Что такое шарнир неравных угловых скоростей

Устройство автомобилей

Карданные передачи с шарнирами
неравных угловых скоростей

Карданные передачи с шарнирами неравных угловых скоростей применяются для привода агрегатов трансмиссии и дополнительного оборудования автомобиля (лебедки или других агрегатов). Такие передачи чаще называют карданными валами или просто — карданами. Шарниры, применяющиеся в карданных передачах неравных угловых скоростей, бывают жесткие и упругие (рис. 1).

карданные валы

Наибольшее применение имеет жесткий карданный шарнир (рис. 1, а), который состоит из двух вилок 1 и 7, крестовины 6 и подшипников 4.

Недостатком такого шарнира является неравномерность вращения ведомой вилки относительно ведущей, которая проявляется в том, что ведомая вилка за один оборот дважды замедляет скорость вращения и дважды ее ускоряет. Именно по этой причине такие шарниры и называют шарнирами неравных угловых скоростей. Неравномерность вращения проявляется тем сильнее, чем на больший угол отклонены ведомый и ведущий валы.
Этот недостаток жестких шарниров при высоких частотах вращения валов вызывает динамические нагрузки на механизмы трансмиссии и может привести к поломкам агрегатов и их элементов.
Для устранения этоо недостатка жестких карданных шарниров, они в карданных передачах применяются попарно таким образом, чтобы неравномерность вращения одного шарнира компенсировалась неравномерностью вращения другого шарнира.

Тем не менее, карданные передачи с шарнирами неравных угловых скоростей применяются лишь в трансмиссиях с относительно невысокой частотой вращения и небольшими углами отклонения валов, например, в заднеприводных легковых автомобилях, в грузовых автомобилях и автобусах, в полноприводных автомобилях.

Равномерное вращение вала при применении двойной карданной передачи (с двумя шарнирами) может быть достигнуто при выполнении следующих условий:

типы карданных шарниров

углы наклона валов в обоих шарнирах должны быть одинаковы;
вилки, расположенные на противоположных концах вала должны лежать в одной плоскости.

Эти требования следует учитывать при сборке карданной передачи после демонтажа, разборки и ремонта.

Конструкция карданных передач с шарнирами неравных угловых скоростей на различных марках автомобилей практически одинакова, отличаясь лишь размерами.

На рисунке 2 приведены карданные передачи грузовых автомобилей марок «ЗиЛ», «ГАЗ» и легкового автомобиля марки «ВАЗ». Устройство карданной передачи рассмотрим на примере автомобиля марки «ЗиЛ».

Карданный вал автомобиля «ЗиЛ» (рис. 2, а) выполнен из стальной трубы (вал 8), к которой с одной стороны приварена вилка 9 шарнира, а с другой – шлицевая втулка. Шлицевая втулка своими внутренними шлицами соединяется со скользящей вилкой 14 шарнира. Шлицевое соединение втулки скользящей вилки герметизировано. Смазочный материал во внутренней втулке удерживается от вытекания заглушкой, завальцованной внутри втулки. Наружное уплотнение состоит из резинового и войлочного колец с разрезными шайбами. Оба кольца поджимаются накидной гайкой, навернутой на конец шлицевой втулки.

Каждый карданный шарнир состоит из вилки с фланцем 1 и втулок 9, 14, находящихся на валу, крестовины 5, игольчатых подшипников с уплотнительными манжетами 11 и крышек подшипников 2.

Крестовина своими шипами устанавливается в проушинах вилок на игольчатых подшипниках. Иглы подшипников собраны в корпусах 4 без внутренних обойм. Смазочный материал в подшипники закладывается на заводе-изготовителе при сборке шарниров, и в процессе эксплуатации чаще всего не добавляется.
Замена смазки в подшипниках обычно производится при полной разборке карданной передачи во время ремонта. Однако на некоторых карданных передачах предусмотрены пресс-масленки для периодической смазки подшипников шарниров.
Внутренняя полость подшипников герметизируется комбинированным устройством, состоящим из резиновой самоподжимной уплотнительной манжеты 11 и двухкромочной торцевой уплотнительной манжеты.

Резиновая самоподжимная уплотнительная манжета смонтирована в стакане подшипника, а торцевая уплотнительная манжета напрессована на шипы крестовины. Игольчатые подшипники удерживаются от выпадения из отверстий вилок крышками 2, прикрепленными болтами к проушинам этих вилок.
В крышке каждого подшипника выдавлен выступ, а на торце стакана подшипника выполнен паз. При сборке подшипников паз и выступ совмещаются, благодаря чему подшипники не проворачиваются в проушинах вилок и не изнашивают их поверхность. Крышки прикручиваются к проушинам болтами и стопорятся пластиной 3.

устройство карданного вала

Карданные валы в сборе с карданными шарнирами на заводе изготовителе подвергаются динамической балансировке. Балансировка достигается приваркой балансирующих пластин 12 на обоих концах трубы или установкой их под крышки подшипников.

Особенностью карданной передачи ГАЗ-66-11 (рис. 2, б) является применение защитных металлических колпаков 16 и 17 на карданном шарнире, расположенном возле раздаточной коробки. В крестовинах карданных шарниров сохранена пресс-масленка, через которую производится смазывание подшипников в процессе эксплуатации.
Для правильной сборки карданной передачи после ремонта с целью обеспечения ее равномерного вращения и предотвращения нарушения заводской балансировки, на валу 8 и в подвижной вилке 14 наносят риски или стрелки.

