Предельный угол карданной передачи. Рассказываем о разных видах передач под углом, от простой крестовины до замысловатых шариков бендикса

Полный привод подразумевает, что к каждому колесу подведен крутящий момент. Причем так, чтобы колесо могло двигаться и поворачиваться относительно кузова

Собственно, вращает колеса привод. Когда на экране приборной панели вашего внедорожника возникает анимированная картинка распределения тяги по осям и колесам, она в точности повторяет реальную систему валов под его днищем. Эти валы – толстые металлические прутки или трубы с шарнирами по концам. Шарнир позволяет передавать вращение под углом: колеса вместе с подвеской ходят вверх-вниз, а передние еще и поворачиваются на приличный угол.

ПЕРВЫЕ ОКОВЫ

Сперва в мире приводов царили кожаные ремни, такие же, какие использовались в станках. При тогдашних небольших скоростях и смешной мощности моторов это еще годилось, но как только скорости выросли, популярными стали роликовые цепи с подвижными звеньями, как у мотоциклов. Трансмиссия в задней части машины заканчивалась обычным мостом, жестко закрепленным на раме. Вместо колес к его концам крепились ведущие звездочки, а к подвешенным на рессорах колесам – ведомые. На пару задних колес приходилось два моста – ведущий и подвесочный, а свободное провисание цепей обеспечивало некоторую подвижность последнего. О приводе с их помощью передних поворотных колес не могло быть и речи.

От этой схемы быстро отказались ввиду громоздкости и ненадежности и начали придумывать более совершенные.

ОТКУДА РЫВКИ?
Под неравной угловой скоростью понимают вращение, при котором колесо непрерывно ускоряется и замедляется каждую четверть своего оборота. Помимо неприятных воздействий на рулевое управление и подвеску (рывки), работа с неравной угловой скоростью чревата быстрым износом всей трансмиссии. Неравномерность вращения карданной передачи тем больше, чем больше угол между осями ее валов. При этом ведущая часть шарнира вращается равномерно.

КАРДАНО И ЛЕОНАРДО

Подумать только, принцип карданной передачи был подробно описан Джироламо Кардано в XVI веке, а впервые его упоминал еще Леонардо да Винчи! Но одно дело придумать, и совсем другое – воплотить в металле.

Первые карданные валы поселились на автомобилях уже в первое десятилетие ХХ века. Из всех применяемых сегодня подвижных передач карданная – самая простая. Четыре игольчатых подшипника да крестовина. Ее простота компенсируется одним важным недостатком: малыми рабочими углами. До 12 градусов она еще крутится более-менее плавно. Выше – с рывками. Мало кто знает, что и совсем без угловой разницы кардану работать вредно: неподвижные иголки подшипников проделывают в опорных пальцах крестовин канавки, лишая соединение подвижности. Поэтому обычно карданам задают небольшой (1,5–2°) рабочий угол.
Кардан годится для привода малоподвижных задних колес, но как быть с передними, где углы поворота зачастую приближаются к 30 градусам?

В переднем мосту всем хорошо знакомого Jeep долгие годы жили сдвоенные карданные крестовины. Гениальное по простоте решение – разделить рабочий угол пополам между двумя шарнирами – имеет два заметных недостатка: громоздкость конструкции и все те же рывки при максимально вывернутом руле. Требовалось придумать что-то кардинально новое.

ПАРРАЛЛЕЛИ НЕ СХОДЯТСЯ
В обычных карданных валах привода мостов применяют две крестовины, ушки которых на одном валу расположены в одной плоскости. Сами валы располагают по возможности так, чтобы оси выходного вала раздаточной коробки (или коробки передач) и ось ведущего вала заднего редуктора были параллельны. Одинаковые, но разнонаправленные углы наклона крестовин такого карданного вала способствуют компенсации угловых пульсаций. Одна из причин появления независимых задних подвесок в том, что их редуктор почти не перемещается относительно остальной трансмиссии. Углы карданных шарниров в таком случае неизменны и минимальны.


