Содержание

виды шарниров, их принцип работы, неисправности

Шарнир равных угловых скоростей

Шарнир равных угловых скоростей (сокращенно ШРУС или «граната» – это одно и то же) – такое название одного из элементов трансмиссии автомобиля часто можно услышать на автосервисных предприятиях и в мастерских, но далеко не все автомобилисты представляют себе, что это такое и какие последствия может вызвать неисправность этого узла.

Существует несколько видов шарниров равных угловых скоростей, отличающихся друг от друга не только конструкцией, но и местами их использования.

В рамках данной статьи мы рассмотрим следующие вопросы:

  • Для чего в автомобиле нужен ШРУС и где он находится?
  • Виды шарниров равных угловых скоростей, как они устроены и работают?
  • Как проверить ШРУС на исправность, и каковы внешние проявления неисправности этого узла и последствия его выхода из строя?

Что такое ШРУС и зачем он нужен в автомобиле

Шарнир равных угловых скоростей (ШРУС) – это механизм, обеспечивающий равномерную передачу крутящего момента к ведущим колесам при их повороте на угол до 70° относительно оси. Используются такие шарниры на автомобилях с независимой подвеской в конструкции привода управляемых колёс.

Что такое ШРУС и зачем он нужен в автомобиле

Задача передачи крутящего момента от двигателя к колёсам оказалась в техническом плане не такой уж простой и потребовала от автоконструкторов создания трансмиссии. При этом колеса «живут» в машине своей жизнью и крепятся к кузову независимо по отношению к коробке передач.

Для заднеприводных автомобилей вопрос решился использованием в конструкции кардана. А вот для переднеприводных автомобилей потребовались иные устройства, обеспечивающие передачу вращательного движения к «подпрыгивающим» относительно кузова колесам.

Дело в том, что обычный кардан с крестовиной, при вращении с постоянной угловой скоростью ведущего вала, не в состоянии обеспечить постоянную угловую скорость расположенного под углом вала ведомого. А дополнительные рывки и торможения при передаче крутящего момента от двигателя к колёсам автомобиля абсолютно неуместны.

Технические приёмы, обеспечивающие компенсацию такой неравномерности угловых скоростей, оказались эффективными до углов между осями ведущего и ведомого колес не более 20⁰.

В то же время для переднеприводных автомобилей требовалось обеспечить передачу крутящего момента без «искажений» при углах поворота колёс до 70⁰, причём такая передача должна была быть ещё и очень надежной, ведь узел подвергается высоким нагрузкам.

Теоретическое решение – ШРУС, было найдено давно: устройство запатентовано еще в 20-х годах прошлого века инженером А.Рцеппой (шарнир Рцеппа), а для его практической реализации потребовалось почти 40 лет (Япония, 1963 г.).

Конструктивно один из распространённых вариантов ШРУС выглядит следующим образом.

Устройство шарнира равных угловых скоростей

Ведущий вал посредством шлицевого соединения приводит в движение внутреннюю обойму, на рабочей стороне которой выполнены шесть канавок. На внешней обойме шарнира (соединённой с ведомым валом) также выполнено шесть канавок. А обоймы связаны между собой через шарики, расположенные в вырезах сепаратора.

Подобная конструкция обеспечивает (в отличие от простой карданной передачи) равенство мгновенных угловых скоростей ведущего и ведомого валов.

Виды шарниров равных угловых скоростей

Шариковые варианты конструкции ШРУС, хотя и наиболее распространены в легковом автомобилестроении, оказались не единственно возможными.

Шариковый шрус

Шариковый ШРУС

Практическое применение для легковых и лёгких коммерческих автомобилей нашли триподные ШРУСы, в которых роль шариков выполняют вращающиеся ролики со сферической рабочей поверхностью.

Трипоидный ШРУС

Трипоидный ШРУС

Для грузовой техники распространение получили кулачковые (сухариковые) шарниры типа «Тракта», состоящие из двух вилок и двух фасонных дисков. Вилки в таких конструкциях достаточно массивные и способны выдерживать большие нагрузки (что и объясняет область их использования).

Кулачковый ШРУС

Кулачковый (сухариковый) ШРУС

Необходимо упомянуть и ещё один вариант ШРУС – спаренные карданные. В них неравномерность передачи угловой скорости первого кардана компенсируется вторым карданом.

Спаренный карданный ШРУС

Спаренный карданный ШРУС

Как уже упоминалось выше, угол между осями двух валов не должен в этом случае превышать 20⁰ (иначе появляются повышенные нагрузки и вибрации), что ограничивает область использования такой конструкции в основном строительной и дорожной техникой.

Внутренние и наружные ШРУСы

Помимо различий в конструктивном исполнении, ШРУСЫ разделяются по месту их установки на наружные и внутренние.

Внутренние и наружные ШРУСы

Внутренний ШРУС соединяет коробку передач с полуосью, а наружный ШРУС – полуось со ступицей колеса. Вместе с приводным валом оба этих шарнира составляют привод автомобиля.

Наиболее распространённый тип наружного шарнира – шариковый. Внутренний ШРУС не столько обеспечивает большой угол между валами, сколько компенсирует перемещения приводного вала при движении его относительно подвески. Поэтому часто в качестве внутреннего шарнира в легковых автомобилях используется триподный узел.

Необходимое условие нормальной работы ШРУСов – смазка движущихся частей шарнира. Герметичность рабочего пространства, в котором находится смазка, обеспечивают пыльники, предотвращающие попадание на рабочие поверхности абразивных частиц. С учётом высокой нагруженности деталей, в них используются только специально разработанные для таких узлов виды смазок.

Как определить неисправность ШРУС

Срок службы ШРУСов в современных автомобилях при правильной эксплуатации практически сопоставим с ресурсом самой машины, хотя условия работы наружных и внутренних шарниров существенно отличаются (наружные узлы более нагружены, так как воспринимают воздействия непосредственно от колёс).

Заводской брак редко является причиной поломки ШРУСА, а вот эксплуатационный характер отказа встречается куда чаще. Прежде всего, это может быть банальное повреждение пыльника, и, как следствие, попадание в смазку шарнира влаги, пыли и грязи с содержанием абразива.