На легковом заднеприводном автомобиле ВАЗ-2107 карданная передача состоит из двух валов. Промежуточный карданный вал (рис. 2, в) передним концом соединяется с вторичным валом коробки передач через упругий карданный шарнир (муфту Гуибо) 19. Она выполнена из шести резиновых элементов, которые привулканизированы к металлическим вкладышам. Во вкладышах имеются отверстия, через которые проходят болты 23 крепления муфты к фланцам вторичного вала коробки передач и карданного вала. Задним концом промежуточный карданный вал упирается в промежуточную опору. Для поглощения вибрации карданной передачи подшипник 21 промежуточной опоры расположен в упругой резиновой подушке 20, которая привулканизирована к кронштейну крепления.

опора карданной передачи

Аналогичную по устройству промежуточную опору с упругим элементом имеет карданная передача неполноприводного автомобиля марки «ЗиЛ» (рис. 2, а). На некоторых автомобилях могут применяться промежуточные опоры с жестко установленными в корпусе подшипниками (рис. 3, б). В этом случае сам корпус опоры может качаться на цапфах.

Основные неисправности карданных передач с шарнирами неравных угловых скоростей:

износ и выход из строя игольчатых подшипников шарниров;
износ посадочных мест под игольчатые подшипники в проушинах вилок;
износ крестовин шарниров;
износ шлицевого соединения;
выход из строя опоры карданного вала;
изгиб или деформация трубы карданного вала.

Причинами неисправностей чаще всего является неправильная сборка шарниров после ремонта, отсутствие смазки в шлицевой части и подшипниках, неправильная эксплуатация (резкое включение передач и переменные тяговые усилия в трансмиссии, небрежная езда, приводящая к ударам карданной передачи, приводящая к изгибу и т. д.).

Неисправности карданной передачи, связанные с деформацией вала, износом подшипников и шлицевого соединения можно определить выбегом автомобиля на большой скорости по проявляющейся вибрации.
В трансмиссии автомобиля два агрегата чаще всего становятся источником повышенной вибрации — сцепление (с маховиком) или карданная передача. При этом вибрация из-за дисбаланса сцепления или маховика проявляется сразу после заводки двигателя, даже если автомобиль неподвижен. Деформированный или неисправный карданный вал дает о себе знать лишь во время движения автомобиля.

Качественно отремонтировать погнутый карданный вал в условиях малого или среднего предприятия автосервиса сложно, так как без специального оборудования балансировку выполнить не представляется возможным. Деформированный вал карданной передачи является источником сильной вибрации (особенно, при большой частоте вращения), что приводит к преждевременному выходу из строя узлов и деталей, а также дискомфорту при езде, поэтому гнутый кардан обычно заменяют исправным.

Карданная передача

Карданная передача:
1 — эластичная муфта;
2 — болт крепления эластичной муфты к фланцу;
3 — крестовина;
4 — сальник;
5 — стопорное кольцо;
6 — подшипник крестовины;
7 — гайка;
8 — фланец эластичной муфты;
9 — сальник;
10 — обойма сальника;
11 — кронштейн безопасности;
12 — болт крепления кронштейна к промежуточной опоре;
13 — передний карданный вал;
14 — кронштейн промежуточной опоры;
15 — промежуточная опора;
16 — вилка переднего карданного вала;
17 — задний карданный вал;
18 — вилка заднего карданного вала;
19 — фланец ведущей шестерни главной передачи;
20 — гайка;
21 — болт крепления вилки

В трансмиссиях автомобилей карданные передачи применяются для передачи моментов между валами, оси которых не лежат на одной прямой и изменяют свое положение в пространстве. В общем случае, карданная передача состоит из карданных валов, карданных шарни ров, промежуточных опор и соединительных устройств.
По компоновке карданные передачи классифицируются на закрытые и открытые.
Закрытая карданная передача размещается внутри трубы. Труба может воспринимать силы и реакции, возникающие на ведущем мосту, и служить направляющим элементом подвески. В такой карданной передаче применяется только один шарнир, а неравномерность вращения карданного вала компенсируется его упругостью. Известны конструкции, в которых роль карданного вала выполняет торсион (упругий вал небольшого диаметра), при этом карданные шарниры отсутствуют.

Конструкция промежуточной опоры:
1 — вилка;
2 — упругая подушка;
3 — подшипник промежуточной опоры

Открытая передача не имеет трубы, и реактивный момент воспринимается рессорами или реактивными тягами. Карданная передача должна иметь не менее двух шарниров и компенсирующее звено, так как расстояние между соединенными агрегатами в процессе движения изменяется. На длиннобазных автомобилях применяют карданную передачу, состоящую из двух валов. Этим исключается возможность совпадения критической угловой скорости вала с эксплуатационной. Уменьшение длины вала повышает его критическую частоту вращения, которая должна как минимум в 1,5 раза превышать максимально возможную при эксплуатации. Конструкция карданной передачи с двумя валами требует применения промежуточной опоры одного из валов, подшипник которой для компенсации возможного осевого перемещения силового агрегата на раме или кузове установлен в эластичном кольце.

Карданные шарниры при всем многообразии конструкций и по кинематическим характеристикам и допустимым углам между валами могут быть классифицированы так, как это показано в таблице.
Карданный шарнир неравных угловых скоростей был изобретен в XVI в. итальянским математиком Джироламо Кардано и первоначально нашел применение для подвешивания фонарей в экипажах. Позже английский ученый Роберт Гук дал математическое описание кинематики данного механизма.

