Шарниры равных угловых скоростей

Схема ШРУСа:
ω1, ω2 — угловые скорости валов 1 и 2 соответственно;
α, β — угол шарнира;
О — точка контакта рычагов валов 1 и 2;
r1, r2 — радиусы вращения рычагов вала 1 и вала 2 соответственно;
OO’ — биссектриса угла ϕ

Передние ведущие колеса полноприводных и переднеприводных автомобилей являются также и управляемыми, т. е. должны поворачиваться, что требует использования между колесом и полуосью шарнирного соединения. Карданные шарниры неравных угловых скоростей передают вращение циклически и работают при небольших значениях углов между валами, что делает в этом случае их применение проблематичным. В этих условиях нашли применение синхронные шаровые сочленения, называемые шарнирами равных угловых скоростей (ШРУС).
В переднеприводном автомобиле обычно используются два внутренних таких шарнира (связаны с коробкой передач) и два внешних (крепятся к колесам). Устройство этих шарниров можно представить так: в каждом шарнире имеются две главные детали — корпус и обойма, одна в другой. В этих деталях выполнены канавки с шариками, которые, по сути дела, жестко соединяют обе сферические детали, через них и передается вращение от двигателя к колесу. В то же время, двигаясь в канавках, шарики позволяют одной сферической детали поворачиваться относительно другой и при этом осуществлять поворот колеса. При всем многообразии конструктивных решений, в шарнирах равных угловых скоростей должен выдерживаться единый принцип: точки контакта, через которые передаются окружные силы, должны находиться в плоскости, проходящей через биссектрису угла между валами (в биссекторной плоскости).

Содержание

Cдвоенный карданный шарнир

Это условие можно обеспечить различными способами. Простейшее решение — объединить два обычных карданных шарнира неравных угловых скоростей так, чтобы ведомая вилка одного служила ведущей вилкой другого. Такая конструкция получила название сдвоенного карданного шарнира.
Первые конструкции сдвоенных шарниров в 20-х гг. прошлого века были довольно громоздки, не оставляли в ступице переднего колеса места для тормозного механизма, который приходилось перемещать к картеру главной передачи. Однако со временем сдвоенные карданные шарниры совершенствовались, становились более компактными и продержались на легковых автомобилях до 60-х гг. Для сдвоенных шарниров на игольчатых подшипниках характерен усиленный износ этих подшипников и шипов крестовины, так как благодаря преимущественно прямолинейному движению автомобиля иглы подшипников не перекатываются, вследствие чего поверхности деталей, с которыми они соприкасаются, подвержены бринеллированию, а сами иглы иногда сплющиваются.

Кулачковые карданные шарниры

Карданный шарнир «Тракта»

Кулачковые карданные шарниры:
а — шарнир «Тракта»,
б — дисковый

В 1925 г. на переднеприводных автомобилях появляется шарнир «Тракта» (позиция «а» 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 (так же, как у сдвоенного карданного шарнира). В нашей стране был разработан кулачково-дисковый шарнир, который применяется на полноприводных грузовиках КрАЗ, Урал, КамАЗ.
Шарнир (позиция «б» на рисунке) состоит из пяти простых по конфигурации деталей: двух вилок, двух кулаков и диска.
Кулачковые шарниры благодаря наличию развитых поверхностей взаимодействующих деталей способны передавать значительный по величине крутящий момент при обеспечении угла между валами до 45°. Но трение скольжения между контактирующими поверхностями приводит к тому, что этот шарнир имеет самый низкий КПД из всех шарниров равных угловых скоростей. Следствием этого является значительный нагрев и задиры на деталях шарнира.

карданный шарнир «Вейс»

Шарнир с делительными канавками типа «Вейс»:
1, 5 — валы;
2, 4 — кулаки;
3 — шарики;
6 — центрирующий шарик;
7, 8 — фиксирующие штифты

Недостатки сдвоенных шарниров и шарниров кулачкового типа были толчком к поиску новых решений, и в 1923 г. немецкий изобретатель Карл Вейс запатентовал шариковый карданный шарнир с делительными канавками (типа «Вейс»).
Особенностью этого шарнира является то, что при движении автомобиля вперед движение передается одной парой шариков, а задним ходом — другой парой. Передача усилий только двумя шариками при точечном контакте приводит к большим контактным напряжениям. Поэтому он обычно устанавливается на автомобили с нагрузкой на ось, не превышающей 30 кН. В годы Второй мировой войны подобные шарниры производства фирмы «Бендикс» устанавливались на такие автомобили, как Виллис, Студебекер, Додж. В отечественной практике они применяются на автомобилях УАЗ, ГАЗ-66.
Сочленения типа «Вейс» технологичны и дешевы в производстве, позволяют получать угол между валами до 32°. Но срок службы из-за высоких контактных напряжений обычно не превышает 30 тыс. км.

Карданный шарнир «Рцеппа»

Карданный шарнир «Рцеппа»:
1 — биссекторная плоскость
2 — делительный рычажок

В 1927 г. появился шариковый шарнир с делительным рычажком (шарнир «Рцеппа»). Шарнир технологически сложен, но он более компактен, нежели шарнир с делительными канавками, и может работать при углах между валами до 40°. Так как усилие в этом шарнире передается всеми шестью шариками, он обеспечивает передачу большого крутящего момента при малых размерах. Долговечность его достигает 100–200 тыс. км.

Карданный шарнир «Бирфильд»

Шестишариковый шарнир с делительными канавками

Дальнейшей эволюцией этого подхода является шестишариковый шарнир типа «Бирфильд» с делительными канавками. Такой шарнир может работать при угле между валами до 45°. Шарниры этого типа имеют высокую долговечность. 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°. Данный тип шарниров широко применяется в карданной передаче передних управляемых и ведущих колес современных автомобилей. Он устанавливается на наружном конце карданного вала; при этом на внутреннем конце 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 (тип GKN).

Карданный шарнир тип GKN

Универсальный шестишариковый карданный шарнир GKN:
1 — стопорное кольцо корпуса внутреннего шарнира;
2 — защитное кольцо внутреннего шарнира;
3 — корпус внутреннего шарнира;
4 — упор вала;
5 — стопорное кольцо;
6 — обойма;
7 — шарик;
8 — упорное кольцо;
9 — сепаратор;
10 — наружный хомут;
11 — фиксатор внутреннего шарнира;
12 — защитный чехол;
13 — внутренний хомут;
14 — вал привода колеса;
15 — защитное кольцо наружного шарнира;
16 — корпус наружного шарнира

Осевое перемещение 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, что снижает КПД шарнира.

Карданный шарнир Loebro

Карданный шарнир Loebro:
1- Канавки с углом проточки 15-16°

Шарнир Loebro отличается от 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. Он меньших размеров, чем другие шестишариковые шарниры, кроме того, сепаратор его менее нагружен, поскольку не выполняет функции смещения шариков кулаков.

Шарнир равных угловых скоростей (ШРУС)

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.

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.

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

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

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 (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

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.

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.

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