Шарниры равных угловых скоростей
Шарниры равных угловых скоростей применяются для передачи крутящего момента от дифференциала на ведущие управляемые колеса. При соединении валов шарнирами равных угловых скоростей ведомый вал вращается равномерно с постоянной угловой скоростью, соответствующей угловой скорости ведущего вала. Чаще применяют шариковые, кулачковые и трехшиповые шарниры.
• ведущего вала со шлицами, входящими в зацепление с полуосевым зубчатым колесом дифференциала и вилкой с делительными канавками;
• ведомого вала со шлицами, входящими в зацепление с ведущим фланцем ступицы колеса и вилкой с делительными канавками;
• четырех ведущих шариков, расположенных в делительных канавках вилок;
• центрирующего шарика вилок, помещенного в сферические углубления на торцах вилок.
Привод передних колес: 1 — корпус внутреннего шарнира; 2 — фиксатор внутреннего шарнира; 3 — кольцо крепления чехла; 4 — вал привода передних колес; 5 — защитный кожух чехла; 6 — защитный чехол; 7— упорное кольцо обоймы; 8— сепаратор; 9 — хомут; 10— шарик; 11 — обойма; 12 — стопорное кольцо обоймы; 13 — корпус наружного шарнира.
Детали наружного шарнира привода передних колес: 1 — корпус шарнира; 2 — сепаратор; 3 — обойма; 4 — шарики.
Центрирующий шарик имеет лыску, которая располагается при сборке против вставленного ведущего шарика. Шарик стопорят шпилькой, расположенной в осевом канале ведомой вилки, одним концом входящей в отверстие центрирующего шарика, таким образом запирая собранный карданный шарнир. Делительные канавки имеют специальную форму, при которой ведущие шарики независимо от угловых перемещений вилок всегда располагаются в плоскости, делящей пополам угол (биссекторная плоскость) между осями ведущей и ведомой вилок. Благодаря этому обе вилки имеют одинаковую частоту вращения. Предельный угол между осями валов 32—33°.
Шариковый шарнир равных угловых скоростей (шарнир Рцеппа) состоит из двух кулаков: внутреннего, связанного с ведущим валом, и наружного, связанного с ведомым валом. В обоих кулаках имеется по шесть тороидных канавок, расположенных в плоскостях, проходящих через оси валов, В канавках находятся шарики, положение которых задается сепаратором, взаимодействующим с валами через делительный рычажок.
Один конец рычажка поджимается пружиной к гнезду внутреннего кулака, другой скользит в цилиндрическом отверстии ведомого вала. При изменении относительного положения валов рычажок наклоняется и поворачивает сепаратор, который в свою очередь, изменяя положение шариков, обеспечивает их расположение вбисекторной плоскости. В данном шарнире крутящий момент передается через все шесть шариков. Предельный угол между осями валов 35—38°.
Шариковый шарнир Рцеппа без делительного рычажка. Установка шариков в бисекторную плоскость происходит благодаря эксцентричности сфер, в которых располагаются оси тороидальных канавок кулаков. Центры сфер, в которых лежат оси канавок наружного (ведомого) и внутреннего (ведущего) кулаков, расположены так, что при повороте оси ведомого вала по часовой стрелке верхний шарик выталкивается из сужающегося пространства между кулаками, а нижний с помощью сепаратора перемещается в увеличивающееся пространство с другой стороны шарнира.
Кулачково-дисковый шарнир равных угловых скоростей
(шарнир Тракта) состоит из связанных с ведущим и ведомым валами полуцилиндрических вилок и вставленных в них цилиндрических кулаков, в пазы которых входит диск, передающий крутящий момент от ведущей вилки к ведомой. Максимальное значение угла между валами до 45° Большая контактная поверхность деталей, воспринимающая усилия, и высокая несущая способность обуславливают их применение на тяжелых грузовых автомобилях.Трехшиповые шарниры. В трехшиповом шарнире крутящий момент от ведущего вала передают три сферических ролика, которые установлены на радиальных шипах, жестко связанных с корпусом шарнира ведомого вала.
Шипы относительно друг друга располагаются под углом 120° Ведущий вал имеет трехпальцевую вилку, в цилиндрические пазы которой входят ролики. При передаче момента между несоосными валами ролики перекатываются со скольжением вдоль пазов и одновременно скользят в радиальном направлении относительно шипов. Предельный угол между осями валов до 40° Особенностью данного шарнира является то, что в отличие от шариковых шарниров передача момента от ведущих элементов на ведомые происходит не в бисекторной плоскости, а в полости, проходящей через оси шипов. Равенство частот вращения ведущего и ведомого валов обеспечивается при любом взаиморасположении их осей.
ШРУСы: с чего все начиналось и к чему пришло
Задача передачи крутящего момента между подвижными валами на автомобилях начала XX века вполне успешно решалась применением сначала цепей, а затем и карданных соединений. Первые полноприводные машины довольствовались карданными соединениями с неравными угловыми скоростями, поскольку преимущества полного привода перевешивали недостатки в виде вибраций и потери мощности.
Например, Spyker HP 60/80 1903 года вполне обходился вовсе без ШРУСов. Однако сегодня представить автомобиль без этого узла невозможно. Вспоминаем, как модернизировался шарнир равных угловых скоростей и что он представляет собой сегодня.
На заре автомобильной эпохи в переднее- и полноприводных машинах использовались сдвоенные карданные шарниры в разных конструктивных вариантах. От простого двойного шарнира до специально разработанных конструкций с кинематикой двойного карданного шарнира, но имеющих принципиально другую конструкцию, например кулачково-карданного шарнира типа «Тракта» или кулачково-дискового шарнира, хорошо знакомого водителям отечественной грузовой техники с полным приводом. Именно эти специализированные конструкции часто называют первыми ШРУСами. К сожалению, ресурс и КПД таких конструкций были очень низкими и не позволяли реализовать массовые конструкции с передачей высокой мощности и большим ресурсом.
Настоящим шарниром с постоянной угловой скоростью стали шарниры типа Вейсс.
Конструкция без сепаратора позволяла разместить всего два шара для реализации точек передачи момента, что ограничивало момент и ресурс, но зато КПД оказался значительно выше, чем у кулачково-карданных шарниров, а угол между валами превышал 30 градусов. Карл Вейсс запатентовал конструкцию в 1923 году, а в годы Второй мировой войны именно шарниры этого типа применялись на почти всех полноприводных легких автомобилях, от Willys, Dodge и ГАЗ до Kubelwagen. В настоящее время шарниры такого типа почти не встречаются, разве что на очень старых конструкциях или на грузовиках разработки 60-х годов.
В 1927 году инженер компании Ford Альфред Рцеппа запатентовал шарнир лучшей конструкции, с сепаратором и без вилок. Именно его идея лежит в основе конструкции современных шарниров. Положение шаров в этом шарнире задается отдельной деталью — сепаратором, который удерживает их в плоскости биссектрисы угла между валами. В оригинальной конструкции сам сепаратор был не самоустанавливающимся, его положение задавалось отдельным делительным рычажком.