Детали карданной передачи (а) и график зависимости угловых скоростей (б):
1 — шлицевая вилка;
2 — П-образная пластина;
3 — стопорная шайба;
4 — крестовина;
5 — вилка заднего карданного вала;
6 — задний карданный вал;
7 — фланец ведущей шестерни главной передачи;
8 — задний карданный шарнир;
9 — игольчатый подшипник;
10 — стопорное кольцо;
11 — болт; 12 — уплотнительное кольцо;
α — угол поворота ведущего вала;
β — угол поворота ведомого вала;
γ — угол между валами

Анализ схемы карданного шарнира показывает, что при постоянной угловой скорости ведущего вала ведомый вращается циклически: за один оборот дважды отстает и дважды обгоняет ведущий вал. При этом с увеличением угла γ между валами неравномерность вращения интенсивно возрастает. Для того чтобы карданная передача с шарнирами неравных угловых скоростей передавала синхронное вращение между валами соединенных агрегатов, она должна состоять из нескольких шарниров, взаимное расположение которых будет компенсировать неравномерную передачу вращения каждого шарнира. По этой причине минимальное количество шарниров должно быть равно 2. При этом в карданной передаче с двумя шарнирами необходимо соблюдение следующих компоновочных требований:
— ведущие вилки расположены под углом 90 ° одна относительно другой;
— углы между валами в обоих шарнирах γ1 и γ2 равны между собой;
— все валы лежат в одной плоскости.

Карданный шарнир неравных угловых скоростей

Для карданных передач, имеющих число шарниров неравных угловых скоростей более трех, синхронность вращения валов соединенных агрегатов достигается определенным соотношением углов между валами всех шарниров, при этом соотношение зависит от числа шарниров. Карданный шарнир неравных угловых скоростей состоит из двух вилок, в цилиндрические отверстия которых вставлены концы крестовины. Вилки жестко закреплены на валах. При вращении валов концы крестовины перемещаются относительно плоскости, перпендикулярной к оси вала.
Крестовина карданного шарнира должна строго центрироваться для исключения переменного дисбаланса карданного вала при его вращении. Центрирование достигается точной фиксацией обойм подшипников при помощи стопорных колец или крышек, которые прикрепляются к вилкам шарнира. Минимальный угол между валами должен быть не менее 2°, иначе цапфы крестовин деформируются иглами и шарнир быстро разрушается (явление бринеллирования).
Развитие конструкций карданных шарниров неравных угловых скоростей шло по пути снижения потерь, связанных с вращениями концов крестовины в отверстиях вилок. В конструкциях первых шарниров концы крестовины устанавливались на подшипниках скольжения. С учетом того что в трансмиссии многоосных автомобилей число шарниров может превышать два десятка, применение в них подшипников скольжения может существенно снижать общий КПД трансмиссии. В карданных шарнирах современных автомобилей применяются только игольчатые подшипники качения.
В прежних конструкциях применялась смазка, которую было необходимо периодически обновлять через специальную масленку. Карданные шарниры современных автомобилей обычно заправляются высококачественной пластичной смазкой, при сборке и в эксплуатации ее не заменяют.

9.2. Карданные шарниры неравных угловых скоростей

Рассмотрим схему карданного шарнира неравных угловых скоростей (рис. 9.4). На рис. 9.4, а ось О 1 О 1 находится в плоскости рисунка, а плоскость крестовины расположена перпендикулярно к оси вала 1 . На рис. 9.4, б ось О 1 О 1 перпендикулярна к плоскости рисунка, а плоскость крестовины расположена перпендикулярно к оси вала 2 . Таким образом, ось О 1 О 1 вращается в пространстве относительно перпендикулярной к ней оси вала 1 .

Р ис. 9.4. Схема карданного шарнира неравных угловых скоростей

Необходимо отметить, что радиус r 1 на рис. 9.4, а равен радиусу

r 2 на рис. 9.4, б . Выразим окружные скорости точек C 1 и C 2 через угловые скорости валов 1 и 2:

V C 1 = ω 1 r 1 = ω 2 r 2 = V C 2 .

Для рис. 9.4, а r 2

Для рис. 9.4, б r 1 =

r 2 cos γ , тогда

Для промежуточных положений крестовины угловая скорость ведомого вала 2 находится в интервале

ω 1 / cos γ > ω 2 > ω 1 cos γ .

Полученный результат свидетельствует о том, что при постоянной угловой скорости ведущего вала 1 угловая скорость ведомого вала 2 изменяется в процессе одного оборота. При этом, чем больше угол γ между валами, тем значительнее неравномерность их вращения.

Для соединения несоосных валов, расположенных под углом, карданный шарнир неравных угловых скоростей один обычно не применяется. Он получил широкое распространение в карданных передачах. Необходимо отметить, что на тракторах ДТ-75М и Т-4А раньше использовали карданные передачи с упругими соединительными муфтами, а на современных тракторах — в основном карданные передачи с шарнирами неравных угловых скоростей.

