Карданный шарнир для чего

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Шарниры

По своей базовой конструкции продольные и по­перечные приводные валы похожи, но специаль­но адаптированы под разные задачи.

Продольные валы должны быть рассчитаны на высокую частоту вращения, угол в их шарнирах обычно мал, и при небольшой массе они долж­ны иметь небольшие размеры, обеспечивающие компактность туннеля для карданного вала.

К поперечным валам требования другие. Они рассчитаны на меньшую частоту вращения, чем продольные валы, но должны работать с боль­шими углами в шарнирах и обеспечивать осевое перемещение.

Для удовлетворения этим требованиям суще­ствуют шарниры самого разного типа.

Карданные шарниры

Карданный шарнир относится к самым старым конструктивным элементам в автомобилестрое­нии.

Карданный шарнир состоит из двух вилок, ко­ваной крестовины, четырех чашек с игольчатыми подшипниками и стопорных колец.

Одна вилка приварена к трубе карданного вала, а другая выполнена заодно с фланцем шар­нира или со шлицевым валом. Карданные шарни­ры с игольчатыми подшипниками — разборные, чашки с этими подшипниками можно заменять. Чтобы при высокой частоте вращения вала эти чашки не вышли из вилки, они фиксируются в проушинах стопорным кольцом или стопорной шайбой.

Чаще всего применяются карданные шарниры с разборными проушинами вилок (рис. 1 «Разборный карданный шарнир с игольчатыми подшипниками«). Ре­монтопригодность таких шарниров выше благо­даря возможности быстро заменить крестовину, разобрав проушины.

Другой вариант конструкции — карданные шар­ниры с подшипниками скольжения (рис. 2 «Неразборный карданный шарнир с подшипниками скольжения«), они имеют запрессованные чашки с вкладышами и не разбираются.

Герметичность игольчатых подшипников в карданных шарнирах обеспечивается рабочими кромками уплотнения в чашке, поэтому смазоч­ным шприцом нужно действовать аккуратно, не нагнетая смазку слишком резко.

Шарниры равных угловых скоростей

На переднеприводных автомобилях при повороте управляемых колес шарнирам приводных валов приходится работать под такими большими угла­ми, что применение простых карданных шарниров невозможно из-за неравномерности вращения.

В настоящее время почти на всех легковых автомобилях применяются только шарниры равных угловых скоростей.

Между тем, шарниры бывают самого разного типа. ШРУСы принципиально различаются по ха­рактеру применения и устройству шарнира (рис. 3 «Типы шарниров«).

Эти два основных отличительных признака обусловлены конструкцией.

Жесткие шарниры

Как видно из названия, эти шарниры жестко сое­динены с приводным валом и не допускают осе­вого смещения. Это обеспечивается стопорным кольцом, кулачком или специальной штамповкой.

Задача этих шарниров — обеспечивать поворот управляемых колес и одновременно передавать крутящий момент на эти колеса.

Жесткий шариковый шарнир

В таких шарнирах (рис. 4 «Жесткий шариковый шарнир«) усилие передается несколькими шариками, которые перекатывают­ся в специальных канавках.

Основными элементами жесткого шарикового шарнира являются внутренняя обойма, шесть шариков (чаще всего) и корпус (наружная обойма). Такие шариковые шарниры могут работать под углом до 50°.

Для точного перемещения шариков по канав­кам между корпусом и внутренней обоймой име­ется сепаратор.

Шарики постоянно занимают положение, соот­ветствующее половине угла между осями валов. Центр окружностей канавок не совпадает с централь­ной точкой шарнира — это называется смещением.

При пересекающихся канавках внутренней обоймы и корпуса шарики всегда стремятся в биссекторную плоскость.

Внутреннее устройство жестких шариковых шарниров может различаться, например, по фор­ме канавок для шариков. В сечении эти канавки могут представлять собой дугу окружности или эллипса.

Различают шарниры типов АС, RF и UF:

Выбор того или иного типа шарниров зависит от конкретной конструкции автомобиля.

