3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Кардан и ШРУС

Кардан и ШРУС

— Для движения автомобиля крутящий момент от двигателя необходимо передать на ведущие колеса. Двигатель и коробка передач через опоры сравнительно жестко крепятся к кузову, а ведущие колеса подвешены посредством подвижных и упругих элементов подвески. Таким образом, при езде взаимное положение колес и силового агрегата постоянно изменяется. Как же в таких условиях передать крутящий момент?

— Для решения этой задачи используются приводные валы с шарнирами. В заднеприводных автомобилях используются валы с шарнирами неравных угловых скоростей, в переднеприводных — с шарнирами равных угловых скоростей. В обиходе первые мы называем карданом, вторые — ШРУС (сокращенное название).

Карданная передача представляет собой две вилки, соединенные между собой при помощи крестовины. На концы крестовины надеваются игольчатые подшипники. Крестовина фиксируется в проушинах вилок с помощью стопорных колец. В одинарной карданной передаче угловые скорости вращения ведущей и ведомой вилок неравны. Поэтому в автомобилях применяют две передачи, при этом неравномерность вращения первой передачи компенсируется неравномерностью вращения второй.
Две карданные передачи соединяются между собой с помощью тонкостенного стального вала. Одна передача через шлицы соединяется с выходным валом КПП, вторая с помощью фланца – с ведущей шестерней главной передачи. Шлицевое соединение позволяет при движении изменять длину вала (вал скользит по шлицам). При большой длине вала передача сильно вибрирует, а напольный тоннель в кузове приходится делать слишком высоким. Поэтому в большинстве автомобилей применяется карданная передача с промежуточным валом.
Карданная передача обеспечивает передачу крутящего момента под углом не более 20 градусов. При больших значениях значительно возрастает нагрузка на шарниры, увеличивается неравномерность вращения и вибрации. Поэтому такие передачи не пригодны для переднеприводных автомобилей, так как в них требуется передача момента под углом более 20 градусов.

Выход был найден в применении шарнира равных угловых скоростей (ШРУС). Крутящий момент передается от двигателя на колесо с помощью двух ШРУСов – внутреннего и наружного. Наружный ШРУС должен обеспечивать передачу момента только в изменяющихся угловых направлениях, а внутренний, кроме того, и в осевом направлении. Таким образом внутренний ШРУС, изменяя длину всей передачи (аналогично шлицевому соединению в карданной передаче), компенсирует перемещения силового агрегата при движении автомобиля.
За всю историю автомобилестроения было сконструировано не меньше десятка видов шарниров, но в настоящее время в основном применяются два : шариковый ШРУС и ШРУС типа «трипод».
Шариковый шарнир состоит из корпуса с наружной обоймой, внутренней обоймы, шести шариков и сепаратора, удерживающего шарики. Шарики размещены в канавках корпуса и обоймы, которая соединяется с приводным валом шлицевым соединением. Внутренние и наружные ШРУСы конструктивно отличаются: дорожки под шарики во внутреннем шарнире – прямые, а в наружном – радиусные. Радиусные обеспечивают больший угол поворота, а прямые позволяют деталям шарниров перемещаться в осевом направлении, компенсируя колебания передней подвески и силового агрегата.

Шариковый ШРУС требует обильной и постоянной смазки, не терпит грязи. Герметичность обеспечивается резиновыми защитными чехлами (пыльниками). Пыльники шарниров имеют форму гофры для того, чтобы каждый раз, когда пыльник сжимается, размазанная по стенкам смазка возвращалась обратно в шарнир.
Шарниры типа «трипод» также бывают двух видов: жесткие и универсальные. Первые обеспечивают передачу момента под большими углами и используются в качестве наружных. Универсальные работают при меньших углах, но допускают осевые перемещения – поэтому их устанавливают как внутренние.

Жесткий шарнир состоит из корпуса, соединенного с входным валом. В корпусе неподвижно закрепляется трехлучевая опора, на концах которой установлены вращающиеся ролики с шаровой поверхностью. Внутрь корпуса вставлена вилка с выходным валом, в которой для перемещения по роликам проделаны три паза цилиндрического сечения. Торцевая поверхность вилки сферическая, что позволило получить больший рабочий угол между сопряженными валами.
Универсальный шарнир состоит из корпуса, трех роликов, надетых на пальцы трехлучевой опоры, напрессованную на шлицевую часть выходного вала. Ролики на пальцах опоры вращаются на игольчатых подшипниках. Во внутренней части корпуса сделаны канавки под ролики, что обеспечивает необходимый угол поворота внутреннего шарнира, а также позволяет опоре перемещаться в продольном направлении.©

Шарнир равных угловых скоростей (ШРУС)

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.

В рамках данной статьи мы рассмотрим следующие вопросы:

  • Для чего в автомобиле нужен ШРУС и где он находится?
  • Виды шарниров равных угловых скоростей, как они устроены и работают?
  • Как проверить ШРУС на исправность, и каковы внешние проявления неисправности этого узла и последствия его выхода из строя?

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.

  1. Для этого автомобиль вывешивается на подъёмнике, и тем самым добиваются максимального угла шарнира (между приводным валом и поверхностью земли).
  2. Двигатель запускается, и при включённой передаче прослушивают узел на посторонние звуки. Хруст слева или справа свидетельствует о поломке соответствующего шарнира.
  3. 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

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.

История

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.

Устройство автомобилей

Синхронные карданные передачи

Карданные передачи с шарнирами
равных угловых скоростей

Передние ведущие колеса полноприводных и переднеприводных автомобилей являются одновременно и управляемыми, т. е. должны поворачиваться, что требует применения между колесом и полуосью шарнирного соединения.
Карданные шарниры неравных угловых скоростей передают вращение циклически и приемлемо работают лишь при небольших значениях углов между валами, поэтому не могут удовлетворять требованиям равномерности передаваемого вращательного движения. В приводе ведущих управляемых колес крутящий момент должен передаваться с равномерной скоростью к колесам, поворачивающимся относительно продольной оси автомобиля на угол 40…45˚.
Выполнение таких условий могут обеспечить карданные передачи с шарнирами равных угловых скоростей (ШРУС). Иногда их называют синхронными карданными передачами.

В переднеприводном автомобиле обычно используются два внутренних шарнира равных угловых скоростей, кинематически связанные с коробкой передач, и два внешних шарнира, которые крепятся к колесам. В обиходе такие шарниры обычно называют «гранатами».