Карданный шарнир неравных угловых скоростей карданной передачи привода заднего моста тракторов К-700/701 (рис. 9.5) состоит из вилок 1 и 7 , крестовины 5 , на цапфах которой установлены стаканы с игольчатыми подшипниками 4 , удерживаемые крышками 3 . Удержание смазки в подшипниках осуществляется сальниками 9 . Для предотвращения повышения давления масла при нагревании или в процессе его нагнетания через масленку 8 в крестовине предусмотрен предохранительный клапан 2 .

Вилки 7 карданных шарниров соединены между собой подвижным шлицевым соединением 12 , чем обеспечивается осевая компенсация соединяемых валов. Такое подвижное шлицевое соединение необходимо для компенсации изменения длины вала при деформации

элементов подвески агрегатов трактора, соединяемых карданной передачей.

Рис. 9.5. Карданная передача привода заднего моста тракторов К-700/701

Смазывание шлицевого соединения осуществляется масленкой 10 , а защита от попадания пыли и грязи — кожухом 11 . Сальник 13 служит для предотвращения вытекания смазки. Перед установкой на трактор карданная передача подвергается динамической балансировке при помощи пластин 6 .

Основные схемы карданных передач с шарнирами неравных угловых скоростей приведены на рис. 9.6.

К а р д а н н а я п е р е д а ч а с д в у м я ш а р н и р а м и н е- р а в н ы х у г л о в ы х с к о р о с т е й и о д н и м в а л о м (рис. 9.6, а и рис. 9.6, б ) применяется наиболее часто (привод переднего ведущего моста трактора Т-150К и переднего и заднего ведущего мостов тракторов К-700/701). Для обеспечения равномерности вращения ведущего 1 и ведомого валов 3 вилки карданного вала 2 расположены в одной плоскости при равенстве углов γ 1 и γ 2 .

К а р д а н н а я п е р е д а ч а с т р е м я ш а р н и р а м и н е- р а в н ы х у г л о в ы х с к о р о с т е й и д в у м я в а л а м и (рис. 9.6, в ) применяется с целью сокращения длины карданных валов. В приведенной схеме карданный вал 3 имеет вилки, установленные в одной плоскости, а вал 2 — вилки, развернутые под углом 90 о . Синхронность вращения ведущего 1 и ведомого 4 валов обеспечивается при условии cos γ 1 сos γ 2 = сos γ 3 .

Однако при движении трактора углы γ 2 и γ 3 могут изменяться при постоянном угле γ 1 . Поэтому полной синхронизации вращения валов 1 и 4 достичь невозможно.

Рис. 9.6. Основные схемы карданных передач с шарнирами неравных угловых скоростей:

а , б — с двумя шарнирами и одним валом; в — с тремя шарнирами, двумя валами и промежуточной опорой; г — с четырьмя шарнирами, двумя валами и промежуточной опо-

рой; γ 1 . γ 4 − углы между валами

Подшипник промежуточной опоры 5 карданного вала 2 устанавливают на резиновой упругой втулке, что уменьшает напряжения в валу, вызываемые неточностями монтажа опоры и деформацией остова трактора и корпусных деталей соединяемых агрегатов.

Конструкции промежуточных опор подшипников карданной передачи представлены на рис. 9.7. На рис. 9.7, а показана промежуточная опора с радиальным шарикоподшипником 1 , внутреннее кольцо которого установлено на наконечнике карданного вала 2 , а наружное — в резиновой втулке 3 . Втулка 3 с помощью кронштейна 4 крепится к остову трактора, имеет специальные прорези, повышающие ее эластичность и способствующие гашению вибраций.

Аналогичная по назначению промежуточная опора представлена на рис. 9.7, б . Радиальный шарикоподшипник 1 , как и в предыдущей схеме, внутренним кольцом установлен на конце карданного вала 2 , а

Рис. 9.7. Конструкции промежуточных опор:

а и б — эластичная; в — жесткая, воспринимающая осевые нагрузки

наружным — в резиновой втулке 3 . Осевая компенсация изменения расстояния между соединяемыми карданными валами 2 и 5 происходит благодаря подвижному шлицевому соединению между ними.

К а р д а н н а я п е р е д а ч а, с о с т о я щ а я и з ч е т ы р е х ш а р н и р о в н е р а в н ы х у г л о в ы х с к о р о с т е й, д в у х к а р д а н н ы х в а л о в и п р о м е ж у т о ч н о й о п о р ы м е ж- д у н и м и (рис. 9.6, г ), также применяется при большом расстоянии между агрегатами с целью сокращения длины карданных валов. Эта схема получила широкое распространение на современных тракторах.

К а р д а н н а я п е р е д а ч а т р а к т о р а МТЗ–82 (рис. 9.8, а ) состоит из карданных валов 1 и 3 и промежуточной опоры 2 . Вал 1 соединяет раздаточную коробку с промежуточной опорой 2 , а вал 3 — промежуточную опору с передним ведущим мостом трактора. Компенсация изменения расстояния между соединяемыми фланцами (осевая компенсация) обеспечивается осевым перемещением скользящего фланца 8 промежуточной опоры (рис. 9.8, б ).

Корпус 5 промежуточной опоры крепится снизу к картеру ФС. В корпусе 5 установлена многодисковая предохранительная фрикционная муфта, работающая в масле. Сжатие ведущих 10 и ведомых 11 дисков осуществляется через нажимной диск 12 усилием четырех тарельчатых пружин 13 . Муфта регулируется на передачу определенной величины крутящего момента. Если крутящий момент, подводимый к переднему мосту, превысит заданное значение, муфта буксует и, тем самым, предохраняет детали переднего моста трактора от перегрузок и поломок.