Повреждение пыльника ШРУСа

Именно поэтому периодический визуальный осмотр целостности пыльников обязателен при периодическом обслуживании автомобиля. Замасленная деталь или следы смазки, разбрызганные по колесу – явное свидетельство необходимости замены пыльника (если только отказ не перешел в более тяжёлую стадию).

Другая частая причина отказа – агрессивный характер вождения, особенно с вывернутыми до упора колёсами. При таком стиле вождения шарниры испытывают запредельные нагрузки, неизбежно приводящие к отказу. К похожему результату можно прийти при частой езде по разбитым дорогам.

Для наружных и внутренних ШРУСов внешние признаки неисправности несколько отличаются из-за разных условий эксплуатации и определяются (помимо состояния пыльников) в основном «на звук» и наличие люфтов.

Высоко нагруженные наружные шарниры на ранних стадиях отказа издают звук похожий на свист полностью изношенных тормозных колодок. Дополнительно состояние узла проверяется на ровной дороге: при резком трогании с места с вывернутыми колёсами. Появление характерных толчков или щелчков свидетельствует о неисправности шарнира. Полезно в этом случае сразу осмотреть пыльники (тем более что для этого не требуется поднимать машину).

Если в начале движения слышен хруст – это свидетельство необходимости безотлагательных мер по замене наружного ШРУСа. Характер звука при этом весьма специфический: его трудно спутать с другими звуками, и раздаётся он с той стороны, с которой произошла поломка.

Определить какой из внутренних ШРУСов неисправен – внутренний правый или внутренний левый – несколько сложнее.

  1. Для этого автомобиль вывешивается на подъёмнике, и тем самым добиваются максимального угла шарнира (между приводным валом и поверхностью земли).
  2. Двигатель запускается, и при включённой передаче прослушивают узел на посторонние звуки. Хруст слева или справа свидетельствует о поломке соответствующего шарнира.
  3. Кроме этого проверяется люфт приводного вала между наружным и внутренним шарнирами. При исправных шарнирах люфт отсутствует.

Если нет возможности установить машину на подъемник, выбирают участок дороги с ямами и рытвинами, и аккуратно въезжая в них колёсами с разных сторон (фактически вывешивая автомобиль с соответствующей стороны) выявляют посторонние шумы (хруст).

Последствия эксплуатации автомобиля с неисправными ШРУСами, особенно на стадии уже выявленного хруста, могут быть весьма тяжёлыми, ведь хруст сигнализирует о возможности скорого внезапного разрушения шарнира. В свою очередь это может привести к заклиниванию колёс и созданию аварийной ситуации на дороге.

Замена ШРУСов обходится не дёшево: узлы оригинальных приводов достаточно сложные механизмы изготовленные из специальных материалов. А в запущенных случаях разрушение внутреннего ШРУСа может привести к попаданию остатков игольчатых подшипников в картер коробки передач и необратимым повреждениям уже самой коробки.

Видео: как проверить внутренний и наружный ШРУСы на исправность

Карданная передача с шарниром равных угловых скоростей


Синхронные карданные передачи




Карданные передачи с шарнирами
равных угловых скоростей

Передние ведущие колеса полноприводных и переднеприводных автомобилей являются одновременно и управляемыми, т. е. должны поворачиваться, что требует применения между колесом и полуосью шарнирного соединения.
Карданные шарниры неравных угловых скоростей передают вращение циклически и приемлемо работают лишь при небольших значениях углов между валами, поэтому не могут удовлетворять требованиям равномерности передаваемого вращательного движения. В приводе ведущих управляемых колес крутящий момент должен передаваться с равномерной скоростью к колесам, поворачивающимся относительно продольной оси автомобиля на угол

40…45˚.
Выполнение таких условий могут обеспечить карданные передачи с шарнирами равных угловых скоростей (ШРУС). Иногда их называют синхронными карданными передачами.

В переднеприводном автомобиле обычно используются два внутренних шарнира равных угловых скоростей, кинематически связанные с коробкой передач, и два внешних шарнира, которые крепятся к колесам. В обиходе такие шарниры обычно называют «гранатами».

До середины прошлого века в конструкциях автомобилей часто встречались спаренные карданные шарниры неравных угловых скоростей. Такая конструкция получила название сдвоенного карданного шарнира. Сдвоенный шарнир отличался громозкостью и усиленным износом игольчатых подшипников, поскольку при прямолинейном движении автомобиля иглы подшипников не проворачивались и линии их контакта с обоймой и крестовиной подвергались воздействию значительных контактных напряжений, что приводило к износу и даже сплющиванию игл.

В настоящее время такие подшипники в конструкциях автомобилей встречаются редко.

Равенство угловых скоростей ведущего и ведомого валов будет соблюдено только в том случае, если точки контакта в шарнире, через которые пересекаются окружные силы, будут находиться в биссекторной плоскости, делящей угол между валами пополам. Конструкции всех карданных шарниров равных угловых скоростей основаны на этом принципе.

***

Шариковые шарниры равных угловых скоростей

Наибольшее применение получили шариковые карданные шарниры равных угловых скоростей. Среди них наиболее часто в конструкциях отечественных автомобилей можно встретить шарниры с делительными канавками типа «Вейс».
Эту конструкцию в 1923 году запатентовал немецкий изобретатель Карл Вейс. Шарниры Вейса широко применяются в разборном и неразборном вариантах на отечественных автомобилях марок «УАЗ», «ГАЗ», «ЗиЛ», «МАЗ» и некоторых других. Шарнирные сочленения типа «Вейс» технологичны и дешевы в производстве, позволяют получать угол между валами до 32°, однако срок их службы ограничен 30…40 тыс. км пробега из-за высоких контактных напряжений, возникающих при работе.

Разборный шарнир (рис. 1) устроен следующим образом. Валы 1 выполнены заодно с кулаками 2 и 5, в которых вырезаны четыре канавки 3. В собранном виде кулаки располагаются в перпендикулярных плоскостях, а между ними в канавки 3 устанавливаются четыре шарика 7.
Для центрирования кулаков в отверстие, выполненное в одном из них, устанавливается штифт 6 с центрирующим шариком 4. От осевого перемещения штифт фиксируется другим штифтом 6, расположенным радиально.
Средние линии канавок 3 нарезаны так, что шарики 7, передающие усилия, располагаются в биссекторной (биссекториальной) плоскости между валами. В передаче усилия участвуют только два шарика, что создает высокие контактные напряжения и сокращает срок службы шарнира. Два других шарика передают крутящий момент при движении автомобиля задним ходом.