До середины прошлого века в конструкциях автомобилей часто встречались спаренные карданные шарниры неравных угловых скоростей. Такая конструкция получила название сдвоенного карданного шарнира. Сдвоенный шарнир отличался громозкостью и усиленным износом игольчатых подшипников, поскольку при прямолинейном движении автомобиля иглы подшипников не проворачивались и линии их контакта с обоймой и крестовиной подвергались воздействию значительных контактных напряжений, что приводило к износу и даже сплющиванию игл.
В настоящее время такие подшипники в конструкциях автомобилей встречаются редко.

Равенство угловых скоростей ведущего и ведомого валов будет соблюдено только в том случае, если точки контакта в шарнире, через которые пересекаются окружные силы, будут находиться в биссекторной плоскости, делящей угол между валами пополам. Конструкции всех карданных шарниров равных угловых скоростей основаны на этом принципе.

Шариковые шарниры равных угловых скоростей

Наибольшее применение получили шариковые карданные шарниры равных угловых скоростей. Среди них наиболее часто в конструкциях отечественных автомобилей можно встретить шарниры с делительными канавками типа «Вейс» .
Эту конструкцию в 1923 году запатентовал немецкий изобретатель Карл Вейс. Шарниры Вейса широко применяются в разборном и неразборном вариантах на отечественных автомобилях марок «УАЗ», «ГАЗ», «ЗиЛ», «МАЗ» и некоторых других. Шарнирные сочленения типа «Вейс» технологичны и дешевы в производстве, позволяют получать угол между валами до 32°, однако срок их службы ограничен 30…40 тыс. км пробега из-за высоких контактных напряжений, возникающих при работе.

Разборный шарнир (рис. 1) устроен следующим образом. Валы 1 выполнены заодно с кулаками 2 и 5, в которых вырезаны четыре канавки 3. В собранном виде кулаки располагаются в перпендикулярных плоскостях, а между ними в канавки 3 устанавливаются 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, расположенным радиально.
Средние линии канавок 3 нарезаны так, что шарики 7, передающие усилия, располагаются в биссекторной (биссекториальной) 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 уменьшаются путем увеличения числа шариков, одновременно участвующих в работе, что неизбежно приводит к усложнению шарниров.

Детали шарикового шарнира «Рцеппа» (рис. 1, б) располагаются в чашке 8, которая во внутренней части имеет шесть сферических канавок для установки шести шариков 7. Такие же канавки имеет и сферический кулак 10, в шлицевое отверстие которого входит ведущий вал карданной передачи. Шарики в одной биссекторной плоскости устанавливаются делительным устройством, состоящим из сепаратора 9, направляющей чашки 11 и делительного рычажка 12.
Рычажок имеет три сферические поверхности: концевые входят в гнезда ведущего и ведомого валов, а средняя – в отверстие направляющей чашки 11. Рычажок к ведущему валу прижимается пружиной 13. Длины плеч рычажка таковы, что при передаче момента под углом он поворачивает направляющую чашку 11 и сепаратор 9 так, что все шесть шариков 7 устанавливаются в биссекторной плоскости и все они воспринимают и передают усилия. Это позволяет уменьшить габаритные размеры шарнира и увеличить срок его службы.

Шарнир типа «Рцеппа» технологически сложен, однако он компактнее шарнира с делительными канавками, и может работать при углах между валами до 40°. Поскольку усилие в этом шарнире передается всеми шестью шариками, он обеспечивает передачу большого крутящего момента при малых размерах. Долговечность шарнира «Рцеппа» достигает 100–200 тыс. км.

Еще один шариковый карданный шарнир типа «Бирфильд» представлен на рисунке 1, в. Он состоит из чашки 8, сферического кулака 10 и шести шариков 7, размещенных в сепараторе 9. Сферический кулак 10 надевается на шлицованную часть ведущего вала 16 и стопорится кольцом 14. От попадания грязи во внутреннюю полость шарнир защищен защитным резиновым чехлом 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 биссекторной плоскости, что обеспечивает синхронное вращение валов.

Шарниры типа «Бирфильд» имеют высокий КПД, долговечны, и могут работать при углах до 45˚. Поэтому они широко применяются в приводе управляемых колес многих переднеприводных легковых автомобилей в качестве наружного шарнира, или, как его еще называют — наружной «гранаты».
Основной причиной преждевременного разрушения шарнира является повреждение эластичного защитного чехла. По этой причине автомобили высокой проходимости часто имеют уплотнение в виде стального колпака. Однако это приводит к увеличению габаритов шарнира и ограничивает угол между валами до 40°.

При использовании шарнира типа «Бирфильд» на внутреннем конце карданной передачи необходимо устанавливать шарнир равных угловых скоростей, способный компенсировать изменение длины карданного вала при деформации упругого элемента подвески.

Такие функции совмещает в себе универсальный шестишариковый карданный шарнир типа «ГКН» (GKN).
Осевое перемещение в шарнирах типа GKN обеспечивается перемещением шариков по продольным канавкам корпуса, при этом, требуемая величина перемещения определяет длину рабочей поверхности, что влияет на размеры шарнира. Максимальный допустимый угол наклона вала в данной конструкции ограничивается 20°.
При осевых перемещениях шарики не перекатываются, а скользят в канавках, что снижает КПД шарнира.

В конструкциях современных легковых автомобилей иногда встречаются карданные шарниры типа «Лебро» (Loebro), которые, как и шарниры GKN обычно устанавливаются на внутреннем конце карданной передачи, поскольку способны компенсировать изменение длины карданного вала.

Шарниры «Лебро» отличаются от шарниров GKN тем, что канавки в чашке и кулаке нарезаны под углом 15-16° к образующей цилиндра, а геометрия сепаратора правильная — без конусов и с параллельными наружной и внутренней сторонами.
Такой шарнир имеет меньшие габариты, чем другие шестишариковые шарниры, кроме того, сепаратор его менее нагружен, поскольку не выполняет функции перемещения шариков в кулаках.

Принципиальное устройство этих шариковых шарниров представлено на рисунке 2.

Привод передних колес автомобиля ВАЗ-2110

Привод передних колес автомобиля ВАЗ-2110 (рис. 3) состоит из вала 3 и двух карданных шарниров 1 и 4 равных угловых скоростей. Вал 3 привода правого колеса выполнен из трубы, а левого колеса – из прутка. Кроме того, валы имеют разную длину. На вал надевается защитный чехол 6, а затем шарнир в собранном виде со смазочным материалом фиксируется от осевого перемещения стопорным кольцом 5. Защитные чехлы крепятся хомутами 2.