Карданный вал (рис. 9.9) представляет собой тонкостенную трубу 5 , с одного конца которой приварена вилка 7 карданного шарнира, а с другого — шлицевая втулка 4 , соединенная при помощи шлицевого соединения с вилкой 1 второго шарнира неравных угловых скоростей. Шлицевое соединение от пыли и грязи закрыто защитным кожухом 2 . Вытеканию смазки в шлицевом соединении препятствуют сальники 3 . Карданная передача перед установкой на трактор подвергается динамической балансировке путем приваривания к трубе 5 балансировочных пластин 6 .

Вытеканию смазки из игольчатых подшипников шарнира неравных угловых скоростей и попаданию в них грязи и пыли препятствуют резиновые армированные сальники 2 (см. рис. 9.10). На рис. 9.10, б показан многокромочный сальник 2 с радиально-торцевым уплотнением, а на рис. 9.10, в — уплотнение с однокромочным резиновым самоподжимным сальником 2 , допускающим проход продуктов изнашивания и смазочного материала при его прокачивании через под-

Рис. 9.8. Карданная передача трактора МТЗ — 82:

а — карданная передача; б — промежуточная опора; 1 и 3 — карданные валы; 2 — промежуточная опора; 4 — опорная втулка; 5 — корпус опоры; 6 — распорная втулка; 7 — соединительная втулка с внутренними шлицами; 8 — скользящий фланец с наружными шлицами; 9 — вал предохранительной муфты; 10 — ведущий диск; 11 — ведомый диск; 12 — нажимной диск; 13 — тарельчатая пружина

шипник, и двухкромочным резиновым торцовым сальником 3 , предотвращающим попадание грязи в полость подшипника.

Рис. 9.9. Карданная передача

От осевых перемещений стаканы 4 игольчатых подшипников фиксируются стопорным кольцом 1 , которое может устанавливаться как снаружи (рис. 9.10, а ), так и внутри шарнира (рис. 9.10, б ). Установка стопорного кольца снаружи облегчает сборку, но увеличивает размеры вилки. На рис. 9.10, в стаканы 4 зафиксированы с помощью крышек 5 .

Рис. 9.10. Варианты крепления стакана и уплотнения игольчатого подшипника

К а р д а н н а я п е р е д а ч а т р а к т о р а Т–150К (рис. 9.11) осуществляет привод от валов раздаточной коробки 2 к переднему и заднему ведущим мостам. Карданная передача 1 переднего моста состоит из карданного вала и двух шарниров неравных угловых скоростей, а заднего моста — из двух сдвоенных шарниров 3 неравных угловых скоростей и промежуточной опоры 4 . Промежуточная опора установлена в трубе 5 горизонтального шарнира рамы и состоит из полого корпуса и вала, установленного на два конических подшипника

Крестовины карданных шарниров изготовляют из легированных сталей 20ХГНТР, 15ХГНТА, и 12ХН3А и подвергают нитроцемента-

ции на глубину до 1,2 мм с последующей закалкой. При изготовлении крестовин из углеродистой стали 55ГП их подвергают поверхностному упрочнению ТВЧ с прерывистым отпуском. Твердость поверхностного слоя крестовин на цилиндрической поверхности шипов должна быть 61. 64 HRC, а на торцах шипов крестовин — 59 HRC.

Рис. 9.11. Карданная передача трактора Т-150К

Трубы карданных валов изготовляют из ленточной малоуглеродистой стали 20, свариваемой встык. Шлицевые наконечники подвижных соединений карданных валов изготовляют из стали 40Х с последующей закалкой ТВЧ до твердости рабочего слоя шлиц 45. 47 HRC.

Карданные шарниры неравных угловых скоростей с игольчатыми подшипниками имеют высокий КПД (до 0,99 при угле между валами до 8. 10 о ), малые габаритные размеры, обеспечивают точную центровку валов и отличаются высокой долговечностью. Если угол между валами карданного шарнира неравных угловых скоростей менее 1 о и при передаче крутящего момента не изменяется, то наблюдается явление деформации шипов крестовины иглами подшипника (бринеллирование) и быстрое последующее разрушение шарнира.

Бринеллирующее воздействие игл увеличивается при большом суммарном межигловом зазоре, когда иглы подшипника перекашиваются и создают высокое давление на шип крестовины. Суммарный межигловой зазор в подшипниках карданных шарниров колеблется в пределах 0,1. 1,5 мм. Считается, что суммарный межигловой зазор не должен превышать половину диаметра иглы подшипника.

В большинстве карданных шарниров неравных угловых скоростей применяют подшипники, диаметр игл которых 2. 3 мм (допуск на диаметр не более 5 мкм, а допуск по длине не более 0,1 мм). Иглы для подшипника подбираются с одинаковыми размерами по допускам. Перестановка или замена отдельных игл не допускается. Надеж-

Карданные шарниры Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Тверсков Борис Михайлович

В работе представлены характеристики карданных шарниров неравных угловых скоростей и рассмотрена возможность замены шарниров равных угловых скоростей в приводе к управляемым колесам.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

UNIVERSAL JOINTS

The article considers characteristics of non-constant-velocity joints and the possibility of replacement of constant-velocity universal joints in the steer wheels drive .