Жесткий трехшиповый шарнир («трипод»)

Этот тип шарниров (рис. 5 «Жесткий трехшиповый шарнир«) очень популя­рен у французских автопроизводителей. Его отличает простота конструкции и изготовле­ния.

Известный под названием «наружный трипод Glaenzer» (GE — Glaenzer Exterieur), этот шарнир имеет максимальный угол 45°. В его основе — трехшиповая ступица, которая воспринимает крутящий момент через ролики на игольчатых подшипниках.

Универсальные шарниры

Эти шарниры должны допускать определенный угол отклонения и осевую подвижность. Их зада­ча — не только обеспечивать передачу крутяще­го момента при движении колес вверх-вниз, но и компенсировать изменение длины приводных валов при повороте управляемых колес.

Универсальный шариковый шарнир

Этот шариковый шарнир (рис. 6 «Универсальный шарнир«) тоже состоит из внутренней обоймы, шариков и наружной обоймы.

Максимальный угол в универсальном шарнире составляет около 22°. Осевое перемещение в таких шарнирах варьи­руется в диапазоне от 22 до 55 мм.

Изготовители подразделяют их на шарниры типа DO и VL:

Универсальный трехшиповый шарнир («трипод»)

Универсальный трехшиповый шарнир (рис. 7), как и жесткий «трипод», отличается простой кон­струкцией. Этот шарнир может работать под углом до 25° и обеспечивает осевое перемещение до 55 мм.

Ролики на шипах трипода сидят на игольчатых подшипниках, что минимизирует силы трения и снижает осевую нагрузку. За счет этого увеличи­вается срок службы шарнира.

В отдельных случаях, когда осевые усилия должны быть минимальными даже при боль­ших углах отклонения, оптимальным решением является разработанный компанией GKN шар­нир AAR (Angular Adjusted Roller Joint) (рис. 8 «Шарнир типа AAR и вид обоих шарниров (с трением скольжения и качения) в разрезе«).

Благодаря выпуклой форме шипов ступи­цы ролики перемещаются всегда параллельно своим пазам. Тем самым достигается чистое трение качения (в отличие от шарнира с «обыч­ной» трехшиповой ступицей, где есть трение качения и скольжения), поэтому шарниры дан­ного типа отличаются минимальными потерями на трение.

Универсальные высокооборотные шарниры

На легковых автомобилях продольные приво­дные валы передают меньший крутящий момент, поэтому здесь тоже можно использовать ШРУСы, которые выполнены в виде универсальных высо­кооборотных шарниров и работают под углом до 10° (рис. 9 «Высокооборотный трехшиповый шарнир«).

Их преимущество — в способности работать на высоких оборотах (до 9000 об/мин) при абсолют­но синхронном вращении.

Эластичные шарниры

Если карданный вал отклоняется лишь на небольшой угол, можно использовать эластичные шарниры. В этом случае речь идет в основном о резинотканевых муфтах или эластичных резиновых муфтах с предварительным натягом, обладающих особыми свойствами.

Резинотканевая дисковая муфта

Благодаря малому дисбалансу, высокой нагру­зочной способности, компактности, простоте из­готовления и вибродемпфирующим свойствам резинотканевые дисковые муфты (рис. 10 «Цельная резинотканевая дисковая муфта«) оптимально подходят для применения в транс­миссии легковых автомобилей.

Вулканизированные в резиновую основу крепежные втулки связаны друг с другом пакета­ми петель из нейлонового или вискозного корда. Изменяя количество и материал петель в пакетах, можно изготавливать муфты для передачи раз­личных по величине крутящих моментов.

Комбинирование работающих на растяжение пакетов петель с эксцентрическими резиновыми подушками позволяет реализовать различные углы кручения в режимах тяги и принудительного холостого хода.

Резиновая муфта

Резиновые муфты (рис. 11 «Стянутая лентой резиновая муфта«) отличаются тем, что не требуют никакого обслуживания. Они отцентрированы для передачи высокой частоты вращения карданных валов и могут работать под углом около ±8°.

