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 50°. Широкое распространение получили шариковые шарниры (с делительным рычажком и с делительными канавками) и кулачковые.

На рис. 6.11 показан четырехшариковый карданный шарнир с делительными канавками типа ‘"Вейс”.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 R. Четыре шарика б 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 90°. 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 и может привести к заклиниванию шариков.

В существующих конструкциях шарниров канавки выполняются так, что центр окружности радиуса R, образующей ось канавок, находится на расстоянии а = (0,45...0,55)Д от центра шарнира. Шарнир применяют при углах у между валами до 32°.

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 шестишарикового карданного шарнира с делительным рычажком (рис. 6.12,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 5 на угол у сепаратор 4, в котором размеще­ны шарики б, с помощью делительного рычажка 3 принудительно уста­навливает их в биссекторной плоскости под углом γ/2 (см. рис. 6.12,6), что и обеспечивает синхронность вращения валов. Пружина 2 служит для поджатая 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 = 37°. Так как усилие в шарнире передается всегда шестью шариками, то он обеспечивает передачу большого крутящего момента при малых габаритах.

Шарнир обладает высокой 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. 6.13 представлен шестишариковый карданный шарнир типа “Бирфильд”. 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 О, смещен влево 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 (центр 02 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 соответствен но Я, 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 у 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 11° 20 .

В отличие от карданного шарнира с делительным рычажком в дан­ном шарнире профиль сечения канавок выполнен не по дуге окружности, а по эллипсу (рис. 6.13,6). Благодаря этому силы взаимодействия стенки ка­навки и шарика составляют с вертикалью угол 45°, что предохраняет кромки канавок от смятия и скалывания. Отсутствие делительного рычаж­ка позволяет этому шарниру работать при угле между валами у = 45" .

КПД шарнира при малых углах выше 0,99, а при γ = 30° - 0,97. Сравнительно большие потери в шарнире при больших углах у 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 компенсацию. Для выполнения осевой компенсации применяют универсальные карданные ШРУС.

На рис. 6.14 представлен шестишариковый универсальный карданный шарнир (типа ГКН). На внутренней по­верхности цилиндрического корпуса 1 нарезаны шесть продольных канавок эллиптического сечения, такие же канавки выполнены на сферической поверхности кулака 3 параллельно продольной оси. В канавках размещены шесть шариков 2, установленных в сепараторе 4.

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 O2 также на расстоянии а влево от центра шарнира О. При этом сферическая поверхность переходит в коническую (угол конуса около 10°), что ограничивает максимальный угол наклона вала до 20°.

В результате смещения центров О1 и O2 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 O2, 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 моментов используется аналогичные по конструкции восьмишариковые шарниры.

Часто в приводе ведущих управляемых колес применяют карданные передачи, состоящие из простого (см. рис. 6.13) и универсального (рис. 6.14) ШРУС, соединенных карданным валом. В этом случае карданный вал выполняют без подвижного шлицевого соединения. Осевая компенсация в передаче осуществляется универсальным ШРУС.

На рис. 6.15 представлен универсальный шестишариковый карданный шарнир с делительными канавками типа “ Л е б р о ” . Шарнир состоит из цилиндрического корпуса 1, на внутренней поверхности которого по углом 15...16° 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 в корпусе 1. На кулаке 2 они установлены с заюром. При сборке шарики устанавливаются на пересечении канавок в корпусе 1 и на кулаке 2, что обеспечивает синхронность вращения валов, гак как шарики в независимости 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.

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 пом 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 = 10°).

Кулачковые карданные ШРУС применяются в приводе к ведущим управляемым колесам. Благодаря наличию развитых поверхностей взаимодействующих деталей шарнир при малых габаритах и углах у между