Текст научной работы на тему «Карданные шарниры»

явлению в нем трещин от действия внешних нагрузок. А при нагрузках, близких кразрушающим, когда в растянутой зоне бетонного ядра начитается трещинообразование, арматура будет воспринимать растягивающие усилия аналогично арматуре в железобетонных элементах.

На рисунке 2 представлены возможные схемы натяжения армирующих элементов в трубобе-тонной балке. Очевидно, что для облегчения заполнения полости трубы бетоном, эти элементы надо располагать или под углом, или вертикально, причем вполне можно применять и самоуплотняющийся бетон.

Рисунок 2 — Способы реализации асимметричного предварительного напряжения в прямых трубо-бетонных балках: а) с передачей усилия на упоры 3; б) с передачей усилия на бетон ядра 2; 1 — старогодная нефтегазовая труба; 2 — бетонное ядро; 3 — торцевой упор; 4 — армирующие элементы (только арматура для б, стальной трос или арматура для

Напряженное состояние трубобетонной конструкции можно регулировать в широких пределах, создавая искусственные поля напряжений, благоприятные для работы несущей балки (управляя усилиями натяжения в армируюших элементах при создании предварительного напряжения). Важно отметить, что повышение грузоподъёмности рассматриваемой прямой трубобетонной балки достигается не технологическими, а конструктивными мероприятиями. Это существенно снижает стоимость изготовления (в т.ч. путем использования старогодных нефтегазовых труб) и значительно расширяет эксплуатационные свойства балки. Так в схеме по рисунке 2а можно вместо стальной арматуры применять стальные тросы, отделив их от бетонного ядра полимерными чехлами. При этом возникает возможность управления не только статическими, но и динамическими напряжениями в трубобетонной балке при её использовании в пролетном строении малого моста. В таком случае можно говорить о классе малых мостов, адаптируемых к эксплуатационным нагрузкам.

В настоящее время практически отсутствуют методы расчета прямых трубобетонных балок для пролетных строений малых мостов. Расчетные методы должны учитывать особенности конструкции предлагаемых балок, в первую очередь рассматривать их как выполненные из композиционных материалов на неметаллической матрице, у которых поля напряжений в общем случае нелинейные и нестационарные. Кроме того, следует рассмотреть все физически реализуемые варианты совместной работы металлической трубчатой оболочк и , бет о н н о г_о ядра ( м а_т р и ц ы) и арм и р ую —

СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 11

щих элементов (стальной арматуры или стальных тросов), что позволит раскрыть потенциальные эксплуатационные свойства предлагаемой трубо-бетонной балки как элемента пролетного строения малых мостов.

Следует иметь в виду, что при поставке прямых трубобетонных балок на строительную площадку их необходимо четко маркировать, чтобы не перепутать ориентацию балок с частично предварительно напряженным ядром при установке в проектное положение.

Дополнительно, как конструктивный вариант, можно рассматривать повышение несущей способности трубобетонных балок на изгиб путем установки горизонтальной тонкостенной металлической (или фибропластиковой) перегородки и заполнения верхней части полости металлической трубчатой балки обычным бетоном, а нижней части — фибробетоном, что позволит более эффективно использовать возможности каждого материала.

1 Овчинников И. И., Овчинников И. Г., Чесноков Г. В. и др. О проблеме расчета трубобетонных конструкций с оболочкой из разных материалов. Ч. 2. Расчет трубобетонных конструкций с металлической оболочкой // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ». Т. 7. №4 (2015).

2 Кришан А. Л., Трубобетонные колонны с предварительно обжатым ядром : монография. Ростов н/Д. : Рост. гос. строит. ун-т, 2011. 372 с.

3 Маренин В. Ф. Исследование прочности стальных труб, заполненных бетоном, при осевом сжатии : дисс. канд. техн. наук. М., 1959. 231 с.

4 Долженко А. А. Трубчатая арматура в железобетоне : дисс. д-ра техн. наук. М., 1963. 413 с.

5 Яровой И. С. Исследование напряженно-деформированного состояния гибких внецентренно сжатых трубо-бетонных элементов при кратковременном и длительном действии нагрузки : дис. канд. техн. наук. Кривой Рог, 1974. 195 с.

6 Дуванова И. А., Сальманов И. Д. Трубобетонные колонны в строительстве высотных зданий и сооружений // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2014. №6 (21). С. 89-103.

7 Стороженко Л. И., Семко А. В. Сравнение методик расчета трубобетонных конструкций // Коммунальное хозяйство городов : научно-технический сборник. 2005. №63. С. 59-67.

629.11.01:62-23:534.1 Б.М. Тверсков

Курганский государственный университет

Аннотация. В работе представлены характеристики карданных шарниров неравных угловых скоростей и рассмотрена возможность замены шарниров равных угловых скоростей в приводе к управляемым колесам.

Ключевые слова: шарниры, привод, угловые скорости, колебания,крестовина.

B.M. Tverskov Kurgan State University

Annotation. The article considers characteristics of non-constant-velocity joints and the possibility of replacement of constant-velocity universal joints in the steer wheels drive.

Keywords: joints, drive, angular rates, oscillations, crosspiece.

Шарниры с крестовинами (шарниры неравных угловых скоростей) широко используются в конструкциях карданных передач автомобилей и тракторов для передачи крутящих моментов к их агрегатам. Ограничивающими факторами для карданной передачи являются: угол в шарнире, длина карданного вала, критическая частота вращения..