В других конструкциях контактные напряжения уменьшаются путем увеличения числа шариков, одновременно участвующих в работе, что неизбежно приводит к усложнению шарниров.

Детали шарикового шарнира «Рцеппа» (рис. 1, б) располагаются в чашке 8, которая во внутренней части имеет шесть сферических канавок для установки шести шариков 7. Такие же канавки имеет и сферический кулак 10, в шлицевое отверстие которого входит ведущий вал карданной передачи. Шарики в одной биссекторной плоскости устанавливаются делительным устройством, состоящим из сепаратора 9, направляющей чашки 11 и делительного рычажка 12.
Рычажок имеет три сферические поверхности: концевые входят в гнезда ведущего и ведомого валов, а средняя – в отверстие направляющей чашки 11. Рычажок к ведущему валу прижимается пружиной 13. Длины плеч рычажка таковы, что при передаче момента под углом он поворачивает направляющую чашку 11 и сепаратор 9 так, что все шесть шариков 7 устанавливаются в биссекторной плоскости и все они воспринимают и передают усилия. Это позволяет уменьшить габаритные размеры шарнира и увеличить срок его службы.

Шарнир типа «Рцеппа» технологически сложен, однако он компактнее шарнира с делительными канавками, и может работать при углах между валами до 40°. Поскольку усилие в этом шарнире передается всеми шестью шариками, он обеспечивает передачу большого крутящего момента при малых размерах. Долговечность шарнира «Рцеппа» достигает 100–200 тыс. км.

Еще один шариковый карданный шарнир типа «Бирфильд» представлен на рисунке 1, в. Он состоит из чашки 8, сферического кулака 10 и шести шариков 7, размещенных в сепараторе 9. Сферический кулак 10 надевается на шлицованную часть ведущего вала 16 и стопорится кольцом 14. От попадания грязи во внутреннюю полость шарнир защищен защитным резиновым чехлом 15.
Все сферические поверхности деталей шарнира выполнены по разным радиусам, а канавки имеют переменную глубину. Благодаря этому при наклоне одного из валов шарики выталкиваются из среднего положения и устанавливаются в биссекторной плоскости, что обеспечивает синхронное вращение валов.

Шарниры типа «Бирфильд» имеют высокий КПД, долговечны, и могут работать при углах до 45˚. Поэтому они широко применяются в приводе управляемых колес многих переднеприводных легковых автомобилей в качестве наружного шарнира, или, как его еще называют — наружной «гранаты».
Основной причиной преждевременного разрушения шарнира является повреждение эластичного защитного чехла. По этой причине автомобили высокой проходимости часто имеют уплотнение в виде стального колпака. Однако это приводит к увеличению габаритов шарнира и ограничивает угол между валами до 40°.

При использовании шарнира типа «Бирфильд» на внутреннем конце карданной передачи необходимо устанавливать шарнир равных угловых скоростей, способный компенсировать изменение длины карданного вала при деформации упругого элемента подвески.

Такие функции совмещает в себе универсальный шестишариковый карданный шарнир типа «ГКН» (GKN).
Осевое перемещение в шарнирах типа GKN обеспечивается перемещением шариков по продольным канавкам корпуса, при этом, требуемая величина перемещения определяет длину рабочей поверхности, что влияет на размеры шарнира. Максимальный допустимый угол наклона вала в данной конструкции ограничивается 20°.
При осевых перемещениях шарики не перекатываются, а скользят в канавках, что снижает КПД шарнира.

В конструкциях современных легковых автомобилей иногда встречаются карданные шарниры типа «Лебро» (Loebro), которые, как и шарниры GKN обычно устанавливаются на внутреннем конце карданной передачи, поскольку способны компенсировать изменение длины карданного вала.

Шарниры «Лебро» отличаются от шарниров GKN тем, что канавки в чашке и кулаке нарезаны под углом 15-16° к образующей цилиндра, а геометрия сепаратора правильная — без конусов и с параллельными наружной и внутренней сторонами.
Такой шарнир имеет меньшие габариты, чем другие шестишариковые шарниры, кроме того, сепаратор его менее нагружен, поскольку не выполняет функции перемещения шариков в кулаках.

Принципиальное устройство этих шариковых шарниров представлено на рисунке 2.


Привод передних колес автомобиля ВАЗ-2110

Привод передних колес автомобиля ВАЗ-2110 (рис. 3) состоит из вала 3 и двух карданных шарниров 1 и 4 равных угловых скоростей. Вал 3 привода правого колеса выполнен из трубы, а левого колеса – из прутка. Кроме того, валы имеют разную длину. На вал надевается защитный чехол 6, а затем шарнир в собранном виде со смазочным материалом фиксируется от осевого перемещения стопорным кольцом 5. Защитные чехлы крепятся хомутами 2.

Внутренний шарнир (внутренняя «граната) 1, который вязан с дифференциалом, является универсальным, т. е. кроме обеспечения равномерного вращения валов под изменяющимся углом он позволяет увеличивать общую длину привода, что необходимо для перемещения передней подвески и силового агрегата. Происходит это потому, что внутренняя поверхность корпуса шарнира 1 имеет цилиндрическую форму, и канавки в ней нарезаны продольно, это позволяет внутренним деталям шарнира перемещаться по продольным канавкам в осевом направлении.

***



Кулачковые шарниры равных угловых скоростей

На автомобилях средней и большой грузоподъемности марок «КамАЗ», «Урал», «КрАЗ» карданные передачи в приводе передних колес работают под большим крутящим моментом. Шариковые шарниры не могут передавать больших крутящих моментов из-за возникновения значительных контактных напряжений и ограничения по удельному давлению шариков на канавки. Поэтому в них применяют кулачковые карданные шарниры (рис. 1, г). Аналогичные шарниры иногда устанавливают на переднеприводные автомобили марки «УАЗ».

