Назначение и типы карданных передач и карданных шарниров

Назначение и  типы карданных передач и карданных  шарниров.

Карданной называется передача, осуществляющая силовую связь механизмов автомобиля, валы которых несоосны или расположены под углом.

Карданная передача служит для передачи крутящего момента  между валами механизмов.

В зависимости от типа, компоновки и конструкции автомобиля карданная  передача может передавать крутящий момент от коробки передач к раздаточной коробке или к главной передаче ведущего моста, от раздаточной коробки к главным передачам ведущих мостов, между главными передачами среднего и заднего ведущих мостов, от полуосей к передним ведущим и управляемым колесам, от главной передачи к ведущим колесам с независимой подвеской. Карданная передача может также применяться в приводе от коробки отбора мощности к вспомогательным механизмам (лебедка и др.) и для связи рулевого колеса с рулевым механизмом.

Для соединения механизмов автомобиля применяются карданные передачи различного типа (рис. 1).

Одновальные карданные передачи применяются на легковых автомобилях  с короткой базой (база — расстояние между передними и задними колесами) и колесной формулой 4x2 для соединения коробки передач с задним ведущим мостом. Такая карданная передача состоит из карданного вала и двух карданных шарниров.

Двухвальная карданная передача применяется на автомобилях с длинной базой и колесной формулой 4x2 для связи коробки передач с задним ведущим мостом. Передача включает в себя два карданных вала, три карданных шарнира и промежуточную опору. Эта карданная передача получила наибольшее распространение

 

 

Рис. 1. Типы карданных передач, классифицированных по различным признакам на легковых, грузовых автомобилях и автобусах ограниченной проходимости.

На автомобилях повышенной проходимости с колесной формулой 4x4 используются три одиовальные карданные передачи для соединения соответственно коробки передач с раздаточной коробкой, а также раздаточной коробки с задним и передним ведущими мостами.

На автомобилях высокой  проходимости с колесной формулой 6x6 и индивидуальным приводом ведущих мостов раздаточная коробка соединяется с задним ведущим мостом двухвальной карданной передачей с промежуточной опорой. Связь коробки передач с раздаточной коробкой с передним и средним ведущими мостами этих автомобилей осуществляется одновальными карданными передачами.

В автомобилях высокой  проходимости с колесной формулой 6x6 и со средним проходным ведущим мостом для связи коробки передач с раздаточной коробкой и раздаточной коробки с ведущими мостами используются одновальные карданные передачи. При этом обеспечивается привод дополнительного редуктора среднего моста.

Одновальные и двухвальные карданные передачи, используемые для соединения коробки передач, раздаточной коробки и ведущих мостов автомобилей, имеют карданные шарниры неравных угловых скоростей. Карданные передачи с шарнирами равных угловых скоростей на автомобилях применяются для привода передних управляемых и одновременно ведущих колес.

Карданные шарниры. Карданным  шарниром или карданом называется подвижное соединение, обеспечивающее передачу вращения между валами, оси которых пересекаются под углом.

В автомобилях применяются  карданные шарниры неравных и  равных угловых скоростей. Первые называются асинхронными шарнирами, а вторые —  синхронными.

Карданный шарнир неравных угловых скоростей (рис. .2 а) состоит из вилки 1 ведущего вала, вилки 3 ведомого вала и крестовины 2, соединяющей вилки с помощью игольчатых подшипников. Вилка 3 может поворачиваться относительно оси 00 крестовины и одновременно с крестовиной поворачиваться относительно оси 01О1  при передаче вращения с ведущего вала на ведомый при изменяющемся угле у между валами.

Если ведущий вал повернется на некоторый угол а, то ведомый вал за это время повернется на угол В, и соотношение между углами поворота запишется в виде

 

 

Следовательно, валы вращаются  с разными скоростями , а ведомый вал — еще и неравномерно. Неравномерность вращения валов зависит от угла у между ними.

 

Рис. 2. Карданные шарниры:

 а — неравных угловых скоростей; б, в — равных угловых скоростей; 1,3,8.11 — вилки; 2 — крестовина; 4, 5 —валы; 6, 7 — шарики; 9. 10 — кулачки; 12 — паз; 13 — шип

Степень неравномерности  вращения ведомого вала оценивается коэффициентом неравномерности

 

Карданные шарниры неравных угловых скоростей допускают  передачу вращения при углах у  между валами до 15... 20° Наиболее распространенными карданными шарнирами равных угловых скоростей являются шариковые и кулачковые шарниры.

