Глава 6. Карданные передачи (стр. 1 )

Глава 6.

карданные передачи

1. Назначение карданных передач

Передачу крутящего момента при несовпадении осей валов и изменении их взаимного положения способны обеспечить карданные шарниры. Валы, соединяющие карданные шарниры, называются карданными валами. Механизм, состоящий из одного или нескольких карданных валов и карданных шарниров и предназначенный для передачи крутящего момента между агрегатами, оси которых не совпадают и могут изменять свое положение, называется карданной передачей. Для компенсации изменения расстояния между агрегатами трансмиссии и карданной передачей могут использоваться подвижные в осевом направлении шлицевые муфты.

К карданным передачам предъявляют следующие требования:

-  передача крутящего момента без создания дополнительных нагрузок в трансмиссии (изгибающих, скручивающих, вибрационных, осевых);

-  возможность передачи крутящего момента с обеспечением равенства угловых скоростей ведущего и ведомого валов независимо от угла между соединяемыми валами;

-  высокий КПД;

-  бесшумность.

На длиннобазных автомобилях часто карданная передача состоит из двух валов: промежуточного и главного (перед­него или заднего). Это необходимо в тех случаях, когда применение длинного вала может привести к опасным поперечным колебаниям, в результате совпадения его критической угловой скорости с эксплуатационной. Короткий вал обладает более высокой критической частотой. Промежуточный вал устанавливается на промежуточной опоре.

Если промежуточный вал связывает ведомый вал коробки передач с главным карданным валом (автомобили ВАЗ, ЗИЛ), то промежуточная опора должна иметь некоторую эластичность. Это необходимо по той причине, что силовой агрегат автомобиля (двигатель, сцепление, коробка передач), установленный на упругих подушках, имеет некоторую свободу как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. По этой причине корпус подшип­ника промежуточной опоры установлен в кронштейне с резиновым кольцом 1, а кронштейн укреплен на поперечине рамы (рис. 1-а).

На некоторых автомобилях применяют промежуточные опоры с жестко установленными в корпусе подшипниками, но сам корпус в этом случае может качаться на цапфах, которые связаны с кронштейном, закрепленным на поперечине рамы.

На трехосных автомобилях, имеющих автономный кардан­ный привод к промежуточному и заднему мостам, на промежуточном валу обычно устанавливают жесткую опору (рис. 1-б).

Рис.1. Промежуточные опоры карданного вала:

а – упругая; б – жесткая.

Карданные шарниры неравных угловых скоростей (асинх­ронные), имеющие две фиксированные оси качания, используют в карданной передаче при наклоне ведомого вала на угол не более 20°.

Некоторые варианты трансмиссий автомобилей с различным сочетанием расположений карданных передач неравных угловых скоростей приведены на рис. 2.

Универсальные карданные шарниры отличаются от простых тем, что в них осевая компенсация осуществляется в самом механизме шарнира без использования дополнительного шлицевого соединения (муфты).

Карданные шарниры равных угловых скоростей (синхрон­ные) применяют в приводе ведущих управляемых колес (рис. 1-а и 1-б); угол наклона ведомого вала в зависимости от конструкции шарнира может достигать 45°. Некоторые конструкции синхронных шарниров выполня­ются с компенсирующим устройством внутри механизма, то есть являются универсальными.

Рис.1-а. Привод передних колес:

/ — корпус внутреннего шарнира; 2 — фиксатор внутреннего шарнира; 3 — кольцо крепления чехла; 4— вал привода передних колес; 5— защитный кожух чехла; 6 — защитный чехол; 7— упорное кольцо обоймы; 8 — сепаратор; 9 — хомут; 10— ша­рик; 11— обойма; 12 — стопорное кольцо обоймы; 13 — корпус наружного шарнира.

Рис.1-б. Детали наружного шарнира привода передних колес:

1 — корпус шарнира; 2 - сепаратор; 3 — обойма; 4 — шарики.

Рис.2. Схемы трансмиссий автомобилей:

а – с одним задним ведущим мостом; б - с передним и задним ведущими мостами; в - с двумя задними ведущими мостами; г и д – с тремя ведущими мостами; е - четырьмя ведущими мостами; 1 – сцепление; 2 – коробка передач; 3 и 6 – карданные валы; 4 и 8 – задние ведущие мосты; 5 – передний ведущий мост; 7 – раздаточная коробка.

2. Карданные шарниры неравных угловых скоростей

Обычный карданный шарнир имеет две вилки и крестовину. Вилки могут покачиваться относительно шипов крестовины, что дает возможность передавать крутящий момент от одного вала к другому при угловом несовпадении их осей.

Рис.3. Кинематика карданного шарнира неравных угловых скоростей.

Рассмотрим два положения карданного шарнира, отличающиеся тем, что во втором случае ведущий вал повернут на 900 относительно первоначального положения.

В положении, изображенном на рис. 3-а, мгновенная окружная скорость точки А может быть выражена через угловые скорости ведущего и ведомого валов следующим образом:

VА = ω1 ·r = ω2 ·r ·cos α,

где ω1- угловая скорость ведущего вала;

ω2 - угловая скорость ведомого вала.

Откуда:

.

В положении, изображенном на рис.3-б, мгновенная окружная скорость точки В равна:

VВ = ω2 ·r = ω1 ·r ·cos α.

Таким образом:

.

При повороте ведущего вала на еще на угол 900 мгновенная угловая скорость ведомого вала опять станет равной . Следовательно, при ω1 = const дважды за один оборот угловая скорость ведомого вала изменяется в интервалах:

ω1 ·cos α < ω2 < ,

что иллюстрируется графиком, приведенным в нижней части рис.2.

Очевидно, что при постоянных моменте и скорости ведущего вала мощность, передаваемая ведомому валу, будет постоянной. Это означает, что пульсации угловой скорости ведомого вала будет вызывать синхронное зменение крутящего момента, что увеличивает динамическую нагруженность деталей трансмиссии. Колебания крутящего момента будут передаваться на кузов в виде вибраций, ухудшающих комфортабельность автомобиля.

Поскольку наличие в транмиссии шарнира неравных угловых скоростей является причиной возникновения дополнительных динамических нагрузок и вибраций, необходимо свести к минимуму последствия его применения. Равномерность вращения выходного вала передачи можно добиться, используя два карданных шарнира неравных угловых скоростей (рис.4).

Рис.4. Схемы двух шарнирной карданной передачи.

В этом случае неравномерность частоты вращения, порождаемая первым шарниром, будет гаситься вторым при условии, что выполняются следующие требования:

1)  углы между валами 1 и 2 и валами 2 и 3 равны между собой по абсолютной величине (γ1 = γ2); при этом возможно взаимное расположение валов как показано на рис.3-а и рис.3-б;

2)  второй шарнир повернут относительно первого на 900; это приведет к соответствующему сдвигу по фазе порождаемых им колебаний, и компенсации колебаний от первого шарнира; иными словами, вилки среднего (промежуточного) вала должны лежать в одной плоскости;

3)  все валы карданной передачи лежат в одной плоскости, причем расположение этой плоскости в пространстве безразлично.

Следует отметить, что даже в случае соблюдения этих требований частота вращения карданного вала будет пульсировать. Для её снижения стремятся уменьшить углы между валами.

Применяемые в современных автомобилях карданные шарниры неравных угловых скоростей устанавливаются на игольчатых подшипниках, которые должны надежно смазываться.

В существовавших ранее конструкциях шарниров предусматривалось обязательное периодическое заполнение полости крестовины жидким (трансмиссионным) маслом через масленку, а для предохранения сальников от пробоя при нагнетании масла служил клапан. Периодическое пополнение смазочного материала было необходимо, так как масло недостаточно надежно удерживалось сальниковыми уплотнениями. Кроме того, наличие клапана не позволяло надежно смазы­вать все подшипники и удалять отработанный смазочный материал.

В настоящее время на большинстве автомобилей приме­няются карданные шарниры, не требующие частого периодического смазывания в процессе эксплуатации. В таких шарнирах применяется пластичный смазочный материал: смазка № 000, ЛИТОЛ-24 или ФИОЛ-2У, который удерживается надежными сальниковыми уплотнителями. Смазочный материал закладывается в стаканчики с игольчатыми подшипниками при сборке шарнира (например, автомобили ВАЗ) или небольшие углубления в торцах шипов крестовины. Для удаления отработанного смазочного материала и заполнения новым шарнир необ­ходимо демонтировать. В этих шарнирах нет масленок и клапанов.

В ряде современных карданных шарниров, смазываемых пластичным смазочным материалом, сохраняется масленка или резьбовое отверстие, закрытое резьбовой пробкой, а клапан отсутствует. Нагнетаемый смазочный материал заполняет полость крестовины и поступает к подшипникам, а излишки его выдавливаются через резиновые сальниковые «проточные» уплотнения. Уплотнение состоит из радиального сальника и двухкромочного торцового сальника, предохраняющего подшипник от попадания пыли и грязи.