Газель ГАЗ-33021. Карданная передача с шарнирами неравных угловых скоростей
Карданный шарнир – это соединение, при помощи которого при
изменяющемся угле наклона между валами передается вращающий момент с одного вала на другой.
Карданный шарнир неравных угловых скоростей (рисунок 5) состоит из двух вилок ведущей 2 и ведомой 4, которые соединены друг с другом крестовиной 3.
Ведущая вилка имеет жесткое соединение с ведущим валом 1, а, ведомая – с ведомым 6 (жестко или с помощью подвижного шлицевого соединения 5 для того чтобы измененить его длину).
Крутящий момент от вала 1 к валу 6, оси, которых расположены под углом , шарнир передает посредством поворота ведомой вилки относительно оси Б-Б и крестовины относительно оси А-А. Тем не менее, ведомый вал при этом вращается неравномерно – с ускорением и замедлением. Из-за этого в трансмиссии могут возникнуть дополнительные динамические нагрузки, который иногда превосходят по величине передаваемый момент.
Рисунок 5 – Карданный шарнир неравных угловых скоростей
Обширное применение в карданных передачах отечественных автомобилей получил жесткий карданные шарнир с игольчатыми подшипниками.
Этот шарнир состоит из двух стальных вилок и крестовины с игольчатыми подшипниками, которая соединяет вилку шарнирно (рисунок 6). На пальцах крестовины 3, которые имеют достаточно высокую точность обработки, устанавливаются стальные стаканы 13 с игольчатыми подшипниками 12. Иглы подшипника с внутреннего конца имеют упор на опорную шайбу 11. Стакан имеет уплотнение на крестовине в виде резинового сальника 10, который устанавливается в металлическом корпусе 9, надетом на крестовину. Крестовина со стаканами зафиксирована в ушках вилок 2 и 4 стопорными кольцами или пластинками 6 с винтами.
Смазку подшипники крестовины получают с центральной масленки 7, через которую масло по каналам в крестовине поступает к подшипникам. Для устранения излишков масла в крестовину заворачивается по резьбе предохранительный клапан 8.
Карданные шарниры открытого типа с игольчатыми подшипниками защитными кожухами не закрываются. Карданный шарнир на отдельных автомобилях оснащается закрывающим его защитным колпачком, который предотвращает его загрязнение. В настоящее время на некотором ряде автомобилей используются карданные шарниры, не нуждающиеся в постоянном смазывании в процессе работы. В таких шарнирах применяется пластичный смазочный материал, сохраняющийся благодаря надежному сальниковому уплотнению.
Смазка закладывается в стакан с игольчатыми подшипниками или маленькие углубления в торцах шипов крестовины в процессе сборки шарнира. В таких шарнирах масленки и клапана отсутствуют, но резьбовое отверстие есть.
Поступаемый смазочный материал заполняет полость крестовины и устремляется к подшипникам, а его излишки выбрасываются через резиновые сальниковые "проточные" уплотнения.
Надлежит отметить, что при увеличении угла между осями валов коэффициент полезного действия шарнира заметно снижается. На отдельных автомобилях, чтобы уменьшить этот угол двигатель располагают с уклоном в 2-3 градуса. Для той же цели устанавливают и задний мост так, чтобы ведущий вал главной передачи находился под небольшим наклоном.
Тем не менее, угол между валами до нуля делать недопустимо, потому что это повергнет шарнир к быстрому выходу из строя, вследствие бринеллирующего воздействия игл подшипников на соприкасающиеся с ними поверхности.
Бринеллирующее воздействие игл возрастает при большом суммарном зазоре при перекашивании иглы подшипника и создает высокое давление на шип крестовины. Принимается в виду, что суммарный зазор между иглами должен быть вдвое меньше диаметра иглы подшипника.
Подбор игл для подшипников идет по соотношению одинаковых размеров с соответствующими допусками. Перестановка или замена отдельных игл не допускается.
Рисунок 6 – Карданный шарнир на игольчатых подшипниках
Крестовину карданного шарнира необходимо подвергать точному центрированию. Это достигается путем точной фиксацией стаканов 13 (рисунок 6) с помощью стопорных колец или крышек, которые крепятся болтами к вилкам шарнира.