Внутренний шарнир (внутренняя «граната) 1, который вязан с дифференциалом, является универсальным, т. е. кроме обеспечения равномерного вращения валов под изменяющимся углом он позволяет увеличивать общую длину привода, что необходимо для перемещения передней подвески и силового агрегата. Происходит это потому, что внутренняя поверхность корпуса шарнира 1 имеет цилиндрическую форму, и канавки в ней нарезаны продольно, это позволяет внутренним деталям шарнира перемещаться по продольным канавкам в осевом направлении.

Кулачковые шарниры равных угловых скоростей

На автомобилях средней и большой грузоподъемности марок «КамАЗ», «Урал», «КрАЗ» карданные передачи в приводе передних колес работают под большим крутящим моментом. Шариковые шарниры не могут передавать больших крутящих моментов из-за возникновения значительных контактных напряжений и ограничения по удельному давлению шариков на канавки. Поэтому в них применяют кулачковые карданные шарниры (рис. 1, г). Аналогичные шарниры иногда устанавливают на переднеприводные автомобили марки «УАЗ».

Кулачковый карданный шарнир равных угловых скоростей (рис. 1, г) состоит из двух вилок 18 и 20, которые вставлены в кулаки 2 и 5 с пазами; в эти пазы входит диск 19. При передаче крутящего момента и вращения от ведущего вала 17 на ведомый вал при повернутом колесе каждый из кулаков 2 и 5 поворачивается одновременно относительно оси паза вилки в горизонтальной плоскости и относительно диска 19 в вертикальной плоскости.
Оси пазов вилок лежат в одной плоскости, которая проходит через среднюю плоскость диска. Эти оси расположены на равных расстояниях от точки пересечения осей валов и всегда перпендикулярны осям валов, поэтому точка их пересечения всегда располагается в биссекторной плоскости.

Такой карданный шарнир требует повышенного внимания к смазыванию, так как для его деталей характерно трение скольжения, вызывающее значительный нагрев и изнашивание трущихся поверхностей. Трение скольжения между контактирующими поверхностями приводит к тому, что кулачковый шарнир имеет самый низкий КПД из всех шарниров равных угловых скоростей. Однако он способен передавать значительный крутящий момент.

Еще один тип кулачкового шарнира равных угловых скоростей — шарнир «Тракта» (на рисунке), состоящий из четырех штампованных деталей: двух втулок и двух фасонных кулаков, трущиеся поверхности которых подвергаются шлифованию.
Если разделить по оси симметрии кулачковый карданный шарнир, то каждая часть будет представлять собой карданный шарнир неравных угловых скоростей с фиксированными осями качания. В такой конструкции тоже возникают значительные силы трения скольжения, снижающие КПД шарнира.

Трехшиповые шарниры равных угловых скоростей

В трехшиповом шарнире (на рисунке) 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˚. Сферические ролики чаще всего устанавливаются на шипы посредством игольчатых подшипников.

Ведущий вал имеет трехвальцевую вилку, в цилиндрические пазы которой входят ролики. При передаче крутящего 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 трехшипового шарнира является то, что в отличие от шариковых шарниров передача момента от ведущих элементов на ведомые происходит не в биссекторной плоскости, а в плоскости, проходящей через оси шипов. Равенство частот вращения ведущего и ведомого валов обеспечивается при любом взаиморасположении их осей.

Карданная передача

Карданные передачи используются во многих как грузовых, так и легковых автомобилях. А если учесть всевозможную сельскохозяйственную технику, то там карданная передача нашла весьма широкое применение. Как известно, подвеска автомобиля имеет подвижное крепление, поэтому как ведущие, так и управляемые колеса машины имеют возможность перемещаться относительно кузова в вертикальной плоскости. Однако силовой агрегат и коробка передач имеют эластичное, но довольно жесткое крепление к кузову автомобиля. Тем не менее, коробка передач и ведущие колеса связаны друг с другом. И эта связь осуществляется посредством карданной передачи.

Основным предназначением карданной передачи является передача вращения от силового агрегата через КПП к ведущим колесам машины, которые к тому же, могут быть и управляемыми. Карданная передача обеспечивает жесткую связь колес и выходного вала КПП и не препятствует работе подвески. Другими словами, карданная передача автомобиля позволяет передать крутящий момент при переменной соосности сочлененных агрегатов.

Устройство карданной передачи

Карданная передача представляет собой ведущий и ведомый валы, которые соединены гибким шарниром. Гибкое шарнирное соединение позволяет беспрепятственно передавать вращение при некотором изменении угла между двумя валами. По типу шарнирного соединения существуют две разновидности карданных передач :

  • устаревшие шарниры неравных угловых скоростей;
  • более современные шарниры равных угловых скоростей.

Карданная передача, основанная на шарнирах неравных угловых скоростей, наиболее часто применяется для соединения выходного вала и ведущего моста в заднеприводных как легковых, так и грузовых автомобилях. Помимо этого, такие шарниры используют для подсоединения раздаточных коробок и прочего вспомогательного оборудования. Более совершенные в конструктивном плане шарниры равных угловых скоростей используются в современных передне- и полноприводных автомобилях. Посредством таких карданных передач осуществляется соединение ведущих колес машины с дифференциалом ведущего моста.

Шарнир неравных угловых скоростей

Карданная передача с шарнирами неравных угловых скоростей имеет в конструкции следующие элементы:

  • ведущие, ведомые и промежуточные карданные валы;
  • крестовины (шарниры);
  • подвесные и промежуточные опоры.

Непосредственно шарнир состоит из двух так называемых вилок, расположенных на валах и крестовины – соединительного элемента вилок. В собранном состоянии, вилки валов расположены относительно друг друга под углом в 90° и соединяет их крестовина, которая имеет на концах четыре чашки с игольчатыми подшипниками. Наличие игольчатых подшипников обеспечивает нормальное функционирование шарнира при различных углах отклонения валов. Однако наибольший угол между валами для шарнира неравных угловых скоростей обычно составляет не более 20° . Подшипники при сборке заполняются пластичной смазкой, которая рассчитана на весь срок службы.

Если рассмотреть для примера карданную передачу заднеприводного автомобиля ВАЗ, то в ее конструкции имеется два шарнира, промежуточный вал и подвесная опора промежуточного вала. В силу своей, так сказать, несовершенной конструкции, шарнир неравных угловых скоростей не имеет конструктивной возможности обеспечить постоянное (с постоянной скоростью) вращение ведомого вала по отношению к ведущему. За один оборот шарнира, ведомый вал дважды запаздывает и дважды обгоняет ведущий вал. Кроме того стоит учесть, что неравномерность вращения напрямую зависит от угла между валами, чем он больше, тем больше выражена неравномерность. Однако для устранения данного недостатка устанавливается второй аналогичный шарнир и промежуточный вал с опорой. Второй шарнир компенсирует и выравнивает скорости обоих валов.

