Айналуды тегіс беру механизмі: Тұрақты жылдамдық буындары және олардың түрлері
Constant-velocity joint
Тез айналу буындары (CV буындары) – бөлшектердің бұрылысын тегіс беруге арналған механизм. Universal буындарынан айырмасы, жылдамдықты сақтайды. Автокөліктерде қолданылады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Бұрылысқан жетек білігі арқылы айналуды тегіс беру механизмдері
Mechanisms for smoothly transmitting rotation through a bend in a drive shaft
Тұрақты жылдамдық буыны (немесе CV буыны деп те аталады) – бұл механикалық байланыс, ол біліктердің еркін айналуына мүмкіндік береді (сүйкіштің немесе кері соққының айтарлықтай ұлғаюынсыз) және екі білік арасындағы бұрышты белгілі бір шекте өтеу арқылы бірдей жылдамдықты сақтайды. CV буындары көбінесе алдыңғы жетектегі көліктерде қолданылады, онда олар қозғалтқыштың қуатын дөңгелектерге беру үшін пайдаланылады, тіпті көліктің аспасы жұмыс істеген кезде жетек білігінің бұрышы өзгерсе де.
A constant velocity joint (also called a CV joint) is a mechanical coupling which allows the shafts to rotate freely (without an appreciable increase in friction or backlash) and compensates for the angle between the two shafts, within a certain range, to maintain the same velocity. A common use of CV joints is in front wheel drive vehicles, where they are used to transfer the engine's power to the wheels, even as the angle of the driveshaft varies due to the operation of the suspension.
Тарих
Тұрақты жылдамдықпен жұмыс істейтін буындардың алдында универсалды буындар (немесе Кардан буыны) тұрды, оны 16 ғасырда Джероламо Кардано ойлап тапқан. Универсалды буындарды жасау оңай және олар үлкен күштерге төтеп бере алады, бірақ жұмыс істеу бұрышы артқан сайын, универсалды буындар көбінесе "үрмелі" болып, айналдыру қиынға соғады. Тұрақты жылдамдықпен жұмыс істейтін буындардың алғашқы түрі – 17 ғасырда Роберт Гук ойлап тапқан қос Кардан буыны. Бұл конструкцияда 90 градусқа ығысқан екі универсалды буын қолданылады, ол әр буынның жылдамдық өзгеруін жояды. Содан бері тұрақты жылдамдық буындарының көптеген түрлері ойлап табылды.
The predecessor to the constant velocity joint was the universal joint (also called a Cardan joint), which was invented by Gerolamo Cardano in the 16th century. Universal joints are simple to produce and can withstand large forces, however as the angle of operation increases, universal joints often become "notchy" and difficult to rotate. The first type of constant velocity joint was the Double Cardan joint, which was invented by Robert Hooke in the 17th century. This design uses two universal joints offset by 90 degrees, which cancels out the velocity variations in each joint. Many other types of constant velocity joints have been invented since then.
Қос кардан
Қос Кардан буындары екі Кардан біліктеріне ұқсас, бірақ аралық білік ұзындығы тек иықтарды қалдырып қысқартылады; бұл екі Гук буынын тікелей біріктіруге мүмкіндік береді. DCJ-лер көбінесе руль бағаналарында қолданылады, себебі олар аралық валдың (IS) ұштарындағы әмбебап буындарды дұрыс синхрондау қажеттілігін жояды, бұл қозғалтқыш бөліміндегі басқа компоненттердің айналасына IS-ті орналастыруды жеңілдетеді. Олар сондай-ақ жоғары бұрылу бұрыштары немесе импульстік айналу жүктемелері жиі кездесетін жағдайларда, мысалы, ауыр типтегі төрт дөңгелекті көліктердің жетек біліктері мен жартылай біліктерінде Rzeppa стиліндегі тұрақты жылдамдықты буындарды алмастыру үшін де қолданылады. Қос Кардан буындарының дұрыс тұрақты жылдамдықпен айналуы үшін, қозғалтқыш және жететін біліктер арасындағы тең бұрыштарды сақтайтын орталықтандыру элементі қажет. Бұл орталықтандыру құрылғысы буынның ішкі бөліктерін үдету үшін қосымша айналу моментін қажет етеді және жоғары жылдамдықтарда белгілі бір деңгейде діріл тудыруы мүмкін.
Double Cardan joints are similar to double Cardan shafts, except that the length of the intermediate shaft is shortened leaving only the yokes; this effectively allows the two Hooke's joints to be mounted back to back. DCJs are typically used in steering columns, as they eliminate the need to correctly phase the universal joints at the ends of the intermediate shaft (IS), which eases packaging of the IS around the other components in the engine bay of the car. They are also used to replace Rzeppa style constant velocity joints in applications where high articulation angles, or impulsive torque loads are common, such as the driveshafts and halfshafts of rugged four wheel drive vehicles. Double Cardan joints require a centering element that will maintain equal angles between the driven and driving shafts for true constant velocity rotation. This centering device requires additional torque to accelerate the internals of the joint and does generate some additional vibration at higher speeds.
Тракта буындары
Tracta буыны қос тілек пен ойық буыны принципі бойынша жұмыс істейді. Ол тек төрт жеке бөліктен тұрады: екі құсқанаты (біреуі жетектеуші, екіншісі жетелеуші) және екі жарты шар тәрізді сырғанамалы бөлік (біреуі еркек немесе тілше бұрылысы, екіншісі әйел немесе ойықты бұрылысы деп аталады), олар қозғалмалы байланыста өзара кіріседі. Әрбір құсқанаттың иегі орталық бөліктердегі дөңгелек ойыққа енгізіледі. Екі орталық бөлік өз кезегінде айналмалы тіл және ойық буындары арқылы біріктіріледі. Егер кіріс және шығыс біліктері белгілі бір жұмыс бұрышымен еңкейтін болса, жетектеуші орталық бөлік әрбір айналым кезінде жылдамдығын арттырып, азайтады. Орталық тіл және ойық буыны құсқанат иектерімен фазадан ширек айналымға қалыс болғандықтан, жетектеуші орталық және шығыс иек мүшелерінің жылдамдық өзгеруі кіріс жарты мүшелерінің жылдамдық өзгеруін дәл теңестіріп, жояды. Осылайша, шығыс жылдамдығының өзгеруі кіріс жетектеушісінің өзгеруімен сәйкес келеді, тұрақты жылдамдықпен айналуды қамтамасыз етеді.
The Tracta joint works on the principle of the double tongue and groove joint. It comprises only four individual parts: the two forks (a. k. a. yokes, one driving and one driven) and the two semi spherical sliding pieces (one called male or spigot swivel and another called female or slotted swivel) which interlock in a floating (movable) connection. Each yoke jaw engages a circular groove formed on the intermediate members. Both intermediate members are coupled together in turn by a swivel tongue and grooved joint. When the input and output shafts are inclined at some working angle to each other, the driving intermediate member accelerates and decelerates during each revolution. Since the central tongue and groove joint are a quarter of a revolution out of phase with the yoke jaws, the corresponding speed fluctuation of the driven intermediate and output jaw members exactly counteracts and neutralizes the speed variation of the input half member. Thus the output speed change is identical to that of the input drive, providing constant velocity rotation.
Рзеппа буындары
Рзеппа буыны (1926 жылы Альфред Х. Рзеппа ойлап тапқан) 6 ойығы бар шар тәрізді ішкі қабықтан және оған ұқсас сыртқы қабықтан тұрады. Әр ойық бір шарды бағыттайды. Кіріс білігі үлкен, болаттан жасалған, жұлдыз тәрізді "тісті дөңгелек" ортасына орналасады, ол дөңгелек қуыстың ішінде бекітіледі. Қуыстың ұштары ашық, бірақ шар тәрізді, және оның шетінде әдетте алты тесік болады. Бұл қуыс және тісті дөңгелек ойысқан тостағанға сыяды, ал тостағанға тісті және бұрандалы білік бекітілген. Алты үлкен болат шар тостағанның ойыстарына орналасып, жұлдыз тәрізді тісті дөңгелектің ойыстарына кіріп, қуыс ашылуларымен сәйкес келеді. Тостағандағы шығыс білігі дөңгелек подшинігі арқылы өтеді және осьтік гайкамен бекітіледі. Бұл буын рульдік жүйемен алдыңғы дөңгелектер бұрылған кезде бұрыштардың үлкен өзгерісін қабылдай алады; әдеттегі Rzeppa буындары 45°–48° бұрылуға мүмкіндік береді, ал кейбіреулері 54° дейін бұрылуға мүмкіндік береді. Жетек білігінің "сыртқы" жағында сәл өзгеше құрылым қолданылады. Жеке біліктің ұшы тісті және сыртқы "қосылысқа" орналасады. Оны әдетте сақина ұстап тұрады.
A Rzeppa joint (invented by Alfred H. Rzeppa in 1926) consists of a spherical inner shell with 6 grooves in it and a similar enveloping outer shell. Each groove guides one ball. The input shaft fits in the centre of a large, steel, star shaped "gear" that nests inside a circular cage. The cage is spherical but with ends open, and it typically has six openings around the perimeter. This cage and gear fit into a grooved cup that has a splined and threaded shaft attached to it. Six large steel balls sit inside the cup grooves and fit into the cage openings, nestled in the grooves of the star gear. The output shaft on the cup then runs through the wheel bearing and is secured by the axle nut. This joint can accommodate the large changes of angle when the front wheels are turned by the steering system; typical Rzeppa joints allow 45°–48° of articulation, while some can give 54°. At the "outboard" end of the driveshaft a slightly different unit is used. The end of the driveshaft is splined and fits into the outer "joint". It is typically held in place by a circlip.
Бірфилд буындары
Бірфилд буыны – Рзеппа буынының негізінде жасалған тұрақты жылдамдық буынының бір түрі, бірақ ондағы алты шар дөңгелек қоршаудың орнына эллипстік жолдармен шектелген. Олардың тиімділігі жоғары және қазіргі заманғы автомобильдерде сыртқы жетек біліктерінің буындары ретінде кеңінен қолданылады. Бірфилд буынын Birfield Industries компаниясы әзірлеген, ал Mini сияқты алдыңғы жетектегі автомобильдердің пайда болуымен оның қолданылуы кеңейді.
The Birfield joint is a type of constant velocity joint based on the Rzeppa joint, but with the six balls confined using elliptical tracks rather than a cage. They have improved efficiency and are widely used in modern cars for the outboard driveshaft joints. The Birfield joint was developed by Birfield Industries and came into widespread use with the development of front wheel drive cars such as the Mini.
Үш табанды буындар
Үш табанды буындар автомобильдің жетек біліктерінің ішкі жағында қолданылады. Бұл буындарды Францияның Пуасси қаласындағы Glaenzer Spicer компаниясының Мишель Оран әзірлеген. Бұл буында валға бекітілген үш ұшты иық бар, оның ұштарында барабан тәрізді роликтік подшипниктер орналасқан. Бұл подшипниктер дифференциалға бекітілген үш сәйкес ойықтары бар тостағанға сыяды. Бір осьте ғана маңызды қозғалыс болғандықтан, бұл қарапайым конструкция жақсы жұмыс істейді. Бұлар біліктің осьтік "сағыну" қозғалысына да мүмкіндік береді, сондықтан қозғалтқыштың дірілдеуі және басқа да әсерлер подшипниктерге қосымша жүктеме түсірмейді. Типтік үш табанды буынның 50 мм-ге дейін сағыну қашықтығы және 26 градусқа дейін бұрылу мүмкіндігі бар. Үш табанды буынның бұрылу диапазоны көптеген басқа буын түрлерінен кем, бірақ көбінесе арзанға түседі және тиімдірек болады. Осы себепті ол көбінесе артқы жетек көліктерінде немесе қажетті қозғалыс диапазоны төмен болған алдыңғы жетек көліктерінің ішкі жағында қолданылады.
Tripod joints are used at the inboard end of car driveshafts. The joints were developed by Michel Orain, of Glaenzer Spicer of Poissy, France. This joint has a three pointed yoke attached to the shaft, which has barrel shaped roller bearings on the ends. These fit into a cup with three matching grooves, attached to the differential. Since there is only significant movement in one axis, this simple arrangement works well. These also allow an axial 'plunge' movement of the shaft, so that engine rocking and other effects do not preload the bearings. A typical Tripod joint has up to 50 mm of plunge travel, and 26 degrees of angular articulation. The tripod joint does not have as much angular range as many of the other joint types, but tends to be lower in cost and more efficient. Due to this it is typically used in rear wheel drive vehicle configurations or on the inboard side of front wheel drive vehicles where the required range of motion is lower.
Вейс буындары
Вейс буыны (Weiss joint) – әдетте төрт шармен сенімді орналастырылған екі бірдей шар иесінен тұрады. Екі буынның ортасы ортасында тесігі бар шар арқылы центрленеді. Оның құрылымы Rzeppa буынынан өзгеше, себебі шарлар жалғастырудың екі жартысы арасында тығыз орналасқан және шар ұстағыш (клетка) қолданылмайды. Ортаңғы шар сыртқы жүзуге енгізілген осьте айналады және қалған төрт шарды құлыптау механизмі ретінде қызмет етеді. Екі білік түзу сызықта болғанда, яғни 180 градус бұрышта, шарлар 90 градус жазықтықта орналасады. Егер жетекші білік бастапқы күйінде қалса, басқарылатын біліктің кез келген қозғалысы шарларды бұрыштық арақашықтықтың жартысына итеруге әкеледі. Мысалы, басқарылатын білік 20 градусқа қозғалса, екі білік арасындағы бұрыш 160 градусқа дейін азаяды. Шарлар сол бағытта 10 градусқа жылжып, жетекші білік пен шарлар жатқан жазықтық арасындағы бұрыш 80 градусқа дейін азаяды. Бұл әрекет шарлардың жетекші бұрышты екіге бөлетін жазықтықта орналасуын қамтамасыз етеді. Осы типтегі Вейс буыны Бендикс Вейс буыны деп аталады. Вейс принципі бойынша жұмыс істейтін ең жетілген иіліп түсетін буын – Курт Энкеге тиесіл алты шарлы жұлдыз буын. Бұл типте айналу моментін беру үшін үш шар ғана қолданылады, ал қалған үш шар орталықтандырып, бірге ұстап тұрады. Шарлар алдын ала жүктелген және буын толығымен герметикалық жабылады.
A Weiss joint consists of two identical ball yokes which are positively located (usually) by four balls. The two joints are centered by means of a ball with a hole in the middle. Two balls in circular tracks transmit the torque while the other two preload the joint and ensure there is no backlash when the direction of loading changes. Its construction differs from that of the Rzeppa in that the balls are a tight fit between two halves of the coupling and that no cage is used. The center ball rotates on a pin inserted in the outer race and serves as a locking medium for the four other balls. When both shafts are in line, that is, at an angle of 180 degrees, the balls lie in a plane that is 90 degrees to the shafts. If the driving shaft remains in the original position, any movement of the driven shaft will cause the balls to move one half of the angular distance. For example, when the driven shaft moves through an angle of 20 degrees, the angle between the two shafts is reduced to 160 degrees. The balls will move 10 degrees in the same direction, and the angle between the driving shaft and the plane in which the balls lie will be reduced to 80 degrees. This action fulfills the requirement that the balls lie in the plane that bisects the angle of drive. This type of Weiss joint is known as the Bendix Weiss joint. The most advanced plunging joint which works on the Weiss principle is the six ball star joint of Kurt Enke. This type uses only three balls to transmit the torque, while the remaining three center and hold it together. The balls are preloaded and the joint is completely encapsulated.
Томпсон буындары
Томпсон буыны (Томпсон қосқышы деп те аталады) аралық білікті жою үшін екі кардан буынын бір-біріне жинастырады. Кіріс және шығыс біліктерін тура бағытта ұстап тұру үшін басқару иісі қосылады. Басқару иісі кіріс пен шығыс біліктері арасындағы бұрышты екіге бөлу және буындарды нөлдік салыстырмалы фазалық бұрышта ұстап тұру үшін шар тәрізді пантографтың қайшы механизмін пайдаланады. Бұл түзету барлық буын бұрыштарында тұрақты бұрыштық жылдамдықты қамтамасыз етеді. Аралық білікті жою және кіріс біліктерін гомокинетикалық жазықтықта туралау, қос кардан біліктеріне тән қисаю кернеулерін және дірілдерді едәуір азайтады. Геометриялық конфигурация кардан буындарын туралайтын басқару иісі үшін тұрақты жылдамдықты сақтамаса да, басқару иісінің инерциясы минималды және аз діріл тудырады. Стандартты Томпсон қосқышын тікелей, нөлдік бұрышпен үздіксіз пайдалану буынның артық тозуына және зақымдануына әкеледі; басқару иісінің тозуын азайту үшін кіріс және шығыс біліктері арасында кемінде 2 градусқа ауытқу қажет. Кіріс және шығыс иіктерін олардың тиісті біліктеріне перпендикуляр болмайтындай өзгерту "рұқсат етілмеген" бұрыштарды өзгерте немесе жоюға болады. Қосқыштың жаңа ерекшелігі – құрастырмадағы кардан буындары жұбын геометриялық түрде шектеу әдісі, мысалы, шар тәрізді төрт таяқшалы қайшы байланысын (шар тәрізді пантограф) пайдалану арқылы, және бұл қасиеттердің бұл комбинациясына ие алғашқы қосқыш.
The Thompson joint (also known as a Thompson coupling) assembles two cardan joints within each other to eliminate the intermediate shaft. A control yoke is added to keep the input and output shafts aligned. The control yoke uses a spherical pantograph scissor mechanism to bisect the angle between the input and output shafts and to maintain the joints at a relative phase angle of zero. The alignment ensures constant angular velocity at all joint angles. Eliminating the intermediate shaft and keeping the input shafts aligned in the homokinetic plane greatly reduces the induced shear stresses and vibration inherent in double cardan shafts. While the geometric configuration does not maintain constant velocity for the control yoke that aligns the cardan joints, the control yoke has minimal inertia and generates little vibration. Continuous use of a standard Thompson coupling at a straight through, zero degree angle will cause excessive wear and damage to the joint; a minimum offset of 2 degrees between the input and output shafts is needed to reduce control yoke wear. Modifying the input and output yokes so that they are not precisely normal to their respective shafts can alter or eliminate the "disallowed" angles. The novel feature of the coupling is the method for geometrically constraining the pair of card an joints within the assembly by using, for example, a spherical four bar scissors linkage (spherical pantograph) and it is the first coupling to have this combination of properties.
Көліктегі пайдалану
Алдыңғы дөңгелекті қозғалтқыш көліктердің (мысалы, 1930 жылдардағы Citroen Traction Avant) және жолдан өтуге арналған төрт дөңгелекті қозғалтқыш автомобильдердің алдыңғы осьтері CV буындарының орнына әмбебап буындарды қолданды. CV буындарын алғаш пайдаланған автомобильдердің арасында 1926 жылғы Tracta, 1931 жылғы DKW F1 және 1932 жылғы Adler Trumpf болды, олардың барлығы алдыңғы дөңгелекті қозғалтқыш көліктер болып, лицензия бойынша Tracta буынының дизайнын қолданды. CV буындары, көліктің серпімділігі бұрылыс күшімен немесе жол тоқсоуынан қысылған кезде сияқты, кең ауқымды жұмыс бұрыштарында қуатты тегіс беруге мүмкіндік берді. Қазіргі заманғы артқы дөңгелекті қозғалтқыш көліктерде тәуелсіз артқы серпімділік жиі жарты осьтердің ұштарында CV буындарын қолданады және оларды артқы осьте де жиі пайдаланады.
Early front wheel drive vehicles (such as the 1930s Citroen Traction Avant) and the front axles of off road four wheel drive vehicles used universal joints rather than CV joints. Amongst the first cars to use CV joints were the 1926 Tracta, the 1931 DKW F1 and the 1932 Adler Trumpf, all of which were front wheel drive and used the Tracta joint design under licence. The CV joints allowed a smooth transfer of power over a wider range of operating angles (such as when the suspension is compressed by cornering force or a bump in the road). Modern rear wheel drive cars with independent rear suspension typically use CV joints at the ends of the half shafts and increasingly use them on the tailshaft.
CV аяқ киімдері және майлау
CV буынының үстіне, әдетте, оны сыртқы бөлшектерден қорғау және майлау майының сыртқа ағуын болдырмау үшін жеке иілгіш қаптама орнатылады. Бұл қаптама әдетте резеңкеден жасалады және "CV қаптамасы" немесе "CV гайтер" деп аталады. Қаптамадағы жарықтар мен тіреулер ластанушы заттардың ішке өтуіне мүмкіндік береді, бұл майдың ағуымен бірге буынның жылдам тозуына себеп болады. CV буыны әдетте молибден дисульфиді майымен майланады. Алты шарды құлауға қарсы шектеуіш ұстап тұрады, ол валдардың толыққанды түзу сызықта орналасқан кезде шарлардың құлауына жол бермейді.
A separate flexible cover is usually installed over the CV joint, to protect it from foreign particles and prevent the lubricating grease from leaking out. This cover is usually made of rubber and called a "CV boot" or "CV gaiter". Cracks and splits in the boot will allow contaminants in, which would cause the joint to wear quickly as grease leaks out. The CV joint is usually lubricated by molybdenum disulfide grease. The six spheres are bounded by an anti fall gate that prevents the spheres from falling when the shaftings are perfectly aligned.