Полукарданные шарниры

Агрегаты трансмиссии, крепящиеся непосредственно к несущей системе, обычно устанавливаются почти соосно. В этом случае при передаче момента между ними иногда можно обойтись полукар­данными шарнирами. Полукарданным называют шарнир, не имею­щий определенных осей качания. Различают жесткие и упругие полукарданные шарниры.

Изображенный на рис. 5.1 жесткий по­лукарданный шарнир за счет зазоров в шлицевом соединении способен переда­вать крутящий момент под небольшим углом (не более 2°). Такие шарниры могут передавать большой крутящий момент, но создают высокий уровень шума и тре­буют закрытого заполненного смазкой картера. Из-за этих недостатков жесткие полукарданные шарниры весьма редко используют в автомобильных конструк­циях.

В упругих полукарданных шарнирах спо­собность передавать крутящий момент

,а „,.^~---J-------

Рис. 5.1. Жесткий полукардан­ный шарнир

ииишхль передавать крутящий момент

под углом обеспечивается за счет деформации упругого, обычно резинового, элемента. Такие шарниры не требуют обслуживания и благодаря упругим и гистерезисным свойствам резины способ­ствуют некоторому снижению крутильных колебаний в трансмиссии. Предельный угол между осями валов, при котором обеспечивается необходимая долговечность упругого полукарданного шарнира, со­ставляет обычно 6—8°. Наиболее распространенная конструкция упругого полукарданного шарнира изображена на рис. 5.2. Валы, имеющие на концах тройные вилки, соединяются между собой через шестигранное резиновое кольцо, в углах которого методом вулканизации закреплены металлические втулки.

Рис. 5.2. Упругий полукарданный шарнир

Карданные шарниры неравных угловых скоростей Общее устройство и кинематика шарнира неравных угловых скоростей

При передаче крутящего момента в трансмиссии (например, к ведущим мостам) углы между осями валов обычно больше тех, которые способны обеспечить полукарданные шарниры. В таком случае используются полные карданные шарниры. В отличие от полукарданного, полный карданный шарнир имеет определенные оси качания (точка пересечения осей соединяемых им валов имеет вполне определенное положение).

Изображенный на рис. 5.3 карданный шарнир включает в себя две вилки и крестовину. Вилки могут покачиваться относительно шипов крестовины, что да­ет возможность передавать крутящий мо­мент от одного вала к другому при уг­ловом несовпадении их осей.

Рассмотрим два положения кардан­ного шарнира, отличающиеся тем, что во втором случае ведущий вал повернут на 90° относительно его первоначального положения. В положении, изображенном на рис. 5.4а, мгновенная окружная скорость точки А может быть вы-

Рис. 5.3. Карданный шарнир неравных угловых скоростей

ражена через угловые скорости ведущего и ведомого валов сле­дующим образом:

где СО] — угловая скорость ведущего вала; со2 — угловая скорость ведомого вала. Откуда

В положении, изображенном на рис. 5.46, мгновенная окружная скорость точки В равна:

VB = со2г = cojr cos a. Откуда

При повороте ведущего вала еще на 90° мгновенная угловая

О),

скорость ведомого вала опять станет равной о>2 = -----. Таким

COS СС

образом, при (di = const дважды за один оборот угловая скорость ведомого вала изменяется в пределах:

)

что иллюстрируется графиком, приведенным на рис. 5.4в.

Можно утверждать, что потери передаваемой через карданный шарнир мощности (при неизменном взаимном расположении осей

Рис. 5.4. Кинематика карданного шарнира неравных угловых скоростей

валов) не зависят от угла поворота валов. Следовательно, при по­стоянных моменте и угловой скорости ведущего вала мощность, передаваемая ведомому валу, тоже будет постоянной. Это означает, что пульсация угловой скорости ведомого вала будет вызывать син­хронное изменение крутящего момента, что увеличивает динами­ческую нагруженность деталей трансмиссии. Колебания крутящего момента будут приводить к соответствующим изменениям реакций в опорах карданного вала и, передаваясь на кузов в виде вибраций, ухудшать комфортабельность автомобиля.

5.5.2. Принципы компоновки карданных передач с шарнирами неравных угловых скоростей

Поскольку наличие в трансмиссии шарнира неравных угловых скоростей является причиной возникновения дополнительных ди­намических нагрузок, необходимо свести к минимуму последствия его применения. Равномерного вращения выходного вала передачи можно добиться, используя два карданных шарнира неравных уг­ловых скоростей. В этом случае неравномерность частоты вращения, порождаемая первым шарниром, будет гаситься вторым при условии, что выполняются следующие, иллюстрируемые рис. 5.5 требования:

Рис. 5.5. Взаиморасположение валов, обеспечивающее мини­мум динамических нагрузок a — схема W; 6 — схема Z

1) углы между валами 7 и 2 и валами 2 и 3 равны между собой по абсолютной величине, то есть а, = а2. Причем возможно взаи­морасположение валов, изображенное как на рис. 5.5а (схема W), так и на рис. 5.56 (схема Z);

2) второй шарнир повернут относительно первого на 90°. Это приведет к соответствующему сдвигу по фазе порождаемых им ко­лебаний и компенсации колебаний, порождаемых первым шарниром. То же самое требование может быть сформулировано и по-другому: вилки среднего вала должны лежать в одной плоскости;

3) все валы карданной передачи лежат в одной плоскости (рас­положение этой плоскости в пространстве безразлично).

Последние два условия обычно удается реализовать. Точное же соблюдение равенства углов ccj и а2 при относительных переме­щениях агрегатов трансмиссии обеспечить весьма сложно. Кроме того, в ряде случаев стремление уменьшить перемещение деталей подвижной муфты или углы в карданных шарнирах заставляет от­казываться от точного соблюдения равенства указанных углов. Од­нако даже при абсолютном их равенстве частота вращения самого карданного вала будет пульсировать, что отрицательно скажется на нагруженное™ трансмиссии. Ввиду неустранимости пульсации уг­ловой скорости и крутящего момента для уменьшения динамических нагрузок необходимо уменьшать углы в карданных шарнирах, по­скольку, как выше было показано, амплитуда колебаний им про­порциональна. Уменьшения углов между осями валов карданных шарниров можно добиться установкой силового агрегата и ведущего моста с продольным наклоном. Такая особенность установки дви­гателя учитывается при его проектировании с целью обеспечения нормальной работы систем питания и смазки.

Уменьшение углов между осями валов карданной передачи, на­ряду со снижением динамических нагрузок (а следовательно, по­вышением долговечности трансмиссии в целом и самих карданных шарниров в частности), благотворно влияет и на комфортабельность автомобиля, так как снижает уровень вибрации. Однако некоторое минимальное значение угла (порядка 2°) следует сохранить из со­ображений обеспечения долговечности подшипников карданного шарнира (см. ниже).

Существуют некоторые компоновочные ситуации, когда валы карданной передачи не удается расположить в одной плоскости. Это бывает, например, при использовании схемы W или когда по соображениям компоновки приходится использовать нечетное число шарниров неравных угловых скоростей. Разница мгновенных ско­ростей вращения соединяемых валов в таком случае может быть несколько уменьшена за счет углового смещения вилок карданного вала (один из шарниров повернут в направлении вращения отно­сительно другого), как показано на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Способ коррекции кинематики карданной передачи за счет углового смещения одного из шарниров

Подшипники шарниров неравных угловых скоростей В сочленении вилок и крестовин карданных шарниров обычно ус­танавливаются подшипники качения, представляющие собой одну из разновидностей игольчатых подшипников (рис. 5.7). Особенностью кон­струкции подшипников шарниров неравных угловых скоростей, обус­ловленной ограниченностью компоновочного пространства, является от­сутствие внутреннего кольца, роль которого играет шип крестовины, и исполнение наружного кольца в виде стакана 1, зафиксированного, на­пример, посредством стопорного кольца 2. Применение таких подшип­ников, наряду с ограниченностью пространства для их размещения, диктуется стремлением к увеличению числа тел качения с тем, чтобы в процессе передачи момента обеспечивалось бы перекрытие зон контакта соседних роликов с шипами крестовины. Тем не менее, если угол между осями валов очень мал и при работе карданной передачи меняется незначительно, то шипы крестовины деформируются иглами (это явление иногда называют бринеллированием) и шарнир быстро выходит из строя.

Рис. 5.7. Игольчатые подшипники шарниров нерав­ных угловых скоростей

/ — стакан подшипника; 2 — стопорное кольцо; 3— вилка шарнира; 4— шип крестовины; 5— фик­сирующая пластина

Характер работы этих подшипников (агрессивная среда — пыль, вода, грязь) делает необходимым применение весьма надежных уп­лотнений. Наличие хороших уплотняющих элементов, наряду с по­явлением высококачественных смазочных материалов, позволило перейти к использованию в карданных передачах не обслуживаемых в эксплуатации карданных шарниров.

Следует отметить, что карданные шарниры должны обеспечить точное центрирование валов карданной передачи. Это требование может быть реализовано только при условии точной установки стаканов подшипников (относительно крестовины и вилок) и узких полей допусков на изготовление деталей карданного шарнира. Цент­рирование подшипников относительно крестовины осуществляется по торцам шипов, а относительно вилок — с помощью стопорных колец 2 (рис. 5.7а) или опорных пластин 5 (рис. 5.76).