Такая муфта состоит из работающих на сжа­тие резиновых сегментов с предварительным на­тягом, вулканизированных на радиально рас­положенные шайбы.

Монтаж резиновой муфты выполняется под предварительным натягом, который создается стальной лентой, стягивающей муфту по периме­тру. После установки эту ленту необходимо снять.

Хотя резиновые муфты применимы только при малых углах отклонения валов, они обладают весьма положительными свойствами:

Упругий полукарданный шарнир

В этом шарнире (рис. 12 «Упругий полукарданный шарнир с резиновыми элементами и центрирующим кольцом«) направляющий стер­жень сидит в центрирующем кольце муфты, в результате чего за счет упругого крепления ре­зиновых элементов возможны небольшие углы отклонения вала.

Упругий полукарданный шарнир не требует об­служивания и работает бесшумно.

Источник

Важный узел транспортного средства — карданный вал. Что это за деталь? Для чего нужна? Где находился? Читайте в нашей публикации.

Что такое карданный вал

Назначение карданного вала – передача крутящего момента. В автомобилях он устанавливается между коробкой передач и редуктором моста. Для заднеприводных моделей монтируется один вал, в полноприводных – два. Такую же конструкцию используют в системе рулевого управления, для подключения внешних блоков к спецтехнике – тракторам, экскаваторам.

Для спецтехники разрабатывают модели для экстремальных условий – большая механическая нагрузка, минимизация влияния загрязнения.

Функция карданной передачи

В машине кардан нужен для передачи крутящего момента от КПП или раздаточной коробки к редукторам моста. Сложность заключается в том, что оси вращения коробки и моста находятся в разных плоскостях. Поэтому кардан установлен не четко в горизонтальной плоскости, а под небольшим углом.

Виды карданных валов

Тип карданной передачи зависит от назначения. Компоновка разрабатывается на стадии проектирования. Выбор, зачем нужен карданный вал конкретной конструкции определяется техническими характеристиками автомобиля. В некоторых случаях необходим монтаж многовального механизма с несколькими шарнирами.

Асинхронные

Асинхронная схема применяется во многих автомобилях с задним или полным приводом. Особенность – в процессе движения формируются неравные угловые скорости. Это происходит из-за соединения двух вилок с помощью крестовины под прямым углом. Второстепенный вал 2 раза отстает и 2 раза обгоняет главный.

Для компенсации устанавливают дополнительные карданные шарниры неравных скоростей. Они монтируются на концах вала. При такой схеме допускается изменение угла между трубами до 20°. Недостаток – из-за усложнения нужно частое обслуживание, ремонт.

Синхронные

Решением проблемы асинхронных моделей стали ШРУСы – шарниры равных угловых скоростей. Они имеют различную конструкцию. На автомобилях Pegout и Renault монтируют «Трипод». В нем передача крутящего момента происходит через 3 сферических ролика. Они скользят в пазах вилки ведомого вала.

Особенность синхронных карданов – возможность работать при углах отклонения до 70°. Происходит снижение вибрации, увеличивается безремонтный срок эксплуатации. Недостатки – есть вероятность повреждения пыльников на бездорожье.

Гибкая и жесткая полукарданная передача

Это одна из разновидностей карданного вала, предназначенная для компенсации угловых поворотов, небольшого изменения расстояния между КПП и задним мостом во время движения. Упругое звено изготавливается из резинотканевого материала или резины. Компенсация изменения угла происходит за счет сжатия или растяжения этого элемента.

Жесткий карданный шарнир устанавливается в автомобилях редко. Причина – низкая степень надежности, повышенный шум во время работы. Конструкция применяется для компенсации дефектов монтажа.