Развитие этой конструкции можно увидеть в виде шарниров типа GKN — в них нет делительного рычажка, канавки простой формы, как и у Рцеппы, но сепаратор сложной формы позволяет шарикам держать нужное положение. К сожалению, рабочий угол такой конструкции невелик (до 20 градусов), и с увеличением угла между валами сильно снижается КПД, но зато у нее есть податливость в продольном направлении, что важно для компенсации геометрии соединения при рабочем ходе подвески. К тому же шарнир достаточно прост в изготовлении и недорог. По этой причине шарниры этого типа применяют в основном как внутренние в приводах передних колес или в приводе задних колес машин с независимой подвеской.
Очень удачным развитием шарнира Рцеппы является и шарнир Birfield. В этой конструкции также используется самоустанавливающийся сепаратор, точнее, самоустанавливаются сами шарики за счет разной глубины канавок в обойме и теле шарнира. Сепаратор воспринимает часть нагрузки по позиционированию.
Такая конструкция позволяет увеличить угол между валами вплоть до 45 градусов, имеет высокий КПД при всех углах скрещивания и долговечна. Минусов только два: габариты самого шарнира и высокая стоимость, поскольку деталь требует сложной обработки поверхностей и стали высокой твердости для обеспечения долговечности. И конечно, шарниры такой конструкции не обладают податливостью в продольном направлении, требуют обязательного применения компенсирующей вставки на валу или работы в паре с шарниром, в котором предусмотрена возможность продольного сдвига валов.
Шарниры типа Loebro также наследуют конструкцию Рцеппы, но способ удержания шаров в нужной плоскости новый. На этот раз шары перемещаются в нужное положение, поскольку нарезка канавок в теле и обойме шарнира сделана под углом к плоскости оси вращения. Шарниры этого типа имеют минимальные возможности продольного перемещения валов, но они заметно дешевле шарниров Birfield и, что главное, компактнее, причем сохраняется вполне достаточный угол между валами, а также высокий КПД.
Сепаратор в таких конструкциях почти полностью разгружен и в дешевых исполнениях может отсутствовать. Но износ обоймы и тела шарнира в этом случае достаточно большой, поэтому шарнир требует более качественных материалов.
Удивительно, но факт: все три производителя, создавшие свои конструкции шарниров равных угловых скоростей, на данный момент принадлежат компании GKN. Разумеется, под этой маркой можно встретить шарниры всех трех типов, а также карданные и трипоиды. Классическая конструкция подразумевала пять или шесть шаров для передачи момента, но сейчас на тяжелых и мощных машинах используется восемь и больше шаров. В остальном прогресс касается оптимизации материалов и профиля канавок, что позволяет компенсировать естественный износ или предотвратить его.
Еще в одном типе ШРУСа для передачи момента не используются шары. Конструкция «трипоид» (или «тришип», если вы читали советские книги) была запатентована Мишелем Орэном в 1963 году. В ней момент передается через крестовину и ролики на шарикоподшипниках.
Конструкция оказалась очень удачной, если применяется «перевернутая» компоновка со свободным перемещением валов.
Высокий КПД и высокая долговечность обеспечиваются за счет применения шарикоподшипников, а приемлемая цена — за счет технологичности и простоты обработки всех деталей. Но в более дешевой и распространенной версии с нефиксируемыми валами рабочий угол у шарнира сравнительно небольшой, с его ростом растет износ, а значит, и требования к качеству материалов шарнира, особенно роликов и наружной обоймы. Сейчас шарниры этого типа применяются в основном в паре с шарнирами Loebro/Birfield как внутренние на приводах. Однако шарниры с внутренней вилкой и фиксированными валами могли применяться и как наружные шарниры управляемых колес.
Постепенный прогресс в этой области сильно изменил конструкцию такого шарнира. Обычный шарнир с прямой канавкой для ролика при больших углах скрещивания валов создавал вибрации из-за скольжения ролика по поверхности канавки при вращении. Использование арочного кольца на ролике позволило уменьшить вибрации и колебания момента.
Следующим шагом стало применение эллиптического скользящего кольца на наружной поверхности ролика для оптимизации передачи момента и увеличение площади его контакта с внешней обоймой для увеличения ресурса.
В первых переднеприводных автомобилях, например Cord и Citroen TA, использовались двойные карданные шарниры для передачи момента на ведущие колеса. Уже известные к тому времени ШРУС Вейсса и кулачковые конструкции не обеспечивали нужной долговечности, а с местом на больших легковых машинах особых проблем не было. К концу 30-х годов конструкция типа Вейсс и кулачковые передачи получили реальную «прописку» на целом ряде конструкций за счет улучшения металлообработки. Достигнутый ресурс в 15–30 тыс. км под нагрузкой позволял иметь на машинах с подключаемым передним мостом общий ресурс узла, сравнимый со сроком службы автомобиля, при приемлемых габаритах и КПД.
Развитие конструкции переднеприводных автомобилей потребовало новых решений — и компания Hardy-Spicer профинансировала создание шарниров Birfield, имеющих высокие характеристики и разумную стоимость.
Именно эти шарниры сделали возможным создание малолитражек Austin Mini и других машин BMC с передним приводом к 1959-м. В Японии на переднеприводных машинах Suzuki Suzulight в 1963 году применяли ШРУС производства NTN.
К 1965 году конструкцию оптимизировали. На машинах Subaru появились приводные валы, которые сочетали шарнир с жесткой фиксацией в осевом направлении типа Birfield, и шарнир типа GKN со свободным перемещением. Это решило последние проблемы с вибрациями и геометрией передней подвески переднеприводных машин, избавив их от сложных приводных валов составной конструкции.
Прогресс компоновочных схем автомобилей позволил применить ШРУС вместо карданных шарниров в приводе задней оси. К началу 80-х годов увеличение точности ШРУСов и уменьшение люфтов позволили применять их вместо карданных шарниров для валов с высокой скоростью вращения, например карданного.
Не стоит думать, что прогресс остановился. Так, переднеприводные машины с АКПП потребовали создания малошумных конструкций ШРУСа с минимальными люфтами при вращении в обоих направлениях, поскольку на заторможенной машине ШРУС классической конструкции создавал неприятные вибрации.
Проблема выявилась с широким распространением переднеприводных машин с АКПП со второй половины 70-х.
С 1998 года стали внедряться были восьмишариковые шарниры для легковых автомобилей, что позволило уменьшить размеры узла. Оптимизация формы канавок дала возможность улучшить точность позиционирования шаров, а значит, улучшить КПД и снизить шумность конструкции.
Новые варианты шарниров уже не получают имена компаний в качестве наименования — разве что буквенные обозначения типа. Продолжается и оптимизация шарниров типа трипоид, в первую очередь с целью уменьшения колебаний угловой скорости при вращении и уменьшения шумности.
Постепенно увеличивался рабочий угол шарниров по сравнению с изначальными 43 градусами у шарниров NTN в 1963-м. К 1980 году они получили 44,5 градуса, а сейчас шариковые шарниры укороченной конструкции обеспечивают уже все 50 градусов поворота, что заметно улучшает эксплуатационные характеристики автомобилей. Даже не фиксированные шарниры типа GKN заметно улучшили рабочие углы, от 23 градусов у оригинальной патентованной конструкции до 30,5 у современных вариантов.
Рост продаж кроссоверов и внедорожников потребовал создания приводов с большим эффективным углом передачи, в том числе современных конструкций вала с двумя шарнирами с фиксируемыми от продольного перемещения валами и компенсатором.
