Глава 6. Карданные передачи (стр. 3 )

Ведущий вал 1 снабжен шипом 3, который через аналогично расположенный на вале 2 шип 4 передает ему крутящий момент. По условию положение валов 1 и 2 задано таким образом, что ОС = ОД.

При вращении валов в какой-то момент точка контакта валов совпадает с тачкой А. Треугольники АОС и АОД равны, из чего вытекает, что линия АО совпадает с биссектрисой угла между валами 1 и 2. При этом мгновенные угловые скорости валов равны, так как точка их контакта находится на одинаковом расстоянии от обоих валов r1 = .

Рис.10. Кинематика шарикового шарнира равных угловых скоростей.

Если вывернуть валы на половину оборота, то контакт произойдет в точке В, лежащей на биссектрисе угла между валами. Расстояние между точкой контакта и осями валов r1 = , и, следовательно, угловые скорости также останутся равными.

Таким образом, при любом положении валов точка их контакта находится на равном от них расстоянии, то есть ω1 = ω2, что является особенностью шарниров равных угловых скоростей. Естественно, при этом необходимо обеспечить постоянное положение точек контакта валов в биссекторной плоскости, что может быть конструктивно реализовано несколькими способами.

Четырехшариковый карданный шарнир с делительными канавками типа «Вейс» (рис. 11). Устанавливается на ряде отечественных автомобилей (УАЗ-469, ГАЗ-66, ЗИЛ-131) в приводе управляемых ведущих колес.

Усилие от вилки 1 к вилке 5 передается через шарики 3, которые перемещаются по криволинейным канавкам 2 и 4, расположенным симметрично в вилках 1 и 5, во взаимно перпендикулярных плоскостях. Средние линии этих канавок представляют собой окружности одинакового радиуса, проведенные из центров О1 и О2 (рис. 11-а), расстояния от которых до центра кардана О одинаковы. Оси канавок при вращении образуют две сферические поверхности, пересекающиеся одна с другой по окружности n n, которая и является траекторией движения шариков 3. Вследствие симметричного расположения канавок в обеих вилках, при угловом смеще­нии валов, центры шариков всегда находятся в биссекторной плоскости.

Рис.11. карданный шарнир с делительными канавками типа «Вейс».

При вращении по часовой стрелке усилие передается через одну пару шариков, а при вращении в обратном направле­нии — через вторую пару. В этом кардане даже при не­большом осевом смещении одной вилки относительно другой по­лучается значительное измене­ние окружности n n, являющей­ся траекторией движения шари­ков 3. Поэтому вилки карданов должны четко фиксироваться по отношению друг к другу. Для этого между торцами ви­лок вводят установочный ша­рик 6 (рис.11-б). Шпилька 7 входит внутрь шарика 6 и фик­сирует его, а шпилька 8 запи­рает шпильку 7 в вилке. Лыска на шарике необходима для про­хода шариков 3 при сборке и разборке кардана. На рис. 11-в показана установка такого кардана в передней ведущей оси автомобиля ГАЗ-63. Устано­вочное кольцо 9 служит для осе­вого крепления кардана и для воспринятия осевых нагрузок.

Карданные шарниры этого типа обеспечивают предельный угол между валами γ = 30…320. Малая трудоемкость изготовления (наименьшая по сравнению с синхронными шарнирами других типов), простота конструкции и низкая стоимость обеспечили их широкое распространение. КПД шарнира достаточно высокий, так как в нем преобладает трение качения.

Следует отметить некоторые особенности этого шарнира, ограничивающие возможность его применения. Передача усилия только двумя шариками при теоретически точечном контакте приводит к возникновению больших контактных напряжений. Поэтому четырехшариковый карданный шарнир обычно устанавливают на автомобилях с нагрузкой на ось не свыше 25...30 кН. При работе шарнира возникают распорные нагрузки, особенно если центр шарнира не лежит на оси шкворня. Для точной установки шарнира необходимы упорные специальные шайбы или подшип­ники.

Долговечность в эксплуатации обычно не превышает 25000...30000 км. В изношенном шарнире шарики при передаче повышенного крутящего момента, когда кулаки несколько деформируются, могут выпасть, что приводит к заклиниванию шарнира и потере управляемости. Износу наиболее подвержены средние части канавок, что соответствует прямолинейному движению, причем ненагруженные канавки изнашиваются больше, чем нагруженные. Объясняется это тем, что нагружается шарнир при сравнительно редком включении переднего ведущего управляемого моста для движения в тяжелых до­рожных условиях. Однако, большая часть пробега автомобиля со­вершается с выключенным передним мостом, когда шарнир нагружается в обратном направлении небольшим, но длительно действующим моментом сопротивления вращению части трансмиссии.

