КУЛАЧКОВЫЕ КАРДАННЫЕ ШАРНИРЫ

В 1925 г. на переднеприводных автомобилях появляется шарнир «Тракта» (рис. 3.22а), со­ стоящий из четырех штампованных деталей: двух втулок и двух фасонных кулаков, трущиеся поверхности которых подвергаются шлифованию. Если разделить по оси симметрии кулач­ ковый карданный шарнир, то каждая часть будет представлять собой карданный шарнир не­ равных угловых скоростей с фиксированными осями качания (так же, как у сдвоенного кар­ данного шарнира). В нашей стране был разработан кулачково-дисковый шарнир, который применяется на полноприводных грузовиках КрАЗ, Урал, КамАЗ. Шарнир (рис. 3.226) состо­ ит 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.

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») (рис. 3.23).

Рис. 3.23. Шарнир с делительными канав­ ками типа «Вейс»:1, 5 — валы; 2, 4 — кула­ ки; 3 — шарики; 6 — центрирующий шарик; 7,8 — фиксирующие штифты

Рис.3.22. Кулачковые карданные шар-Рис. 3.24. Шестишариковый шарнир с де- ниры: а — шарнир «Тракта», б — дисковый лительными канавками

Особенностью этого шарнира является то, что при движении автомобиля вперед движе­ ние передается одной парой шариков, а задним ходом — другой парой. Передача усилий только двумя шариками при точечном контакте приводит к большим контактным напряжени­ ям. 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 пра­ ктике 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.

В 1927 г. появился шариковый шарнир с делительным рычажком. Шарнир технологиче­ ски 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 раз­ мерах. Долговечность его достигает 100-200 тыс. км.

Дальнейшей эволюцией этого подхода является шестишариковый шарнир типа «Бир- фильд» с делительными канавками (рис. 3.24).

Рис. 3.25. Универсальный шестишариковый карданный шарнир (тип GKN):1 — стопор­ ное кольцо корпуса внутреннего шарнира; 2 — защитное кольцо внутреннего шарнира; 3 — кор­ пус 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 — за­ щитное кольцо наружного шарнира; 16 — корпус наружного шарнира

Такой шарнир может работать при угле между валами до 45°. Шарниры этого типа имеют высокую долговечность. Основной причиной преждевременного разрушения шарнира явля­ ется повреждение эластичного защитного чехла. По этой причине автомобили высокой про­ ходимости часто имеют уплотнение в виде стального колпака. Однако это приводит к увели­ чению габаритов шарнира и ограничивает угол между валами до 40°. Данный тип шарниров широко применяется в карданной передаче передних управляемых и ведущих колес совре­ менных автомобилей. Он устанавливается на наружном конце карданного вала; при этом на внутреннем конце необходимо устанавливать шарнир равных угловых скоростей, способ­ ный компенсировать изменение длины карданного вала при деформации упругого элемен­ та подвески. Такие функции совмещает в себе универсальный шестишариковый карданный шарнир (тип GKN) (рис. 3.25).

Осевое перемещение обеспечивается перемещением шариков по продольным канав­ кам корпуса, при этом, требуемая величина перемещения определяет длину рабочей по­ верхности, что влияет на размеры шарнира. Максимальный допустимый угол наклона вала в данной конструкции ограничивается 20°. При осевых перемещениях шарики не перекаты­ ваются, а скользят, что снижает КПД шарнира.

ГЛАВНАЯ ПЕРЕДАЧА

Главная передача обеспечивает постоянное увеличение крутящего момента и передачу его на по­ луоси, расположенные под углом 90° к продольной оси автомобиля и далее к ведущим колесам.

По типу основных пар шестерен главные передачи разделяются на червячные, кониче­ ские, гипоидные и цилиндрические.

Если главная передача имеет одну пару шестерен, то ее называют одинарной, если две пары — двойной.

Червячная главная передача(рис. 3.26), по сравнению с главными передачами других типов, имеет наименьшие габариты и наиболее бесшумна. Однако она имеет низкий КПД (0,9-0,92), трудоемка в изготовлении и требует применения для зубчатого венца дорогосто­ ящей оловянистой бронзы. В связи с этим в настоящее время не применяется.

Коническая главная передача(рис. 3.27) начала широко применяться на автомоби­ лях с 1913 г., когда фирма «Глиссон» разработала зацепление с круговым зубом. Констру­ ктивной особенностью конической передачи является то, что вершины начальных конусов

ведущей и ведомой шестерен лежат в од­ ной точке. Силы, действующие между шес­ тернями такой передачи, стремятся нару­ шить правильность зацепления конических шестерен, и поэтому необходимо обеспечить достаточную жесткость всех элементов главной передачи: картера, валов, подшип­ никовых узлов. Здесь, как правило, приме­ няются роликовые конические подшипники, которые устанавливаются с предваритель­ ным натягом. Для уменьшения влияния точности зацепления на работу зубчатой пары, радиус кривизны зуба ведущей шес­ терни выполняется несколько меньшим, чем радиус кривизны зуба ведомой шес­ терни.

Коническая передача имеет достаточно высокий КПД (0,97-0,98), так как между зубьями невелико трение скольжения. В то же время она имеет наибольшие габа­ риты и является самой шумной из существу­ ющих передач.