Шарнир равных угловых скоростей (ШРУС)

Карданная передача с шарнирами равных угловых скоростей, которую чаще называют ШРУС, имеет более совершенную конструкцию и обеспечивает вращение валов с постоянной скоростью относительно друг друга независимо от изменяющегося угла между осями вращения. Карданная передача с такими шарнирами имеет практически аналогичное устройство:

  • ведущие, промежуточные и ведомые валы;
  • ШРУС;
  • соединительные элементы.

Как уже было сказано, ШРУС имеет несколько иную конструкцию, нежели соединение с крестовиной. Наиболее распространенный шариковый ШРУС состоит из следующих элементов:

  • корпус шарнира;
  • обойма;
  • сепаратор;
  • шарики;
  • стопорные кольца, хомуты и пыльник (защитный чехол).

Корпус ШРУСа имеет сферическую форму внутренней полости, в которой имеются проточки для шариков. Корпус отлит заодно с хвостовиком, который предназначен для подсоединения к ступице колеса или к коробке передач. Обойма ШРУСа также имеет проточки для шариков и отверстие для крепления на промежуточном валу. Сепаратор, как и в обычном подшипнике, удерживает шарики в требуемом положении. За счет проточек в корпусе и обойме, шарнир способен равномерно передавать вращение при углах отклонения валов до 35 ° .

ШРУС имеет намного больший срок службы, нежели шарнир с крестовинами в конструкции. Главным условием долговременной службы является наличие герметичного пыльника и достаточное количество особой пластичной смазки внутри шарнира. При повреждении защитного пыльника, ШРУС утрачивает герметичность, теряет смазку и очень быстро выходит из строя.

Применение шарниров равных угловых скоростей

Как уже было сказано выше, ШРУСы наиболее часто применяются для соединения ведущих колес и дифференциала ведущего моста, который смонтирован в картере коробки переключения передач (в случае с переднеприводным автомобилем). Приводной вал переднеприводного автомобиля имеет в конструкции два ШРУСа. Однако два шарнира необходимы не для компенсации вращения, как в случае с шарнирами на крестовине, а для обеспечения перемещения колес в вертикальной плоскости и их поворота.

В заднеприводных автомобилях ШРУСы также нашли себе применение. Как известно, задний мост автомобиля имеет довольно громоздкую и тяжелую конструкцию. На современных автомобилях импортного производства вместо заднего моста в виде балки устанавливается малогабаритный и легкий корпус с дифференциалом, который соединяется с ведущими колесами посредством ШРУСов. Кроме того, такая конструкция позволяет реализовать полноценную независимую заднюю подвеску.

РЕКОМЕНДУЕМ ТАКЖЕ ПРОЧИТАТЬ:

Шарниры равных угловых скоростей

Схема ШРУСа:
ω1, ω2 — угловые скорости валов 1 и 2 соответственно;
α, β — угол шарнира;
О — точка контакта рычагов валов 1 и 2;
r1, r2 — радиусы вращения рычагов вала 1 и вала 2 соответственно;
OO’ — биссектриса угла ϕ

Передние ведущие колеса полноприводных и переднеприводных автомобилей являются также и управляемыми, т. е. должны поворачиваться, что требует использования между колесом и полуосью шарнирного соединения. Карданные шарниры неравных угловых скоростей передают вращение циклически и работают при небольших значениях углов между валами, что делает в этом случае их применение проблематичным. В этих условиях нашли применение синхронные шаровые сочленения, называемые шарнирами равных угловых скоростей (ШРУС).
В переднеприводном автомобиле обычно используются два внутренних таких шарнира (связаны с коробкой передач) и два внешних (крепятся к колесам). Устройство этих шарниров можно представить так: в каждом шарнире имеются две главные детали — корпус и обойма, одна в другой. В этих деталях выполнены канавки с шариками, которые, по сути дела, жестко соединяют обе сферические детали, через них и передается вращение от двигателя к колесу. В то же время, двигаясь в канавках, шарики позволяют одной сферической детали поворачиваться относительно другой и при этом осуществлять поворот колеса. При всем многообразии конструктивных решений, в шарнирах равных угловых скоростей должен выдерживаться единый принцип: точки контакта, через которые передаются окружные силы, должны находиться в плоскости, проходящей через биссектрису угла между валами (в биссекторной плоскости).

Содержание

Cдвоенный карданный шарнир

Это условие можно обеспечить различными способами. Простейшее решение — объединить два обычных карданных шарнира неравных угловых скоростей так, чтобы ведомая вилка одного служила ведущей вилкой другого. Такая конструкция получила название сдвоенного карданного шарнира.
Первые конструкции сдвоенных шарниров в 20-х гг. прошлого века были довольно громоздки, не оставляли в ступице переднего колеса места для тормозного механизма, который приходилось перемещать к картеру главной передачи. Однако со временем сдвоенные карданные шарниры совершенствовались, становились более компактными и продержались на легковых автомобилях до 60-х гг. Для сдвоенных шарниров на игольчатых подшипниках характерен усиленный износ этих подшипников и шипов крестовины, так как благодаря преимущественно прямолинейному движению автомобиля иглы подшипников не перекатываются, вследствие чего поверхности деталей, с которыми они соприкасаются, подвержены бринеллированию, а сами иглы иногда сплющиваются.

Кулачковые карданные шарниры

Карданный шарнир «Тракта»

Кулачковые карданные шарниры:
а — шарнир «Тракта»,
б — дисковый

В 1925 г. на переднеприводных автомобилях появляется шарнир «Тракта» (позиция «а» на рисунке), состоящий из четырех штампованных деталей: двух втулок и двух фасонных кулаков, трущиеся поверхности которых подвергаются шлифованию. Если разделить по оси симметрии кулачковый карданный шарнир, то каждая часть будет представлять собой карданный шарнир неравных угловых скоростей с фиксированными осями качания (так же, как у сдвоенного карданного шарнира). В нашей стране был разработан кулачково-дисковый шарнир, который применяется на полноприводных грузовиках КрАЗ, Урал, КамАЗ.
Шарнир (позиция «б» на рисунке) состоит из пяти простых по конфигурации деталей: двух вилок, двух кулаков и диска.
Кулачковые шарниры благодаря наличию развитых поверхностей взаимодействующих деталей способны передавать значительный по величине крутящий момент при обеспечении угла между валами до 45°. Но трение скольжения между контактирующими поверхностями приводит к тому, что этот шарнир имеет самый низкий КПД из всех шарниров равных угловых скоростей. Следствием этого является значительный нагрев и задиры на деталях шарнира.