Шестишариковый карданный шарнир типа Рцеппа. На ином принципе действия основан другой шариковый карданный шарнир равной угловой скорости (типа Рцеппа) (рис. 12). Шарики 2 в этом кардане расположены и плоскости, проходящей через центр кардана в шести меридиональ­ных канавках полукруглого профиля, сделанных на внутренней сферической поверхности корпуса 1, которым заканчивается один вал, и в наружной сферической поверхности звездочки 3 на конце второго вала (рис. 12, а). Центры сферических поверхностей совпадают с центром карданного шарнира.

Чтобы предотвратить защемление шариков в канавках или их выпадение из них, а также, чтобы обеспечить расположение шариков в биссекторной плоскости при любом смещении валов кардана, шарики заключены в сепараторную обойму 4, в торец которой упирается сфери­ческая чашка 5 (рис.12-а и б). На делительном рычажке 7 имеются три сферические поверхности, средняя из них входит без зазора в гнездо чашки 5. Рычажок 7 прижимается к сухарю 8, вставленному в конец вала, с помощью пружины 6.

Рис.12. Шестишариковый карданный шарнир с делительным рычажком типа Рцеппа

При наклоне валов шарики устанавливаются в биссекторной плоскости при помощи делительного рычажка 7, который поворачивает направляющую чашку 5, а вместе с ней и сепаратор. Делительный рычажок будет устанавливать шарики в биссекторной плоскости, если угол поворота обоймы с шариками λ равен поло­вине угла α между валами.

В данном кардане усилие от одного вала к другому передается через все шесть шариков при вращении в обоих направле­ниях. На рис. 12-г показана установка кардана типа Рцеппа в перед­ней ведущей оси автомобиля.

Точность установки шариков в биссекторной плоскости зависит от выбора длины плеч a и b делительного рычажка 7 (рис. 12-в). Этот выбор производят с учетом следующего соотношения:

,

где k = m/b; n = a/b.

При соответствующем выборе длины плеч a и b делительного рычажка данный карданный шарнир допускает максимальный угол между валами γ = 370. Так как усилие в этом шарнире передается шестью шариками, он обеспечивает передачу большого крутящего момента при малых размерах. Распорные нагрузки отсутствуют в шарнире, если центр последнего совпадает с осью шкворня. Шарнир обладает большой надежностью, высоким КПД, однако технологи­чески сложен: все детали его подвергаются обработке с соблюдением строгих допусков, обеспечивающих передачу усилий всеми шариками. По этой причине стоимости шарнира относительно высока.

Шестишариковый карданным шарнир с делительными канавками типа «Бир-фильд» (рис. 13). На кулаке 4, поверхность которого выполнена по сфере радиуса R1 (центр О), выфрезеровано шесть канавок. Канавки кулака имеют переменную глубину, так как они нарезаны по радиусу R3 (центр O1 смещен относительно центра шарнира О на расстояние а). Внутренняя поверхность корпуса 1 выполнена по сфере радиуса R2 (центр О), также имеет шесть канавок переменной глубины, нарезанных по радиусу R4 (центр O2 смещен относительно центра шарнира О также на расстояние а). Сепаратор 3, в котором размещены шарики 2, имеет наружную и внутреннюю поверхности, выполненные по сфере радиусов соответственно R2 и R1.

В положении, когда валы шарнира соосны, шарики находятся в плоскости, перпендикулярной осям валов, проходящей через центр шарнира.

Рис.13. Шестишариковый карданный шарнир с делительными

канавками типа «Бир-фильд».

При наклоне одного из валов 5 на угол γ верхний шарик выталкивается из сужающего пространства канавок вправо, а нижний шарик перемещается сепаратором в расширяющееся пространство канавок влево. Центры шариков всегда находятся на пересечении осей канавок. Это обеспечивает их расположение в биссекторной плоскости, что является условием синхронного вращения валов. Во избежание заклинивания шариков угол, под которым пересекаются оси канавок, не должен быть менее 11°20'.

В отличие от карданного шарнира с делительным рычажком, в данном шарнире профиль сечения канавок выполнен не по дуге окружности, а по эллипсу. Благодаря этому силы взаимодействия стенки канавки и шарика составляют с вертикалью угол 45°, что предохраняет кромки канавок от смятия и скалывания. Отсутствие делительного рычажка позволяет этому шарниру работать при угле между валами γ = 45°. КПД шарнира при малых углах γ превышает 0,99, а при γ = 30° соответствует 0,97. Сравнительно большие потери в шарнире при больших углах γ объясняются тем, что наряду с трением качения для него характерно трение скольжения.