. 5.10 или рис. 5.11) ШРУС, соединенных карданным валом. В этом случае карданный вал выполняют без подвижного шлицевого соединения. Осевая компенсация смещения валов соединяемых агрегатов в передаче осуществляется универсальным ШРУС.

Кулачковые карданные ШРУС применяются в приводе к ведущим управляемым колесам. Благодаря наличию развитых поверхностей взаимодействующих деталей шарнир при малых габаритах и углах γ между соединяемыми валами до 45...50^о способен передавать значительный по величине крутящий момент. 

Наибольшее распространение получили два типа кулачковых ШРУС: шарнир типа “Тракта” и дисковый. Шарнир типа “Тракта” состоит из четырех штампованных деталей (рис. 4.12,а): двух вилок 1 и 4 и двух фасонных кулаков 2 и 3, трущиеся поверхности которых при обработке шлифуются. 

Рис. 5.12. Кулачковые карданные шарниры: 

 а – типа  “Тракта”; б – дисковый; 1, 4 – вилки;    2, 3 – кулаки; 5 - диск

Дисковый шарнир состоит из пяти деталей (рис. 5.12,б): двух вилок 1 и 4, двух кулаков 2 и 3 и диска 5. Трудоемкость его изготовления несколько большая по сравнению с шарниром типа “Тракта”. Угол между соединяемыми валами может быть до 45^о.

КПД кулачковых шарниров ниже, чем у других ШРУС, так как для их элементов характерно трение скольжения. В связи с этим в эксплуатации наблюдается значительный нагрев шарнира, а иногда и задиры поверхностей его деталей в результате сложности обеспечения подвода смазочного материала к поверхностям трения.