Гипоидная главная передача(рис. 3.28) появилась на автомобиле в 1925 г. в ре­ зультате стремления снизить центр масс ав­ томобилей. Вначале ее применяли только на легковых автомобилях, но, когда прояви­ лись все достоинства гипоидной передачи, ее стали широко применять и на грузовиках. В отличие от конической в гипоидной пере­ даче оси зубчатых колес не пересекаются. При этом ось ведущей шестерни смещена относительно оси ведомой шестерни, как правило, вниз.

Рис. 3.26. Червячная передача

Рис. 3.27. Коническая передача

Основным достоинством гипоидной передачи являются: меньшие по сравнению с кони­ ческой габариты; меньшая нагрузка на зуб и низкий уровень шума, так как в зацеплении по­ стоянно находится большее, по сравнению с конической передачей, число зубьев; возмож­ ность влияния на компоновку автомобиля (понижение центра масс, уменьшение тоннеля в полу кузова, через который проходит карданная передача и т. д.). В то же время наличие смещения обусловливает присутствие в зацеплении повышенного трения скольжения, что снижает КПД до 0,96.

Цилиндрическая главная передача(рис. 3.29) применяется в переднеприводных авто­ мобилях при поперечном расположении двигателя. В существующих конструкциях зубья цилиндрической передачи выполняются косыми или шевронными. Передаточное число обычно принимают равным 3,5-4,2. Увеличение передаточного числа выше указанного ди­ апазона приводит к увеличению габаритов и уровня шума главной передачи. КПД цилиндри­ ческой пары наиболее высокий — не менее 0,98-0,99.

Двойные главные передачи(рис. 3.30) применяются на грузовых автомобилях при не­ обходимости получения больших передаточных чисел. По компоновке они выполняются цен­ тральными и разделенными. Центральные двойные главные передачи представляют собой

Рис. 3.28. Гипоидная главная передача: а — схема; б — конструкция:1 — картер задне го моста; 2 — полуось; 3 — гайка подшипников дифференциала; 4 — подшипник дифферен­ циала; 5 — ведомая шестерня главной передачи; 6 — сапун; 7 — гайка; 8 — шайба; 9 — фла­ нец ведущей шестерни; 10 — манжета; 11 — грязеотражатель; 12, 14 — подшипники веду­ щей шестерни; 13 — распорное кольцо; 15 — регулировочное кольцо; 16 — ведущая ше­ стерня; 17 — картер редуктора; 18 — болт; 19 — стопорная пластина

Рис. 3.29. Цилиндрическая передача

сочетание конической или гипоидной пары с цилиндрической, которые объединены в общем картере.

Разнесенные главные передачи состоят из центрального редуктора в виде кониче­ ской или гипоидной пары и двух редукторов, размещенных в ступицах колеса (рис. 3.31)

или близко к колесам. Рис. 3.30. Двойная главная передача

Рис. 3.31. Ведущий мост грузового автомобиля с разнесенной главной передачей и ко­ лесными планетарными редукторами

ДИФФЕРЕНЦИАЛ

При повороте автомобиля, все его колеса проходят разный по длине путь, и если между дву­ мя ведущими колесами существует жесткая связь, они начнут проскальзывать. Скольжение колес при повороте приводит к повышенному расходу топлива, износу шин, нарушению устойчивости и т. п.

Дифференциал позволяет ведомым валам вращаться с разными угловыми скоростями и выполняет функции распределения подводимого к нему крутящего момента между колеса­ ми или ведущими мостами. Дифференциалы бывают межколесными и межосевыми (в слу­ чае установки между несколькими ведущими мостами).

Рис. 3.32. Схема работы (а) и детали (б) конического симметричного дифференциала:1 — коробка сателлитов дифференциала правая; 2 — болт коробки сателлитов; 3 — опор­ ная шайба шестерни; 4, 8 — полуосевые шестерни; 5 — опорная шайба сателлита; 6 — са­ теллиты; 7 — ось сателлитов; 9 — левая коробка сателлитов дифференциала

Впервые дифференциал был применен в 1897 г. на паровом автомобиле. В настоящее время все автомобили имеют межколесные дифференциалы на ведущих мостах. Наиболее распространенным является конический симметричный дифференциал (рис. 3.32), включа­ ющий в себя: корпус, сателлиты, ось сателлитов (или крестовину) и полуосевые шестерни. Обычно число сателлитов в дифференциалах легковых автомобилей — два, грузовых и вне­ дорожных — четыре.

Симметричный дифференциал получил свое название за способность распределять под­ водимый момент поровну при любом соотношении угловых скоростей, соединенных с ним валов. Применение такого дифференциала в качестве межколесного, обеспечивает устой­ чивость при прямолинейном движении, а также при торможении двигателем на скользкой дороге.

Существенным недостатком обычного дифференциала является снижение проходимости автомобиля, если одно из его колес попадает в условия малого сцепления с опорной поверх­ ностью. При этом на колесо, находящееся в нормальных сцепных условиях, нельзя подвести крутящий момент, превышающий тот, который может быть реализован на колесе, находя­ щемся в условиях малого сцепления (это приводит к пробуксовке колеса). Для преодоления этого недостатка в некоторых конструкциях используются различные устройства, которые рассмотрены ниже (см. §22 раздел «Дифференциалы полноприводных автомобилей»).

§21