карданный шарнир «Вейс»

Шарнир с делительными канавками типа «Вейс»:
1, 5 — валы;
2, 4 — кулаки;
3 — шарики;
6 — центрирующий шарик;
7, 8 — фиксирующие штифты

Недостатки сдвоенных шарниров и шарниров кулачкового типа были толчком к поиску новых решений, и в 1923 г. немецкий изобретатель Карл Вейс запатентовал шариковый карданный шарнир с делительными канавками (типа «Вейс»).
Особенностью этого шарнира является то, что при движении автомобиля вперед движение передается одной парой шариков, а задним ходом — другой парой. Передача усилий только двумя шариками при точечном контакте приводит к большим контактным напряжениям. Поэтому он обычно устанавливается на автомобили с нагрузкой на ось, не превышающей 30 кН. В годы Второй мировой войны подобные шарниры производства фирмы «Бендикс» устанавливались на такие автомобили, как Виллис, Студебекер, Додж. В отечественной практике они применяются на автомобилях УАЗ, ГАЗ-66.
Сочленения типа «Вейс» технологичны и дешевы в производстве, позволяют получать угол между валами до 32°. Но срок службы из-за высоких контактных напряжений обычно не превышает 30 тыс. км.

Карданный шарнир «Рцеппа»

Карданный шарнир «Рцеппа»:
1 — биссекторная плоскость
2 — делительный рычажок

В 1927 г. появился шариковый шарнир с делительным рычажком (шарнир «Рцеппа»). Шарнир технологически сложен, но он более компактен, нежели шарнир с делительными канавками, и может работать при углах между валами до 40°. Так как усилие в этом шарнире передается всеми шестью шариками, он обеспечивает передачу большого крутящего момента при малых размерах. Долговечность его достигает 100–200 тыс. км.

Карданный шарнир «Бирфильд»

Шестишариковый шарнир с делительными канавками

Дальнейшей эволюцией этого подхода является шестишариковый шарнир типа «Бирфильд» с делительными канавками. Такой шарнир может работать при угле между валами до 45°. Шарниры этого типа имеют высокую долговечность. Основной причиной преждевременного разрушения шарнира является повреждение эластичного защитного чехла. По этой причине автомобили высокой проходимости часто имеют уплотнение в виде стального колпака. Однако это приводит к увеличению габаритов шарнира и ограничивает угол между валами до 40°. Данный тип шарниров широко применяется в карданной передаче передних управляемых и ведущих колес современных автомобилей. Он устанавливается на наружном конце карданного вала; при этом на внутреннем конце необходимо устанавливать шарнир равных угловых скоростей, способный компенсировать изменение длины карданного вала при деформации упругого элемента подвески. Такие функции совмещает в себе универсальный шестишариковый карданный шарнир (тип GKN).

Карданный шарнир тип GKN

Универсальный шестишариковый карданный шарнир GKN:
1 — стопорное кольцо корпуса внутреннего шарнира;
2 — защитное кольцо внутреннего шарнира;
3 — корпус внутреннего шарнира;
4 — упор вала;
5 — стопорное кольцо;
6 — обойма;
7 — шарик;
8 — упорное кольцо;
9 — сепаратор;
10 — наружный хомут;
11 — фиксатор внутреннего шарнира;
12 — защитный чехол;
13 — внутренний хомут;
14 — вал привода колеса;
15 — защитное кольцо наружного шарнира;
16 — корпус наружного шарнира

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

Карданный шарнир Loebro

Карданный шарнир Loebro:
1- Канавки с углом проточки 15-16°

Шарнир Loebro отличается от GKN тем, что канавки в чашке и кулаке нарезаны под углом 15-16° к образующей цилиндра, а геометрия сепаратора правильная – без конусов и с параллельными наружной и внутренней сторонами. Он меньших размеров, чем другие шестишариковые шарниры, кроме того, сепаратор его менее нагружен, поскольку не выполняет функции смещения шариков кулаков.

ШРУС и карданная передача: особенности, принцип работы

ШРУС, часто называемый водителями «автомобильной гранатой», доставляет немало хлопот. Характерный хруст при выворачивании колёс до упора говорит о том, что нужно ехать на станцию технического обслуживания, чтобы вновь разбираться, что не так с этой деталью. Давайте рассмотрим, что она собой представляет, какой бывает и почему ломается.

Немного истории

За появление механизма, ставшего прародителем современного шарикового ШРУСа, мы должны благодарить талантливого инженера А. Рцеппа. Именно он запатентовал данное устройство на заре минувшего столетия, встав на одну ступень с французским конструктором Ж. Грегуаром. Последний примерно в то же время оформил патент на синхронный шарнир «Тракта» сухарикового типа, который быстро нашёл применение в грузовых машинах. В 60-х годах изобретение Рцеппа претерпело некоторые изменения благодаря японским инженерам. И, надо сказать, результат их работы впечатляет.

ШРУС: устройство и виды

ШРУС — аббревиатура, означающая «шарнир равных угловых скоростей». Им оснащается негабаритная техника с FWD, но иногда «гранату» можно увидеть в ТС с полным приводом. Главная функция устройства — передача крутящего момента от двигателя к ведущим колёсам, что даёт возможность без труда управлять машиной, несмотря на компактность и небольшой вес шарнира.

Передаётся вращающий момент под углом, который постоянно изменяется. Интересным наименованием «граната» ШРУС обзавёлся благодаря сходству с настоящим снарядом. Впрочем, его поломка для машины тоже ничем хорошим не оборачивается: если блокировки отсутствуют, техника моментально обездвиживается.

По типу строения рассматриваемые устройства принято разделять на четыре вида:

  • трипоидные — применяются в легковушках и малогабаритных грузовиках;
  • шариковые — передают крутящий момент в легковых машинах с передним приводом;
  • спаренные карданные — работают в тракторах, внедорожниках, грузовых ТС;
  • кулачковые — предназначаются для грузовиков с внушительной грузоподъёмностью.

