О карданных шарнирах. Продолжение.

Карданный шарнир. Часть2.

Читать: Карданный шарнир – как все начиналось. Часть1.
Разновидностью кулачкового шарнира является кулачково-дисковый (рис. 1). Он состоит из связанных с ведущим и ведомым валами вилок 1 и 17, а также вставленных в них цилиндрических кулачков 3. В их пазы входит диск 6, передающий вращение от ведущей вилки ведомой. При работе каждый из кулачков поворачивается одновременно относительно вилки и оси диска. В вертикальной плоскости вилки поворачивается вокруг кулачков, а в горизонтальной – вместе с ними вокруг диска, так как ось паза в кулачке перпендикулярна оси его внешней цилиндрической поверхности.

Оси отверстий вилок лежат в одной плоскости, которая совпадает со средней плоскостью диска. Они расположены на равных расстояниях отточки, где пересекаются оси валов, и всегда перпендикулярны им, Точка пересечения осей отверстий при любом положении вилок располагается в биссекторной плоскости, т. е. плоскости делящей угол между вилками пополам.

Благодаря большой контактной поверхности деталей, воспринимающих усилия, кулачково-дисковый, как и всякий кулачковый шарнир, имеет компактные размеры. Он особенно удобен на грузовых автомобилях, где нужно передавать большой крутящий момент. Основной недостаток конструкции в том, что сопряженные детали работают в условиях трения скольжения. Это приводит к повышенному нагреву всего узла и снижает его КПД. Однако при хорошей смазке износостойкость и надежность работы этих шарниров вполне удовлетворительны. Максимальный угол, при котором может работать сочленение, 45-50 градусов.

Поиски повышения КПД и срока службы привели к разработке синхронных шарниров, в которых крутящий момент передается посредством шариков, всегда лежащих в биссектрисной плоскости. Первой конструкцией такого рола явился шариковый шарнир “Бендикс-Вейсс” (рис. 2), который работоспособен при углах между валами до 40 градусов. Валы 1 и 17 оканчиваются вилками (их называют также кулаками), на внутренней поверхности которых во взаимно перпендикулярных плоскостях выполнены четыре канавки полукруглого профиля. В местах, где перекрещиваются канавки двух вилок, расположено по одному шарику 8.

Средние линии канавок представляют собой окружности одинакового радиуса, центры которых лежат на соответствующих вилках и равноудалены от центра всего шарнира. При вращении эти линии образуют две сферические поверхности, пересекающиеся одна с другой по окружности, которая и является траекторией движения шариков. Благодаря симметричному расположению канавок в обеих вилках центры шариков всегда находятся в биссекторной плоскости, чем и достигается равномерность вращения валов. Однако даже небольшое осевое перемещение одной вилки относительно другой вызывает изменение траектории движения шариков.

Поэтому вилки фиксируют от перемещения под действием осевых сил, устанавливая между ними центрирующий шарик 13.

Поскольку шарнир такого типа не является самостоятельным узлом, его трудно изготовить с малыми зазорами между канавками и шариком и отбалансировать. Это обстоятельство отрицательно сказывается при высокой скорости вращения, и данная конструкция применяется только на отечественных автомобилях повышенной проходимости (УАЗ-469, ГАЗ-66, ЗИЛ-131), где такая скорость не достигается. Кроме того, в ней крутящий момент передают лишь два шарика, чем предопределяются высокие удельные давления на контактирующих поверхностях и быстрый износ (через 15-25 тысяч километров) шарниров. Это не позволяет использовать их на тех машинах, у которых привод к передним колесам .включен постоянно.

Более совершенна конструкция шарикового шарнира “Рцеппа”, в собранном виде представляющая собой отдельный узел. В нем крутящий момент в обоих направлениях передается всеми шариками 8, благодаря чему значительно выше долговечность (до 100-150 тысяч километров). В результате при меньших размерах шарнира можно передавать больший крутящий момент и использовать его в постоянно работающих приводах колес. Однако сочленение “Рцеппа” сложнее и дороже шарнира “Бенликс-Вейс”,

Детали шарнира заключены в сферическом корпусе 2, на внутренней поверхности которого нарезаны шесть равнорасположенных полукруглых канавок. Такие же канавки сделаны на обойме, во внутренние шлицы которой входит ведомый вал 17. Крутящий момент передается от корпуса 2 обойме 7 шариками 8. При изменении угла (до 35°) между валами делительное устройство автоматически устанавливает шарики в биссекторной плоскости. Оно состоит из сепаратора 4, в котором расположены шарики, сферической опорной шайбы 11 и делительного рычажка 12. Рычажок, проходя через отверстие в опорной шайбе, входит сферическими поверхностями в сферические гнезда ведущего 1 и ведомого 17 валов, а пружина 15 прижимает его к валу 1. В упрошенных вариантах этой конструкции роль делительного механизма выполняют канавки.

В одном из них центр, из которого описаны дуги канавок корпуса и обоймы, смещен от центра шарнира на 1-1,5 мм (шарнир “Рцаппа-Бир-фильд”).

В другом варианте (рис. 6), известном как “Рцаппа-Лабро”, канавки эллиптического профиля попарно симметричны и расположены под углом 16° к образующим внутренней поверхности корпуса и наружной поверхности обоймы. В результате пересечения в пространстве разнонаправленных канавок корпуса и звездочки шарики всегда лежат в биссекторной плоскости.

На иномарках “Пежо” и “Рено”, например, применяют трехшиповой синхронный шарнир “Трипод” (рис. 7). В нем крутящий момент передают три сферических ролика 9, которые наезжены на шипы крестовины 7, связанной с ведущим валом 1, и скользят в цилиндрических пазах вилки ведомого вала 17. Ролики всегда находятся в биссекторной плоскости шарнира. Он технологически проще шариковых, допускает углы между валами до 40°, однако его кинематика не обеспечивает полной синхронности передачи вращения.

Отметим, что ни одна из рассмотренных конструкции не рассчитана на взаимные осевые перемещения валов, неизбежно возникающие при движении колеса по неровностям дороги.

Поэтому сейчас созданы шарниры, которые допускают взаимное продольное перемещение ведущего и ведомого валов на 13-24 мм при углах между валами до 18°.

Таким образом, современное автомобилестроение благодаря своей истории развития, располагает достаточным выбором конструкций карданных шарниров и других автомобильных узлов, хорошо сочетающих простоту и технологичность с надежностью и долговечностью.