Расчет поектируемого узла

Крестовина карданного шарнира должна строго центрироваться. Это достигается точной фиксацией стаканчиков / подшипников при помощи стопорных колец 2 или крышек, которые прикрепляются болтами к вилкам шарнира. Наличие зазора между торцами шипов крестовины и днищами стаканчиков недопустимо, так как это приводит к переменному дисбалансу карданного вала при его вращении. В то же время чрезмерная затяжка стаканчиков может вызвать задиры торцов шипов и днища стаканчиков, а также перекос игл.

Надежность карданного шарнира определяется в первую очередь  надежностью игольчатых подшипников, их ресурсом. Помимо бринеллирования возможно также усталостное выкрашивание (питтинг) на соприкасающихся с иголками поверхностях, что объясняется высокими контактными напряжениями. В связи с этим шипы крестовины карданного шарнира выполняются из высоколегированной стали, а рабочая поверхность стаканчиков и шипов цементуется.

Универсальный карданный шарнир неравных угловых скоростей.

В некоторых случаях осевое перемещение, компенсирующее изменение длины карданного вала, предпочтительней обеспечивать не шлицевым соединением, а непосредственно конструкцией карданного шарнира — такой шарнир называется универсальным. На рис. показан карданный вал с двумя универсальными шарнирами.  В отверстие конца вала запрессован пустотелый палец 4, на который посажены, на игольчатых подшипниках, 2 два сферических ролика. В отверстия пальца 4 вставлены центрирующие заглушки 3 со сферической поверхностью. В корпусе 5 шарнира выполнено два паза цилиндрического сечения такого же радиуса, как радиус ролика. При вращении под углом палец 4 имеет возможность, кроме вращения вокруг своей оси, наклоняться и скользить на сферических роликах по пазам. В таком шарнире осевое перемещение сопровождается значительно меньшими потерями на трение, чем в шлицевом соединении.

Полукарданные шарниры.

Упругий полукарданный шарнир допускает передачу крутящего момента от одного вала к другому, расположенному под некоторым углом, благодаря деформации упругого звена, связывающего оба вала. Упругое звено может быть резиновым,    

   Упругие   звенья   полукарданных шарниров:

а - резиновое;    б - резиновое   с    тросовым усилением

 

 Карданная передача  с упругим полукарданным шарниром:

/ и 3— фланцы; 2— втулка; 4-карданный вал; 5— центрирующее кольцо

резинотканевым или резиновым, усиленным стальным тросом. В последнем случае полукарданный шарнир может передавать значительный крутящий момент и под несколько большим углом, чем в первых двух случаях. Достоинствами полукарданного шарнира являются: снижение динамических нагрузок в трансмиссии при резких изменениях частоты вращения (например, при резком включении сцепления); отсутствие необходимости обслуживания в процессе эксплуатации. Благодаря эластичности такой шарнир допускает небольшое осевое перемещение карданного вала.

Упругий полукарданный  шарнир должен центрироваться, иначе  балансировка карданного вала может нарушиться.

В качестве примера применения упругого карданного шарнира на рис. 83 приведена карданная передача автомобиля ВАЗ-2105. Здесь упругий полукарданный шарнир установлен на переднем конце промежуточного карданного вала. Упругое шестигранное звено (резиновая муфта) имеет шесть отверстий, в которых привулканизированы вкладыши. Резиновое звено перед установкой на болты фланцев предварительно стянуто по периферии металлическим хомутом, без чего отверстия в муфте не совпадут с болтами (после сборки хомут снимается). Таким образом, резиновое звено получает предварительное напряжение. Резина работает лучше на сжатие, чем на растяжение, поэтому данное мероприятие снижает напряжение растяжения при передаче через шарнир крутящего момента.

Жесткий полукарданный  шарнир, представляющий собой соединение (рис. 84), компенсирующее неточность монтажа, в настоящее время на автомобилях применяется крайне редко. Причиной этого являются недостатки, присущие такому шарниру: быстрое изнашивание, трудоемкость изготовления, шум при работе.

 Жесткий полукарданный шарнир

Карданные передачи с шарнирами равных угловых скоростей

В основе всех конструкций  карданных шарниров равных угловых скоростей лежит единый принцип: точки контакта, через которые передаются окружные силы, находятся в биссекторной плоскости валов.

Для пояснения этого рассмотрим простейшую модель, приведенную на рис.

Окружная скорость точки  контакта 0 . Подставив в это равенство значения . Угловые скорости ведущего и ведомого валов равны, если АО = ВО, α = β.

Легко показать, что в этом случае точка О лежит в биссекторной плоскости. Это видно из равенства треугольников ОО'С и ОО'О.

Шарниры равных угловых  скоростей применяются, как правило, в приводе к ведущим и одновременно управляемым колесам. Конструкции таких шарниров разнообразны. Рассмотрим некоторые из них, наиболее часто применяемые.

Четырехшариковый  карданный шарнир с делительными канавками (типа «Вейс»). Устанавливается на ряде отечественных автомобилей (УАЗ-469, ГАЗ-66, ЗИЛ-131) в приводе управляемых ведущих колес. При движении автомобиля вперед усилие передается одной парой шариков; при движении задним ходом — другой парой. Канавки в кулаках 2 и 3 нарезаны по дуге окружности радиуса R'. Четыре шарика 6 располагаются на пересечении симметрично расположенных канавок 5 — в биссекторной плоскости, что обеспечивает равенство угловых скоростей валов / и 4. Шарик 7 центрирующий. Наиболее точно шарики устанавливались бы при пересечении канавок под углом 90°, но при этом скольжение шариков приводило бы к быстрому изнашиванию как шариков 6 и 7, так и канавок 5 и к снижению КПД шарнира.

Пересечение окружностей под малым  углом не обеспечивало бы точности установки шариков в биссекторной плоскости и могло бы привести к заклиниванию шариков. Обычно канавки выполняются так, что центр окружности, образующей ось канавок, находится на расстоянии а = (0,4...0,45)/? от центра шарнира. Карданные шарниры этого типа обеспечивают угол между валами у = 30...32°. 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 специальные упорные шайбы или подшипники.

Долговечность в эксплуатации обычно не превышает 25...30 тыс. 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, а большая часть пробега автомобиля совершается с выключенным передним мостом, когда шарнир нагружается в обрат-ном направлении небольшим, но длительно действующим моментом сопротивления вращению части трансмиссии.

Шестишариковый  карданный шарнир с делительным  рыжачком (типа «Рцепп»).

Основными элементами этого шарнира являются сферический кулак 4, закрепленный на шлицах вала 5, и сферическая чашка 3, связанная с другим валом /. На кулаке и на внутренней стороне чашки выфрезеровано по шесть меридиональных канавок полукруглого сечения. Канавки выполнены из одного центра. В канавках размещено шесть шариков, которые связаны сепаратором 6. При наклоне валов шарики устанавливаются в биссекторной плоскости при помощи делительного рычажка 2, который поворачивает направляющую чашку 7, а вместе с ней и сепаратор. Пружина 8 служит для поджатия делительного рычажка к гнезду в торце вала 5 при изменении положения рычажка в результате наклона валов.

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 токарной и фрезерной обработке с соблюдением строгих допусков, обеспечивающих передачу усилий всеми шариками. По этой причине стоимость шарнира высокая.

 

Шестишариковый  карданный шарнир с делительными канавками (типа «Бирфильд»)

 

Шестишариковый    карданный    шарнир (типа «Бирфильд»):

а — конструкция; б — схемы

На кулаке 4, поверхность которого выполнена по сфере радиуса (центр 0), выфрезеровано шесть канавок. Канавки кулака имеют переменную глубину, так как они нарезаны по радиусу Rз (центр О) смещен относительно центра шарнира 0 на расстояние а. Внутренняя поверхность корпуса 1 выполнена по сфере радиуса R2 (центр 0), также имеет шесть канавок переменной глубины, нарезанных по радиусу R2 (центр О) 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.

При наклоне одного из валов 5 на угол 7 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 у = 45°. КПД шарнира при малых углах выше 0,99, а при φ= 30° — 0,97. Сравнительно большие потери в шарнире объясняются тем, что наряду с трением качения для него характерно трение скольжения.

Ресурс современных шарниров этого типа составляет примерно 150 тыс. км. Основной причиной преждевременного выхода из строя шарнира является повреждение защитного резинового чехла.

Шарнир устанавливается  в карданной передаче передних управляемых и ведущих колес некоторых отечественных автомобилей (ВАЗ-2108) на наружном конце карданного вала. При этом на внутреннем конце карданного вала должен устанавливаться карданный шарнир, позволяющий компенсировать изменение длины карданного вала при деформации рессор.

Универсальный шестишариковый карданный шарнир (типа ГКН)

 На внутренней поверхности цилиндрического корпуса шарнира нарезаны шесть при дольных канавок эллиптического сечения такие же канавки имеются на сферической поверхности кулака параллельны продольной оси вала. В канавках размещаются шесть шариков, установленных сепараторе. Взаимодействующие поверхности кулака и сепаратора сферические, радиус сферы R1 (центр О) на расстоянии от центра 0, лежащего в плоскости центров шариков). Сферическая наружная часть сепаратора (радиус R2) пере ходит в коническую (угол конуса около 10°), что ограничивает максимальны угол наклона вала примерно до 20°.

В результате смещения центров  сфер сепаратора шарики при наклоне вал устанавливаются и фиксируются в биссекторной плоскости. Объясняется это тем что при наклоне вала шарик должен перемещаться относительно двух центров О1 и О2, что заставляет шарик устанавливаться на пересечении в вертикальной плоскости, проходящей через центр шарика наружной и внутренней сфер сепаратора.

Осевое перемещение происходит по продольным канавкам корпуса, причем перемещение карданного вала равно рабочей длине канавок корпуса, что влияет на размеры шарнира. При осевых перемещениях шарики не перекатываются, а скользят, что снижает КПД шарнира. Так выполнен внутренний шарнир переднеприводных автомобилей ВАЗ. При передаче больших крутящих моментов используют восьмишариковый шарнир этого типа.

Универсальный шестишариковый карданный шарнир с делительными канавками (типа «Лебро»).

 Шарнир состоит  из цилиндрического корпуса 1, на внутренней поверхности которого под углом (примерно 15...16°) к образующей цилиндра нарезаны шесть прямых канавок, расположенных в порядке, показанном на рисунке; сферического кулака 2, на его поверхности нарезано также шесть прямых канавок; сепаратора 3 с шарика-ми 4, центрируемыми наружной сферической поверхностью по внутренней цилиндрической поверхности корпуса /, а внутренней сферической поверхностью устанавливаются с некоторым зазором на кулаке 2. Шарики устанавливаются в пересечениях канавок, чем обеспечивается синхронность вращения валов, так как шарики, независимо от угла" между вала-ми, всегда находятся в биссекторной плоскости.

Этот шарнир имеет  меньшие размеры, чем шарниры других типов, так как рабочая длина канавок и ход шариков в 2 раза меньше хода вала. Имеются и другие преимущества: сепаратор не выполняет функции деления угла между валами, он менее нагружен, а поэтому требования к точности его изготовления ниже; наличие фланцевого разъема шарнира обеспечивает удобство монтажа, хотя конструкция его при этом усложняется, что несколько компенсирует упрощение протяжки канавок корпуса. К точности расположения канавок предъявляются высокие требования.