Как функционирует «граната»

Многие автомобилисты отмечают, что ШРУС напоминает карданный вал (который относится к самым сложным узлам), проработанный до совершенства. Он справляется с углами поворота до 70° без каких-либо проблем. Что касается карданной передачи, то она может передавать крутящий момент асинхронно, но угол скрещивания существенно затрудняется.

Несмотря на длинную историю, ШРУС начали массово устанавливать благодаря переднеприводным транспортным средствам и независимой подвеске. Его строение может немного отличаться с учётом особенностей той или иной техники, но принцип работы всегда одинаков: крутящий момент передаётся от мотора к колёсам, поскольку одна часть вала соединяется со ступичным подшипником, а вторая — с деталью трансмиссии, распределяющей крутящий момент между приводными валами (дифференциалом).

Как правило, наружный ШРУС передаёт крутящий момент под разными углами без промедления. Его обойма и корпус оснащаются специальными ложбинками, предназначенными для перекатывания шариков. Последние обеспечивают жёсткое соединение составным элементам. Внутренняя часть ШРУСа особой подвижностью не отличается, поэтому её возможности ограничиваются 20 градусами. Мы говорим о трипоидном шарнире с роликами на подшипниках, которые тоже перекатываются по ложбинкам, но уже в ответном стакане. Данная деталь очень важна, так как отвечает за целостность вала и сглаживает колебания подвески. Учитывая, что шарнир испытывает внушительные нагрузки, за ним нужно хорошо ухаживать: своевременно смазывать, изолировать от негативного воздействия пыли, влаги, температурных перепадов. Пыльник, предварительно наполненный смазочным составом, следует фиксировать на валах хомутами из металла, поскольку они более надёжные.

Использование ШРУС в карданных передачах

Во время движения автомобиля карданный вал неизбежно отклоняется от оси вращения по вертикали, что приводит к увеличению нагрузок на этот узел. Карданные шарниры на базе крестовин выдерживают такое отклонение под углом 30‒36 градусов. При превышении величины этого угла крестовину может заклинить. Кроме того, отклонение от оси вращения под критическими углами приводит к быстрому износу крестовины.

Решением этой проблемы стали карданные шарниры на базе ШРУС. У них величина критических углов отклонения от оси вращения вдвое выше, чем у крестовин. Эта характеристика особенно важна для внедорожников и автомобилей с высоким клиренсом. Карданами с ШРУС свои автомобили комплектуют почти все производители.

В сложных и тяжёлых условиях эксплуатации надёжность карданов с ШРУС существенно выше, чем карданных передач с крестовинами. Самой уязвимой их частью является защита ШРУС от грязи и пыли, поэтому нужно регулярно проверять состояние пыльников и при необходимости незамедлительно их менять.

Напомним, что современные автомобили комплектуются необслуживаемыми карданными валами на неразборных соединениях. Это проблема для владельцев автомобилей с истекшим сроком гарантии, а также в ситуациях, когда поломка кардана не признана гарантийным случаем. При таких обстоятельствах ремонт карданных валов в официальном автосервисе обойдётся вам очень дорого.

Почему ломается ШРУС

Срок эксплуатации ШРУСа должен быть таким же, как и срок жизнеспособности автомобиля. Иными словами, он не должен выходить из строя в течение десятилетий. Но на практике эта замечательная деталь не ждёт, когда ТС запросится на свалку. И в этом есть толика вины самих водителей, не следящих за состоянием пыльника. Когда его резина разрушается, грязь попадает в подвижные соединения и влияет на них, как жёсткий абразив. ШРУС даёт сбой и при агрессивном вождении или неопытном вмешательстве в конструкцию машины. Дрифт на переднем приводе, старты с вывернутыми колёсами и прочие «выступления» медленно убивают «автомобильную гранату». Не меньше вредит ему и тюнинг, направленный на улучшение эксплуатационных показателей двигателя. Да, мотор становится крутым, но ходовая часть остаётся прежней. Поэтому при увеличении нагрузки ШРУС долго не выдерживает.

Чем чревата поломка ШРУСа

Выход из строя этого устройства — настоящая боль для собственников автомобилей. При его повреждении приходится раскошеливаться на замену всего приводного вала. Конечно, гаражные спецы умудряются заменять только повреждённые элементы, но раскрученные СТО на такой риск не пойдут.

Ещё одно распространённое явление — поломка полуоси из-за заклинившего ШРУСа. В этом случае можно даже не пытаться реанимировать технику на дороге — она не поедет. Чтобы в один прекрасный момент не застрять на перекрёстке или на автомагистрали, нужно регулярно проверять пыльники «гранат», например, каждые 5 тысяч км пробега. Если возникнут хотя бы малейшие подозрения на ухудшение защитных барьеров узлов, следует тщательно почистить шарниры и поставить свежие пыльники. Помните: даже еле различимый хруст — веский повод для неотложной поездки в автосервис! Иначе ШРУС может сыграть с вами очень плохую шутку.

Карданные шарниры

Одновальные и двухвальные карданные передачи, используемые для соединения коробки передач, раздаточной коробки и ведущих мостов автомобилей, имеют карданные шарниры неравных угловых скоростей. Карданные передачи с шарнирами равных угловых скоростей на автомобилях применяются для привода передних управляемых и одновременно ведущих колес.

Карданным шарниром, или карданом, называется подвижное соединение, обеспечивающее передачу вращения между валами, оси которых пересекаются под углом. В автомобилях применяются карданные шарниры неравных и равных угловых скоростей.

Карданный шарнир неравных угловых скоростей (асинхронный) состоит из вилки 1 (рисунок 1, а) ведущего вала, вилки 3 ведомого вала и крестовины 2, соединяющей вилки с помощью игольчатых подшипников. Вилка 3 может поворачиваться относительно оси ОО крестовины и одновременно с крестовиной поворачиваться относительно оси О1О1 при передаче вращения с ведущего вала на ведомый при изменяющемся угле γ между валами.

Рисунок 1 — Карданные шарниры

а — неравных угловых скоростей; б — равных угловых скоростей; 1, 3 — вилки; 2 — крестовина; 4, 5 — валы; 6, 7 — шарики; ω1, ω2 — угловые скорости ведущего и ведомого валов соответственно; γ, Θ — углы между валами

Если ведущий вал повернется на некоторый угол α, то ведомый вал за это время повернется на какой-то другой угол β и соотношение между углами поворота валов будет:

tg α = tg β cos γ.

Следовательно, валы вращаются с разными скоростями1 ≠ ω2), а ведомый вал — еще и неравномерно. Неравномерность вращения валов тем больше, чем больше угол γ между валами. При этом неравномерное вращение валов вызывает дополнительную динамическую нагрузку на детали трансмиссии и увеличивает их изнашивание.