Как проверить состояние карданного вала

Первые признаки появления неисправностей в кардане – шум и повышенная вибрация. Вторичные «симптомы» – протечка масла в месте состыковки вала с КПП, во время переключения передачи возникает стук. Для проверки необходима эстакада или смотровая яма. Нужен свободный доступ ко всем элементам, хорошее освещение.

Важно: можно попытаться сделать балансировку кардана в домашних условиях. Но это не гарантирует полное устранение дефектов.

Демонтаж и установка карданного вала

Определить точное время, когда нужно менять кардан, могут только специалисты. Явные признаки неисправности – значительные механические повреждения, дефекты соединений, деформации. Для демонтажа кардана необходимо поставить машину на эстакаду или над смотровой ямой.

Важно своевременно проводить обслуживание и диагностику карданной передачи. Это поможет минимизировать появление поломок, неисправностей.

Если Вы заметили ошибку, неточность или хотите дополнить материал, напишите об этом в комментариях, и мы исправим статью!

Источник

4.7. Карданные передачи и шарниры равных угловых скоростей

Карданная передача предназначена для передачи вращающего момента между валами агрегатов трансмиссии, расположенными под постоянными или переменными углами один относительно другого.

Такое положение валов обусловлено как погрешностями изго­товления, так и конструктивными особенностями транспортного средства. Например, ведущий задний мост автомобиля подрессо­рен, и положение его входного вала постоянно меняется во время движения относительно выходного вала КП. В ряде случаев валы агрегатов находятся в разных плоскостях из-за неточности монта­жа. В процессе эксплуатации транспортного средства происходит также деформация его рамы и, как следствие, нарушается соос­ность валов агрегатов, закрепленных на ней.

Карданная передача состоит из трех основных элементов: кар­данных шарниров, карданных валов и их опор.

Основные требования, которым должна удовлетворять кардан­ная передача, следующие:

• синхронность угловых скоростей, связанных передачей валов;

• хорошая уравновешенность деталей карданной передачи;

• простота и надежность конструкции.

В зависимости от числа карданных шарниров карданные пере­дачи чаше всего бывают одно-, двух- и трехшарнирные.

Наибольшее распространение получила двухшарнирная кардан­ная передача, состоящая из двух карданных шарниров и соединя­ющего их карданного вала. При значительном расстоянии между агрегатами их соединяют трехшарнирной карданной передачей с про­межуточной опорой, а при небольшом расстоянии, если механиз­мы находятся на одном основании, например, на раме автомоби­ля, — одношарнирной.

По кинематическому признаку различают шарниры неравных (асинхронные) и равных (синхронные) угловых скоростей.

Карданный шарнир неравных угловых скоростей (рис. 4.20, а) включает в себя ведущую 2 и ведомую 4 вилки, которые шарнир­но соединены между собой крестовиной 3. Ведущая вилка жестко соединена с ведущим валом 1, а ведомая вилка с ведомым ва­лом 6 жестко или с помощью подвижного шлицевого соединения 5 для изменения его длины. Вращающий момент от ведущего вала 1 к ведомому валу 6, оси которых расположены под углом γ одна к другой, передается шарниром в результате поворота ведо­мой вилки 4 относительно оси ББ, а крестовины относительно оси АА ведущей вилки 2. Ведомый вал при этом вращается нерав­номерно по отношению к ведущему валу.

Рис. 4.20. Карданная передача с шарнирами неравных угловых скоростей:

Взаимосвязь углов поворота α ведущего и ß ведомого валов при их вращении можно выразить следующей формулой tgα-tgßcosγ,

где α — угол поворота ведущего вала при вращении, ß — угол поворота ведомого вала при вращении, …°; γ — угол между вала­ми, …°.

Неравномерность вращения карданной передачи устраняется установкой второго шарнира.

