ность карданного шарнира определяется в первую очередь надежностью игольчатых подшипников.

Помимо бринеллирования возможно также усталостное выкрашивание (питтинг) на соприкасающихся с иглами поверхностях, что объясняется высокими контактными напряжениями. В связи с этим шипы крестовины карданного шарнира подвергают поверхностному упрочнению.

9.3. Карданные шарниры равных угловых скоростей

Карданные шарниры равных угловых скоростей (ШРУС) применяют для привода управляемых ведущих колес и ведущих колес с независимой подвеской, где они обеспечивают равномерное вращение колес при углах γ между валами до 50о. Широкое распространение получили шариковые шарниры (с делительным рычажком и с делительными канавками) и кулачковые.

Для получения равенства угловых скоростей ω 1 и ω 2 валов при различных значениях угла γ между ними необходимо, чтобы точки контакта деталей шарнира, соединяющего валы, всегда лежали на одинаковых расстояниях r1 и r2 от осей валов (рис. 9.12). Окружная скорость точки О, в которой контактируют рычаги АО и ВО валов:

Vо = ω 1 r1 = ω 2 r2.

Рис. 9.12. Схема силового взаимодействия двух валов через одну точку контакта

518

Так как r1=ОС sinα и r2=ОС sinβ , то угловые скорости валов будут равны при α = β . Следовательно, точка О будет лежать на биссектрисе угла между осями валов 1 и 2. При повороте валов точка О контакта рычагов перемещается в пространстве по биссекторной плоскости. Так, например, при повороте валов на 180о контакт рычагов будет в точке О I.

Контакт соединяемых шарниром валов обычно осуществляется через шарики. Установка шариков в биссекторную плоскость производится принудительно с помощью делительных канавок или делительным рычажком.

На рис. 9.13 показан ч е т ы р е х ш а р и к о в ы й к а р д а н- н ы й ш а р н и р с д е л и т е л ь н ы м и к а н а в к а м и т и п а “ В е й с ”. Такие шарниры широко применяются в приводе управляемых ведущих колес. При движении трактора вперед усилие передается одной парой шариков, а при движении задним ходом - другой парой. Канавки 5 в кулаках 2 и 3 нарезаны по дуге окружности радиуса

Рис. 9.13. Четырехшариковый карданный шарнир с делительными канавками типа “Вейс”

519

R. Четыре шарика 6 располагаются на пересечении симметрично расположенных канавок 5 в биссекторной плоскости, что обеспечивает синхронность вращения валов 1 и 4. Шарик 7 центрирующий.

Наиболее точно шарики 6 устанавливаются при пересечении канавок 5 под углом 90о. Однако при этом скольжение шариков приводило бы к быстрому изнашиванию как шариков 6, так и канавок 5 и снижению КПД шарнира. Пересечение канавок под малым углом не обеспечивает точности установки шариков в биссекторной плоскости

иможет привести к заклиниванию шариков.

Всуществующих конструкциях шарниров канавки выполняются так, что центр окружности радиуса R, образующей ось канавок, нахо-

дится на расстоянии a=(0,45...0,55)R от центра шарнира. Шарнир применяют при углах между валами до 32о.

Возможность передачи больших крутящих моментов через шарнир ограничена тем, что передача усилия осуществляется только двумя шариками при больших контактных напряжениях. Необходимо отметить, что износу наиболее подвержены средние части канавок, что соответствует прямолинейному движению трактора. При этом ненагруженные канавки изнашиваются более интенсивно, чем нагруженные. Это объясняется тем, что большая часть времени работы трактора происходит с выключенным передним мостом, когда шарнир нагружается в обратном направлении небольшим, но длительно действующим моментом сопротивления вращению части трансмиссии.

Основными элементами ш е с т и ш а р и к о в о г о к а р д а н- н о г о ш а р н и р а с д е л и т е л ь н ы м р ы ч а ж к о м (рис. 9.14,а) являются сферический кулак 7, закрепленный на шлицах вала 8, и сферическая чашка 5 вала 1. На кулаке и внутренней стороне чашки выфрезеровано по шесть меридиональных канавок полукруглого сечения для размещения шариков 6. Канавки на кулаке 7 и в чашке 5 выполнены из одного центра.

При наклоне валов 1 и 8 на угол γ сепаратор 4, в котором размещены шарики 6, с помощью делительного рычажка 3 принудительно устанавливает их в биссекторной плоскости под углом γ/ 2 ( см. рис. 9.14,б), что и обеспечивает синхронность вращения валов. Пружина 2 служит для поджатия делительного рычажка 3 к гнезду в торце вала 8 при изменении положения рычажка в результате наклона валов.

Карданный шарнир с делительным рычажком допускает максимальный угол между валами γ = 37о. Так как усилие в шарнире передается всегда шестью шариками, то он обеспечивает передачу большого крутящего момента при малых габаритах. Шарнир обладает вы-

520

а)

б)

Рис. 9.14. Шестишариковый карданный шарнир с делительным рычажком типа “Рсцепп”:

а - установка шарнира в приводе переднего ведущего колеса; б - схема шарнира

521

сокой надежностью, высоким КПД, однако технологически сложен, так как все его детали подвергаются токарной и фрезерной обработке с обеспечением высокой точности, необходимой для одновременной передачи усилия всеми шариками. По этой причине стоимость шарнира высокая.

На рис. 9.15 представлен ш е с т и ш а р и к о в ы й к а р д а н- н ы й ш а р н и р т и п а “ Б и р ф и л ь д ”. На кулаке 4, наружная поверхность которого выполнена по сфере радиуса R1 (центр О), выфрезеровано шесть канавок. Канавки кулака имеют переменную глубину, так как они нарезаны по радиусу R3 (центр О1 смещен влево

а)

б)

Рис. 9.15. Шестишариковый карданный шарнир типа “Бирфильд”:

а - конструкция; б – схема

522

относительно центра шарнира О на расстояние а). Внутренняя поверхность корпуса 1 выполнена по сфере радиуса R2 (центр О), имеет также шесть канавок переменной глубины, нарезанных по радиусу R4 (центр О2 смещен в противоположную сторону относительно центра шарнира О также на расстояние а).

Сепаратор 3, в котором размещены шарики 2, имеет наружную и внутреннюю поверхности, выполненные по сфере радиусов соответственно R1 и R2. В положении, когда валы шарнира соосны, шарики находятся в плоскости, перпендикулярной осям валов, проходящей через центр шарнира.

При наклоне валов 6 и 7 на угол γ верхний шарик выталкивается из сужающего пространства канавок вправо, а нижний - перемещается сепаратором 3 в расширяющееся пространство канавок влево. Центры шариков всегда находятся на пересечении осей канавок. Это обеспечивает их расположение в биссекторной плоскости, что является условием синхронного вращения валов. Во избежании заклинивания шариков угол, под которым пересекаются оси канавок, не должен быть менее 11о 20’.

В отличие от карданного шарнира с делительным рычажком в данном шарнире профиль сечения канавок выполнен не по дуге окружности, а по эллипсу (рис. 9.15,б). Благодаря этому силы взаимодействия стенки канавки и шарика составляют с вертикалью угол 45о, что предохраняет кромки канавок от смятия и скалывания. Отсутствие делительного рычажка позволяет этому шарниру работать при угле между валами γ =45о.

КПД шарнира при малых углах выше 0,99, а при γ = 30о - 0,97. Сравнительно большие потери в шарнире при больших углах γ между валами 6 и 7 объясняются тем, что наряду с трением качения для него характерно и трение скольжения.

Ресурс современных шарниров этого типа высокий. Основной причиной преждевременного выхода из строя шарнира является повреждение защитного резинового чехла 5.

Необходимо отметить, что рассмотренные выше ШРУС при соединении валов обеспечивают только их угловую и незначительную радиальную компенсацию. Для выполнения осевой компенсации применяют универсальные карданные ШРУС.

На рис. 9.16 представлен ш е с т и ш а р и к о в ы й у н и в е р- с а л ь н ы й к а р д а н н ы й ш а р н и р ( т и п а Г К Н ). На внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1 нарезаны шесть продольных канавок эллиптического сечения, такие же канавки выполне-

523

ны на сферической поверхности кулака 3 параллельно продольной оси. В канавках размещены шесть шариков 2, установленных в сепараторе 4.

Рис. 9.16. Шестишариковый универсальный карданный шарнир типа ГКН:

1 - корпус; 2 - шарики; 3 - кулак; 4 - сепаратор

Взаимодействующие поверхности кулака 3 и сепаратора 4 сферические. Внутренняя сферическая поверхность сепаратора выполнена радиусом R1 из центра О1 на расстоянии а вправо от центра О, лежащего в плоскости шариков. Сферическая наружная часть сепаратора выполнена радиусом R2 из центра О2 также на расстоянии а влево от центра шарнира О. При этом сферическая поверхность переходит в коническую (угол конуса около 10о), что ограничивает максимальный угол наклона вала до 20о.

В результате смещения центров О1 и О2 сфер сепаратора относительно центра шарнира О шарики 2 при наклоне вала устанавливаются в биссекторной плоскости. Это объясняется тем, что при наклоне вала шарики 2 должны перемещаться относительно двух центров О1 и О2, что и заставляет их устанавливаться в биссекторную плоскость. Осевая компенсация в шарнире обеспечивается за счет возможности продольного перемещения шариков 2 по канавкам корпуса 1. При этом продольное перемещение шариков, а следовательно, и связанного с ними через кулак 3 вала, равно рабочей длине канавок корпуса 1.

Необходимо отметить, что при осевых перемещениях шарики не перекатываются, а скользят, что снижает КПД шарнира. Долговечность шарнира высокая, так как передача усилия осуществляется одновременно всеми шариками. Для передачи больших крутящих мо-

524

ментов используется аналогичные по конструкции восьмишариковые шарниры.

Часто в приводе ведущих управляемых колес применяют карданные передачи, состоящие из простого (см. рис. 9.15) и универсального (рис. 9.16) ШРУС, соединенных карданным валом. В этом случае карданный вал выполняют без подвижного шлицевого соединения. Осевая компенсация в передаче осуществляется универсальным ШРУС.

На рис. 9.17 представлен у н и в е р с а л ь н ы й ш е с т и ш а- р и к о в ы й к а р д а н н ы й ш а р н и р с д е л и т е л ь н ы м и к а- н а в к а м и т и п а “Л е б р о ”. Шарнир состоит из цилиндрического корпуса 1, на внутренней поверхности которого по углом 15...16о к образующей цилиндра нарезаны шесть прямых канавок. При этом рядом расположенные канавки выполнены под углом друг к другу. На поверхности сферического кулака 2 нарезано также шесть прямых канавок под таким же углом. Шесть шариков 4 вставлены в сепаратор 3 и центрируются по внутренней цилиндрической поверхности канавок

вкорпусе 1. На кулаке 2 они установлены с зазором. При сборке шарики устанавливаются на пересечении канавок в корпусе 1 и на кулаке 2, что обеспечивает синхронность вращения валов, так как шарики

внезависимости от угла между валами всегда находятся в биссекторной плоскости. Передача усилия в шарнире осуществляется одновременно шестью шариками, для чего канавки в корпусе 1 и на кулаке 2 выполняются с высокой точностью.

Рис. 9.17. Шестишариковый универсальный карданный шарнир типа “Лебро”

Данная конструкция шарнира имеет меньшие размеры по сравнению с другими типами универсальных ШРУС, так как рабочая длина канавок и ход шариков 4 в два раза меньше осевого перемещения вала. При

525

этом сепаратор 3 не выполняет функцию деления угла между валами. Следовательно, он менее нагружен и требования к точности его изготовления более низкие. КПД шарнира высокий (около 0,99 при γ = 10о).

Кулачковые карданные ШРУС применяются в приводе к ведущим управляемым колесам. Благодаря наличию развитых поверхностей взаимодействующих деталей шарнир при малых габаритах и углах между соединяемыми валами до 45...50о способен передавать значительный по величине крутящий момент.

Наибольшее распространение получили два типа кулачковых ШРУС: шарнир типа “Тракта” и дисковый. Шарнир типа “Тракта” состоит из четырех штампованных деталей (рис. 9.18,а): двух вилок 1 и 4 и двух фасонных кулаков 2 и 3, трущиеся поверхности которых при обработке шлифуются.

Дисковый шарнир состоит из пяти деталей (рис. 9.18,б): двух вилок 1 и 4, двух кулаков 2 и 3 и диска 5. Трудоемкость его изготовления несколько большая по сравнению с шарниром типа “Тракта”. Угол между соединяемыми валами может быть до 45о.

КПД кулачковых шарниров ниже, чем у других ШРУС, так как для их элементов характерно трение скольжения. В связи с этим в эксплуатации наблюдается значительный нагрев шарнира, а иногда и задиры поверхностей его деталей в результате сложности обеспечения подвода смазочного материала к поверхностям трения.

б)

а)

Рис. 9.18. Кулачковые карданные шарниры:

а – типа “Тракта”; б - дисковый

526