Присутствие зазора между торцами шипов крестовины и днищами стаканчиков недопустимо по причине того, что это приведет к переменному дисбалансу карданного вала при вращении. Одновременно с этим перезатяжка стаканчиков вызовет задиры на торцах шипов и днище стаканчиков, а также перекос игл.
Газель ГАЗ-33021. Карданная передача с универсальным шарниром
Иногда осевое перемещение, которое компенсирует увеличение или уменьшение длины карданного вала, предпочтительней установить не шлицевым соединением, а напрямую за счет самой конструкции карданного шарнира – такой используемый шарнир носит название универсального.
На рисунке 7 представлен карданный вал с двумя универсальными шарнирами, в отверстие конца вала запрессован пустотелый палец 4, на который посажены посредством игольчатых подшипников 2 два сферических ролика 1. В отверстия пальца 4 установлены центрирующие заглушки 3 со шарообразной поверхностью. В теле 5 шарнира изготовлены два паза цилиндрического сечения радиуса равного радиусу ролика. При вращении под углом палец 4 обладает возможностью, кроме вращения вокруг своей оси, наклоняться и скользить на сферических роликах по пазам. В подобном шарнире при осевом перемещение проявляются значительно меньшие потери на трение, чем в шлицевом соединении.
Читайте также: Ремонт опоры передней стойки ваз 2110
Рисунок 7 – Карданная передача с универсальным шарниром
Карданным шарниров называется сочленение, с помощью которого вращение передается с одного вала на другой при изменяющемся угле наклона между валами.
Карданный шарнир неравных угловых скоростей (рис.3) состоит из ведущей 2 и ведомой 4 вилок, шарнирно соединенных между собой крестовиной 3. Ведущая вилка жестко соединена с ведущим валом 1, а ведомая – с ведомым 6 (жестко или с помощью подвижного шлицевого соединения 5 для изменения его длины). Крутящий момент от вала 1 к валу 6, оси которых расположены под углом , шарнир передает в результате поворота ведомой вилки относительно оси Б-Б и крестовины относительно оси А-А. Однако, ведомый вал при этом вращается неравномерно – с ускорением и замедлением. Вследствие этого в трансмиссии могут возникнуть дополнительные динамические нагрузки, иногда превосходящие по величине передаваемый момент.
Широкое применение в карданных передачах отечественных автомобилей получили жесткие простые карданные шарниры на игольчатых подшипниках. Такой шарнир состоит из двух стальных вилок и крестовины с игольчатыми подшипниками, соединяющей вилка шарнирно (рис 4). На тщательно обработанных пальцах крестовины 3 установлены стальные стаканы 13 с игольчатыми подшипниками 12. Иглы подшипника с внутреннего конца опираются на опорную шайбу 11. Стакан уплотнен на крестовине резиновым сальником 10, установленным в металлическом корпусе 9, который надет на крестовину. Крестовина со стаканами закреплена в ушках вилок 2 и 4 стопорными кольцами или пластинками 6 с винтами. Подшипники крестовины смазываются через центральную масленку 7, от которой масло к подшипникам подходит по каналам в крестовине. Для устранения излишнего давления масла в крестовину завернут на резьбе корпус с предохранительным клапаном 8.
Карданные шарниры на игольчатых подшипниках применяются открытого типа и защитными кожухами обычно не закрываются. У некоторых автомобилей карданный шарнир снабжен закрывающим его защитным колпаком, устраняющим его загрязнение. Также в настоящее время на ряде автомобилей применяются карданные шарниры, не требующие частого периодического смазывания в процессе эксплуатации. В них применяется пластичный смазочный материал, который удерживается надежным сальниковым уплотнением. Смазка закладывается в стаканчики с игольчатыми подшипниками при сборке шарнира или небольшие углубления в торцах шипов крестовины. В таких шарнирах нет масленок и клапанов. Иногда масленка или резьбовое отверстие сохраняются, а масленка отсутствует. Нагнетаемая смазка заполняет полость крестовины и поступает к подшипникам, а излишки его выдавливаются через резиновые сальниковые "проточные" уплотнения.