Продолжается повышение КПД передачи, и достигнутые в 80-е годы 99% КПД уже не кажутся идеалом. Современные ШРУСы имеют более чем в два раза меньшие потери.
виды шарниров, их принцип работы, неисправности
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.
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.
- Для этого автомобиль вывешивается на подъёмнике, и тем самым добиваются максимального угла шарнира (между приводным валом и поверхностью земли).
- Двигатель запускается, и при включённой передаче прослушивают узел на посторонние звуки. Хруст слева или справа свидетельствует о поломке соответствующего шарнира.
- 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
математика — Две угловые скорости на двух отрезках, соединенных шарнирным соединением, отличаются только угловой скоростью шарнира
Вопрос задан
Изменено 5 лет, 4 месяца назад
Просмотрено 188 раз
$\begingroup$
Я читал эту статью под названием « Совместная ось и оценка положения по данным инерциальных измерений с использованием кинематических ограничений «, но я не понимаю одну часть, что не дает мне продолжить чтение того же.
С физической точки зрения имеем следующую ситуацию: и другой зеленый) соединен шарнирным соединением . Трехосевые системы координат, которые вы видите на рисунке (одна на оранжевом сегменте, а другая на зеленом сегменте), являются локальными системами координат двух трехмерных гироскопов.
Пунктирная линия, которую вы видите на шарнире, должна быть координатной осью того же сустава.Поскольку сустав может двигаться только в одном измерении, у нас есть только одна ось.
Теперь, учитывая этот параметр, авторы говорят (первая страница, колонка справа, в конце там же):
… пусть угловые скорости гироскопов, в координатах их локальные кадры равны $g_1(t)$ и $g_2(t)$ для первого и второго сегмента соответственно. Тогда это геометрический факт, что $g_1(t)$ и $g_2(t)$ отличаются только угловой скоростью соединения и (изменяющейся во времени) матрицей вращения
Вопросы
Какова угловая скорость сустава?
Что это за изменяющаяся во времени матрица вращения?
Почему угловые скорости отличаются только угловой скоростью соединения и изменяющейся во времени матрицей вращения? Что это вообще значит?
- математика
- терминология
$\endgroup$
$\begingroup$
- Что такое угловая скорость сустава?
Угловая скорость сустава — это угловая скорость вашего сустава, потому что мы действительно имеем дело с 2D-задачей.
Это станет ясно, если вы посмотрите на свою систему с направления оси $z_0,z_1$. На рисунке эта угловая скорость обозначена как $\dot{\beta}$.
- Что это за изменяющаяся во времени матрица вращения?
Вы должны рассмотреть четыре системы координат. Первая система координат зафиксирована на оси вашего соединения $K_0=(x_0,y_0,z_0)$. Второй кадр — это кадр 1, но теперь он вращается вокруг оси $z_0=z_1$. Два других кадра находятся в вашем исходном изображении. Если вы перейдете от кадра 1 к другим кадрам, вы увидите, что матрица вращения будет зависеть от времени. Это очевидно, потому что в зависимости от времени движения $\beta$ системы координат также будут двигаться с зависимостью от времени.
- Почему угловые скорости отличаются только угловой скоростью соединения и изменяющейся во времени матрицей вращения? Что это вообще значит, фактически?
Это означает, что угловая скорость левой системы координат $\omega_1$ и угловая скорость правой системы координат $\omega_2$ связаны угловой скоростью шарнира $\dot{\beta}$. Отношение задается следующим образом:
$$\omega_2-\omega_1=\dot{\beta}.$$
Обратите внимание, что это простое уравнение верно только потому, что у нас есть только двумерное вращение. Представьте себе $\dot{\beta}=0$, тогда соединение действует как неподвижное звено, следовательно, левая и правая системы координат имеют одинаковую угловую скорость. Если $\dot{\beta}$ положительно, то угловая скорость правой системы отсчета $\omega_2$ будет равна сумме угловой скорости левой системы отсчета $\omega_1$ и угловой скорости шарнира $\dot{ \бета}$.
$\endgroup$
7
Зарегистрируйтесь или войдите в систему
Зарегистрируйтесь с помощью Google
Зарегистрироваться через Facebook
Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но никогда не отображается
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но не отображается
Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie
.Принцип действия шарнира неравных угловых скоростей. Как устроен межосевой дифференциал
Карданная передача с ШРУСом нашла широкое применение в переднеприводных автомобилях для соединения дифференциала и ступицы ведущего колеса.
Карданная передача этого типа включает два шарнира с равными угловыми скоростями, соединенные приводным валом. Ближайший к коробке передач (дифференциалу) шарнир называется внутренним шарниром, противоположный — наружным шарниром.
Карданная передача с ШРУСом с целью снижения уровня шума применяется также в трансмиссиях автомобилей с задним и полным приводом. В этом случае шарнир неравных угловых скоростей уступает более совершенной конструкции ШРУСа.
Карданный шарнир постоянных угловых скоростей обеспечивает передачу крутящего момента от ведущего вала к ведомому с постоянной угловой скоростью независимо от угла наклона валов. Наиболее распространенным в конструкции трансмиссии переднеприводного автомобиля является шаровой шарнир равных угловых скоростей.
ШРУС (сокращенное наименование — ШРУС , бытовое наименование — граната ) имеет следующее устройство :
сепаратор;
грязезащитный чехол.
Схема ШРУСа
Корпус имеет внутреннюю сферическую форму. Внутри корпуса расположена обойма … В корпусе и обойме имеются канавки, по которым проходят баллоны … Такая конструкция обеспечивает равномерную передачу крутящего момента от ведомого вала к ведущему под переменным углом . Сепаратор удерживает шарики в определенном положении. Для защиты шарнира от негативных факторов внешней среды (кислород, вода, грязь) установлен ШРУС грязезащитный чехол — «багажник».
При изготовлении шарнира равных угловых скоростей закладывается смазка, приготовленная на основе дисульфида молибдена.
Карданная передача с упругим полукарданным шарниром
Полукарданный упругий шарнир обеспечивает передачу крутящего момента между двумя валами, расположенными под небольшим углом, за счет деформации упругого звена.
Схема полушарнирного эластичного шарнира
Типичный пример такого шарнирного соединения эластичная муфта Guibo (Guibo). Муфта представляет собой предварительно сжатый шестигранный упругий элемент, с обеих сторон которого крепятся фланцы ведущего и ведомого валов.
53) Главная передача.
Главная передача служит для увеличения крутящего момента и изменения его направления под прямым углом к продольной оси автомобиля. Для этого главная передача выполнена из конических шестерен. В зависимости от числа шестерен главные передачи делятся на одинарные конические, состоящие из одной пары шестерен, и двойные, состоящие из пары конических и пары цилиндрических шестерен. Одноконические передачи, в свою очередь, подразделяются на простые и гипоидные.
Типы главной передачи: 1 — ведущая коническая шестерня, 2 — ведомая коническая шестерня, 3 — ведущая цилиндрическая шестерня, 4 — ведомая цилиндрическая шестерня.