По Гост Р 52430-2005 максимальные углы в шарнирах карданных передач в статическом положении допускаются: для легковых автомобилей — 30, для грузовых — 50, для полноприводных автомобилей — 80 [1]. Но при движении автомобиля на неровных дорогах эти углы при качании мостов

могут быть значительно больше и достигать 30 и даже 400 [2]. Прочность шарнира при этом сохраняется, поломок, как правило, не бывает. Шарниры с игольчатыми подшипниками нельзя устанавливать совершенно без угла — в этом случае при работе на шипах крестовины появляется деформация поверхности (питинг) и шарнир выходит из строя.

Наибольшая длина карданного вала определяется исходя из наружного и внутреннего диаметров его трубы и критической частоты вращения [2]:

где пкр — критическая частота вращения; D — наружный диаметр трубы; d- внутренний диаметр трубы; L — длина карданного вала.

Иногда в приводе управляемых колес вместо шарниров равных угловых скоростей (4-х шариковых, типа Вейс) устанавливаются шарниры неравных угловых скоростей, которые дешевле и долговечней. Так, например, сделано на тягачах КЗКТ (рисунок 1), где угол при полностью повернутых колесах равен 290.

Рисунок 1 — Ведущий управляемый мост четырехосного тягача КЗКТ с шарнирами в поворотном устройстве: а — равных угловых скоростей б — неравных угловых скоростей

4-х шариковый шарнир равных угловых скоростей был исключен путем удлинения карданного вала и размещения на месте шарнира равных угловых крестовины карданного вала привода, как показано [3]. Причем, центр крестовины на оси поворота колеса разместить не удалось и он отстоит от оси поворота на 40 мм внутри тягача..

Исключение шарнира позволило значительно упростить привод, сделать его более надежным при снижении стоимости изготовления. Кроме того, шариковый шарнир равных угловых скоростей работает в карданной смазке, для размещения которой в довольно большом количестве нужна герметичная емкость. На грузовых автомобилях такой емкостью служит стальная опора поворотного устройства, снаружи которой по сфере работает уплотнение. На легковых автомобилях для этого используется резиновый чехол. Шарнир неравных угловых скоростей содержит небольшое количество смазки и надежное уплотнение.

Неравномерность вращения управляемых колес тягачей КЗКТ при движении по кругу с полностью повернутыми колесами и установленными а в приводе шарнирами неравных угловых скоростей, мало заметна. Это объясняется наличием колесного редуктора с большим передаточным числом — 5,625. Уменьшенный на эту величину передаваемый крутящий момент оказывается слишком мал, чтобы вызывать значительные угловые колебания колеса. При полностью повернутом колесе отмечаются лишь его дрожание. Деформируются в этом случае в основном полуоси и карданный вал, соединяющий главную передачу и проходной рндуктор. Если колесный редуктор отсутствует, угловые колебания колес могут достигать больших значений. Так испытания автомобиля УАЗ-469 с шарнирами неравных угловых скоростей в приводе к управляемым колесам показали, что при движении с полностью повернутыми колесами угловые колебания колес могут быть довольно большие, хотя быстрый выход из строя деталей привода не отмечался.

Угол поворота колеса с 4-х шариковым шарниром равных угловых скоростей не может превышать 300, т.к. при большем угле находящиеся в шарнире шарики выкатываются из него и, попав между деталями в поворотном устройстве, могут сделать автомобиль неуправляемым. Но такой угол явно недостаточен, радиус поворота оказывается большой, поэтому неопытные водители иногда, убирают болты, ограничивающие поворот колес. Угол становится больше, а это может привести к саморазборке шарнира.

Кроме того, при максимальном угле поворота колеса шарик в шарнире находится на конце вилки. Под действием передаваемого крутящего момента край вилки отгибается и шарик не может вернуться в исходное положение. В дальнейшем при повороте полуоси ломается край вилки или сама вилка (рисунок 2). Чтобы этого не происходило , угол п о в о рота управляемо го кол е са на тя -СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 11

гачах КЗКТ был уменьшен до 240, что увеличило и без того большой радиус поворота тягача. После замены 4-х шариковых шарниров равных угловых на шарниры неравных угловых скоростей угол поворота был восстановлен до 290.

На автомобилях с другими типами шарниров угол поворота ведущих, а также ведомых колес обычно бывает 350 и более.

Рисунок 2 — Поломки вилок шарниров равных угловых скоростей, имевшие место при их испытаниях: а — тягач КЗКТ-538; б — автомобиль ЗИЛ-157

Если передний мост отключается, как сделано на грузовиках ГАЗ и ЗИЛ, автомобиль в основном движется с выключенным мостом, в этом случае привод вращается ведомым колесом и вилка шарнира равных угловых скоростей больше изнашивается с обратной стороны (рисунок 3, показано стрелкой).

Рисунок 3 — Износ вилки шарнира равных угловых скоростей

4-х шариковый шарнир равных угловых скоростей — конструкция довольно сложная и трудоемкая в изготовлении (рисунок 5). Передающие усилия шарики 1 и 2 (рис. 6) располагаются в шарнире в месте пересечения канавок, нарезанных на вилках по дуге с радиусом R из разных центров, смещенных от центра шарнира на величину а. При работе, когда соединяемые шарниром валы

находятся под углом друг к другу, пересечение изменяет свое положение, но всегда находится в биссекторной плоскости, делящей угол между осями валов пополам. Это обеспечивает равенство угловых скоростей соединяемых валов.