Кулачковый карданный шарнир равных угловых скоростей (рис. 1, г) состоит из двух вилок 18 и 20, которые вставлены в кулаки 2 и 5 с пазами; в эти пазы входит диск 19. При передаче крутящего момента и вращения от ведущего вала 17 на ведомый вал при повернутом колесе каждый из кулаков 2 и 5 поворачивается одновременно относительно оси паза вилки в горизонтальной плоскости и относительно диска 19 в вертикальной плоскости.
Оси пазов вилок лежат в одной плоскости, которая проходит через среднюю плоскость диска. Эти оси расположены на равных расстояниях от точки пересечения осей валов и всегда перпендикулярны осям валов, поэтому точка их пересечения всегда располагается в биссекторной плоскости.

Такой карданный шарнир требует повышенного внимания к смазыванию, так как для его деталей характерно трение скольжения, вызывающее значительный нагрев и изнашивание трущихся поверхностей. Трение скольжения между контактирующими поверхностями приводит к тому, что кулачковый шарнир имеет самый низкий КПД из всех шарниров равных угловых скоростей. Однако он способен передавать значительный крутящий момент.

Еще один тип кулачкового шарнира равных угловых скоростей — шарнир «Тракта» (на рисунке), состоящий из четырех штампованных деталей: двух втулок и двух фасонных кулаков, трущиеся поверхности которых подвергаются шлифованию.
Если разделить по оси симметрии кулачковый карданный шарнир, то каждая часть будет представлять собой карданный шарнир неравных угловых скоростей с фиксированными осями качания. В такой конструкции тоже возникают значительные силы трения скольжения, снижающие КПД шарнира.

***

Трехшиповые шарниры равных угловых скоростей

В трехшиповом шарнире (на рисунке) крутящий момент от ведущего вала передают три сферических ролика, которые установлены на радиальных шипах, жестко связанных с корпусом шарнира ведомого вала. Шипы относительно друг друга располагаются под углом 120˚. Сферические ролики чаще всего устанавливаются на шипы посредством игольчатых подшипников.

Ведущий вал имеет трехвальцевую вилку, в цилиндрические пазы которой входят ролики. При передаче крутящего момента между несоосными валами ролики перекатываются со скольжением вдоль пазов и одновременно скользят в радиальном направлении относительно шипов. Предельный угол между осями валов до 40˚.

Особенностью трехшипового шарнира является то, что в отличие от шариковых шарниров передача момента от ведущих элементов на ведомые происходит не в биссекторной плоскости, а в плоскости, проходящей через оси шипов. Равенство частот вращения ведущего и ведомого валов обеспечивается при любом взаиморасположении их осей.

***

Мосты автомобилей



Шарнир равных угловых скоростей — это… Что такое Шарнир равных угловых скоростей?

Шарнир равных угловых скоростей. Принцип действия шарикового ШРУСа типа «Рцеппа»

Шарнир равных угловых скоростей (сокращённо ШРУС, в просторечии — «граната») обеспечивает передачу крутящего момента при углах поворота до 70 градусов относительно оси. ШРУСы изредка называют «гомокинетическими шарнирами» (от др.-греч. ὁμός — «равный, одинаковый» и κίνησις — «движение», «скорость»).

Используется в системах привода управляемых колёс легковых автомобилей с независимой подвеской и, реже, задних колёс.

Первые попытки реализовать передний привод осуществлялись при помощи обычных карданных шарниров. Однако, если колесо перемещается в вертикальной плоскости и одновременно является поворотным, наружному шарниру полуоси приходится работать в исключительно тяжелых условиях — с углами 30—35°. А уже при углах больших 10—12° в карданной передаче резко увеличиваются потери мощности, к тому же вращение передаётся неравномерно, растёт износ шарнира, быстро изнашиваются шины, а шестерни и валы трансмиссии начинают работать с большими перегрузками. Поэтому потребовался особый шарнир — шарнир равных угловых скоростей — лишённый таких недостатков, передающий вращение равномерно вне зависимости от угла между соединяемыми валами.

Типы шарниров равных угловых скоростей

Существуют различные конструкции ШРУСов. Различают обычно:

  • Шариковые («Бендикс-Вейс», «Рцеппа», «Бирфильд») — наиболее распространены сегодня, первые варианты были разработаны в 1920-е годы;
  • Триподные (типа «Tripod») — часто используются как внутренние, допускают бо́льшие осевые перемещения, но при этом — нелинейное изменение скорости при вращении под углом;
  • Сухариковые или кулачковые — были разработаны французом Грегуаром и запатентованы как «Тракта» в начале 1920-х, в наше время применяются в основном на грузовиках;
Спаренный кардан
  • Спаренные карданные — представляют собой состыкованные друг с другом два карданных шарнира, которые взаимно компенсируют неравномерность вращения друг друга; применялись редко, например, на ряде американских автомобилей 1920-х годов, вроде Miller 91 или Cord L29, а также французских «Панарах» пятидесятых-шестидесятых годов.

Наиболее распространённый сегодня шариковый ШРУС состоит из шести шариков, внешнего и внутреннего колец с прорезями под шарики, которые соединяются с приводным валом шлицевым соединением, и сепаратора, удерживающего шарики.

Эта система не терпит грязи и становится более хрупкой при больших углах поворота.

3D изображение ШРУСа типа «Рцеппа»

Шарниры равных угловых скоростей всегда герметизируются пыльником, так как расположение шарнира способствует попаданию в него пыли, которая быстро выводит его из строя.[1]

См. также

Примечания

Question book-4.svg В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 15 мая 2011.

Ссылки

ШРУСы: с чего все начиналось и к чему пришло

Задача передачи крутящего момента между подвижными валами на автомобилях начала XX века вполне успешно решалась применением сначала цепей, а затем и карданных соединений. Первые полноприводные машины довольствовались карданными соединениями с неравными угловыми скоростями,  поскольку преимущества полного привода перевешивали недостатки в виде вибраций и потери мощности. Например, Spyker HP 60/80 1903 года вполне обходился вовсе без ШРУСов. Однако сегодня представить автомобиль без этого узла невозможно. Вспоминаем, как модернизировался шарнир равных угловых скоростей и что он представляет собой сегодня.

 

На заре автомобильной эпохи в переднее- и полноприводных машинах использовались сдвоенные карданные шарниры в разных конструктивных вариантах. От простого двойного шарнира до специально разработанных конструкций с кинематикой двойного карданного шарнира, но имеющих принципиально другую конструкцию, например кулачково-карданного шарнира типа «Тракта» или кулачково-дискового шарнира, хорошо знакомого водителям отечественной грузовой техники с полным приводом. Именно эти специализированные конструкции часто называют первыми ШРУСами. К сожалению, ресурс и КПД таких конструкций были очень низкими и не позволяли реализовать массовые конструкции с передачей высокой мощности и большим ресурсом.

ШРУСы: с чего все начиналось и к чему пришло

Настоящим шарниром с постоянной угловой скоростью стали шарниры типа Вейсс. Конструкция без сепаратора позволяла разместить всего два шара для реализации точек передачи момента, что ограничивало момент и ресурс, но зато КПД оказался значительно выше, чем у кулачково-карданных шарниров, а угол между валами превышал 30 градусов. Карл Вейсс запатентовал конструкцию в 1923 году, а в годы Второй мировой войны именно шарниры этого типа применялись на почти всех полноприводных легких автомобилях, от Willys, Dodge и ГАЗ до Kubelwagen. В настоящее время шарниры такого типа почти не встречаются, разве что на очень старых конструкциях или на грузовиках разработки 60-х годов.

ШРУСы: с чего все начиналось и к чему пришло

В 1927 году инженер компании Ford Альфред Рцеппа запатентовал шарнир лучшей конструкции, с сепаратором и без вилок. Именно его идея лежит в основе конструкции современных шарниров. Положение шаров в этом шарнире задается отдельной деталью — сепаратором, который удерживает их в плоскости биссектрисы угла между валами. В оригинальной конструкции сам сепаратор был не самоустанавливающимся, его положение задавалось отдельным делительным рычажком.

Развитие этой конструкции можно увидеть в виде шарниров типа GKN — в них нет делительного рычажка, канавки простой формы, как и у Рцеппы, но сепаратор сложной формы позволяет шарикам держать нужное положение. К сожалению, рабочий угол такой конструкции невелик (до 20 градусов), и с увеличением угла между валами сильно снижается КПД, но зато у нее есть податливость в продольном направлении, что важно для компенсации геометрии соединения при рабочем ходе подвески. К тому же шарнир достаточно прост в изготовлении и недорог. По этой причине шарниры этого типа применяют в основном как внутренние в приводах передних колес или в приводе задних колес машин с независимой подвеской.

ШРУСы: с чего все начиналось и к чему пришло

Очень удачным развитием шарнира Рцеппы является и шарнир Birfield. В этой конструкции также используется самоустанавливающийся сепаратор, точнее, самоустанавливаются сами шарики за счет разной глубины канавок в обойме и теле шарнира. Сепаратор воспринимает часть нагрузки по позиционированию. Такая конструкция позволяет увеличить угол между валами вплоть до 45 градусов, имеет высокий КПД при всех углах скрещивания и долговечна. Минусов только два: габариты самого шарнира и высокая стоимость, поскольку деталь требует сложной обработки поверхностей и стали высокой твердости для обеспечения долговечности. И конечно, шарниры такой конструкции не обладают податливостью в продольном направлении, требуют обязательного применения компенсирующей вставки на валу или работы в паре с шарниром, в котором предусмотрена возможность продольного сдвига валов.

ШРУСы: с чего все начиналось и к чему пришло

Шарниры типа Loebro также наследуют конструкцию Рцеппы, но способ удержания шаров в нужной плоскости новый. На этот раз шары перемещаются в нужное положение, поскольку нарезка канавок в теле и обойме шарнира сделана под углом к плоскости оси вращения. Шарниры этого типа имеют минимальные возможности продольного перемещения валов, но они заметно дешевле шарниров Birfield и, что главное, компактнее, причем сохраняется вполне достаточный угол между валами, а также высокий КПД. Сепаратор в таких конструкциях почти полностью разгружен и в дешевых исполнениях может отсутствовать. Но износ обоймы и тела шарнира в этом случае достаточно большой, поэтому шарнир требует более качественных материалов.

Удивительно, но факт: все три производителя, создавшие свои конструкции шарниров равных угловых скоростей, на данный момент принадлежат компании GKN. Разумеется, под этой маркой можно встретить шарниры всех трех типов, а также карданные и трипоиды. Классическая конструкция подразумевала пять или шесть шаров для передачи момента, но сейчас на тяжелых и мощных машинах используется восемь и больше шаров. В остальном прогресс касается оптимизации материалов и профиля канавок, что позволяет компенсировать естественный износ или предотвратить его.

ШРУСы: с чего все начиналось и к чему пришлоШРУСы: с чего все начиналось и к чему пришло

Еще в одном типе ШРУСа для передачи момента не используются шары. Конструкция «трипоид» (или «тришип», если вы читали советские книги) была запатентована Мишелем Орэном в 1963 году. В ней момент передается через крестовину и ролики на шарикоподшипниках. Конструкция оказалась очень удачной, если применяется «перевернутая» компоновка со свободным перемещением валов.

Высокий КПД и высокая долговечность обеспечиваются за счет применения шарикоподшипников, а приемлемая цена — за счет технологичности и простоты обработки всех деталей. Но в более дешевой и распространенной версии с нефиксируемыми валами рабочий угол у шарнира сравнительно небольшой, с его ростом растет износ, а значит, и требования к качеству материалов шарнира, особенно роликов и наружной обоймы. Сейчас шарниры этого типа применяются в основном в паре с шарнирами Loebro/Birfield как внутренние на приводах. Однако шарниры с внутренней вилкой и фиксированными валами могли применяться и как наружные шарниры управляемых колес.

Постепенный прогресс в этой области сильно изменил конструкцию такого шарнира. Обычный шарнир с прямой канавкой для ролика при больших углах скрещивания валов создавал вибрации из-за скольжения ролика по поверхности канавки при вращении. Использование арочного кольца на ролике позволило уменьшить вибрации и колебания момента. Следующим шагом стало применение эллиптического скользящего кольца на наружной поверхности ролика для оптимизации передачи момента и увеличение площади его контакта с внешней обоймой для увеличения ресурса.