Карданные передачи с шарнирами неравных угловых скоростей привода заднего ведущего моста передают вращающий момент от КП 7 (рис. 4.20, б) к ведущему валу 14 главной передачи 13, расположенной в картере ведущего моста автомобиля. Эта переда­ча состоит из основного 12 и промежуточного 9 карданных валов, промежуточной опоры 10, двух конечных карданных шарниров 8 неравных угловых скоростей и промежуточного карданного шар­нира 11 неравных угловых скоростей. Промежуточный карданный шарнир 11 связан с основным карданным валом 12 при помощи шлицов. Основной карданный вал имеет два карданных шарнира, что обеспечивает равномерное вращение ведущего вала 14 глав­ной передачи.

Равномерное вращение ведущего вала 14 главной передачи воз­можно при следующих условиях: углы между карданными валами промежуточным 9 и основным 12, а также между основными кар­данным валом 12 и ведущим валом 14 главной передачи равны между собой, т.е. γ₁ = γ ₂; вилки шарниров, соединенные с основ­ным карданным валом 12 находятся в одной плоскости; валы 9, 12 и 14 также находятся в одной плоскости.

При соблюдении указанных условий неравномерности угловых перемещений шарниров, установленных в начале и конце основ­ного карданного вала 12, взаимно компенсируются, и данная кар­данная передача в целом является синхронной, т.е. представляет собой карданную передачу равных угловых скоростей. Карданная передача с двумя сочленениями может применяться при углах между валами не более 20…30°.

При вращении из-за неравномерного распределения массы по сечению карданного вала появляется центробежная сила, изгиба­ющая его в поперечной плоскости и вызывающая поперечные колебания вала. Это создает дополнительные нагрузки на детали карданной передачи и уменьшает ресурс работы. Для повышения надежности передачи карданный вал изготовляют из тонкостен­ной трубы большого диаметра и делают по возможности меньшей длины.

Карданная передача автомобиля, выполненная по рассмотрен­ной схеме, показана на рис. 4.21. В данную конструкцию входят передний, промежуточный и задний карданные шарниры, про­межуточный 3 и основной 10 карданные валы и кронштейн 17 промежуточной опоры с подшипником 18. Промежуточный карданный шарнир неравных угловых скоростей состоит из вала 20, выполненного как одно целое с ведущей вилкой 9, ведомой вил­ки 8 и соединяющей их крестовины 14. Вал 20 с помощью шли­цов 19 соединен с промежуточным карданным валом 3. Шлицевое соединение обеспечивает возможность изменения длины кардан­ной передачи в процессе ее работы. Между цапфами крестовин и осями вилок установлены игольчатые подшипники, стаканы 13 которых от осевых смещений и проворачивания удерживают крыш­ки 15, входящие выступами в торцовые пазы стаканов. Вытека­нию смазки из игольчатых подшипников препятствуют резино­вые манжеты 16, а из шлицевого соединения — резиновые коль­ца 5 и войлочный сальник 6. Шлицевое соединение защищено от проникновения грязи прорезиненным чехлом 7. Смазку к иголь­чатым подшипникам нагнетают через масленки. Шлицевое соеди­нение смазывают при сборке карданной передачи.

Рис. 4.21. Карданная передача автомобиля:

1, 2 — ведущая и ведомая вилки переднего карданного шарнира; 3 — промежуточный карданный вал; 4 — резиновая подушка промежуточной опоры; 5— резиновое кольцо; 6 — войлочный сальник; 7— прорезиненный чехол; 8,9— ведомая и ведущая вилки промежуточного карданного шарнира; 10 — основной карданный вал; 11,12 — ведущая и ведомая вилки заднего карданного шарнира; 13 — стакан; 14 — крестовина; 15 — крышка; 16 — резиновая манжета; 17 — кронштейн промежуточной опоры; 18 — подшипник промежуточной опоры; 19— шлицы; 20— вал ведущей вилки промежуточного карданного шарнира; 21 — балансиро­вочные пластины; ИП — иголки подшипника