Одинарная коническая простая передача (рис. а) применяется в основном на легковых и грузовых автомобилях малой и средней грузоподъемности. В этих трансмиссиях ведущая коническая шестерня 1 связана с карданной передачей, а ведомая шестерня 2 связана с коробкой дифференциала и через дифференциальный механизм с полуосями. Для большинства автомобилей одинарные конические шестерни имеют гипоидные передачи (рис. 6). Гипоидные передачи имеют ряд преимуществ перед простыми: у них ось ведущего колеса расположена ниже оси ведомого, что позволяет опустить карданную передачу ниже, опустить пол кузова автомобиля. Это снижает центр тяжести и повышает устойчивость автомобиля. Кроме того, гипоидная передача имеет утолщенную форму основания зубьев шестерен, что значительно повышает их нагрузочную способность и износостойкость. Но это обстоятельство определяет использование для смазки зубчатых передач специального масла (гипоидного), предназначенного для работы в условиях передачи больших усилий, возникающих при контакте между зубьями зубчатых колес.
Двойные главные передачи (рис. С) устанавливаются на большегрузных автомобилях для увеличения общего передаточного числа трансмиссии и увеличения передаваемого крутящего момента. В этом случае передаточное число главной передачи рассчитывается как произведение передаточных чисел конической (1, 2) и цилиндрической (3, 4) пар.
При движении автомобиля в поворотах и по неровностям дороги колеса ведущего моста проходят путь разной длины. Чтобы шины не скользили по дорожному покрытию, колеса должны вращаться с разной скоростью. Дифференциал — механизм, позволяющий колесам ведущего моста вращаться с разной скоростью и подаваемым на них одинаковым (или разным) крутящим моментом. В трансмиссии автомобилей с одним ведущим мостом дифференциал устанавливается между ведущими колесами (межколесный дифференциал). В полноприводных автомобилях он также может располагаться между ведущими мостами (межосевой дифференциал). |
Сила тяги на колесе зависит от радиуса колеса и подводимого к нему крутящего момента. Произведение силы тяги на динамический радиус колеса дает крутящий момент, который дифференциал должен передавать на колеса. Когда тяга слабая или одно колесо подвешено (разгружено), крутящий момент и тяга на колесе очень малы или отсутствуют, автомобиль не сможет продолжать движение. Это особенность конического дифференциала, который широко используется в легковых автомобилях. отечественные автомобили . Этот тип дифференциала называется симметричным, потому что он распределяет крутящий момент поровну между колесами. Это связано с тем, что сателлит работает как равноплечий рычаг и передает только равные усилия на полуоси и, соответственно, на ведущие колеса. Если одно из колес имеет низкое сцепление с дорожным покрытием, то эффективный крутящий момент на нем мал, соответственно симметричный дифференциал будет отдавать такое же усилие и на другое колесо. То есть если одно колесо пробуксовывает, сила тяги на втором равна нулю, что негативно сказывается на проходимости.
Для ее улучшения в автомобилях применяют полную или частичную блокировку дифференциала, степень которой оценивается коэффициентом блокировки. Коэффициент блокировки (Кб) — отношение крутящего момента на отстающем колесе к моменту на ведущем колесе. Его значение для симметричного дифференциала всегда равно 1, для самоблокирующихся дифференциалов от 1 до 5. Чем больше КБ, тем лучше проходимость автомобиля. То есть при КБ = 3 момент на отстающем колесе будет в три раза больше, чем на буксующем, а при КБ = 5 — в пять раз. А вот момент на руле в эту секунду будет возможен от 20 до 70%, в зависимости от возможности блокирующего механизма. 55) Полуоси Полуоси передают крутящий момент от межосевого дифференциала к ступице ведущего колеса. Изгибающие моменты могут прикладываться к полуоси от вертикальной реакции на действие силы тяжести на колесо, от тангенциальной реакции, вызванной силами тяги и торможения, и от поперечной силы, возникающей при заносе, а также от бокового ветра.
Полуоси в зависимости от конструкции внешней опоры, определяющей степень их нагружения изгибающими моментами, бывают двух типов — полуненагруженные и ненагруженные. По конструкции полуоси могут иметь на одном конце фланец для болтового соединения со ступицей колеса, а на другом — шлицевую часть, входящую в зацепление с шестерней полуоси дифференциала. Другая конструкция предусматривает шлицевую часть на обоих концах полуоси. На легких грузовых и легковых автомобилях обычно применяют полуразгруженные полуоси, в которых подшипник устанавливается между полуосью и кожухом на определенном расстоянии от срединной плоскости колеса. Благодаря этому на плече (плоскость наружной части диска и подшипника) создаются изгибающие моменты, действующие на полуось в вертикальной и горизонтальной плоскостях, в вертикальной плоскости и (боковая реакция) на плече равные к радиусу колеса. На автобусах и грузовиках средней и большой грузоподъемности применяют полностью разгруженные полуоси. При этом все изгибающие моменты воспринимаются подшипниками, установленными между ступицей колеса и картером полуоси, а полуось передает только крутящий момент.
Полуоси подвергаются значительным нагрузкам при эксплуатации автомобиля, особенно при движении по грунту и дорогам с твердым покрытием в неудовлетворительном состоянии. Поэтому к полуосям предъявляются особые требования. Снижение напряжений достигается увеличением радиусов перехода полуоси во фланец. Долговечность ступичных подшипников обеспечивается надежной защитой от попадания в них грязи.
56) ШРУС (сокращенно от ШРУС ), как и известный кардан, предназначен для передачи вращения под углом. ШРУСы присутствуют в конструкции автомобилей с управляемыми ведущими колесами, и среди автомобилистов их часто называют «гранатами». ШРУС передает равномерное вращение и этим отличается от обычного «кардана», который имеет одно неприятное свойство: если входной вал привести к равномерному вращению, то на выходе он станет прерывистым, пульсирующим. Внешне все ШРУСы выглядят одинаково, но внутреннее устройство ШРУСов для разных машин разное. Каждый приводной вал переднего колеса имеет два шарнира.
Они обеспечивают передачу вращения под углом и, кроме того, компенсируют изменение длины вала при работе подвески, поэтому один из шарниров должен иметь еще и осевое перемещение (как правило, это внутренний ШРУС ). Наружные ШРУСы всех отечественных переднеприводных автомобилей одинаковы: на валу установлена обойма с шестью радиальными канавками. В корпусе также имеется шесть радиальных канавок, в которых размещены шарики, передающие крутящий момент от вала к корпусу и далее к ступице колеса. Такая конструкция допускает только изгиб, поэтому внутренние шарниры выполнены несколько иначе и рассчитаны на осевое перемещение. Для того, чтобы лучше представить принцип работы ШРУСа, взгляните на картинку.
Карданные передачи с шарнирами
равные угловые скорости
Передние ведущие колеса полноприводных и переднеприводных автомобилей являются одновременно управляемыми, т. е. должны поворачиваться, что требует применения шарнирного соединения между колесом и полуось.
Карданные шарниры неравных угловых скоростей передают вращение циклически и работают допустимо только при малых углах между валами, поэтому не могут удовлетворить требованиям по равномерности передаваемого вращательного движения. В приводе ведущих управляемых колес крутящий момент должен передаваться с равномерной скоростью на колеса, поворачивающиеся вокруг продольной оси автомобиля на угол 40…45 ˚.
Выполнение таких условий могут обеспечить карданные передачи с шарнирами равных угловых скоростей (ШРУСы). Иногда их называют синхронными карданными передачами.
Автомобиль с передним приводом обычно использует два внутренних шарнира равных угловых скоростей, кинематически связанных с коробкой передач, и два внешних шарнира, прикрепленных к колесам. В быту такие петли обычно называют «гранатами».
