2. Кулачковые шарниры

Изображенный на рисунке 1.4 шарнир Тракта относится к группе кулачковых шарниров. Относительное угловое перемещение его деталей осуществляется благодаря скольжению плоскостей вилок 1 и 4 и вспомогательных центрирующих Цилиндрических поверхностей фасонных кулаков 2 и 3. Такой шарнир способен передавать крутящий момент при углах до 50°.

Рисунок 1.4 – Кулачковый шарнир Тракта

Более технологичен изображенный на рисунке 1.5 кулачково-дисковый шарнир.

Рисунок 1.5 – Кулачково-дисковый шарнир

Он состоит из связанных с ведущим и ведомым валами вилок 1 и 4 и вставленных в них цилиндрических кулаков 2 и 3, в пазы которых входит диск 5, передающий крутящий момент от ведущей вилки к ведомой. Максимальное значение угла между валами до 45°. Благодаря большой контактной поверхности деталей, воспринимающих усилия, последние два шарнира имеют высокую несущую способность и применяются на тяжелых грузовых автомобилях. Основной недостаток кулачковых шарниров заключается в том, что сопряженные детали работают в условиях трения-скольжения, что снижает КПД. При использовании хорошей смазки, износостойкость и надежность таких шарниров вполне удовлетворительна [1], [2], [3].

3. Шариковые шарниры

Принцип действия шариковых ШРУС основан на том, что при любом относительном положении валов точки контакта деталей, через которые они связаны между собой (а связь происходит посредством шариков), находятся в плоскости биссектрис углов, образованных осями валов. Эту плоскость называют биссекторной. На рисунке 1.6 приведена схема, иллюстрирующая этот принцип. Представим себе, что ведущий вал 1 снабжен шипом 3, который через аналогично расположенный на вале 2 шип 4 передает ему крутящий момент. Положение валов 1 и 2 задано таким образом, что ОС = ОД.

При вращении валов в какой-то момент точка контакта валов совпадает с точкой А. Треугольники АОС и АОД равны, из чего вытекает, что линия АО совпадает с биссектрисой угла между валами 1 и 2. При этом мгновенные угловые скорости валов равны, так как точка их контакта находится на одинаковом расстоянии от обоих валов r₁ = r^|₁. Если повернуть валы на половину оборота, то контакт произойдет в точке В, лежащей на биссектрисе угла между валами. Расстояния между точкой контакта и осями валов r₂ = r^|₂, следовательно, угловые скорости опять же равны. Очевидно, что в промежуточных положениях закономерность будет сохраняться. А раз в любой ситуации точка контакта валов находится на равном от них расстоянии, то условие ὠ₁ = ὠ₂ выполняется всегда, что и является особенностью ШРУС. Остается обеспечить постоянное нахождение точек контакта валов в биссекторной плоскости, что может быть реализовано несколькими способами.

Рисунок 1.6 – Кинематика шарового шарнира равных угловых скоростей

Изображенный на рисунке 1.7(а) шарнир Вейса соединяет ведущий 4 и ведомый 1 валы и обеспечивает нахождение рабочих шариков 6 в биссекторной плоскости за счет специального профиля делительных канавок 5, выполненных в ведущей и ведомой вилках 2 и 3. Показанные на рисунке 1.7(б) средние линии канавок представляют собой окружности одинакового радиуса R, центры которых равноудалены на расстояние а от центра шарнира. При вращении валов эти линии образуют две сферические поверхности, пересекающиеся по окружности, являющейся траекторией движения шариков. Благодаря симметричному расположению канавок в обеих вилках центры шариков всегда находятся в биссекторной плоскости. Шарик 7 - центрирующий. Он обеспечивает правильное взаиморасположение валов и беззазорное соединение вилок. В передаче крутящего момента в каждом направлении участвуют лишь два шарика (рисунок 1.7 (в)), что порождает большие контактные напряжения. Если соединяемые шарниром валы не соосны, то шарики не только перекатываются по канавкам, но и скользят относительно них. Этот факт, в совокупности с большими контактными напряжениями, определяет невысокую износостойкость шарниров Вейса, что ограничивает область их применения передними ведущими управляемыми колесами при отключаемом их приводе (шарниры в этом случае лишь кратковременно нагружены крутящим моментом). Еще один недостаток такого шарнира заключается в наличии больших осевых нагрузок, которые воспринимаются его кожухом. Предельный угол между осями валов 32—33°.

Рисунок 1.7 – Шарнир Вейса

Шарнир Рцеппа (рисунок 1.8) состоит из двух кулаков: внутреннего 7, связанного с ведущим валом 5. и наружного 2, связанного с ведомым валом 6. В обоих кулаках имеется по шесть тороидных канавок, расположенных в плоскостях, проходящих через оси валов. В канавках находятся шарики, положение которых задается сепаратором 3, взаимодействующим с валами через делительный рычажок 4. Один конец рычажка поджимается пружиной к гнезду в вале 1, другой скользит в цилиндрическом отверстии вала 6. При изменении относительного положения валов рычажок наклоняется и поворачивает сепаратор, который, в свою очередь, изменяя положение шариков, обеспечивает их пребывание в биссекторной плоскости. В таком шарнире крутящий момент передается через все шесть шариков. Шарнир надежен и хорошо работает при углах между осями валов до 35—38°.

Рисунок 1.8 – Шарнир Рцеппа

Изображенный на рисунке 1.9 шарнир отличается от вышеописанной конструкции отсутствием делительного рычажка.

Рисунок 1.9 – Шарнир Рцеппа без делительного рычажка

Установка шариков 2 в биссекторную плоскость происходит благодаря эксцентричности сфер, в которых располагаются оси тороидальных канавок кулаков. Центры сфер, в которых лежат оси канавок наружного 1 и внутреннего 4 кулаков, расположены соответственно в точках О₁ и О₂, поэтому при повороте, например, оси вала 5 по часовой стрелке верхний на рисунке 1.10 шарик выталкивается из сужающегося пространства между кулаками, а нижний с помощью сепаратора 3 перемещается в соответственно увеличивающееся пространство с другой стороны шарнира. Остальные шарики занимают промежуточное положение. Работа таких шарниров подобна работе шарнира Рцеппа, имеющего делительный рычажок, однако характеризуется менее точной кинематикой [1], [2], [3], [4].