Для устранения неравномерного вращения используют два карданных шарнира неравных угловых скоростей, которые устанавливают на концах карданного вала. При этом вилки карданных шарниров, соединенные с карданным валом, располагаются в одной плоскости. Тогда неравномерность вращения, создаваемая первым карданным шарниром, выравнивается вторым карданным шарниром, и ведомый вал вращается равномерно со скоростью ведущего вала.

Карданные шарниры неравных угловых скоростей допускают передачу вращения при углах γ между валами до 15. 20º.

Карданный шарнир равных угловых скоростей (синхронный) состоит из фасонных вилок (рисунок 1, б), изготовленных за одно целое с ведущим 4 и ведомым 5 валами. Вилки имеют овальные делительные канавки, в которых находятся рабочие шарики 6. Центрирование вилок осуществляется шариком 7, размещенным в сферических углублениях внутренних торцов вилок.

Вращение с вала 4 на вал 5 передается через рабочие шарики 6. Канавки вилок имеют специальную форму, которая независимо от изменения угла γ между валами обеспечивает расположение рабочих шариков в плоскости АА, делящей угол Θ пополам. В результате этого оба вала вращаются с равными скоростями (ω1 = ω2).

Шариковый шарнир такого типа может передавать вращение при углах γ между валами, достигающих 30. 32º.

Шарнир прост по конструкции и сравнительно недорог при изготовлении. Однако он имеет ускоренное изнашивание из-за наличия скольжения рабочих шариков относительно канавок и высокого давления между шариками и канавками.

Что такое ШРУС в машине и для чего он нужен

Применение таких устройств в автомобилях необходимо, так как колеса имеют подвижность относительно выходного вала трансмиссии. На автомобилях с задним приводом подвижность оси относительно выходного вала КПП, в основном, имеется только в вертикальной плоскости. Поэтому механизмы передачи угловой скорости на этих авто имеют простую карданную конструкцию.

С появлением автомобилей, в которых ведущие колеса имеют большую степень подвижности относительно выходного вала, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости, встала острая необходимость использования сложных механизмов.

Шарнир равных угловых скоростей (ШРУС): что это такое в автомобиле и история создания

Впервые механизм, похожий на современный шариковый ШРУС, предложил, а точнее, запатентовал в 20-х годах минувшего столетия инженер Альфред Рцеппа. Его до сих пор именуют шарнир Рцеппа. Приблизительно в то же время француз Грегуар изобрел кулачковый (сухариковый) механизм «Тракта». Кулачковый механизм имеет неприятную особенность – он может перегреваться. Поэтому в современной автомобильной технике его применяют преимущественно на грузовиках.

Видео — замена ШРУСа на Шевролет Ланос (Сhevrolet Lanos):

В современном виде «гранаты» достигли кое-какого совершенства в 60-х годах прошлого столетия. Немалую заслугу в разработке их конструкции имеют японские инженеры.

Шарниры равных угловых скоростей в современных автомобилях устанавливаются в паре: внешний и внутренний. Внешний ШРУС установлен со стороны ступицы. Внутренний ШРУС устанавливается со стороны дифференциала.

Классический ШРУС включает следующие основные узлы:

  • корпус;
  • сепаратор;
  • шары;
  • сепаратор;
  • пыльник с хомутами;
  • ступичная гайка;
  • стопорные кольца.

Что такое шрус в автомобиле

Шарнир равных угловых скоростей называется ШРУС. В обиходе разговорной речи автомобилистов называют также гранатой или автогранатой.

Шрус в автомобили начали устанавливать, когда появились первые машины с передним приводом. Переднеприводные авто обладают некоторыми преимуществами:

  • улучшенная проходимость;
  • улучшенная динамика управления;
  • экономичность.
При создании ведущих передних колес, во время передачи крутящего момента на передние колеса терялась мощность и были другие недостатки:
  1. Механизмы шарниров быстро ломались.
  2. Передача вращения была неравномерной.
  3. Передача сопровождалась с сильной вибрацией.
  4. Шестерни и валы коробки передач работали с превышенной нагрузкой.

После этого, когда изобрели автомобильные гранаты (шрусы) эффективно решили эти недостатки. Благодаря ШРУСАМ момент вращения передается без уменьшения мощности и не создает другие минусы.

Шарнир равных угловых скоростей применяется и на заднеприводных автомобилях, в устройстве которых есть независимые подвески.

Если менять ШРУСЫ во время и покупать качественные, то они, относительно надежные и ломаются не так часто.

Основные виды таких шарниров

«Тракта» (кулачково-дисковый)

В состав ШРУСа входят 2 вкладыша, 2 кулака и диск. Вкладыши имеют цилиндрические шейки. Внутри имеются пазы. Шейки охвачены кулаками, диски входят в пазы. Рабочий угол перемещения не превышает 450.

«Веисс» (четыре плюс один)

Имеется в виду наличие 4-х основных и одного направляющего (центрирующего) шара.

Данный шарнир установлен на ГАЗ-66, других автомобилях с повышенной проходимостью. Главный его недостаток – максимальный угол поворота колеса всего 320. Срок службы таких шаров невысокий, так как нагрузка во время движения приходится только на 2 шара (другая пара задействована во время движения задним ходом).

Шести — шариковый ШРУС Альфреда Рцеппа

В данном механизме вращательное движение передается всеми шарами. Конструкция состоит из делительного рычажка, сепаратора, 6-ти шариков, корпуса, включающего сферическую чашку с ведомым валом, внутренней обоймы, которая включает сферический кулак с ведущим валом. ШРУСы Рцеппа имеют несколько модификаций.

Классический шарнир равных угловых скоростей может передавать значительные усилия с рабочим углом до 370. Имеет большой коэффициент полезного действия, большую нагрузочную способность.

Трехшиповой — трипод

Такой шарнир равных угловых скоростей иногда называется «трипод». Выпускается в двух модификациях – жесткий и универсальный. Жесткий шрус подразумевает отсутствие перемещения вдоль продольной оси, угол составляет до 430, применяются в качестве наружных ШРУСов. Универсальный имеет меньший угол, их можно применять в качестве внутренних шарниров.

Конструктивные особенности

Легковой транспорт сегодня имеет на борту несколько видов ШРУсов:

  • Трехшиповый «Трипод». Является внутренним шарниром. Его особенность заключается в стойкости к значительным нагрузкам, но вместе с тем он не может обеспечить большой угол поворота;
  • Шестишариковый «Рцеппа». Такой шарнир устанавливается как на внутреннюю, так и внешнюю сторону полуоси. Полуось с ним может смещать даже на 70 градусов, а вращение передается на 95-99%. Ресурс такого шарнира также очень велик.

Ранее в автомобилях использовались четырехшариковые «Вейсс». Вращение в них передавалось со смещением вплоть до 32 градусов. Вот только этого было мало. К тому же, нагрузка не распределялась равномерно: все прелести движения по дороге принимали на себя 2 шарика из имеющихся четырех, вследствие чего ШРУС рано выходил из строя.

Предшествовали всем вышеперечисленным карданные шарниры. Они были, что называется, «дубовыми». Даже при вхождение в поворот на небольшой угол колеса начинали вращаться медленнее, а из-за рывков терялась плавность движения. К тому же, в автомобилях с полным приводом использовать такие шарниры было невозможно. Появившиеся после 60-х годов прошлого века шарниры хоть и серьезно зависели от того, на какой угол был повернут ведомый вал, и были на порядок эффективнее и живучее.

Сегодня наличие ШРУСов на каждой из полуосей гарантирует не только комфортность езды, но и долговечность самих деталей. Нагрузка распределяется равномерно. По этой причине шарниры в наше время считаются деталями, которые выходят из строя не очень часто и не имеют четкого регламента по времени замены.

Признаки неисправности

ШРУС предназначен для эксплуатации в достаточно суровых условиях. Поэтому на заводе-производителе автомобилей устанавливают только проверенные устройства. Их срок эксплуатации сравним со сроком эксплуатации всего автомобиля. Но нет ничего невозможного для российских автодорог. Наибольшую нагрузку испытывает внешний ШРУС. На него передаются все колебания, связанные с неровностью дорожного покрытия, резкими торможениями, ударами.

Видео — замена пыльника ШРУСа га Логан, Сандеро, Ларгус и все нюансы:

Прежде всего, следует следить за целостностью пыльников. Подтеки на них являются серьезной угрозой работоспособности.

Очень опасен для ШРУСов агрессивный характер вождения с вывернутыми до отказа колесами. Такой стиль преподается на курсах по экстремальному вождению.

Видео — замена пыльников ШРУСов:

Неисправность ШРУСов можно определить по люфту и звуку. Неисправные внешние ШРУСы при высокой нагрузке издают писк, похожий на звук тормозных колодок в изношенном состоянии. Также во время резкого трогания с места на вывернутых колесах может быть слышен характерный щелчок.

Самый классический вариант, когда наступает время ехать на замену ШРУСа, это появление характерного хруста с одной из сторон автомобиля. Такой хруст при повороте руля может издавать только шарнир равных угловых скоростей. Труднее определить, какой именно ШРУС звучит, внутренний или внешний.

Видео — как проверить какой ШРУС начал стучать:

Если посторонний шум появляется при прямолинейном движении, скорее всего, изношен внутренний ШРУС. Для точного определения могут помочь следующие процедуры.

Что такое ШРУС

Что такое ШРУС в автомобиле? Переводя на «народный» язык, обозначается как «граната». Следовательно, если в авто есть такая запасная часть, то рано или поздно она взорвётся. Хорошо, шутки оставим в сторонку… Тем не менее не будем забывать о главном. Итак, ШРУС или «граната» – это шарнир равных угловых скоростей. Именно эти запчасти служат для того, чтобы передавать крутящий момент с сердца авто (мотора) к ведущим колесам. Эти детали не только дают возможность колесам «начать свою работу после команды «свыше» – от мотора», но и полностью управлять ими.

Почему всё-таки «граната»? Во-первых, данная деталь очень похожа на настоящую гранату, а во-вторых, её действия действительно убийственные. Если выйдет из строя, транспортное средство не сможет до момента замены или ремонта самостоятельно передвигаться.

Как проверить ШРУС на исправность

  1. Вывешиванием одного колеса.

Поднимается на домкрат колесо, со стороны которого слышен хруст. Проверка производится при помощи визуального осмотра наличия продольных и поперечных люфтов при повороте колеса.

Видео — как определить неисправность внутреннего ШРУСа:

  1. Вывешиванием передней подвески.

Во время вращения колес слышен хруст неисправного ШРУСа. Если характерный звук появляется при прямолинейной установке колес, неисправен внутренний ШРУС.

  1. При движении по дороге.

Внешний правый ШРУС хрустит при повороте налево. Внешний левый шарнир равных угловых скоростей хрустит при повороте направо. Внутренние ШРУС могут хрустеть при движении с большой скоростью, на неровной дороге при прямолинейном движении.

  1. Движение автомобиля с повышенной нагрузкой.

В этом случае следует пригрузить капот автомобиля, например, мешками с картошкой. Если при прямолинейном движении будет издаваться характерный хруст, скорее всего, один из внутренних ШРУСов изношен.

Видео — как проверить ШРУС на исправность (3 способа):

Определение

ШРУС (Шарнир Равных Угловых Скоростей) – устройство, которое обеспечивает передачу крутящего момента от трансмиссии к ведущим колесам, в отличие от заднего моста (который работает прямолинейно), может обеспечить поворот колес на 70 градусов. У простых водителей известен — под названием «граната», из-за формы похожей на это оружие.

ШРУСы – что это такое?

ШРУС — это шарнир равных угловых скоростей. Его используются в конструкции независимой подвески на переднеприводных автомобилях. Это деталь обеспечивает не только энергию вращения, но и позволяет управлять поворотом колес. Так, этот узел позволяет выполнить поворот ведущего колеса на угол до 70 градусов. Деталь похожа на ручную гранату, поэтому автолюбители так и прозвали этот шарнир.

Эта конструкция также встречается в автомобилях с задним либо полным приводом, но лишь в моделях с независимой подвеской. В этом случае задние колеса имеют возможность двигаться горизонтально и вертикально. Существует наружный и внутренний ШРУС. Что это за деталь, вы скоро узнаете.

Как создавали ШРУС

Так как существует несколько видов шарниров угловых скоростей, то точно установить, какая конструкция была первой, очень трудно. Но есть мнение, что узел на основе шариков, один из популярных сегодня, был изобретен в 20-е годы.

Идея создания кулачкового механизма пришла в голову французскому изобретателю Грегуару. В начале 20-х он получил патент на это изобретение.

Спаренный карданный элемент равных угловых скоростей использовали преимущественно в американских моделях автомобилей и в системах трансмиссий французских «Панар-Левассор».

0 0 голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector