10.1.28. Шарниры равных угловых скоростей. Конструкция и область применения.

Работа шарниров неравных угловых скоростей при больших углах между осями валов сопровождается рядом неприятных явлений: значительно увеличивается пульсация крутящего момента, сильно уменьшается КПД шарниров, снижается их долговечность. Стрем­ление избежать этих явлений заставляет конструкторов использовать в приводе ведущих управляемых колес более сложные и дорогие шарниры равных угловых скоростей. Устройство используемых в настоящее время ШРУС весьма разнообразно, однако, несмотря на разнообразие конструктивных решений, можно выделить несколько групп таких шарниров, а имен­но: 1.сдвоенные; 2.кулачковые; 3.шариковые; 4.Трехшиповые.

Сдвоенные шарниры. При изменении взаимного положения осей валов, соединяемых таким шарниром, центр сферы будет смещаться, но, поскольку порож­даемая этим пульсация угловой скорости невелика, практически можно считать такой шарнир шарниром равных угловых скоростей. Рис. 5.10 - упрощенная конструкция сдвоенного карданного шарнира, имею­щего меньшее количество деталей. В этой конструкции подшипники, принадлежа­щие среднему звену шарнира, попарно объединены. Интересной конструктив­ной особенностью этого шарнира явля­ется асимметричная форма вилок, которая позволяет сделать их взаимозаменяемыми. Сдвоенный карданный шарнир может работать при углах между осями валов до 40°. Кулачковые шарниры рис. 5.12 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, шарнир имееет высокую несущую способность и при­меняется на тяжелых грузовых автомо­билях. Основной недостаток кулачковых шарниров заключается в том, что сопря­женные детали работают в условиях тре­ния скольжения, что снижает КПД. При хорошей смазке износостойкость и надежность таких шарниров вполне удовлетворительна. 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. рис. 5.14 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 рис. 5.14 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. Шарик 7— центрирующий. Он обеспечивает правильное взаиморасполо­жение валов и беззазорное соединение вилок. В передаче крутящего момента в каждом направлении участвуют лишь два шарика {рис. 5.14 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°.

Шарнир Рцеппа 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 01 и 0₂, поэтому при повороте, например, оси вала 5 по часовой стрелке верхний на рис. 5.16 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. Простота и надежность конструкции, высокая несущая способность при небольших габаритах являются причинами массового применения таких шарниров на переднеприводных автомобилях. Трехшиповые шарниры В показанном на рис. 5.17 трехшиповом шарнире («трипод») крутящий момент от ведущего вала 5 передают три сферических ролика 3, которые установлены на ра­диальных шипах 2, жестко связанных с корпусом / ведомого вала. Шипы расположены под углом 120° один относительно другого. Ведущий вал имеет трехпальцевую вилку 4, в цилиндрические пазы которой входят ролики. При передаче момента между несоосными валами ролики перекатываются со скольжением вдоль пазов и од­новременно скользят в радиальном направлении относительно ши­пов. Предельный угол между осями валов до 40°. Такой шарнир впервые был использован в конце 60-х годов на переднеприводном легковом автомобиле. Наряду с описанной существуют конструкции, в которых шипы соединены не с корпусом шарнира, а с валом. Особенностью кинематики шарнира «трипод» является то, что в отличие от шариковых шарниров передача момента от ведущих элементов на ведомые происходит не в биссекторной плоскости, а в плоскости, проходящей через оси шипов. Анализ достаточно сложной кинематики шарнира показывает, что равенство частот вращения ведущего и ведомого валов обеспечивается при любом взаиморасположении их осей. Принципиальным недостатком трехшипового шарнира является прецессия (движение оси вращения твердого тела, при котором она описывает коническую поверхность) одного из валов относительно центра шарнира при угловом отклонении осей ведущего и ведомого валов. Особенностью прецессионного движения оси вала в данном случае является то, что, двигаясь по траектории, обра­зующей в пространстве некоторую конусную поверхность, и являясь образующей этого конуса, она вращается вокруг его оси с частотой, втрое большей, чем частота вращения шарнира. Следовательно, применение такого шарнира ограничивается областью низких частот вращения. Кроме того, прецессия вала вынуждает устанавливать другой его конец в шарнире или в самоустанавливающемся под­шипнике. Поскольку прецессия вызывает инерционный эффект, она весьма нежелательна при больших размерах и массе шар­ниров.