До середины прошлого века в конструкциях автомобилей часто встречались парные карданные шарниры неравных угловых скоростей. Такая конструкция называется двойным карданным шарниром.
Двойной шарнир отличался громкостью и повышенным износом игольчатых подшипников, так как при прямолинейном движении автомобиля иглы подшипников не вращались и линии их контакта с обоймой и крестовиной подвергались значительным контактным напряжениям, что приводило к износу и даже сплющиванию подшипников. иглы.
В настоящее время такие подшипники в автомобильных конструкциях встречаются редко.
Равенство угловых скоростей ведущего и ведомого валов будет соблюдаться только в том случае, если точки контакта в шарнире, через которые пересекаются окружные силы, находятся в биссектрисе, делящей угол между валами пополам. Все ШРУСы основаны на этом принципе.
Шаровые шарниры равных угловых скоростей
Шаровые шарниры равных угловых скоростей получили наибольшее применение. Среди них чаще всего в конструкциях отечественных автомобилей можно встретить петли типа Вейсса с разделительными пазами.
Эта конструкция была запатентована в 1923 году немецким изобретателем Карлом Вайсом.
Петли Weiss широко применяются в разборном и неразборном исполнении на отечественных автомобилях марок «УАЗ», «ГАЗ», «ЗИЛ», «МАЗ» и некоторых других. Шарнирные соединения типа «Вейс» технологичны и дешевы в изготовлении, позволяют получить угол между валами до 32 °, однако срок их службы ограничен 30…40 тыс. км пробега из-за высоких контактных напряжений при эксплуатации.
Петля разборная ( рис. 1 ) устроена следующим образом. Валы 1 казнен кулаками 2 и 5 с четырьмя канавками 3 … В собранном виде кулаки располагаются в перпендикулярных плоскостях, а между ними в пазах 3 установлены четыре шарика 7 .
Для центрирования кулаков в отверстие, выполненное в одном из них, устанавливается штифт. 6 с центрирующим шариком 4 … От осевого перемещения штифт фиксируется другим штифтом 6 расположены радиально.
Осевые линии канавок 3 разрезать так, чтобы шарики 7 , передающие усилия расположены в биссектрисе (бисекториальной) плоскости между валами.
В передаче усилия участвуют только два шарика, что создает высокие контактные напряжения и сокращает срок службы шарнира. Два других шарика передают крутящий момент при движении автомобиля задним ходом.
В других конструкциях контактные напряжения снижаются за счет увеличения количества шариков, одновременно участвующих в работе, что неизбежно приводит к усложнению шарниров.
Детали шаровой опоры «Рцеппа» ( рис. 1, б ) расположены в чашке 8 , который имеет внутри шесть сферических канавок для установки шести шариков 7 … Сферический кулак имеет такие же канавки. 10 , в шлицевое отверстие которого входит приводной вал карданной передачи. Шарики в одной биссектрисе устанавливаются делительным устройством, состоящим из сепаратора 9 , направляющая чашки 11 и стопорный рычаг 12 .
Рычаг имеет три сферические поверхности: торцевые поверхности входят в посадочные места ведущего и ведомого валов, а средняя — в отверстие направляющего стакана 11 .
.. Рычаг прижимается к приводному валу пружиной 13 … Длины плеч рычага таковы, что при передаче момента под углом он поворачивает направляющую чашку 11 и сепаратор 9 так, чтобы все шесть шаров 7 установлены в биссектрисе и все они воспринимают и передают усилия. Это позволяет уменьшить габариты шарнира и увеличить срок его службы.
Петля типа «Рчеппа» технологически сложна, однако более компактна, чем петля с шаговыми канавками, и может работать при углах между валами до 40 °. Поскольку усилие в этом шарнире передается всеми шестью шариками, он обеспечивает передачу высокого крутящего момента при небольшом размере. Долговечность шарнира «Рцеппа» достигает 100-200 тыс. км .
Еще одна шарнирная петля Bearfield представлена на рис. 1, c … Состоит из чашки 8 , сферический кулак 10 и шесть шариков 7 помещается в сепаратор 9 … Сферический кулак 10 надевается на шлицевую часть приводного вала 16 и фиксируется кольцом 14 .
.. Петля защищена от попадания грязи во внутреннюю полость защитным резиновым кожухом 15 .
Все сферические поверхности деталей шарнира выполнены по разным радиусам, а канавки имеют переменную глубину. Благодаря этому при наклоне одного из валов шарики выталкиваются из среднего положения и устанавливаются в биссектрисе, что обеспечивает синхронное вращение валов.
Петли Bearfield очень эффективны, долговечны и могут работать под углом до 90 183 45 ˚. Поэтому они широко используются в приводе управляемых колес многих переднеприводных легковых автомобилей в качестве внешнего шарнира, или, как его еще называют, внешней «гранаты».
Основной причиной преждевременного выхода шарнира из строя является повреждение эластичного защитного чехла. По этой причине автомобили высокой проходимости часто имеют стальной уплотнитель крышки. Однако это приводит к увеличению размеров шарнира и ограничивает угол между валами до 9°.0183 40 °.
При использовании шарнира типа Bearfield на внутреннем конце карданной передачи необходимо установить шарнир равных угловых скоростей для компенсации изменения длины карданного вала при деформации упругого элемента подвески.
Такие функции объединены в универсальной шестишаровой шарнирной петле типа «ГКН» (ГКН).
Осевое перемещение в петлях типа ГКН обеспечивается перемещением шариков по продольным пазам корпуса, при этом необходимая величина перемещения определяет длину рабочей поверхности, что влияет на габариты шарнира. Максимально допустимый угол наклона вала в данной конструкции ограничен 20 °.
При осевых перемещениях шарики не катятся, а скользят в канавках, что снижает эффективность шарнира.
В конструкциях современных легковых автомобилей иногда встречаются карданные шарниры типа «Лебро» (Loebro), которые, как и шарниры ГКН, обычно устанавливаются на внутреннем конце карданного вала, так как они способны компенсировать изменение длины карданного вала.
Петли Lebro отличаются от петель GKN тем, что пазы в чашке и цапфе срезаны под углом 15-16 ° к образующей цилиндра, а геометрия обоймы правильная — без конусов и с параллельными внешней и внутренней сторонами.
Такой шарнир имеет меньшие габариты, чем другие шестишарнирные шарниры, кроме того, его обойма менее нагружена, так как не выполняет функцию перемещения шариков в кулаках.
Базовая конструкция этих шаровых шарниров показана на рис. 2 .
Передний привод ВАЗ-2110
Передний привод ВАЗ-2110 ( рис. 3 ) состоит из вала 3 и два карданных шарнира 1 и 4 равных угловых скоростей. Вал 3 правый привод сделан из трубы, а левый из бруса. Кроме того, валы бывают разной длины. На вал надевается защитный кожух 6 , а затем собранный шарнир со смазкой фиксируется от осевого перемещения стопорным кольцом 5 . Защитные кожухи крепятся хомутами 2 .
Петля внутренняя (внутренняя «граната») 1 , который вяжется с дифференциалом, является универсальным, то есть, помимо обеспечения равномерного вращения валов на переменный угол, позволяет увеличить общую длину привода, что необходимо для перемещения передней подвески и силовой агрегат.