ШРУСы: с чего все начиналось и к чему пришлоШРУСы: с чего все начиналось и к чему пришло

ШРУСы: с чего все начиналось и к чему пришло 

История

ШРУСы: с чего все начиналось и к чему пришлоВ первых переднеприводных автомобилях, например Cord и Citroen TA, использовались двойные карданные шарниры для передачи момента на ведущие колеса. Уже известные к тому времени ШРУС Вейсса и кулачковые конструкции не обеспечивали нужной долговечности, а с местом на больших легковых машинах особых проблем не было. К концу 30-х годов конструкция типа Вейсс и кулачковые передачи получили реальную «прописку» на целом ряде конструкций за счет улучшения металлообработки. Достигнутый ресурс в 15–30 тыс. км под нагрузкой позволял иметь на машинах с подключаемым передним мостом общий ресурс узла, сравнимый со сроком службы автомобиля, при приемлемых габаритах и КПД.

Развитие конструкции переднеприводных автомобилей потребовало новых решений — и компания Hardy-Spicer профинансировала создание шарниров Birfield, имеющих высокие характеристики и разумную стоимость. Именно эти шарниры сделали возможным создание малолитражек Austin Mini и других машин BMC с передним приводом к 1959-м. В Японии на переднеприводных машинах Suzuki Suzulight в 1963 году применяли ШРУС производства NTN.

К 1965 году конструкцию оптимизировали. На машинах Subaru появились приводные валы, которые сочетали шарнир с жесткой фиксацией в осевом направлении типа Birfield, и шарнир типа GKN со свободным перемещением. Это решило последние проблемы с вибрациями и геометрией передней подвески переднеприводных машин, избавив их от сложных приводных валов составной конструкции.

Прогресс компоновочных схем автомобилей позволил применить ШРУС вместо карданных шарниров в приводе задней оси. К началу 80-х годов увеличение точности ШРУСов и уменьшение люфтов позволили применять их вместо карданных шарниров для валов с высокой скоростью вращения, например карданного.

Не стоит думать, что прогресс остановился. Так, переднеприводные машины с АКПП потребовали создания малошумных конструкций ШРУСа с минимальными люфтами при вращении в обоих направлениях, поскольку на заторможенной машине ШРУС классической конструкции создавал неприятные вибрации. Проблема выявилась с широким распространением переднеприводных машин с АКПП со второй половины 70-х.

С 1998 года стали внедряться были восьмишариковые шарниры для легковых автомобилей, что позволило уменьшить размеры узла. Оптимизация формы канавок дала возможность улучшить точность позиционирования шаров, а значит, улучшить КПД и снизить шумность конструкции.

Новые варианты шарниров уже не получают имена компаний в качестве наименования — разве что буквенные обозначения типа. Продолжается и оптимизация шарниров типа трипоид, в первую очередь с целью уменьшения колебаний угловой скорости при вращении и уменьшения шумности.

Постепенно увеличивался рабочий угол шарниров по сравнению с изначальными 43 градусами у шарниров NTN в 1963-м. К 1980 году они получили 44,5 градуса, а сейчас шариковые шарниры укороченной конструкции обеспечивают уже все 50 градусов поворота, что заметно улучшает эксплуатационные характеристики автомобилей. Даже не фиксированные шарниры типа GKN заметно улучшили рабочие углы, от 23 градусов у оригинальной патентованной конструкции до 30,5 у современных вариантов.

Рост продаж кроссоверов и внедорожников потребовал создания приводов с большим эффективным углом передачи, в том числе современных конструкций вала с двумя шарнирами с фиксируемыми от продольного перемещения валами и компенсатором.

Продолжается повышение КПД передачи, и достигнутые в 80-е годы 99% КПД уже не кажутся идеалом. Современные ШРУСы имеют более чем в два раза меньшие потери.

ШРУСы: с чего все начиналось и к чему пришло

что это такое и как это работает


В этом тексте мы расскажем вам о многострадальных «гранатах», которые очень любят похрустеть в вашем автомобиле.

Впервые механизм, похожий на современный шариковый ШРУС, предложил, а точнее запатентовал в 20-х годах минувшего столетия инженер Альфред Рцеппа. Это устройстово до сих пор именуют шарниром Рцеппа. Приблизительно в то же время француз Грегуар изобрел кулачковый (сухариковый) механизм «Тракта». Кулачковый механизм имеет неприятную особенность – он может перегреваться, поэтому в современной автомобильной технике его применяют преимущественно в грузовиках. В современном виде «гранаты» достигли кое-какого совершенства в 60-х годах прошлого столетия и немалую заслугу в разработке их конструкции имеют японские инженеры.

Карданная передача и ШРУС: что это такое и как это работает

Что это такое

ШРУС — аббревиатура, расшифровывающаяся как «шарнир равных угловых скоростей». Основная задача этой детали на большинстве автомобилей с передним приводом, да и на некоторых полноприводных автомобилях, – это передача крутящего момента от двигателя на ведущие колёса, которая позволяет управлять автомобилем при весьма компактных размерах и скромной массе. Сам процесс передачи вращающего момента происходит между полуосями, под постоянно меняющимся углом. Сленговое название «граната» -вызвано внешним сходством с этим снарядом и эффектом. Сломанный ШРУС гарантировано обездвижит автомобиль, ну, если, конечно, у вас нет блокировок – причём сделает это внезапно.

Карданная передача и ШРУС: что это такое и как это работает

ШРУСы по типу конструкции можно разделить на:

  • шариковые – получили широкое распространение на переднеприводных легковых авто;
  • трипоидные – подходят на легковые и грузовые автомобили малой грузоподъемности;
  • Карданная передача и ШРУС: что это такое и как это работает Карданная передача и ШРУС: что это такое и как это работает
  • кулачковые – эти виды незаменимы для грузовых авто с повышенной грузоподъемностью;
  • спаренные карданные – устанавливаются на тракторы, грузовики, внедорожники.
  • Карданная передача и ШРУС: что это такое и как это работает Карданная передача и ШРУС: что это такое и как это работает

Принцип работы

Сам узел по принципу своего устройства похож на обыкновенный карданный вал, однако именно кардан является самым сложным и совершенным узлом. Карданная передача может передавать крутящий момент несинхронно, при этом угол скрещивания будет сильно затруднённым. Однако у ШРУСа процесс «переваривания» углов поворота до 70 градусов по оси происходит безболезненно и с огромным ресурсом.

Карданная передача и ШРУС: что это такое и как это работает

В массы этот узел принесли переднеприводные автомобили и независимая подвеска, несмотря на то, что самому узлу около сотни лет. В зависимости от марки и модели, конструкция узла может изменяться, но принципиально система работает одинаково: с одной стороны вал привода соединяется со ступичным подшипником, а другая сторона соединена с дифференциалом, и, результате, крутящий момент передаётся от двигателя к колёсам. Наружный ШРУС состоит из обоймы и корпуса, имеющих канавки. В этих канавках «ходят» шарики, которые соединяют составные части друг с другом жёстким способом. Наружный ШРУС передаёт крутящий момент без потерь под любыми углами. Повторяю, под любыми возможными углами. Внутренняя часть узла менее подвижна, и может «работать» только до 20 градусов. Это трипоид с роликами на подшипниках, которые двигаются по таким же канавкам, только в ответном стакане – именно этот узел компенсирует ходы подвески и обеспечивает неразрывность вала.

Сам шарнир является силовым элементом, подверженным высоким нагрузкам, соответственно, за ним нужно ухаживать. К уходу относится смазка и последующая изоляция от внешних воздействий окружающей среды. Пыльник рекомендуется набивать смазкой и удерживать на валах хомутами, желательно, металлическими, ведь от пыльника зависит срок службы узла.

Сломался. Почему?

В идеальном мире ШРУС должен жить на протяжении всего срока жизни вашего автомобиля, однако идеальный мир существует только на бумаге и узел может сломаться в любой момент, причём не всегда в этом виноват износ. Зачастую сами водители «помогают» узлу выйти из строя. Основной причиной поломки является повреждение пыльника. Резина со временем покрывается трещинами, а реагенты в зимнее время могут и разъесть сам пыльник. Результатом этого становится попадание грязи, которая, при контакте с подвижными соединениями, становится абразивом. Рано или поздно ШРУС будет изнашиваться и заклинивать, а ещё могут выпасть ролики из подшипников.

Карданная передача и ШРУС: что это такое и как это работает

Другая причина – неадекватное вождение или желание влезть в конструкцию машины. Помните о том, что резкие старты с пробуксовками чреваты печальными последствиями для ШРУСа. Старты с вывернутыми колёсами, управляемые заносы на переднем приводе – все это может стать причиной поломки. Не стоит забывать и о любителях «полутюнинга», при котором все деньги вкладываются только в мотор, а про ходовую часть забывают –получается, что узел рассчитанный на определённые нагрузки, вынужден получать больше – так, вполне вероятно, он сломается.

Карданная передача и ШРУС: что это такое и как это работает

Последствия

В большинстве современных автомобилей безболезненно заменить этот узел возможно с трудом, даже если вы повредили только пыльник. Будьте готовы заменить сразу приводной вал. Но, как вы понимаете, это не слишком гуманно. Конечно, гаражные мастера и некоторые «клубные» сервисы могут заменить эти детали и отдельно, но официально будьте готовы к подобному исходу. Довольно часто «уставший» ШРУС просто клинит, и, следом за этим, у вас ломается полуось, а дальше вы сможете ехать только на эвакуаторе. Хорошо, если остановитесь не в левом ряду на автомагистрали или на перекрёстке… Впрочем, не стоит драматизировать. Во избежание неприятностей в пути и лишних финансовых трат рекомендуется хотя бы раз в пять тысяч километров осматривать пыльники внутренних и внешних ШРУСов. При малейшем подозрении на негерметичность узлов нужно тщательно отмыть от загрязнений шарниры и заменить пыльники на новые, попутно обновив смазку. При появлении характерных хрустов не стоит откладывать ремонт в долгий ящик — скорее всего, «вылечить» такой привод уже не получится.

Карданная передача и ШРУС: что это такое и как это работает


Шарнир равных угловых скоростей

Полуоси, независимо оттого, где они применяются, в переднеприводном автомобиле или в автомобиле с приводом на задние колеса с независимой подвеской, представляют собой карданные валы в миниатюре. Важное различие заключается в том, что они короче, и в том, что внешние концы перемещаются с колесами, которые они приводят в движение, а углы, под которыми они передают крутящий момент, больше. Вес является важным фактором, потому что, валы образуют часть «неподрессоренной массы», которая влияет на плавность хода и устойчивость. Одновременно полуоси должны быть по возможности небольшими, потому что они должны проходить через подвеску и оставлять место для других компонентов, таких, как тормозной механизм и привод, которые образуют часть колесного узла. Поэтому полуоси могут быть трубчатыми, но более часто сплошными, из-за того, что это дает возможность сделать их тоньше и дешевле.

Однако конструкция самого вала не настолько важна, насколько важна конструкция шарниров на каждом конце вала. Основная задача любого карданного шарнира — передавать крутящий момент при изменяющихся углах между валами. Чтобы не допустить вибраций, шарнир должен обеспечивать постоянное равенство угловых скоростей соединяемых валов. Конструкция шарнира должна обеспечивать равенство угловых скоростей, работать при больших углах между валами, компенсировать продольные перемещения и иметь минимальное трение.

Наиболее распространенным шарниром в приводных валах является универсальный карданный шарнир неравных угловых скоростей, который хорошо работает в различных конструкциях. В альтернативных конструкциях могут использоваться эластичные материалы, резиновые «бублики» или диски из прочного пластика. Но все эти конструкции обладают одним недостатком: если два соединенных шарниром вала вращаются под углом и ведущий вал вращается с постоянной скоростью, скорость ведомого вала будет изменяться при каждом обороте вала, то увеличиваться относительно ведущего, то уменьшаться.

Что такое ШРУС?

Увеличение угла между валами увеличивает разницу в угловых скоростях. Это свойство может не приниматься во внимание, если углы между валами небольшие или они вращаются медленно, но понятно, что они не могут применяться в приводе к передним ведущим и управляемым колесам. Колеса должны вращаться с постоянной скоростью, а не с вибрацией, то быстрее, то медленнее, причем изменяясь сотни раз в минуту. Таким образом, шарнир ведущей полуоси в переднем приводе должен обеспечивать равенство угловых скоростей ведущего и ведомого валов привода — следовательно, нужен шарнир равных угловых скоростей (ШРУС).

