Карданный шарнир.

Карданный шарнир – как все начиналось. Часть1.

Для передачи крутящего момента между валами, расположенными один относительно другого под углом, изменяющимся в процессе работы, в технике часто применяют карданные шарниры.

карданный шарнир

Свое название,  карданный шарнир, они получили по фамилии итальянского ученого А. Кардане, впервые создавшего такое сочленение. Благодаря простоте, надежности, малой массе, высокому КПД и долговечности карданный шарнир широко используется в трансмиссии отечественных автомобилей и иномарках. Но карданное сочленение, называемое еще шарниром Гука (по имени механика, его усовершенствовавшего), имеет и существенный недостаток. Это не синхронность вращения – неравенство угловых скоростей ведущего и ведомого элементов.

Еще в 30-е годы выпускались переднеприводные иномарки “Ситроен”, “Аэро “Адлер”, “АКБ”, “Корд”, т. к. тогда не было компактных и, главное, надежны и долговечных карданных шарнироравных угловых скоростей. Без таких шарниров трудно создать совершенный легковой автомобиль с передними, ведущими и управляемыми колесами.

Обычный карданный шарнир при отклонении его ведущего и ведомого звеньев создает неравномерную по угловой скорости передачу вращения на ведомое звено. В результате – перегрузка передачи, быстрый износ и даже разрушение ее деталей. Избавиться от такого явления можно, установив у ведущего колеса либо сдвоенный карданный, либо шарнир равных угловых скоростей ШРУС. Раньше их конструкции имели недостаточно надежную защиту от грязи и влаги, были громоздки, недолговечны (срок службы редко превышал 20 000 км) и дороги в производстве.

Возрос интерес к автомобилям повышенной проходимости со всеми ведущими колесами перед второй мировой войной. В этом направлении интенсивная работа ряда фирм привела к созданию достаточно совершенных шарниров равных угловых скоростей – кулачкового и шарнирного типа. Их срок службы превышает 100 000 километров, а лучшие из этих конструкций компактны, прочны и надежны.

При постоянном числе оборотов ведущего элемента этого шарнира угловая скорость ведомого звена меняется циклически: каждую четверть оборота она то растет, то замедляется. Такое чередование создает дополнительные инерционные пульсирующие нагрузки в соединяемых деталях. Резко возрастая с увеличением числа оборотов валов, соединенных шарниром, увеличением угла между ними, эти дополнительные нагрузки могут многократно превысить нагрузки от передачи крутящего момента, на которые рассчитан узел. Под их воздействием убыстряется износ шарниров. Вот почему простые карданные сочленения используют главным образом, когда угол между ведущими и ведомыми элементами не превышает 7-8 градусов, а динамические нагрузки еше не очень велики.

С появлением машин с независимой подвеской колес, автомобилей повышенной проходимости также передними ведущими колесами понадобилось связывать между собой валы, углы между которыми могут достигать 30-40 градусов. Естественно, такой шарнир должен обеспечить синхронность передачи вращения, чтобы быть достаточно долговечным.

Первые конструкции синхронных сочленений, называемых также шарнирами равных угловых скоростей (по-латыни – “гомокинетическими”, по-русски ШРУС), были созданы посредством спаривания простых карданных шарниров и поэтому получили название сдвоенных. Принцип их действия таков: частота вращения валов на входе и выходе шарнира будет равной, если внутренние вилки двух последовательно соединенных шарниров лежат на одной плоскости, а угол между осями вилок одинаков. Иными словами, точка, где пересекаются оси вилок, должна лежать на биссектрисе угла, который они образуют. Два простых шарнира соединяются либо непосредственно, либо через промежуточное (его называют делительным) звено, внутри которого есть центрирующее устройство. Назначение последнего – постоянно делить пополам угол между осью внутренней сдвоенной вилки и наружными вилками.

Сдвоенный шарнир может работать при углах между вилками до 40 градусов. Его достоинство – отсутствие кожухов дли удержания смазки, недостаток – сравнительно небольшой пробег: не выше 50 000 км. Сдвоенные шарниры в свое время нашли применение на иномарках ряда французских фирм, а также на наших отечественных МАЗ-501, МАЗ-502, МАЗ-509.

Дальнейшим развитием этой конструкции стал кулачковый шарнир фирмы “Тракта” (рис. 1). Вилки 1 и 17, изготовленные заодно с валами, соединяются в нем через два фигурных кулачка 3. При работе сочленения кулачки смешаются один относительно другого в горизонтальной плоскости, а вилки – в вертикальной плоскости, по канавкам соответствующего кулачка. Между собой кулачки соединены в шип. Все детали шарнира заключены в корпусе, постоянно задающем такое взаимное положение вилок, при котором точка, где пересекаются оси валов, всегда лежат на биссектрисе угла между ними. В связи с тем, что кулачки шарнира при поворотах занимают разные положения относительно других его частей, возникает циклический дисбаланс, который на высоких оборотах может ускорить износ шарнира. Поэтому сочленение “Тракта” применяют преимущественно на грузовиках повышенной проходимости, где шарниры работают с меньшей скоростью.
Читать далее: Карданный шарнир. Продолжение.