Происходит это потому, что внутренняя поверхность корпуса петли 1 имеет цилиндрическую форму, а пазы в нем нарезаны продольно, это позволяет внутренним деталям шарнира перемещаться по продольным пазам в осевом направлении.
Кулачковые шарниры постоянной угловой скорости
На автомобилях средней и большой грузоподъемности марок «КамАЗ», «Урал», «КрАЗ» карданные передачи в приводе передних колес работают с высоким крутящим моментом. Шаровые шарниры не могут передавать большие крутящие моменты из-за возникновения значительных контактных напряжений и ограничений по удельному давлению шариков на канавки. Поэтому используют кулачковые карданные шарниры ( рис. 1, г ). Подобные петли иногда устанавливаются на переднеприводные автомобили УАЗ.
Кулачок карданного механизма равных угловых скоростей ( рис. 1, г ) состоит из двух вилок 18 и 20 вставляемые в кулаки 2 и 5 с пазами; диск входит в эти слоты 19 .
.. При передаче крутящего момента и вращения от приводного вала 17 на ведомом валу при повороте колеса, каждый из кулаков 2 и 5 вращается одновременно относительно оси паза вилки в горизонтальной плоскости и относительно диска 19 в вертикальной плоскости.
Оси канавок вилок лежат в одной плоскости, проходящей через срединную плоскость диска. Эти оси расположены на равном расстоянии от точки пересечения осей валов и всегда перпендикулярны осям валов, поэтому точка их пересечения всегда расположена в биссектрисе.
Такой кардан требует повышенного внимания к смазке, так как его деталям свойственно трение скольжения, вызывающее значительный нагрев и износ трущихся поверхностей. Трение скольжения между соприкасающимися поверхностями приводит к тому, что кулачковый шарнир имеет самый низкий КПД среди всех шарниров равных угловых скоростей. Однако он способен передавать значительный крутящий момент.
Еще одним видом кулачкового шарнира равных угловых скоростей является шарнир Тракт ( на рис.
), состоящий из четырех штампованных деталей: двух втулок и двух фигурных кулаков, трущиеся поверхности которых подвергают шлифовке.
Если разделить кулачковый шарнир по оси симметрии, то каждая часть будет представлять собой шарнир неравных угловых скоростей с фиксированными осями качания. В такой конструкции также возникают значительные силы трения скольжения, снижающие эффективность шарнира.
ШРУС трехшарнирный
В трехшарнирном шарнире ( на рис. ) крутящий момент от ведущего вала передается тремя сферическими роликами, которые установлены на радиальных шпильках, жестко соединенных с шарниром ведомого вала Корпус. Шипы расположены под углом друг к другу 120 ˚. Сферические ролики чаще всего устанавливаются на шпильки с помощью игольчатых подшипников.
Приводной вал имеет трехвалковую вилку с роликами в цилиндрических канавках. При передаче крутящего момента между несоосными валами ролики скользят по канавкам и одновременно скользят в радиальном направлении относительно шпилек.
Предельный угол между осями валов до 40 ˚.
Особенностью трехшпильки является то, что в отличие от шаровых передача момента от ведущих элементов к ведомым происходит не в биссектрисе, а в плоскости, проходящей через оси шпилек. Равенство скоростей вращения ведущего и ведомого валов обеспечивается при любом взаимном расположении их осей.
Карданный шарнир считается основным узлом силовой секции, входящей в состав карданного вала. Данный шарнир поставляется абсолютно с любой модификацией, при этом обеспечивающей крутящий момент пятьдесят, сто шестьдесят, двести пятьдесят, четыреста, шестьсот тридцать и тысяча Н·м для сельскохозяйственных машин, а также для машин со специальной цель.
Для сельхозтехники карданный шарнир полностью обеспечивает его передачу по крутящему моменту при таком числе оборотов в минуту, как тысяча двести пятьдесят. Рабочий угол наклона до двадцати двух градусов.
Если есть желание получить более подробную и точную информацию об этих величинах, то это можно узнать по ГОСТ 13758-89..
Карданный шарнир обеспечивает безопасность по крутящему моменту относительно валов, оси которых пересекаются прямо под углом. Карданные шарниры различают по угловым скоростям: равные и неравные. Шарниры равных угловых скоростей В зависимости от конструкции они подразделяются на: шаровые, с разделительными канавками, кулачковые и двухплоскостные, и шаровые со специальным делительным рычагом. Шарниры с неравной угловой скоростью бывают упругими или жесткими.
Карданные шарниры с эластичной планкой дают свое действие относительно осей и валов, которые пересекаются под углом в два и три градуса или чуть больше. От деформации упругого характера на соединительных элементах они начинают выполнять функции дополнительного гасителя крутильных колебаний.
Карданные шарниры с жестким планом неравномерных скоростей отдают свой крутящий момент сначала на один вал, а затем на другой.
Это происходит непосредственно через довольно гибкие соединения в жестких частях. Такой шарнир имеет две вилки с цилиндрическими отверстиями. Они содержат концы соединительных элементов, которые называются крестовинами. Две вилки довольно плотно сидят на валах. Когда валы вращаются, некоторые концы крестовины начинают покачиваться в плоскости, перпендикулярной оси вала.
Крестообразные карданные шарниры используются исключительно для обеспечения того, чтобы механическое соединение между коленчатым валом и главной ведущей осью было достаточно прочным, надежным и гибким. Соединение должно быть гибким прежде всего потому, что в этом случае происходит постоянное движение в области ведущей части оси по отношению к кузову автомобиля в момент, когда он находится в своем движении. Состав такого карданного шарнира следующий: крестовина, состоящая из четырех шпилек, стаканов, сальников, игольчатых подшипников и стопорных колец. В основном такие шарниры служат очень долго, иногда могут даже пережить сам автомобиль, но стоит учесть, что плохие дороги очень негативно сказываются на крестообразном шарнире, где высота кузова может часто меняться по отношению к дороге, где возникают значительные нагрузки переменного характера.%20Metalpart%20Mp-3162-2304060/obzor-shrusa-uaz-sharnira-povorotnogo-kulaka-uaz-metalpart-mp-3162-2304060%20(9).jpg)
Таким образом, в таких условиях функционирование шарнира резко ухудшается и это может привести к его выходу из строя. Для таких неблагоприятных условий существует прочный тип карданного вала, который оснащен двойным крестовым карданным шарниром. С такими карданный шарнир данная проблема не имеет определенного значения.
Карданная передача :
1 — эластичная муфта;
2 — болт крепления упругой муфты к фланцу;
3 — крестовина;
4 — сальник;
5 — кольцо стопорное;
6 — подшипник крестовины;
7 — гайка;
8 — фланец упругой муфты;
9 — сальник;
10 — держатель сальника;
11 — скоба предохранительная;
12 — болт крепления кронштейна к промежуточной опоре;
13 — карданный вал передний;
14 — кронштейн промежуточной опоры;
15 — промежуточная опора;
16 — вилка переднего карданного вала;
17 — задний карданный вал;
18 — вилка заднего карданного вала;
19 — фланец ведущей шестерни главной передачи;
20 — гайка;
21 — болт вилки
В автомобильных трансмиссиях карданные передачи применяются для передачи моментов между валами, оси которых не лежат на одной прямой и меняют свое положение в пространстве.