Союз иголок. Нет шарнира проще крестовины кардана.
Но азбучный конструктив влечет за собой эксплуатационные тонкости.
Четыре игольчатых подшипника нуждаются в смазке –
заложенной на заводе или периодически пополняемой в процессе езды

Бок о бок. Двойная крестовина позволяет поделить вредный угол
поровну между половинами шарнира.
Грубоватое решение «в лоб» вышло эффективным и
вполне бюджетным, но громоздким

МИР СКОЛЬЗЯЩИХ ШАРИКОВ

Впервые передать вращение с равной угловой скоростью и заменить карданные подшипники подвижными шариками догадался немецкий изобретатель Карл Вайсс в начале 1920-х. Его изобретение, самый первый ШРУС, представляло собой две вилки на концах двух валов, в парных канавках которых перекатывались четыре шарика. Пятый шарик в центре служил шарниром, относительно которого наклонялись валы. Некоторое время спустя патент Вайсса купила компания американского изобретателя и промышленника Винсента Гуго Бендикса, и до сих пор ШРУСы Бендикса – Вайсса мы можем видеть, например, в переднем мосту УАЗа.

Эта конструкция хорошо подходит для передач солидного момента в тяжелых внедорожных машинах, но все же имеет низкий ресурс и заметные потери при больших углах по причине малой суммарной поверхности касания (одновременно работают только два шарика). Путь совершенствования угловых шарниров стал очевидным: увеличение количества соприкасающихся деталей.


Знакомый Бендикс. Конструкция шарнира, хорошо известная владельцам
УАЗов и доброй половины прочих внедорожников.
Проста, технологична и недорога. Одна беда – только два шарика
одновременно передают вращение, отчего мала рабочая поверхность


БОЛЬШЕ – ЛУЧШЕ

В 1936 году изобретателю Альфреду Рцеппу удалось добиться небывалой равномерности угловой скорости валов. Слагаемые успеха – шесть шариков вместо четырех, сферическая форма шарнира и длинные направляющие канавки. Чаще всего именно этот шарнир сегодня мы называем ШРУСом – шарниром равных угловых скоростей. Строго говоря, и в шарнире Рцеппа есть едва заметные рывочки, но они столь малы, что даже при огромном по меркам приводов рабочем угле в 40 градусов ими можно пренебречь. Однако эти шарниры завоевывали мир довольно медленно: изготовление сложных пространственных деталей – внутренней и внешней обойм, сепаратора с отверстиями, точных сферических сопряжений – требовало точнейшего оборудования и качественных материалов. Но именно ШРУСы «Рцеппа» и их разнообразные потомки («Бирфильды» и GKN) нынче правят бал в системах полного привода. Привычная нам «граната» в приводе – это она, рцепповская шестишариковая муфта.


ПРОКЛЯТЬЕ КАРДАНА
С проблемой неравной угловой скорости хорошо знакомы владельцы Lada 4×4 и Chevrolet Niva. Карданное сочленение между коробкой передач и раздаточной коробкой старой версии трансмиссии вкупе с воздействием двух карданов привода мостов – источник самой неприятной вибрации внедорожника. Один из хороших рецептов против вибраций – жесткое крепление агрегатов трансмиссии друг к другу – в Ниве проигнорировали, получив неистребимый источник разнообразных трансмиссионных рывков. Менее технологичный, но следующий «золотому правилу» УАЗ получил моноблочную трансмиссию без промежуточных карданов и спокойную, без пульсаций, трансмиссию.


Сфера в сфере. Основа изобретения Рцеппа –
скользящие друг в друге сферические поверхности.
Для их изготовления необходимо весьма точное оборудование


В СТОРОНУ И НАЗАД

Но не только ШРУС «Рцеппа» крутит колеса на внедорожной технике. Конструкция с ажурными деталями высокой точности выигрывает в компактности, но имеет ограничения по величине крутящего момента. Говоря проще, она хорошо подходит для внедорожников и кроссоверов, но слишком дорога и ненадежна для использования в тяжелых военных и специальных машинах. Для них важны простота и дешевизна, а рывки в трансмиссии – дело второстепенное.

Производители переднеприводных машин, не желая выплачивать компаниям-владельцам патентов «Бендикс-Вайсс» и «Рцеппа» деньги, разработали упрощенные конструкции. Например, шарнир «Тракта» – сочетание кулачков и втулок, соединенных скользящими деталями с большими шлифованными поверхностями. Похожее устройство имеет отечественный кулачково-дисковый шарнир, который успешно применяется на полноприводных КАМАЗах, КРАЗах и УРАЛах. Большие габаритные размеры и огромная поверхность трения таких шарниров не страшна на крупной технике с высоким крутящим моментом мотора, а ограниченный ресурс деталей компенсируется их дешевизной и простотой замены.


Хитрый Томсон. Поместив одну крестовину внутрь другой,
инженер Томсон выиграл в размерах, но потерял в прочности.
Обратите внимание на сложную систему делительных рычажков.


Другой эрзац-шарнир носит хитрое название «трипод». Тут все просто: три торчащих в разные стороны оси на конце привода несут по ролику со сферической поверхностью. Ролики входят в три выреза внешней обоймы. Система проста и надежна, но плохо уживается с большими углами. Тем не менее трипод часто используют в качестве внутренних шарниров спереди. Причина все та же – относительная простота и дешевизна.


Трипод. Несложная конструкция с роликами и пазами во внешней обойме.
Не боится зазоров, но не любит больших углов.
Часто работает в качестве внутреннего шарнира привода передних колес


Карданная передача

Общие сведения о карданных передачах:

Промежуточная передача на автомобилей на тракторах, передает крутящий момент, если промежуточную передачу размещают между агрегатами, жестко соединенными с рамой или кузовом автомобилей, то угол между осями их валов при перекосах рамы должен быть не более 2-3 градусов. Если при движении транспортных средств один или оба соединяемых агрегата перемещаются вместе с колесами(мостами) то угол межу осями валов этих агрегатов увеличивается, достигая в пределах от 15 до 20 градусов, а в автомобилях повышенной проходимости предел достигает от 30 до 45 градусов. К промежуточным соединениям или передачам относятся:

    Карданные передачи равных и не равных угловых скоростей

К ним предъявляются следующие требования:

    Передача крутящего момента без создания дополнительных изгибающих и скручивающих моментов

    Вибрационных и осевых нагрузок

    Обеспечение равенства угловых скоростей

    Бесшумность работы

Промежуточные передачи по назначению то есть по передаче крутящего момента подразделяются на:

    Эластичные соединения

    Карданные передачи

    Шарниры равных угловых скоростей

Карданные передачи автомобилей и тракторов состоят из следующих основных частей:

Эластичные соединения (Мягкие карданны)

Эластичные соединения устанавливают между элементами трансмиссии с целью уменьшения динамических нагрузок при резком его увеличение, гашение вибраций и крутильных колебаний, то есть для демпфирования колебаний нагрузки. В качестве эластичного элемента чаще всего применяют резиновые подушки или втулки. Наиболее распространены эластичные соединения двух типов:

    С упругим диском

    С резинометаллическими втулкой

С упругим диском удовлетворительно работает при угле от 2 до 5 градусов

С резинометаллическими втулками числа которых выбирают от 4 до 8ми градусов в зависимости от значения передаваемого крутящего момента и в зависимости от типа дорожного покрытия от эксплуатационных условий и т.д. Допустимый угол между валами в резинометаллической втулке кардана возрастает до 12 градусов. Физико-механические свойства резины применяемой в резинометаллических втулках следующие:

    Прочность на разрыв должна обеспечивать от 150 кПа

    Относительное удлинение не менее 350%

Асинхронные карданы.

Карданные передачи состоят из одного или двух шарниров кардана. Шарнир представляет собой деталь в виде вилки соединенные крестовинами и служит для соединения входных и выходных валов а так же для передачи крутящего момента.

Условия работы карданной передачи определяются углом между осями их валов: чем больше угол тем тяжелее условия эксплуатации. Кпд резко уменьшается в зависимости от внешних факторов. При вращении валов расположенных под углом крестовина качается на шипах в пределах угла что и вызывает неравномерность вращении вала, при равномерном вращении входного вала. При любом положении валов выполняется равенство равное:

Где это углы поворота ведущего и ведомого. Внутренние вилки шарниров располагают на вал в одной плоскости, отмечая при этом меткой. Если углы одинаковые, то есть а1=а2 то обеспечивается синхронность вращения всей системы. Карданная передача представляет собой сочетание карданных шарниров и кардных валов которая предназначена или служит для соединения агрегатов трансмиссии, оси которых не совпадают а так же для передачи крутящего момента. Каждый шарнир состоит из вилок, крестовины, игольчатых подшипников, стаканы которых зафиксированы крышками и болтами. В крестовине иногда предусматривают масленку, в подшипнике нагнетают долговременную смазку. Осевое перемещение карданных валов осуществляется за счет применения подвижного соединения, подвижные соединения могут быть с трением качения. Их рабочие элементы то есть шарики или ролики имеют цилиндрическую или сферическую форму поверхности и перемещаются в пазах соответствующего профиля.

В конструкциях карданных передач чаще всего применяют подвижные соединения с трением скольжения. В этом случае валы выполняют со шлицевыми эвольвентного или прямоугольного профиля. Для повышения износостойкости шлицы покрывают антифрикционными полимерными материалами, при вращение или при передаче крутящего момента на большое расстояние применяют два карданных вала тремя шарнирами и с промежуточной опорой одного из валов(подвесной подшипник).


Шарниры равных угловых скоротей – шарниры используют приемущественно при передачи момнта на ведущие управляемые колеса. В этом случае обеспечивается равномерное вращение колес при больших меняющихся углах между валами. При установке шрус угловые скорости соединяемых ими валов будут одинаковыми при любом их угловом перемещение. Шрус, (синхронные шарниры) различают по типу рабочих элементов, сдвоенные карданные шарниры с крестовиными и игольчатыми подшипниками, шариковые с 4мя, 6ю шариками, дисковые. На автомобилях высокой проходимости широко применяют шариковые ШРУСы с делительными канавками и делительным рычажком

Федеральное агентство по образованию

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)

Кафедра «Автомобили и тракторы»

КАРДАННАЯ ПЕРЕДАЧА

Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Конструкция автомобилей и тракторов» для студентов специальности 190100

Составители: А.М.Зарщиков

И.М. Князев

И.В. Хамов

Издательство - СибАДИ

Рецензент докт. тех. наук, проф. В.В. Евстифеев

Работа одобрена научно-методическим советом специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство» в качестве методических указаний к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Конструкция автомобилей и тракторов» для студентов специальности 190100.

Карданная передача: Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Конструкция автомобилей и тракторов» для студентов специальности 190100/Сост.: А.М. Зарщиков, И.М. Князев, И.В. Хамов - Омск: Изд-во СибАДИ, 2013.- 18 с.

Рассмотрены варианты карданных передач автомобиля, их работа. и элементы расчета.

Ил. 15. Библиогр.: 3 назв.

© Составители: А.М. Зарщиков, И.М. Князев, И.В. Хамов

2013 Г.

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ……………………………………...…...4

1.1. Классификация карданных передач..…..…………………………...4

1.2. Кинематика асинхронного карданного шарнира Гука…………….9

1.3. Критическая частота вращения карданной передачи (КЧВ).........13

2. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ………………………………...15

3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ…………………………………………15

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК……………………………………….....16

Цель работы: изучить устройство и работу автомобильной карданной передачи.

Оборудование: стенд с макетом карданной передачи на основе асинхронного шарнира Гука.

    ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Классификация карданных передач

Карданная передача служит для передачи потока мощности между узлами трансмиссии, взаимное линейное и угловое положение которых изменяется в процессе работы.

Требования к карданной передаче

    Обеспечивать синхронную связь угловых скоростей вращения ведущего и ведомого звеньев.

    Допускать углы отклонения между осями валов превышающие максимально возможные в процессе эксплуатации.

    Критические частоты вращения должны превышать максимально возможные в течении всего периода эксплуатации.

    Обеспечивать частичное демпфирование динамических нагрузок трансмиссии.

    Не допускать возникновение шумов и вибраций во всем интервале рабочих скоростей.

Классификация:

1. По кинематике:

Шарниры равных угловых скоростей (ШРУС).

Шарниры неравных угловых скоростей.

2. По конструкции:

С простыми карданными шарнирами (рис. 1. шарнир Гука). Это шарниры неравных угловых скоростей (асинхронные).

Шарнир равных угловых скоростей (ШРУС) с делительным рычажком типа "Рцепп" (рис. 2.).

Шариковые шарниры равных угловых скоростей с делительными рычажками или делительными канавками (рис. 3).

Рис. 1. Асинхронный карданный шарнир Гука

Рис. 2. Шарнир равных угловых скоростей с делительным рычажком:

1 - ведомый вал; 2 – делительный рычажок; 3 – сферическая чашка (часть ведомого вала); 4 – сферический кулак (на шлицах ведущего вала); 5 – ведущий вал; 6 – сферической сепаратор шариков; 7 – пружина сжатия для беззазорной установки рычажка

Наибольшее распространение получили ШРУСы с делительными канавками. На современных отечественных автомобилях передний привод осуществляется с использованием как раз таких шарниров. Снаружи (возле колеса) обычно устанавливается шестишариковый шарнир типа "Бирфильд". Он позволяет поворачивать управляемое колесо до 45 0 .

На рис. 3а показан чертеж шарнира, а на рис. 3б схема шарнира и размещение шарика 2 в корпусе 1 и кулаке 4. Под цифрой 3 показан сферический сепаратор, который одновременно сопрягается со сферической поверхностью корпуса 1 по радиусу R 2 и сферической поверхностью кулака 4 по радиусуR 1 . Вал 5 через внутренний шарнир соединяется с главной передачей, а на вал, идущий от корпуса 1 крепится ведущее колесо автомобиля.

Рис. 3. Шарнир равных угловых скоростей с делительными канавками

Внутренний шарнир (рис. 4), также равных угловых скоростей, еще позволяет менять длину привода для компенсации от хода подвески, перемещаясь продольно. Поэтому он называется универсальным.

Рис. 4. Внутренний универсальный ШРУС

В нем сепаратор 4 имеет разные центры наружной и внутренней сферы. Кроме того, сфера сепаратора, которая сопрягается с корпусом 1 переходит в узкой своей части вообще в конусную поверхность. Канавки в корпусе 1 и кулаке 3 продольные, поэтому шарик не только перекатывается, но и проскальзывает во время продольного перемещения вала с кулаком 4. Максимальный угол наклона такого шарнира, в связи с выше перечисленным, не превышает 20 0 .

Трехшиповые карданные шарниры равных угловых скоростей (рис. 5):


Рис. 5. Трехшиповой ШРУС

а) жесткий (только меняет угол между валами, поэтому стоит снаружи (рис. 5);

б) универсальный шарнир такого же типа позволяет иметь продольные перемещения приводу для компенсации перемещения от подвески.

На три шипа 2 надеты ролики 3, которые перекатываются по вилке 4. Кроме того, возможно перемещение ролика вдоль шипа 2.

ШРУСы этого типа получили незначительное распространение из-за большей нагруженности деталей.

Кулачковые (рис. 6.) и дисковые (рис. 7.) ШРУСы.

Рис. 6. Кулачковый ШРУС

Рис. 7. Дисковый ШРУС

3. По жесткости на кручение:

С жесткими шарнирами.

С упругими (эластичными) шарнирами.

4. По предельному углу отклонения:

С полными карданами (угол отклонения более 40 0). Эти шарниры рассмотрены выше.

С полукарданными шарнирами (углы не превышают 1,5…2,0 0 , рис. 8).


Рис. 8. Полукарданный шарнир

Средний вал на рис. 8. по краям имеет зубчатые колеса, которые находятся в зацеплении с зубчатыми муфтами, а те, в свою очередь, перекрывают своими зубьями шестерни ведущего (слева) и ведомого (справа) валов. В каждом зубчатом зацеплении возможен небольшой перекос, что позволяет получить небольшое угловое отклонение ведомого вала относительно ведущего. Но, поскольку зубчатые сопряжения находятся с перекосом, то изнашиваются они быстро и неравномерно.

К полукарданным шарнирам относятся также и упругие муфты.