Следует отметить, что с увеличением угла между осями валов КПД шарнира резко уменьшается. В некоторых автомобилях для уменьшения этого угла двигатель располагают с наклоном 2-3. Иногда для той же цели задний мост устанавливают так, что ведущий вал главной передачи получает небольшой наклон.
Однако уменьшать угол между валами до нуля недопустимо, так как это может привести к быстрому выходу шарнира из строя вследствие бринеллирующего воздействия игл подшипников на поверхности, с которыми они соприкасаются.
Бринеллирующее воздействие игл увеличивается при большом суммарном зазоре, когда иглы подшипника перекашиваются и создают высокое давление на шип крестовины. Считается, что суммарный межигловой зазор должен быть меньше половины диаметра иглы подшипника. Иглы для подшипников подбираются с одинаковыми размерами по допускам. Перестановка или замена отдельных игл не допускается.
Крестовина карданного шарнира должна строго центрироваться. Это достигается точной фиксацией стаканов 13 (см. рис.4) при помощи стопорных колец или крышек, которые крепятся болтами к вилкам шарнира. Наличие зазора между торцами шипов крестовины и днищами стаканчиков недопустимо, так как это приводит к переменному дисбалансу карданного вала при его вращении. В то же время чрезмерная затяжка стаканчиков может вызвать задиры торцов шипов и днища стаканчиков, а также перекос игл.
В некоторых случаях осевое перемещение, компенсирующее изменение длины карданного вала, предпочтительней обеспечивать не шлицевым соединением, а непосредственно конструкцией карданного шарнира – такой шарнир называется универсальным. На рис.5 показан карданный вал с двумя универсальными шарнирами, в отверстие конца вала запрессован пустотелый палец 4, на который посажены на игольчатых подшипниках 2 два сферических ролика 1. В отверстия пальца 4 вставлены центрирующие заглушки 3 со сферической поверхностью. В корпусе 5 шарнира выполнены два паза цилиндрического сечения такого же радиуса, как радиус ролика. При вращении под углом палец 4 имеет возможность, кроме вращения вокруг своей оси, наклоняться и скользить на сферических роликах по пазам. В таком шарнире осевое перемещение сопровождается значительно меньшими потерями на трение, чем в шлицевом соединении.
Упругий полукарданный шарнир допускает передачу крутящего момента от одного вала к другому, расположенному под некоторым углом, благодаря деформации упругого звена, связывающего оба вала. Упругое звено может быть резиновым, резинотканевым или резиновым, усиленным стальным тросом. В последнем случае полукарданный шарнир может передавать значительный крутящий момент и под несколько большим углом, чем в первых двух случаях. Достоинствами полукарданного шарнира являются: снижение динамических нагрузок в трансмиссии при резких изменениях частоты вращения; отсутствие необходимости обслуживания в процессе эксплуатации. Благодаря эластичности такой шарнир допускает небольшое осевое перемещение карданного вала. Упругий полукарданный шарнир должен центрироваться, иначе балансировка карданного вала может нарушиться.
Читайте также: Обозначения на резине колеса
В качестве примера применения упругого карданного шарнира на рис 6 приведена карданная передача автомобиля ВАЗ-2105. Здесь упругий полукарданный шарнир установлен на переднем конце промежуточного карданного вала. Упругое шестигранное звено имеет шесть отверстий, внутри которых привулканизированы металлические вкладыши. Резиновое звено перед установкой на болты фланцев 1 и 3 предварительно стянуто по периферии металлическим хомутом, без чего отверстия в муфте не совпадут с болтами (после сборки хомут снимается). Таким образом резиновое звено получает предварительное напряжение. Резина работает лучше на сжатие, чем на растяжение, поэтому данное мероприятие снижает напряжение растяжения при передаче через шарнир крутящего момента.
Жесткий полукарданный шарнир, представляющий собой соединение, компенсирующее неточности монтажа, в настоящее время применяется крайне редко. Причиной этого являются недостатки, присущие такому шарниру: быстрое изнашивание, трудоемкость изготовления, шум при работе.
Карданные шарниры служат для соединения между собой расположенных под углом валок карданной передачи. Карданные валы имеют трубчатое сечение и приваренные на концах наконечники.
В двойной карданной передаче (т.е. в передаче с двумя карданными шарнирами и с одним валом) к одному концу трубчатого вала 8 (рис 7, а) приварен наконечник 5 со шлицами, а к другому концу – наконечник с вилкой второго карданного шарнира 9. Карданный вал наконечником 5 соединен со шлицевой ступицей 4 вилки 3. Скользящее шлицевое соединение одного из карданных шарниров с валом необходимо для осевых перемещений вала при деформациях рессор подвески мостов. Шлицевое соединение смазывается через масленку 2, защищено снаружи сальником 6 с крышкой и предохраняется от грязи резиновым гофрированным чехлом 7. Крайние вилки карданных шарниров 1 и 9 снабжены фланцами, которые крепятся болтами к фланцам на концах валов. При фланцевом креплении карданной передачи ее легко и удобно разбирать.
На двухосных автомобилях с приводом на задний мост основное применение получила карданная передача с двумя карданными валами: главным и промежуточным. В такой передаче трубчатый главный карданный вал 19 (рис.7, б) имеет по обоим концам приваренные наконечники 18 с вилками карданных шарниров. Задний кардан соединяет вал с валом заднего ведущего моста. Передняя вилка с помощью крестовины 17 соединена с вилкой 16, шлицованных хвостовик 13, который входит в шлицевую втулку 12, приваренную у заднему концу промежуточного вала 11. Полость шлицевой втулку заполняется смазкой через масленку 21. Шлицевая втулка уплотнена на хвостовике сальником 15 с крышкой, навернутой на втулку на резьбе. Скользящее соединение защищено от загрязнения резиновым гофрированным чехлом 20. Передний конец промежуточного вала 11 с помощью карданного шарнира 10 соединен со вторичным валом коробки передач. Промежуточный вал установлен на промежуточной опоре 14, прикрепленной к поперечине рамы автомобиля.
Промежуточные опоры применяют для подвески промежуточного вала карданной передачи. Опора промежуточного вала обычно выполнена в виде шарикового подшипника 1 (рис 8), закрепленного внутренним кольцом на валу и установленного в резиновой подушке 2, заделанной в кронштейне 4, который прикреплен на поперечной балке 3 рамы автомобиля. Подшипник с обеих сторон закрыт крышками 5, снабженными сальниками, по бокам которых расположены грязеотражатели 6. Внутренняя полость подшипника заполняется смазкой через масленку 7.
В трехосных автомобилях, имеющих автономный карданный привод к промежуточному и заднему мостам на промежуточном мосту устанавливается жесткая промежуточная опора.
Карданная передача:
1 — эластичная муфта;
2 — болт крепления эластичной муфты к фланцу;
3 — крестовина;
4 — сальник;
5 — стопорное кольцо;
6 — подшипник крестовины;
7 — гайка;
8 — фланец эластичной муфты;
9 — сальник;
10 — обойма сальника;
11 — кронштейн безопасности;
12 — болт крепления кронштейна к промежуточной опоре;
13 — передний карданный вал;
14 — кронштейн промежуточной опоры;
15 — промежуточная опора;
16 — вилка переднего карданного вала;
17 — задний карданный вал;
18 — вилка заднего карданного вала;
19 — фланец ведущей шестерни главной передачи;
20 — гайка;
21 — болт крепления вилки
В трансмиссиях автомобилей карданные передачи применяются для передачи моментов между валами, оси которых не лежат на одной прямой и изменяют свое положение в пространстве. В общем случае, карданная передача состоит из карданных валов, карданных шарни ров, промежуточных опор и соединительных устройств.
По компоновке карданные передачи классифицируются на закрытые и открытые.
Закрытая карданная передача размещается внутри трубы. Труба может воспринимать силы и реакции, возникающие на ведущем мосту, и служить направляющим элементом подвески. В такой карданной передаче применяется только один шарнир, а неравномерность вращения карданного вала компенсируется его упругостью. Известны конструкции, в которых роль карданного вала выполняет торсион (упругий вал небольшого диаметра), при этом карданные шарниры отсутствуют.
Читайте также: Причины неисправности тормозной системы
Конструкция промежуточной опоры:
1 — вилка;
2 — упругая подушка;
3 — подшипник промежуточной опоры
Открытая передача не имеет трубы, и реактивный момент воспринимается рессорами или реактивными тягами. Карданная передача должна иметь не менее двух шарниров и компенсирующее звено, так как расстояние между соединенными агрегатами в процессе движения изменяется. На длиннобазных автомобилях применяют карданную передачу, состоящую из двух валов. Этим исключается возможность совпадения критической угловой скорости вала с эксплуатационной. Уменьшение длины вала повышает его критическую частоту вращения, которая должна как минимум в 1,5 раза превышать максимально возможную при эксплуатации. Конструкция карданной передачи с двумя валами требует применения промежуточной опоры одного из валов, подшипник которой для компенсации возможного осевого перемещения силового агрегата на раме или кузове установлен в эластичном кольце.
Карданные шарниры при всем многообразии конструкций и по кинематическим характеристикам и допустимым углам между валами могут быть классифицированы так, как это показано в таблице.
Карданный шарнир неравных угловых скоростей был изобретен в XVI в. итальянским математиком Джироламо Кардано и первоначально нашел применение для подвешивания фонарей в экипажах. Позже английский ученый Роберт Гук дал математическое описание кинематики данного механизма.
Детали карданной передачи (а) и график зависимости угловых скоростей (б):
1 — шлицевая вилка;
2 — П-образная пластина;
3 — стопорная шайба;
4 — крестовина;
5 — вилка заднего карданного вала;
6 — задний карданный вал;
7 — фланец ведущей шестерни главной передачи;
8 — задний карданный шарнир;
9 — игольчатый подшипник;
10 — стопорное кольцо;
11 — болт; 12 — уплотнительное кольцо;
α — угол поворота ведущего вала;
β — угол поворота ведомого вала;
γ — угол между валами
Анализ схемы карданного шарнира показывает, что при постоянной угловой скорости ведущего вала ведомый вращается циклически: за один оборот дважды отстает и дважды обгоняет ведущий вал. При этом с увеличением угла γ между валами неравномерность вращения интенсивно возрастает. Для того чтобы карданная передача с шарнирами неравных угловых скоростей передавала синхронное вращение между валами соединенных агрегатов, она должна состоять из нескольких шарниров, взаимное расположение которых будет компенсировать неравномерную передачу вращения каждого шарнира. По этой причине минимальное количество шарниров должно быть равно 2. При этом в карданной передаче с двумя шарнирами необходимо соблюдение следующих компоновочных требований:
— ведущие вилки расположены под углом 90 ° одна относительно другой;
— углы между валами в обоих шарнирах γ1 и γ2 равны между собой;
— все валы лежат в одной плоскости.
Карданный шарнир неравных угловых скоростей
Для карданных передач, имеющих число шарниров неравных угловых скоростей более трех, синхронность вращения валов соединенных агрегатов достигается определенным соотношением углов между валами всех шарниров, при этом соотношение зависит от числа шарниров. Карданный шарнир неравных угловых скоростей состоит из двух вилок, в цилиндрические отверстия которых вставлены концы крестовины. Вилки жестко закреплены на валах. При вращении валов концы крестовины перемещаются относительно плоскости, перпендикулярной к оси вала.
Крестовина карданного шарнира должна строго центрироваться для исключения переменного дисбаланса карданного вала при его вращении. Центрирование достигается точной фиксацией обойм подшипников при помощи стопорных колец или крышек, которые прикрепляются к вилкам шарнира. Минимальный угол между валами должен быть не менее 2°, иначе цапфы крестовин деформируются иглами и шарнир быстро разрушается (явление бринеллирования).
Развитие конструкций карданных шарниров неравных угловых скоростей шло по пути снижения потерь, связанных с вращениями концов крестовины в отверстиях вилок. В конструкциях первых шарниров концы крестовины устанавливались на подшипниках скольжения. С учетом того что в трансмиссии многоосных автомобилей число шарниров может превышать два десятка, применение в них подшипников скольжения может существенно снижать общий КПД трансмиссии. В карданных шарнирах современных автомобилей применяются только игольчатые подшипники качения.
В прежних конструкциях применялась смазка, которую было необходимо периодически обновлять через специальную масленку. Карданные шарниры современных автомобилей обычно заправляются высококачественной пластичной смазкой, при сборке и в эксплуатации ее не заменяют.