Историческая справка

После 1930 года появилось несколько конструкций ШРУС, особые улучшения конструкции были разработаны специалистами по трансмиссиям компании GKN. Первый производитель серийных автомобилей с передним приводом использовал «сдвоенные» карданные шарниры неравных угловых скоростей, что дало возможность решить проблему. Большинство шарниров равных угловых скоростей соединяют два вала через «сепаратор», в котором находятся шарики или ролики, которые перемещаются в канавках, выполненных на концах обоих валов. Вместо циклического изменения скорости ведомого вала, циклические движения совершают шарики или ролики, а ведомый вал вращается с той же скоростью, что и ведущий. Можно также обеспечить осевое перемещение шариков или роликов в корпусе шарнира, для компенсации изменения длины такой передачи. В полуосях, приводящих в движение передние колеса, таким выполняется внутренний шарнир, потому что ему не нужно работать под такими большими углами, как наружному.

Нагрузки на ШРУС

Нагрузки на ШРУС увеличиваются при увеличении угла между валами, и если им приходится работать долгое время под большими углами, это может уменьшить их долговечность и точность работы. Однако при очень больших углах работают только наружные шарниры в переднем приводе, а время их работы в таком положении не очень большое, потому что это происходит, только когда колеса вывернуты до упора. ШРУСы в основном обладают очень высокой долговечностью, если обеспечена адекватная смазка шарнира.

Иногда не обращают внимания на эластичные защитные чехлы ШРУСа, хотя они защищают шарниры от попадания в них грязи и пыли, а это существенно влияет на долговечность шарнира. Как уже упоминалось, ШРУСы сейчас широко используются в карданных передачах заднеприводных автомобилей. На самом деле инженеры по современным трансмиссиям, сталкиваясь с проблемой шума и вибраций, обычно заменяют обычные карданы на ШРУС.

Шарниры равных угловых скоростей

Шарниры равных угловых скоростей применяются для передачи крутящего момента от дифференциала на ведущие управляемые колеса. При соединении валов шарнирами равных угловых скоростей ведомый вал вращается равномерно с постоянной угловой скоростью, соответствующей угловой скорости ведущего вала. Чаще применяют шариковые, кулачковые и трехшиповые шарниры.

Шариковый шарнир равных угловых скоростей (шарнир Вейса) состоит из следующих элементов:

• ведущего вала со шлицами, входящими в зацепление с полуосевым зубчатым колесом дифференциала и вилкой с делительными канавками;
• ведомого вала со шлицами, входящими в зацепление с ведущим фланцем ступицы колеса и вилкой с делительными канавками;
• четырех ведущих шариков, расположенных в делительных канавках вилок;
• центрирующего шарика вилок, помещенного в сферические углубления на торцах вилок.


 

 

Схема привода передних колес. Устройство и описание

 

Привод передних колес: 1 — 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.

 

Устройство наружного шарнира

 

Детали наружного шарнира привода передних колес: 1 — корпус шарнира; 2 — сепаратор; 3 — обойма; 4 — шарики.

Центрирующий шарик имеет лыску, которая располагается при сборке против вставленного ведущего шарика. Шарик стопорят шпилькой, расположенной в осевом канале ведомой вилки, одним концом входящей в отверстие центрирующего шарика, таким образом запирая собранный карданный шарнир. Делительные канавки имеют специальную форму, при которой ведущие шарики независимо от угловых перемещений вилок всегда располагаются в плоскости, делящей пополам угол (биссекторная плоскость) между осями ведущей и ведомой вилок. Благодаря этому обе вилки имеют одинаковую частоту вращения. Предельный угол между осями валов 32—33°.

Шариковый шарнир равных угловых скоростей (шарнир Рцеппа) состоит из двух кулаков: внутреннего, связанного с ведущим валом, и наружного, связанного с ведомым валом. В обоих кулаках имеется по шесть тороидных канавок, расположенных в плоскостях, проходящих через оси валов, В канавках находятся шарики, положение которых задается сепаратором, взаимодействующим с валами через делительный рычажок. Один конец рычажка поджимается пружиной к гнезду внутреннего кулака, другой скользит в цилиндрическом отверстии ведомого вала. При изменении относительного положения валов рычажок наклоняется и поворачивает сепаратор, который в свою очередь, изменяя положение шариков, обеспечивает их расположение вбисекторной плоскости. В данном шарнире крутящий момент передается через все шесть шариков. Предельный угол между осями валов 35—38°.

Шариковый шарнир Рцеппа без делительного рычажка. Установка шариков в бисекторную плоскость происходит благодаря эксцентричности сфер, в которых располагаются оси тороидальных канавок кулаков. Центры сфер, в которых лежат оси канавок наружного (ведомого) и внутреннего (ведущего) кулаков, расположены так, что при повороте оси ведомого вала по часовой стрелке верхний шарик выталкивается из сужающегося пространства между кулаками, а нижний с помощью сепаратора перемещается в увеличивающееся пространство с другой стороны шарнира. Остальные шарики занимают промежуточное положение. Работа данного шарнира подобна работе шарнира Рцеппа, имеющего делительный рычажок, однако характеризуется менее точной кинематикой. Простота и надежность конструкций, высокая несущая способность при небольших габаритных размерах способствуют их широкому применению на передне приводных автомобилях.

Кулачково-дисковый шарнир равных угловых скоростей (шарнир Тракта) состоит из связанных с ведущим и ведомым валами полуцилиндрических вилок и вставленных в них цилиндрических кулаков, в пазы которых входит диск, передающий крутящий момент от ведущей вилки к ведомой. Максимальное значение угла между валами до 45° Большая контактная поверхность деталей, воспринимающая усилия, и высокая несущая способность обуславливают их применение на тяжелых грузовых автомобилях.

Трехшиповые шарниры. В трехшиповом шарнире крутящий момент от ведущего вала передают три сферических ролика, которые установлены на радиальных шипах, жестко связанных с корпусом шарнира ведомого вала. Шипы относительно друг друга располагаются под углом 120° Ведущий вал имеет трехпальцевую вилку, в цилиндрические пазы которой входят ролики. При передаче момента между несоосными валами ролики перекатываются со скольжением вдоль пазов и одновременно скользят в радиальном направлении относительно шипов. Предельный угол между осями валов до 40° Особенностью данного шарнира является то, что в отличие от шариковых шарниров передача момента от ведущих элементов на ведомые происходит не в бисекторной плоскости, а в полости, проходящей через оси шипов. Равенство частот вращения ведущего и ведомого валов обеспечивается при любом взаиморасположении их осей.




Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *