1.4.3. Шарниры равных угловых скоростей

Синхронные шарниры отличаются от асинхронных тем, что частота вращения ведущего вала равна частоте вращения ведомого вала.

Это определило область применения синхронных карданов – для привода управляемых ведущих колёс автомобиля. Угол между осями доходит до 45.

Основной принцип всех синхронных карданов состоит в том, что точки контакта для передачи окружных сил должны лежать в биссекторной плоскости валов.

Рассмотрим некоторые наиболее распространённые конструкции синхронных карданов.

1.Шарнир типа «Вайс»

Это четырехшариковый карданный шарнир с делительными канавками. На рис.52 показана конструкция кардана и схема, поясняющая его кинематику.

Особенность шарнира в том, что при движении автомобиля вперёд усилие передаётся одной парой шариков, при движении назад – другой.

Устройство шарнира показано на рис.52. Движение передается от вала 4 к валу 1 или наоборот. Кулаки 2 и 3 имеются канавки, выполненные по дуге радиуса R. Шарики 6 находятся в канавках 5 на их пересечении в биссекторной плоскости, то есть в плоскости, делящей угол между валами 1 и 4 пополам, на рис.52 это углы 90 - /2. Таким образом, обеспечивается равенство угловых частот валов 1 и 4 – точка контакта А находится на расстоянии R от каждой из осей валов 1 и 4.

Для того чтобы обеспечить установку шариков в биссекторной плоскости и предотвратить их заклинивание, канавки нарезаются по радиусу R с центром, смещённым от центра шарнира на величину а = (0,4…0,45)R.

Шарик 7 центрирующий, он установлен на оси и служит для центровки шарнира и предотвращения даже незначительно осевого смещения валов. Конструкция кардана такова, что малейшее осевое смещение приводит к искажению траектории движения шариков 6.

Кардан типа «Вайс» может работать при углах между валами до 32…40. КПД кардана достаточно высокий, так как в нём преобладает трение качения. Ресурс кардана – 25…30 тыс. км пробега.

Карданы этого типа применяются на советских автомобилях (УАЗ-469, ГАЗ66, ЗИЛ-131).

2.Шарнир типа «Рцеппа»

Это шестишариковый карданный шарнир, устройство которого показано на ри.53а. Характерной особенностью кардана является наличие делительного рычажка 2, который, как это видно из рис.53б и в, обеспечивается расположение шариков (при всех углах  между валами 1 и 5) в биссекторной плоскости.

Кулак сферической формы 4 установлен на шлицах вала 5, сферическая чашка сопрягается с сепаратором 6 и лежит внутри корпуса 3, выполненного за одно целое с валом 1. Делительный рычажок поджимается пружиной 8 к торцу вала 5. На рис.53б показано, как делительный рычажок поворачивается, смещая сферическую чашку и шарики при отклонении вала 5 на угол  относительно вала 1.

На рис.53в и рис.54 показана геометрия шарнира. В соответствии с [12] определим условия обеспечения синхронности.

Работа шарнира будет синхронной во всём диапазоне углов , если шарики с центрами О и О (рис.54) будут располагаться в биссекторной плоскости ООО - этому соответствует обязательное условие:

 = 0,5 .

Из треугольника АСО имеем:

АС = сsin,

Из треугольников ВDЕ и ВАС ввиду их подобия получим:

Откуда DЕ =

EO=CO+EC=ccos+acos;

tg=

Выразим cos через sin треугольников BDE и DEO:

DE = (a+b)  sin = csin

Из выражения тригонометрической единицы получаем

cos =

откуда окончательно:

tg =

Данное уравнение позволяет подобрать такое соотношение между а,в,с, при котором во всём диапазоне углов  от 0 до _max угол  будет равен половине угла , то есть шарики будут располагаться в биссекторной плоскости.

Точное равенство  = 0,5 возможно только при одном значении угла , при всех других значениях  угол  будет незначительно отличаться от величины 0,5. По данным [ ] при отношении равном 0,7 и а/в равном 0,35 угол  с достаточной точностью равен 0,5 в диапазоне углов  от 0 до 20, а при =40  = 0,52.

Шарнир обеспечивает передачу значительного крутящего момента, так как усилие передаётся через шесть шариков. Шарнир работает с максимальным углом  до 37, имеет малые габариты и высокий КПД.

К недостаткам шарнира следует отнести его высокую стоимость, связанную с тем, что все детали подвергаются токарной и фрезерной обработке с малыми допусками. Это требуется для того, чтобы усилия передавались всеми шариками равномерно.

3. Шарнир типа Бирфильд

Это синхронный шарнир шестью шариками и делительными канавками. Поперечный разрез шарнира показан на рис.55, где кулак 4 имеет сферическую поверхность радиуса R₁ с центром О. На кулаке выфрезеровано шесть канавок переменной глубины радиусом R₃ с центром О₁, смещенным относительно центра шарнира О на величину а. Внутренняя сфера корпуса радиуса R₂ с центром О также имеет шесть канавок переменной глубины радиуса R₄ с центром О₂, смещённым вправо от центра также на величину а.

Сепаратор 3 с шарниром 2 имеет сферические поверхности радиусов R₂ и R₁.

Валы 5 образуют угол , при этом шарики выталкиваются и их центры всегда находятся в биссекторной плоскости на пересечении осей канавок. Профиль сечения канавок представляет собой эллипс (рис.55б) в отличие от карданного шарнира с делительным рычажком, в котором профиль выполнен по дуге окружности. Эллиптический профиль предохраняет кромки канавок от смятия и скалывания.

Шарнир Бирфильд имеет ресурс порядка 150 тыс. км.

Шарниры получили широкое распространение. Например, такие шарниры устанавливаются в приводе передних ведущих и управляемых колёс автомобиля ВАЗ-2108. Они ставятся на наружном конце карданного вала.

4. Шарнир типа ГКН

Это также шестишариковый шарнир, но универсальный. Он допускает осевые смещения вала.

Устройство шарнира показано на рис.56а, где 1 – корпус, 2 – шарики, 3 – кулак, 4 – сепаратор. На рис.56б показана геометрия шарнира, угол  равен половина угла , это следует из рассмотрения равнобедренного треугольника АОВ.

Для передачи больших моментов шарнир выполняется с восьмью шариками.

Шарнир применяется как внутренний в приводе передних колёс автомобиля ВАЗ-2108.

Кроме рассмотренных синхронных шарниров применяются также следующие виды шарниров:

1. Шарнир типа «Лебро» - универсальный шестишариковый шарнир с делительными канавками.

2. Шарнир типа «Трипод» - трёхшиповой карданный шарнир

3. Сдвоенный карданный шарнир.

4. Кулачковое карданные шарниры типов «Тракта» и дисковый.