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.
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.
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.
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.
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.