В общем виде карданная передача состоит из карданных валов, карданных шарниров, промежуточных опор и соединительных устройств.
По договоренности карданные передачи классифицируются на закрытые и открытые .
Закрытая карданная передача , размещенная внутри трубы. Трубка может поглощать силы и реакции, возникающие на ведущей оси, и служить направляющей подвески. В такой карданной передаче используется только один шарнир, а неравномерность вращения карданного вала компенсируется его упругостью. Известны конструкции, в которых роль карданного вала выполняет торсион (упругий вал малого диаметра), при этом карданные шарниры отсутствуют.
Конструкция промежуточной опоры :
1 — заглушка;
2 — подушка эластичная;
3 — промежуточный опорный подшипник
Открытая передача не имеет трубы, а реактивный момент воспринимается пружинами или реактивной тягой. Карданная передача должна иметь не менее двух шарниров и компенсирующее звено, так как расстояние между соединенными единицами изменяется во время движения.
На длиннобазных автомобилях применяется карданная передача, состоящая из двух валов. Это исключает возможность совпадения критической угловой скорости вала с рабочей. Уменьшение длины вала увеличивает его критическую скорость, которая должна быть не менее чем в 1,5 раза выше максимально возможной при эксплуатации. Конструкция приводного вала с двумя валами требует применения промежуточная опора один из валов, подшипник которого установлен в упругом кольце для компенсации возможных осевых перемещений силового агрегата на раме или кузове.
При всем разнообразии конструкций, а также по кинематическим характеристикам и допустимым углам между валами карданные шарниры можно классифицировать, как показано в таблице.
Карданный шарнир неравных угловых скоростей был изобретен в 16 веке. итальянским математиком Джироламо Кардано и первоначально нашли применение для подвешивания фонарей в вагонах. Позднее английский ученый Роберт Гук дал математическое описание кинематики этого механизма.
Детали карданной передачи (а) и график зависимости угловых скоростей (б):
1 — вилка шлицевая;
2 — П-образная пластина;
3 — шайба стопорная;
4 — крестовина;
5 — вилка заднего карданного вала;
6 — задний карданный вал;
7 — фланец ведущей шестерни главной передачи;
8 — задний карданный шарнир;
9 — игольчатый подшипник;
10 — кольцо стопорное;
11 — болт; 12 — уплотнительное кольцо;
α — угол поворота приводного вала;
β — угол поворота ведомого вала;
γ — Угол между валами
Анализ схемы карданного шарнира показывает, что при постоянной угловой скорости ведущего вала ведомый вал вращается циклически: за один оборот он дважды отстает и дважды обгоняет ведущий вал. При этом с увеличением угла γ между валами неравномерность вращения быстро возрастает. Чтобы карданная передача с шарнирами неравных угловых скоростей могла передавать синхронное вращение между валами соединяемых агрегатов, она должна состоять из нескольких шарниров, взаимное расположение которых будет компенсировать неравномерность передачи вращения каждого шарнира.
По этой причине минимальное количество шарниров должно быть 2. В то же время в карданной передаче с двумя шарнирами должны быть выполнены следующие требования к компоновке :
— ведущие вилки расположены под углом 90° друг к другу;
— углы между валами в обоих шарнирах γ1 и γ2 равны между собой;
— все валы лежат в одной плоскости.
Карданный шарнир неравных угловых скоростей
Для карданных передач, имеющих более трех неравных угловых скоростей, синхронизация вращения валов соединяемых агрегатов достигается определенным соотношением углов между валами все стыки, соотношение зависит от количества стыков. Карданный шарнир неравных угловых скоростей состоит из двух вилок, в цилиндрические отверстия которых вставлены концы крестовины. Вилки жестко закреплены на валах. При вращении валов концы крестовины перемещаются относительно плоскости, перпендикулярной оси вала.
Крестовина карданного шарнира должна быть строго отцентрована, чтобы исключить переменный дисбаланс карданного вала при его вращении.
Центрирование достигается за счет точного размещения обойм подшипников с помощью стопорных колпачков или колпачков, которые крепятся к вилкам шарнира. Минимальный угол между валами должен быть не менее 2°, иначе цапфы крестовин деформируются иглами и шарнир быстро разрушается (явление бринеллинга ).
Развитие конструкций карданных шарниров неравных угловых скоростей шло по пути уменьшения потерь, связанных с вращением концов крестовины в отверстиях вилок. В конструкциях первых петель концы крестовины устанавливались на подшипниках скольжения. С учетом того, что количество шарниров в трансмиссии многоосных автомобилей может превышать два десятка, применение в них подшипников скольжения может значительно снизить общий КПД трансмиссии. В карданных шарнирах современных автомобилей используются только игольчатые роликоподшипники.
В предыдущих конструкциях использовалась смазка, которую приходилось периодически обновлять через специальную масленку. Карданные шарниры современных автомобилей обычно заполнены качественной смазкой, которая не заменяется при сборке и эксплуатации.
В механике уже существует большое количество технических устройств, способных практически любое количество энергии преобразовать в более удобную для нас или для других. технические устройства . В этой статье пойдет речь о том, что такое карданная передача, и какую роль она играет в автомобилестроении?
Что такое подвес?
Карданной передачей называют специальное механическое устройство, предназначенное для передачи крутящего момента между валами, пересекающимися в центре карданной передачи. Основная особенность этого вида трансмиссии заключается в том, что валы имеют возможность двигаться под углом, что очень важно для применения во многих автомобилях.
Кардан состоит из двух валов со специальными вилками на концах. Эти вилки прикреплены осями к общему передаточному центру. Таким образом, при угловом изменении положения валы могут свободно вращаться, каждый в своем положении.
Изначально карданный вал устанавливался на заднеприводные и полноприводные автомобили.
Он позволял от крестовины коробки передач к заднему мосту, а также от коробки передач раздаточной коробки к передней передаче… Факт заключается в том, что задняя или передняя ось крепится к подвеске автомобиля, находящейся в постоянном движении. Таким образом получается, что изменение положения моста требует изменения положения ведомого вала. Вот тут-то и помогает карданный вал, который не только будет передавать необходимый крутящий момент, но и выступать дополнением к подвеске автомобиля.
Второй механизм, в котором также активно используется кардан, — это рулевое управление. Сейчас почти все автомобили имеют так называемую безопасную рулевую колонку, которая быстро складывается в случае аварии и не повреждает ноги водителя. Все это достигается за счет его способности изменять угловое положение при любом угловом положении относительно другого вала.
Видео — Принцип работы карданной передачи
Почему вместо ШРУСа не используется карданный вал? Казалось бы, вполне логичный вопрос.
Если карданный вал имеет эту способность вращаться даже при изменении угла валов относительно друг друга, то почему бы не использовать ее в переднеприводных автомобилях?
Прежде чем ответить на этот вопрос, необходимо рассмотреть один из существенных недостатков данного вида перевода. Он заключается в асинхронном вращении одного из валов. Дело в том, что если, например, ведущий вал вращается с равномерной скоростью, то ведомый обязательно будет вращаться неравномерно. В автомобилях с передним приводом наиболее важной является передача синхронного крутящего момента на ведущие передние колеса, поэтому там применяются более сложные аналоги карданного вала — ШРУСы.