Рисунок 4 — Разрез шарнира равных

Отношение сил в треугольнике сил, показанном на рис.7, характеризует КПД шарнира:

где а — угол в шарнире; Р1 — окружная сила на ведущем валу; Р2 — окружная сила на ведомом валу.

Численные значение КПД шарнира приведены в таблице 1.

Таблица 1 — КПД шарнира неравных угловых скоростей

Угол, град. 5 10 15 20 30 40

КПД 0,996 0,984 0,965 0,939 0,866 0,766

С учетом трения в подшипниках КПД будет несколько меньше

Эксплуатация автомобилей ГАЗ-69 и УАЗ-469 с установленными на авторемонтных заводах в приводе управляемых колес шарнирами неравных угловых скоростей с плоскими рабочими поверхностями (рисунок 9) показала их надежность и высокую износостойкость. Замечаний в связи с неравномерностью вращения колес практически не было. По просьбе Минсельхоза полуоси с такими шарнирами много лет изготавливались в Кургане. Шар с пазами делали на КМЗ, короткую и длинную полуоси — на КЗКТ.

Рисунок 5 — Положение шариков угловых скоростей шарнира в биссекторной плоскости

КПД шарнира неравных угловых скоростей с крестовиной зависит от угла, с которым работает шарнир. КПД можно определить, если из центра шарнира, соединяющего два вала, построить треугольник сил, создающих крутящие моменты на этих валах. Замыкающая сила Рс, проведенная из конца силы Р1 параллельно ведомому валу, определит величину окружной силы Р2 на ведомом валу — рисунок 6.

Рисунок 6 — Схема действия сил в шарнире с крестовиной

Рисунок 7 — Шарнир неравных угловых скоростей с плоскими рабочими поверхностями: а — шарнир в сборе; б — полуоси с вилками

Угол поворота ведомого вала такого шарнира определяется по графику на рисунке 9 или рассчитывается по формуле

tg92 = tg9i • cosa

где — угол поворота ведомого вала;

— угол поворота ведущего вала; а — угол между осями валов, соединенных, шарниром неравных угловыхскоростей.

Рисунок 8 — Неравномерность вращения ведомого вала, соединенного шарниром неравных угловых скоростей

Ритмичные колебания крутящих моментов в приводе управляемых колес с шарнирами неравных угловых скоростей в поворотных устройствах тягачей КЗКТ отмечались лишь при движении по кругу на асфальтированной площадке с полностью повернутыми колесами (угол 290). Размахи колебаний составляли 5-10% от максимального момента, рассчитанного по сцеплению на сухой дороге (коэффициент сцепления 0,7). Буксование повернутых управляемых колес вызывало появление колебаний с размахом 10-12 % от максимального момента. С шарнирами равных угловых скоростей размахи колебаний момента в этих условиях практически отсутствовали.

При движении по кругу на грунтовой площадке размахи колебаний имели место как с шарнирами равных так и неравных угловых скоростей, причем заметной разницы в колебаниях не было. Если неровности на грунтовой площадке значительные, то размахи могут достигать и 30 и 50% от максимального момента по сцеплению независимо от того, какие шарниры в приводе. На грунтовых дорогах колебания момента в приводах к управляемым колесам могут превышать те, которые создаются шарнирами неравных угловых скоростей, и колебания момента, вызванные неравномерным вращением соединяемых шарниром валов, становятся не заметны.

Размахи колебаний зависят от скорости движения (чем больше скорость, тем больше размах) и состояния дороги. На дорогах с небольшими поворотами разницы в нагружении приводов с шар-

СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 11

нирами равных и неравных угловых скоростей практически не наблюдалось.

Установлено, что создаваемые полуосевыми шарнирами неравных угловых скоростей колебания при повернутых колесах распространяется на главную передачу и карданный вал, соединяющий главную передачу и проходной редуктор. За проходным редуктором действие этих шарниров не заметно: запись моментов и оборотов велась одновременно на всех карданных валах, соединяющих эти агрегаты.

На устойчивость и управляемость тягачей шарниры неравных угловых скоростей не влияют.

Длительные ходовые испытания тягачей, в поворотных устройствах которых были шарниры неравных угловых дали положительный результат, что позволило рекомендовать заменить в поворотном устройстве шарниры равных угловых скоростей на шарниры неравных угловых скоростей.

За 30 лет эксплуатации двух- и четырехосных тягачей КЗКТ, в поворотных устройствах которых были установлены шарниры неравных угловых скоростей, замечаний к приводам не было. Как достоинство всегда отмечалась простота и надежность привода. Но использовать такой привод можно, если на автомобиле имеются колесные редукторы с достаточно большим передаточным числом, снижающем подводимый к управляемым колёсам крутящий момент, который не вызывает угловые колебания повернутых колес

1 Гост Р 52430- 2005. Автомобильные транспортные средства. Передачи карданные автомобилей с шарнирами неравных угловых скоростей.

2 Лукин П. П. и др. Конструирование и расчет автомобиля : учебник для студентов втузов, обучающихся по специальности «Автомобили и тракторы». М.: Машиностроение, 1984. 376 с.

3 Автомобиль МАЗ-537 и его модификации. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М.: Военное издательство, 1984. 459 с.

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Д.А. Троценко, И.А. Тараторкин, И.В. Лисихин, А.К. Давыдов