4.7. Карданные передачи и шарниры равных угловых скоростей

Карданная передача предназначена для передачи вращающего момента между валами агрегатов трансмиссии, расположенными под постоянными или переменными углами один относительно другого.

Такое положение валов обусловлено как погрешностями изго­товления, так и конструктивными особенностями транспортного средства. Например, ведущий задний мост автомобиля подрессо­рен, и положение его входного вала постоянно меняется во время движения относительно выходного вала КП. В ряде случаев валы агрегатов находятся в разных плоскостях из-за неточности монта­жа. В процессе эксплуатации транспортного средства происходит также деформация его рамы и, как следствие, нарушается соос­ность валов агрегатов, закрепленных на ней.

Карданная передача состоит из трех основных элементов: кар­данных шарниров, карданных валов и их опор.

Основные требования, которым должна удовлетворять кардан­ная передача, следующие:

•    синхронность угловых скоростей, связанных передачей валов;

•    высокий КПД;

•    хорошая уравновешенность деталей карданной передачи;

•    бесшумность работы;

•    простота и надежность конструкции.

В зависимости от числа карданных шарниров карданные пере­дачи чаше всего бывают одно-, двух- и трехшарнирные.

Наибольшее распространение получила двухшарнирная кардан­ная передача, состоящая из двух карданных шарниров и соединя­ющего их карданного вала. При значительном расстоянии между агрегатами их соединяют трехшарнирной карданной передачей с про­межуточной опорой, а при небольшом расстоянии, если механиз­мы находятся на одном основании, например, на раме автомоби­ля, — одношарнирной.

По кинематическому признаку различают шарниры неравных (асинхронные) и равных (синхронные) угловых скоростей.

Карданный шарнир неравных угловых скоростей (рис. 4.20, а) включает в себя ведущую 2 и ведомую 4 вилки, которые шарнир­но соединены между собой крестовиной 3. Ведущая вилка жестко соединена с ведущим валом 1, а ведомая вилка с ведомым ва­лом 6 жестко или с помощью подвижного шлицевого соединения 5 для изменения его длины. Вращающий момент от ведущего вала 1 к ведомому валу 6, оси которых расположены под углом γ одна к другой, передается шарниром в результате поворота ведо­мой вилки 4 относительно оси ББ, а крестовины относительно оси АА ведущей вилки 2. Ведомый вал при этом вращается нерав­номерно по отношению к ведущему валу.

Карданная передача с шарнирами неравных угловых скоростей

Рис. 4.20. Карданная передача с шарнирами неравных угловых скоростей:

а — кинематическая схема карданного шарнира; 6 — схема карданной передачи; 1,6 — ведущий и ведомый валы; 2, 4 — ведущая и ведомая вилки; 3 — крестови­на; 5 — шлицевое соединение; 7 — коробка передач; 8 — конечный карданный шарнир неравных угловых скоростей; 9, 12— промежуточный и основной кардан­ные валы; 10 — промежуточная опора; 11 — промежуточный карданный шарнир неравных угловых скоростей; 13 — главная передача ведущего моста; 14 — веду­щий вал главной передачи; α , ß — углы поворота ведущего и ведомого валов шарнира при их вращении; γ, γ1, γ2 — углы между валами; АА, ББ — оси крестовины

Взаимосвязь углов поворота α ведущего и ß ведомого валов при их вращении можно выразить следующей формулой  tgα-tgßcosγ,

где α — угол поворота ведущего вала при вращении, ß — угол поворота ведомого вала при вращении, …°; γ — угол между вала­ми, …°.

Из формулы следует, что неравномерность вращения ведомого вала по отношению к ведущему валу зависит от значения cos γ. Неравномерность тем больше, чем больше угол γ между валами. Поэтому такой шарнир называется асинхронным, или шарниром неравных угловых скоростей.

Неравномерность вращения карданной передачи устраняется установкой второго шарнира.

Карданные передачи с шарнирами неравных угловых скоростей привода заднего ведущего моста передают вращающий момент от КП 7 (рис. 4.20, б) к ведущему валу 14 главной передачи 13, расположенной в картере ведущего моста автомобиля. Эта переда­ча состоит из основного 12 и промежуточного 9 карданных валов, промежуточной опоры 10, двух конечных карданных шарниров 8 неравных угловых скоростей и промежуточного карданного шар­нира 11 неравных угловых скоростей. Промежуточный карданный шарнир 11 связан с основным карданным валом 12 при помощи шлицов. Основной карданный вал имеет два карданных шарнира, что обеспечивает равномерное вращение ведущего вала 14 глав­ной передачи.

Равномерное вращение ведущего вала 14 главной передачи воз­можно при следующих условиях: углы между карданными валами промежуточным 9 и основным 12, а также между основными кар­данным валом 12 и ведущим валом 14 главной передачи равны между собой, т.е. γ1 = γ2; вилки шарниров, соединенные с основ­ным карданным валом 12 находятся в одной плоскости; валы 9, 12 и 14 также находятся в одной плоскости.

При соблюдении указанных условий неравномерности угловых перемещений шарниров, установленных в начале и конце основ­ного карданного вала 12, взаимно компенсируются, и данная кар­данная передача в целом является синхронной, т.е. представляет собой карданную передачу равных угловых скоростей. Карданная передача с двумя сочленениями может применяться при углах между валами не более 20…30°.

При вращении из-за неравномерного распределения массы по сечению карданного вала появляется центробежная сила, изгиба­ющая его в поперечной плоскости и вызывающая поперечные колебания вала. Это создает дополнительные нагрузки на детали карданной передачи и уменьшает ресурс работы. Для повышения надежности передачи карданный вал изготовляют из тонкостен­ной трубы большого диаметра и делают по возможности меньшей длины.

Карданная передача автомобиля, выполненная по рассмотрен­ной схеме, показана на рис. 4.21. В данную конструкцию входят передний, промежуточный и задний карданные шарниры, про­межуточный 3 и основной 10 карданные валы и кронштейн 17 промежуточной опоры с подшипником 18. Промежуточный карданный шарнир неравных угловых скоростей состоит из вала 20, выполненного как одно целое с ведущей вилкой 9, ведомой вил­ки 8 и соединяющей их крестовины 14. Вал 20 с помощью шли­цов 19 соединен с промежуточным карданным валом 3. Шлицевое соединение обеспечивает возможность изменения длины кардан­ной передачи в процессе ее работы. Между цапфами крестовин и осями вилок установлены игольчатые подшипники, стаканы 13 которых от осевых смещений и проворачивания удерживают крыш­ки 15, входящие выступами в торцовые пазы стаканов. Вытека­нию смазки из игольчатых подшипников препятствуют резино­вые манжеты 16, а из шлицевого соединения — резиновые коль­ца 5 и войлочный сальник 6. Шлицевое соединение защищено от проникновения грязи прорезиненным чехлом 7. Смазку к иголь­чатым подшипникам нагнетают через масленки. Шлицевое соеди­нение смазывают при сборке карданной передачи.

Карданная передача автомобиля

Рис. 4.21. Карданная передача автомобиля:

1, 2 — ведущая и ведомая вилки переднего карданного шарнира; 3 — промежуточный карданный вал; 4 — резиновая подушка промежуточной опоры; 5— резиновое кольцо; 6 — войлочный сальник; 7— прорезиненный чехол; 8,9— ведомая и ведущая вилки промежуточного карданного шарнира; 10 — основной карданный вал; 11,12 — ведущая и ведомая вилки заднего карданного шарнира; 13 — стакан; 14 — крестовина; 15 — крышка; 16 — резиновая манжета; 17 — кронштейн промежуточной опоры; 18 — подшипник промежуточной опоры; 19— шлицы; 20— вал ведущей вилки промежуточного карданного шарнира; 21 — балансиро­вочные пластины; ИП — иголки подшипника

Промежуточный 3 и основной 10 карданные валы изготовлены из тонкостенных труб. Спереди к промежуточному карданному валу 3 приварена ведомая вилка 2 переднего карданного шарни­ра, а ведущая вилка 1 этого шарнира соединена с фланцем вто­ричного вала КП. Ведомая вилка 8 промежуточного шарнира и ведущая вилка 11 заднего карданного шарнира закреплены на ос­новном карданном валу 10. Ведомая вилка 12 заднего шарнира соединена с фланцем ведущего вала главной передачи. Карданные валы после изготовления балансируют посредством приварных ба­лансировочных пластин 21. Задним концом промежуточный кар­данный вал 3 опирается на промежуточную опору, закрепленную болтами на поперечине рамы автомобиля. Опора состоит из кронштейна 17 промежуточной опоры и подшипника 18, расположен­ного в резиновой подушке 4, которая гасит вибрации и уменьша­ет нагрузки на промежуточный вал. Нагрузки могут быть вызваны неточностью установки и деформациями рамы.

Шарниры равных угловых скоростей (ШРУС) по конструкции бывают шариковые, кулачковые и сдвоенные. Эти шарниры обычно применяются в приводе ведущих управляемых колес.

Наибольшее распространение получил шариковый карданный шарнир равных угловых скоростей с делительными канавками, пока­занный на рис. 4.22, а.

Вилки 1 и 5 в данном шарнире имеют по четыре делительные канавки 2 и 4, средние линии которых представляют собой окруж­ности с одинаковыми радиусами и центрами О1 и О2, равноудален­ными от центра шарнира О. При сборке шарнира в канавки вилок, расположенных под прямым углом, закладывают четыре рабочих шарика 3. Предварительно между вилками устанавливается центри­рующий шарик 6 на штифт 7, который входит в отверстия центри­рующего шарика 6 и одной из вилок. Бывают шариковые шарни­ры, в которых центрирующий шарик устанавливают без штифта.

Шариковый карданный шарнир равных угловых скоростей с делительными канавками

Рис. 4.22. Шариковый карданный шарнир равных угловых скоростей с делительными канавками:

а — устройство шарнира; б — принцип действия; 1,5— вилки; 2,4 — делитель­ные канавки; 3 — шарик; 6 — центрирующий шарик; 7 — штифт; О — центр шарнира; О1 — центр окружности средней линии делительной канавки 2; О2 — центр окружности средней линии делительной канавки 4; АА — биссекторная плоскость

Принцип действия шарнира (рис. 4.22, б) состоит в том, что при передаче вращающего момента под углом, рабочие шарики шарниров располагаются в биссекторной плоскости АА, делящей угол между валами пополам, что обеспечивает равномерное вра­щение ведомого вала.

Так как рабочие шарики 3 расположены симметрично относи­тельно центра шарнира, при передаче вращающего момента под углом их центры описывают окружности в биссекторной плоско­сти АА, при этом в передаче момента участвуют только два шари­ка. Шарнир может передавать момент под углом до 40°.

К достоинствам шарикового шарнира следует отнести боль­ший, чем у других шарниров, КПД, благодаря чему увеличивает­ся срок его службы. В то же время они сложнее и дороже.

Кулачковый шарнир равных угловых скоростей (рис. 4.23) состо­ит из вилок 2 и 6, связанных с наружной 1 и внутренней 7 полу­осями. В вилки 2 и 6 вставлены два полуцилиндрических кулака 3 и 5, в пазы которых входит диск 4, представляющий собой цент­ральное звено шарнира. Перемещение валов при вращении про­исходит относительно цилиндрических поверхностей полуцилиндрических кулаков 3 и 5 и цилиндрической поверхности диска 4. Оси кулаков и диска расположены взаимно-перпендикулярно. Кулачковый шарнир проще и дешевле шариковых шарниров, но КПД его ниже.

Кулачковый шарнир равных угловых скоростей

Рис. 4.23. Кулачковый шарнир равных угловых скоростей: 1,7 — наружная и внутренняя полуоси; 2, 6— вилки; 3, 5 — полуцилиндрические ку­лаки; 4 — диск

В приводе к ведущим управляемым колесам иногда применя­ются также сдвоенные синхронные карданные шарниры — два карданных шарнира неравных угловых скоростей, выполненных в виде единого узла.