Шарнир равных угловых скоростей (также называемый ШРУСом и гомокинетическим шарниром ) представляет собой механическое соединение , которое позволяет валам свободно вращаться (без заметного увеличения трения или люфта ) и компенсирует угол между двумя валами в определенном диапазоне для поддержания одинаковой скорости.
ШРУСы обычно используются в переднеприводных автомобилях, где они используются для передачи мощности двигателя на колеса, даже если угол наклона карданного вала изменяется из-за работы подвески .
Предшественником шарнира равных угловых скоростей был универсальный шарнир (также называемый карданным шарниром ), который был изобретен Джероламо Кардано в 16 веке. Универсальные шарниры просты в изготовлении и могут выдерживать большие силы, однако с увеличением угла работы универсальные шарниры часто становятся «зазубренными» и их трудно вращать.
Первым типом шарнира равных угловых скоростей был двойной карданный шарнир, изобретенный Робертом Гуком в 17 веке. Эта конструкция использует два универсальных шарнира, смещенных на 90 градусов, что компенсирует изменения скорости в каждом шарнире.
С тех пор было изобретено много других типов шарниров равных угловых скоростей.
.gif/1280px-Double_Cardan_Joint_(animated).gif)
Двойные карданные шарниры похожи на двойные карданные валы , за исключением того, что длина промежуточного вала укорочена, оставляя только ярма; это фактически позволяет устанавливать два шарнира Гука спина к спине. DCJ обычно используются в рулевых колонках, поскольку они устраняют необходимость правильной фазировки универсальных шарниров на концах промежуточного вала (IS), что облегчает упаковку IS вокруг других компонентов в моторном отсеке автомобиля. Они также используются для замены шарниров равных угловых скоростей типа Rzeppa в приложениях, где распространены высокие углы сочленения или импульсные крутящие нагрузки, такие как приводные валы и полуоси прочных полноприводных автомобилей. Двойные карданные шарниры требуют центрирующего элемента, который будет поддерживать равные углы между ведомым и ведущим валами для истинного вращения с постоянной скоростью. [1] [2] Это центрирующее устройство требует дополнительного крутящего момента для ускорения внутренних частей шарнира и действительно создает некоторую дополнительную вибрацию на более высоких скоростях. [3]
Соединение Tracta работает по принципу двойного шпунтового соединения. Оно состоит всего из четырех отдельных частей: двух вилок (они же хомутовые соединения, одно ведущее и одно ведомое) и двух полусферических скользящих частей (одно называется наружным или шарнирным соединением, а другое называется наружным или пазовым соединением), которые сцепляются в плавающем (подвижном) соединении. Каждая челюсть хомута входит в круговую канавку, образованную на промежуточных элементах. Оба промежуточных элемента поочередно соединены между собой шарнирным соединением хомута и пазового соединения. Когда входной и выходной валы наклонены под некоторым рабочим углом друг к другу, ведущее промежуточное звено ускоряется и замедляется во время каждого оборота. Поскольку центральное соединение хомута и пазового соединения находится на четверть оборота в противофазе с челюстями хомута, соответствующее колебание скорости ведомого промежуточного и выходного звеньев точно противодействует и нейтрализует изменение скорости входного полуэлемента. Таким образом, изменение выходной скорости идентично изменению скорости входного привода, обеспечивая постоянную скорость вращения. [4]
Шарнир Рцеппы (изобретенный Альфредом Х. Рцеппой в 1926 году) состоит из сферической внутренней оболочки с 6 канавками в ней и аналогичной охватывающей внешней оболочки. Каждая канавка направляет один шарик . Входной вал помещается в центр большой стальной звездообразной «шестерни», которая вставлена в круглую клетку. Клетка сферическая, но с открытыми концами, и обычно имеет шесть отверстий по периметру. Эта клетка и шестерня вставляются в канавчатую чашку, к которой прикреплен шлицевой и резьбовой вал. Шесть больших стальных шариков находятся внутри канавок чашки и вставляются в отверстия клетки, вставленные в канавки звездочки. Выходной вал на чашке затем проходит через подшипник колеса и закрепляется гайкой оси.
Это сочленение может выдерживать большие изменения угла, когда передние колеса поворачиваются рулевой системой; типичные сочленения Rzeppa допускают 45°–48° сочленения, в то время как некоторые могут давать 54°. [5] На «внешнем» конце приводного вала используется немного другой узел. Конец приводного вала имеет шлицы и вставляется во внешнее «сочленение». Обычно оно удерживается на месте стопорным кольцом .
Шарнир Бирфилда — это тип шарнира равных угловых скоростей, основанный на шарнире Рзеппа, но с шестью шариками, заключенными в эллиптические дорожки, а не в клетку. Они обладают повышенной эффективностью и широко используются в современных автомобилях для шарниров внешнего приводного вала. [6] Шарнир Бирфилда был разработан компанией Birfield Industries и получил широкое распространение с разработкой автомобилей с передним приводом, таких как Mini . [7]
Триподные шарниры используются на внутреннем конце приводных валов автомобиля. Шарниры были разработаны Мишелем Орейном из Glaenzer Spicer из Пуасси , Франция . Этот шарнир имеет трехточечный хомут, прикрепленный к валу, который имеет бочкообразные роликовые подшипники на концах. Они вставляются в чашку с тремя соответствующими канавками, прикрепленную к дифференциалу . Поскольку значительное движение происходит только по одной оси, эта простая конструкция работает хорошо. Они также допускают осевое «погружное» движение вала, так что раскачивание двигателя и другие эффекты не создают предварительной нагрузки на подшипники. Типичный триподный шарнир имеет ход погружения до 50 мм и 26 градусов углового сочленения. [8] Триподный шарнир не имеет такого большого углового диапазона, как многие другие типы шарниров, но, как правило, дешевле и эффективнее. Благодаря этому он обычно используется в конфигурациях транспортных средств с задним приводом или на внутренней стороне транспортных средств с передним приводом, где требуемый диапазон движения меньше.
Шарнир Вайса состоит из двух одинаковых шаровых ярмов, которые положительно расположены (обычно) четырьмя шариками. Два шарнира центрируются с помощью шарика с отверстием посередине. Два шарика в круговых дорожках передают крутящий момент, в то время как два других предварительно нагружают шарнир и обеспечивают отсутствие люфта при изменении направления нагрузки.
Его конструкция отличается от конструкции Rzeppa тем, что шарики плотно прилегают между двумя половинами муфты, и что не используется сепаратор. Центральный шарик вращается на штифте, вставленном во внешнюю обойму, и служит стопорным средством для четырех других шариков. Когда оба вала находятся на одной линии, то есть под углом 180 градусов, шарики лежат в плоскости, которая составляет 90 градусов по отношению к валам. Если ведущий вал остается в исходном положении, любое движение ведомого вала заставит шарики переместиться на половину углового расстояния. Например, когда ведомый вал перемещается на угол 20 градусов, угол между двумя валами уменьшается до 160 градусов. Шарики переместятся на 10 градусов в том же направлении, а угол между ведущим валом и плоскостью, в которой лежат шарики, уменьшится до 80 градусов. Это действие удовлетворяет требованию, чтобы шарики лежали в плоскости, которая делит пополам угол привода. Этот тип шарнира Вайса известен как шарнир Бендикса-Вайса.
Наиболее продвинутым шарнирным соединением, работающим по принципу Вайса, является звездообразное соединение с шестью шариками Курта Энке. Этот тип использует только три шарика для передачи крутящего момента, а остальные три центрируют и удерживают его вместе. Шарики предварительно нагружены, а соединение полностью инкапсулировано. [9] [10]
Шарнир Томпсона (также известный как муфта Томпсона ) собирает два карданных шарнира друг в друге, чтобы исключить промежуточный вал. [11] Для поддержания выравнивания входного и выходного валов добавляется контрольная вилка. Контрольная вилка использует сферический ножничный механизм пантографа для деления пополам угла между входным и выходным валами и поддержания относительного фазового угла шарниров, равного нулю. Выравнивание обеспечивает постоянную угловую скорость при всех углах шарнира. Устранение промежуточного вала и поддержание выравнивания входных валов в гомокинетической плоскости значительно снижает индуцированные напряжения сдвига и вибрацию, присущие двойным карданным валам . [12] [13] [14] Хотя геометрическая конфигурация не поддерживает постоянную скорость для контрольной вилки, которая выравнивает карданные шарниры, контрольная вилка имеет минимальную инерцию и генерирует небольшую вибрацию. Постоянное использование стандартной муфты Томпсона при прямом сквозном угле в ноль градусов приведет к чрезмерному износу и повреждению шарнира; Минимальное смещение в 2 градуса между входным и выходным валами необходимо для снижения износа хомута управления. [15] Изменение входного и выходного хомутов таким образом, чтобы они не были точно перпендикулярны соответствующим валам, может изменить или устранить «недопустимые» углы. [16]
Новизна муфты заключается в методе геометрического ограничения пары карданных шарниров в сборке с использованием, например, сферического четырехзвенного ножничного механизма (сферического пантографа), и это первая муфта, обладающая такой комбинацией свойств. [17]
Ранние автомобили с передним приводом (например, Citroen Traction Avant 1930-х годов ) и передние оси полноприводных автомобилей повышенной проходимости использовали универсальные шарниры вместо ШРУСов. Среди первых автомобилей, в которых использовались ШРУСы, были Tracta 1926 года , DKW F1 1931 года и Adler Trumpf 1932 года , все из которых были переднеприводными и использовали конструкцию шарнира Tracta по лицензии. [18] [19] ШРУСы обеспечивали плавную передачу мощности в более широком диапазоне рабочих углов (например, когда подвеска сжимается под действием силы поворота или неровности на дороге).
Современные заднеприводные автомобили с независимой задней подвеской обычно используют ШРУСы на концах полуосей и все чаще используют их на хвостовом валу . [ требуется ссылка ]
Обычно поверх шарнира равных угловых скоростей устанавливается отдельный гибкий чехол, чтобы защитить его от посторонних частиц и предотвратить утечку смазки. [20] Этот чехол обычно изготавливается из резины и называется «пыльником CV» или «гофрированным чехлом CV». Трещины и разрывы в чехле пропускают внутрь загрязняющие вещества, что может привести к быстрому износу или полному выходу шарнира из строя. Цельнометаллический универсальный шарнир или CV, расположенный внутри и защищенный сплошной осью (корпусом), может быть желателен в суровых условиях эксплуатации, где резина подвержена физическому или химическому повреждению. Для защиты резиновых чехлов CV могут использоваться металлическая броня и кевларовые рукава/чехлы.
ШРУС обычно смазывается смазкой на основе дисульфида молибдена . Шесть сфер ограничены затвором, препятствующим падению сфер, когда валы идеально выровнены.
Особые указания: Непрерывная работа муфты TCVJ при 0 градусах не рекомендуется, так как это приведет к чрезмерному износу подшипников и повреждению муфты. Для максимальной эффективности и срока службы муфты TCVJ рекомендуется минимальный рабочий угол 2,0 градуса.