Промежуточный 3 и основной 10 карданные валы изготовлены из тонкостенных труб. Спереди к промежуточному карданному валу 3 приварена ведомая вилка 2 переднего карданного шарни­ра, а ведущая вилка 1 этого шарнира соединена с фланцем вто­ричного вала КП. Ведомая вилка 8 промежуточного шарнира и ведущая вилка 11 заднего карданного шарнира закреплены на ос­новном карданном валу 10. Ведомая вилка 12 заднего шарнира соединена с фланцем ведущего вала главной передачи. Карданные валы после изготовления балансируют посредством приварных ба­лансировочных пластин 21. Задним концом промежуточный кар­данный вал 3 опирается на промежуточную опору, закрепленную болтами на поперечине рамы автомобиля. Опора состоит из кронштейна 17 промежуточной опоры и подшипника 18, расположен­ного в резиновой подушке 4, которая гасит вибрации и уменьша­ет нагрузки на промежуточный вал. Нагрузки могут быть вызваны неточностью установки и деформациями рамы.

Шарниры равных угловых скоростей (ШРУС) по конструкции бывают шариковые, кулачковые и сдвоенные. Эти шарниры обычно применяются в приводе ведущих управляемых колес.

Наибольшее распространение получил шариковый карданный шарнир равных угловых скоростей с делительными канавками, пока­занный на рис. 4.22, а.

Вилки 1 и 5 в данном шарнире имеют по четыре делительные канавки 2 и 4, средние линии которых представляют собой окруж­ности с одинаковыми радиусами и центрами О₁ и О₂, равноудален­ными от центра шарнира О. При сборке шарнира в канавки вилок, расположенных под прямым углом, закладывают четыре рабочих шарика 3. Предварительно между вилками устанавливается центри­рующий шарик 6 на штифт 7, который входит в отверстия центри­рующего шарика 6 и одной из вилок. Бывают шариковые шарни­ры, в которых центрирующий шарик устанавливают без штифта.

Рис. 4.22. Шариковый карданный шарнир равных угловых скоростей с делительными канавками:

а — устройство шарнира; б — принцип действия; 1,5— вилки; 2,4 — делитель­ные канавки; 3 — шарик; 6 — центрирующий шарик; 7 — штифт; О — центр шарнира; О₁ — центр окружности средней линии делительной канавки 2; О₂ — центр окружности средней линии делительной канавки 4; АА — биссекторная плоскость

Принцип действия шарнира (рис. 4.22, б) состоит в том, что при передаче вращающего момента под углом, рабочие шарики шарниров располагаются в биссекторной плоскости АА, делящей угол между валами пополам, что обеспечивает равномерное вра­щение ведомого вала.

Так как рабочие шарики 3 расположены симметрично относи­тельно центра шарнира, при передаче вращающего момента под углом их центры описывают окружности в биссекторной плоско­сти АА, при этом в передаче момента участвуют только два шари­ка. Шарнир может передавать момент под углом до 40°.

К достоинствам шарикового шарнира следует отнести боль­ший, чем у других шарниров, КПД, благодаря чему увеличивает­ся срок его службы. В то же время они сложнее и дороже.

Кулачковый шарнир равных угловых скоростей (рис. 4.23) состо­ит из вилок 2 и 6, связанных с наружной 1 и внутренней 7 полу­осями. В вилки 2 и 6 вставлены два полуцилиндрических кулака 3 и 5, в пазы которых входит диск 4, представляющий собой цент­ральное звено шарнира. Перемещение валов при вращении про­исходит относительно цилиндрических поверхностей полуцилиндрических кулаков 3 и 5 и цилиндрической поверхности диска 4. Оси кулаков и диска расположены взаимно-перпендикулярно. Кулачковый шарнир проще и дешевле шариковых шарниров, но КПД его ниже.

Рис. 4.23. Кулачковый шарнир равных угловых скоростей: 1,7 — наружная и внутренняя полуоси; 2, 6— вилки; 3, 5 — полуцилиндрические ку­лаки; 4 — диск

В приводе к ведущим управляемым колесам иногда применя­ются также сдвоенные синхронные карданные шарниры — два карданных шарнира неравных угловых скоростей, выполненных в виде единого узла.

Источник