Тем не менее, несмотря на этот недостаток, можно сделать вывод, что он легко устраним, если на каждый вал установить специальные парные шарниры, которые уравняют синхронизацию вращения, пусть не абсолютно, но хотя бы примерно равных размеров.
ШРУС, однако, является разновидностью карданного вала и имеет более сложную конструкцию и еще один существенный недостаток — невозможность поворота колес на угол 70 градусов.
Шарнир же намного лучше обычного карданного шарнира, но и у него есть свои недостатки.
- Во-первых, «гранаты» имеют меньший срок службы, чем подвес и очень часто выходят из строя.
- Во-вторых, надежность крепления шарнира и кардана — здесь однозначно выигрывает кардан, так как он имеет более толстую цельнометаллическую конструкцию.
В процессе работы на заднем приводе кардан имеет свойство создавать определенные вибрации при движении на высоких оборотах. Эти недостатки уменьшаются за счет использования сразу двух карданных валов. Увеличение количества передач приводит к более плавному движению и при преодолении различных неровностей дорожного покрытия.
Все соединения коробки передач смазываются трансмиссионным маслом. В некоторых коробках передач такой вал вставляется непосредственно внутрь коробки передач, где происходит смазка этого элемента.
Крестовина и карданный вал усилены игольчатыми подшипниками, уменьшающими трение при вращении и изменении углового положения одного из валов.
Неисправности карданного вала
В процессе эксплуатации карданного вала можно наблюдать определенный перечень неисправностей. К первому виду можно отнести различные вибрации, которые вызываются изгибом и дисбалансом карданного вала. Погнутость может быть вызвана неаккуратной и агрессивной ездой по неровному дорожному покрытию. Второй неисправностью можно назвать стуки, появляющиеся в процессе работы кардана.
Все эти неприятности пагубно сказываются не только на состоянии карданного вала, но и на редукторе, а также редукторе. задний мост . На самом деле биение карданного вала – очень опасное явление, ведь при полном износе креплений или поломке детали автомобиль станет полностью обездвиженным.
Где еще используется карданный привод?
Карданный привод нашел широкое применение не только в автомобилестроении, но и в инструментальной части любого автослесаря. Так, например, появилась специальная насадка-отвертка, имеющая карданный способ передачи крутящего момента.
Такая отвертка помогает легко открутить те гайки или болты, которые затянуты в тех местах, куда проблематично, а иногда и невозможно подобраться штатным инструментом.
Пожалуй, это все, что вам нужно знать о трансмиссии. При обращении с такими элементами необходимо соблюдать осторожность. Дело в том, что при замене или деформации какой-либо части кардана он начинает работать неравномерно, а, следовательно, постепенно изнашивает редуктор и крестовину задней передачи. Разобрать и собрать карданный вал можно самостоятельно, если у вас есть минимум набор инструментов и специального оборудования.
Шарнирное ограничение
Ограничение шарнира ограничивает вращательное движение объекта, чтобы он поворачивался, как если бы он был зафиксирован шарнирным соединением, как дверь. Однако, поскольку дверная петля ограничена столкновением противоположной шарнирной пластины, ограничение петли обеспечивает неограниченное вращение, как ось колеса.
Вы можете добавить к соединению ограничение диапазона поворота, чтобы обеспечить более ограниченное движение дверной петли. Ограничение шарнира представлено в окне просмотра в виде окружности вокруг точки вращения. Кроме того, к суставу можно приложить двигательную силу, что позволяет создавать колеса, которые вращаются и перемещают предметы вперед.
Чтобы автоматически применить зависимость шарнира, выполните следующие действия:
| 1. | Выберите два элемента перед вызовом любого из типов ограничений. |
Первый выбранный элемент представляет главный или родительский элемент и определяется как 
NoTranslate»> Body A в ограничении, вторым выбранным элементом является элемент, на который накладывается ограничение, также считающийся вспомогательным или дочерним элементом, определяемым как Body B .
| 2. | Выбрав элементы, на подвкладке Dynamics щелкните значок Шарнир Кнопка ограничения. |
Это добавляет элемент ограничения в список Items .
По умолчанию расположение центра шарнирной зависимости находится ровно посередине между объектами 
NoTranslate»> Body A и Body B с линией, проведенной к центрам зависимых элементов. В зависимости от ваших намерений, это может быть не оптимальное положение для ограничения. Движение дочернего элемента ( Body B ) исходит из положения самого элемента ограничения, поэтому может потребоваться его позиционирование соответствующим образом.
Имя | Отображает имя текущего элемента ограничения. |
Преобразование | |
Положение X / Y / Z | Эти значения представляют начальный центр элемента ограничения в трехмерном мировом пространстве и центр масс относительно элемента, который он ограничивает. |
Поворот X / Y / Z | Эти значения представляют начальный (покоящийся) поворот ограничивающего элемента. |
| Эти значения не имеют прямого влияния на ограничения. |
Петля | |
| Включает или выключает элемент ограничения. Если этот параметр включен, элемент ограничения учитывается при динамическом моделировании; при отключении элемент ограничения игнорируется. Однако отключенные ограничения сохраняются в сеансах Modo, сохраняются вместе со сценой и сохраняют свои текущие настройки. |
Подколлизии | Когда включено, позволяет ограниченным объектам (особенно тем, которые находятся в цепочке, не буквальной цепочке, а последующим группам) сталкиваться друг с другом. |
Корпус А | Представляет элемент, которым ограничен другой элемент, родительский или главный элемент. |
| Представляет элемент, на который наложены ограничения, дочерний или вспомогательный элемент. |
Хрупкий | Позволяет разбивать зависимости при достижении определенного порога напряжения, определяемого значением |
Стресс-брейк | Определяет порог, при котором ограничение больше не влияет на ограниченный элемент. Параметр Breakable должен быть включен, чтобы это значение имело какое-либо влияние на ограничение. |
Ограничение вращения | Шарнир изначально не ограничен в своем вращении. Включив эту опцию, вы можете ограничить диапазон поворота, который может быть применен к ограничению, аналогично движению дверной петли, которой разрешено качаться только до определенного момента. |
| Минимальное значение задает нижнее предельное значение фиксации вращения, а максимальное значение ограничивает верхнее предельное значение. |
Включить двигатель | Обычно в динамическом моделировании на шарнир действуют только имеющиеся силы. |
Целевая скорость двигателя | Когда это значение отлично от нуля, оно применяет вращательное движение к элементу |
Чтобы изменить его, нажмите на поле и введите новое имя.
Основываясь на своем начальном положении, после вызова динамического моделирования ограничивающий элемент вращается и перемещается в зависимости от своего начального положения (покоя).
NoTranslate»> Шкала X / Y / Z 
NoTranslate»> Включить 
При отключении (состояние по умолчанию) требуется меньше вычислений, однако ограниченные элементы могут проникать друг в друга. В этом случае включите SubCollisions .
NoTranslate»> Корпус В 
NoTranslate»> Break Stress . Когда пороговое значение достигнуто, ограничение больше не оказывает никакого влияния на ограниченный элемент, оставляя на него влияние любых других сил, присутствующих в моделировании.
NoTranslate»> Мин. / Макс. предел вращения 
Этот переключатель позволяет прикладывать вращательную силу к элементу Body B , заставляя его вращаться вокруг положения ограничения шарнира. Скорость вращения контролируется массой соединенных объектов в сочетании с Целевая скорость двигателя и Максимальная сила двигателя .