Шариковый карданный шарнир равных угловых скоростей  состоит  из фасонных вилок, изготовленных как  единое целое с ведущим 4 и ведомым 5 валами. Вилки имеют овальные делительные канавки, в которых находятся рабочие шарики 6. Центрирование вилок осуществляется шариком 7, размещающимся в сферических углублениях внутренних концов вилок. Вращение с вала 4 на вал 5 передается через рабочие шарики 6.

 

Рис. 3. График зависимости коэффициента неравномерности вращения карданного вала от угла у между

Канавки вилок имеют специальную  форму, которая независим мо от изменения  угла у между валами обеспечивает расположение рабочих шариков в плоскости АА, делящей угол 0 пополам. В результате этого оба вала вращаются с равными скоростями .

Шариковый карданный шарнир такого типа может передавать вращение при углах у между валами, достигающими 30... 32° Шарнир прост по конструкции и сравнительно недорог при изготовлении. Однако он имеет ускоренный износ из-за наличия скольжения рабочих шариков относительно канавок и высокого давления между шариками и канавками.

Кулачковый карданный  шарнир равных угловых скоростей (см. рис. 2, в) состоит из двух вилок —8 и 11, изготовленных совместно с валами, и двух кулачков — 9 и 10 — специальной формы. Кулачки установлены в вилках и соединены между собой с помощью шипа 13 и паза 12. При такой конструкции вилки 8 и 11 могут качаться в своих кулачках в одной плоскости и вместе с кулачками в другой плоскости.

Кулачковый карданный  шарнир равных угловых скоростей  по своему действию аналогичен действию двух сочлененных карданных шарниров неравных угловых скоростей (сдвоенному карданному шарниру), из которых первый шарнир создает неравномерность вращения, а второй — устраняет эту неравномерность. В результате обеспечивается равномерное вращение валов соединяемых кулачковым шарниром.

Кулачковые карданные  шарниры имеют простую конструкцию, большую опорную поверхность  и небольшие напряжения смятия. Эти  шарниры в зависимости от своих  размеров способны передавать большой крутящий момент (8...30 кН м). При этом передача крутящего момента возможна при углах между валами у = 45...50° Однако КПД кулачковых карданных шарниров меньше, чем у шариковых шарниров.

Кулачковые карданные  шарниры равных угловых скоростей  применяются на автомобилях большой  грузоподъемности в приводе к передним ведущим управляемым колесам.

Требования к  карданной передаче

Дополнительно к общим  требованиям к системам, агрегатам  и механизмам автомобиля  к карданной  передаче предъявляются специальные  требования, в соответствии с которыми она должна обеспечивать:

• передачу крутящего момента и равномерное вращение валов соединяемых механизмов независимо от угла между валами;
• передачу крутящего момента без создания в трансмиссии автомобиля дополнительных нагрузок;
• высокий КПД;
• бесшумность при работе.

Равномерность вращения валов. Взаимное расположение валов механизмов, соединяемых карданной передачей, и угол между валами существенно  влияют на конструкцию и работу карданной  передачи.

Угол между валами зависит  главным образом от механизмов, которые  соединяет карданная передача. Когда  карданная передача соединяет коробку  передач и раздаточную коробку, которые установлены на раме или кузове, угол наклона соединяющего карданного вала составляет 3... 5° Если карданная передача связывает коробку передач или раздаточную коробку с главной передачей, или главную передачу ведущего моста с ведущими колесами (при независимой подвеске), то наклон карданного вала может быть 12... 15° Наибольший угол между соединяемыми валами может достигать 30...32° в том случае, когда карданная передача применяется для передачи крутящего момента ведущему управляемому колесу. Независимо от угла между соединяемыми валами карданная передача должна обеспечивать передачу крутящего момента и равномерное вращение валов. Это достигается выбором типа и кинематики карданной передачи и ее карданных шарниров.

При одновальной карданной  передаче, двух карданных шарнирах неравных угловых скоростей и валах, расположенных в одной плоскости (рис. 4, а), ведущие вилки шарниров устанавливают под углом 90° одна относительно другой. В этом случае равномерное вращение валов соединяемых механизмов может быть достигнуто при условии расположения вилок карданного вала в одной плоскости и при равенстве углов между карданным валом и соединяемыми валами (yi = у₂).

При двухвальной карданной передаче, трех карданных шарнирах неравных угловых скоростей и валах, расположенных в одной

 

Рис. 4. Схемы одновальной  двухшарнирной карданной передачи: а — плоской; б — пространственной; /. 3 — валы механизмов; 2 — карданным вал; /. // — плоскости расположения вилок карданных валов

 

Рис. 5. Схема двухвальиой трехшарнирной карданной передачи

плоскости (рис. 5), равномерность  вращения соединяемых валов возможна при условии cosy,cosy₂ = cosy₃. При этом вилки первого карданного вала должны располагаться под углом 90° одна относительно другой, а вилки второго карданного вала — устанавливаться в одной ПЛОСКОСТИ.

При движении автомобиля углы у₂ и двухвальиой карданной передачи могут изменяться, а угол у, остается постоянным. Следовательно, полное устранение неравномерности вращения валов в этом случае невозможно. В связи с этим первый карданный вал следует устанавливать с некоторым наклоном, чтобы уменьшить разрушения в игольчатых подшипниках карданных шарниров.

В некоторых автомобилях  используются пространственные карданные передачи. В такой передаче (см. рис. 4) валы / и 3 соединяемых механизмов расположены не в одной, а в разных плоскостях. Для равномерности вращения валов / и 3 необходимо, чтобы вилка карданного шарнира, связанная с валом /, лежала в плоскости /, вилка карданного шарнира, связанная с валом J, — в плоскости // и сохранялось равенство углов между карданным валом и соединяемыми валами (у, = у₂).

Равномерное вращение соединяемых  валов достигается в трансмиссии автомобиля также применением карданных шарниров равных угловых скоростей (шариковых, кулачковых).

Дополнительные нагрузки. Карданная передача является частью сложной силовой крутильной системы трансмиссии автомобиля. При работе карданной передачи в трансмиссии обычно возникают дополнительные нагрузки (изгибающие, скручивающие, осевые, вибрационные), вызванные прежде всего неравномерным вращением карданного вала. При этом угловые ускорения, обусловленные наличием карданной передачи, могут вызвать значительные крутильные колебания в трансмиссии и повышенные напряжения в валах и зубьях шестерен механизмов трансмиссии.

Вследствие неравномерности  вращения карданного вала трансмиссия нагружается инерционным моментом

где d(w) — момент инерции вращающихся частей автомобиля, приведенный к карданному валу.

Уменьшение инерционного момента и, следовательно, снижение дополнительных нагрузок в трансмиссии возможно при обеспечении равномерности вращения карданного вала. Это достигается, как указывалось ранее, выбором типа и кинематики карданной передачи и ее карданных шарниров (см. рис..4, а).

 

Если углы между карданным  валом и соединяемыми валами равны (у, = у₂), то углы поворота соединяемых валов также равны (а = ф). Следовательно, соединяемые валы механизмов трансмиссии вращаются с одинаковой угловой скоростью. В этом случае вследствие малого момента инерции карданного вала нагрузка трансмиссии инерционным моментом, вызванная неравномерным вращением этого вала, будет небольшой.

Подвижное шлицевое соединение в карданной передаче компенсирует изменение ее длины при движении автомобиля. При передаче крутящего момента в шлицевом соединении возникает осевая сила

где М_тлк — максимальный момент двигателя; u_к, — передаточное число 1 передачи коробки передач; г_ср — средний радиус боковой поверхности шлицов; |л — коэффициент трения.

Осевые силы на шлицах, имеющих  малую рабочую поверхность, достигают  больших значений (20...40 кН в грузовых автомобилях), они могут даже вызвать заклинивание шлицевого соединения. Эти силы обусловливают интенсивное изнашивание шлицов, что приводит к увеличению дисбаланса карданной передачи и возникновению вибраций. Кроме того, создаются дополнительные нагрузки на карданные шарниры, промежуточную опору карданной передачи и на подшипники коробки передач и главной передачи.

Осевые силы являются одной  из главных причин снижения в 2 — 3 раза долговечности карданной передачи по сравнению с другими агрегатами автомобиля.

Для уменьшения осевых сил  подвижное шлицевое соединение следует  размещать не вблизи заднего ведущего моста, а около промежуточной  опоры или коробки передач. Осевые силы уменьшаются при снижении трения в шлицевом соединении путем улучшения смазывания, повышения твердости и чистоты обработки поверхностей шлицов. Однако даже при обильном смазывании шлицевого соединения смазочный материал не удерживается на поверхности трения, и перемещение в шлицевом соединении происходит при коэффициенте трения jli = 0,2, а иногда, при задирах, при (Li = 0,4).

Вибрационные нагрузки в  трансмиссии автомобиля возникают вследствие неправильной установки карданных шарниров карданной передачи. В процессе эксплуатации при неправильно собранной карданной передаче се долговечность снижается в несколько раз.

КПД карданной передачи. Значение КПД карданной передачи, а следовательно, и трансмиссии автомобиля во многом зависит от типа и числа карданных шарниров и их КПД.