Введение
Механизмы для плавной передачи вращения при изгибе приводного вала
Соединение с постоянной скоростью (также называемое CV-соединением) — это механическое соединение, позволяющее валам свободно вращаться (без существенного увеличения трения или люфта) и компенсировать угол между валами в определенном диапазоне, поддерживая постоянную скорость вращения. CV-соединения широко используются в переднеприводных автомобилях для передачи мощности двигателя на колеса, даже при изменении угла приводного вала из-за работы подвески.
История
Предшественником постоянного скоростного сустава был универсальный сустав (также называемый карданным суставом), изобретённый Героламо Кардано в XVI веке. Универсальные суставы просты в производстве и способны выдерживать большие нагрузки, однако при увеличении угла работы они часто становятся прерывистыми в движении и трудными для вращения. Первым типом постоянного скоростного сустава был двойной карданный сустав, изобретённый Робертом Хуком в XVII веке. Эта конструкция использует два универсальных сустава, сдвинутых на 90 градусов, что компенсирует колебания скорости в каждом суставе. С тех пор было изобретено множество других типов постоянных скоростных суставов.
Двойной кардан
Двойные карданные шарниры похожи на двойные карданные валы, за исключением того, что длина промежуточного вала уменьшена, остаются только вилки. Это позволяет устанавливать два шарнира Гука спиной к спине. Двойные карданные шарниры обычно используются в рулевых колонках, поскольку они устраняют необходимость точной установки фазы универсальных шарниров на концах промежуточного вала (IS), что упрощает размещение IS вокруг других компонентов в моторном отсеке автомобиля. Они также применяются для замены шарниров постоянной скорости типа Rzeppa в тех случаях, когда требуются большие углы поворота или импульсивные крутящие нагрузки, например, в приводах и полуосях внедорожников. Двойные карданные шарниры требуют центрирующего элемента, который обеспечивает поддержание равных углов между ведущим и ведомым валами для достижения равномерного вращения. Это центрирующее устройство требует дополнительного крутящего момента для разгона внутренних компонентов шарнира и может создавать дополнительную вибрацию на высоких скоростях.
Соединения Tracta
Соединение Tracta работает по принципу двойного шипа и паза. Оно состоит всего из четырех отдельных частей: двух вилок (также известных как "яки", одна ведущая и одна ведомая) и двух полусферических скользящих элементов (один называется штифтовым поворотным элементом, а другой – цанговым поворотным элементом), которые соединяются плавающим (подвижным) соединением. Каждая челюсть вилки входит в круговую канавку, сформированную на промежуточных элементах. Оба промежуточных элемента, в свою очередь, соединены друг с другом поворотным шиповым соединением. Когда входной и выходной валы наклонены друг к другу под определенным рабочим углом, ведущий промежуточный элемент ускоряется и замедляется во время каждого оборота. Поскольку центральный шип и паз сдвинуты по фазе на четверть оборота относительно челюстей вилок, соответствующее колебание скорости ведомого промежуточного и выходного элементов точно компенсирует и нейтрализует изменение скорости входной части. Таким образом, изменение скорости на выходе идентично изменению скорости на входе, обеспечивая вращение с постоянной скоростью.
Стыки Rzeppa
Соединение Rzeppa (изобретено Альфредом Х. Rzeppa в 1926 году) состоит из сферической внутренней оболочки с 6 канавками и аналогичной внешней обволакивающей оболочки. Каждая канавка направляет один шар. Входной вал устанавливается в центр большой стальной звездообразной шестерни, которая помещается внутри круглой клетки. Клетка имеет сферическую форму, но с открытыми торцами и обычно имеет шесть отверстий по периметру. Эта клетка и шестерня помещаются в канавную чашу, к которой прикреплен шлицевой и резьбовой вал. Шесть больших стальных шаров располагаются внутри канавок чаши и входят в отверстия клетки, опираясь на канавки звездообразной шестерни. Выходной вал на чаше проходит через подшипник колеса и фиксируется гайкой оси. Этот узел способен компенсировать большие углы поворота при вращении передних колес рулевым управлением; типичные соединения Rzeppa обеспечивают угол поворота 45°–48°, а некоторые – до 54°. На "наружном" конце приводного вала используется немного отличающийся узел. Конец приводного вала имеет шлицы и входит во внешний "соединитель". Обычно он фиксируется стопорным кольцом.
Соединения Birfield
Бирфилдский шарнир – это тип шарнира равных угловых скоростей, основанный на шарнире Рзеппа, но в котором шесть шаров удерживаются эллиптическими направляющими, а не сепаратором. Он отличается повышенной эффективностью и широко применяется в современных автомобилях для наружных шарниров приводных валов. Шарнир Бирфилд был разработан компанией Birfield Industries и получил широкое распространение с развитием переднеприводных автомобилей, таких как Mini.
Соединения штатива
Трехшарнирные соединения используются на внутреннем конце приводных валов автомобиля. Эти соединения были разработаны Мишелем Орэном из компании Glaenzer Spicer в Пуасси, Франция. Это соединение имеет трехлучевую вилку, прикрепленную к валу, на концах которой установлены цилиндрические роликовые подшипники. Они входят в чашу с тремя соответствующими пазами, прикрепленную к дифференциалу. Поскольку значительное движение происходит только по одной оси, эта простая конструкция хорошо работает. Они также обеспечивают осевое "плавающее" движение вала, чтобы качание двигателя и другие воздействия не создавали предварительную нагрузку на подшипники. Типичное трехшарнирное соединение имеет до 50 мм хода "плавания" и 26 градусов угловой подвижности. Трехшарнирное соединение не имеет такого же широкого диапазона углов, как многие другие типы шарниров, но, как правило, дешевле и эффективнее. Благодаря этому оно обычно используется в конфигурациях автомобилей с задним приводом или на внутренней стороне автомобилей с передним приводом, где требуется меньший диапазон движения.
Соединения Вайсса
Соединение Вайсса состоит из двух одинаковых шаровых вилок, которые надёжно фиксируются (обычно) четырьмя шарами. Два соединения центрируются с помощью шара с отверстием в центре. Два шара в кольцевых канавках передают крутящий момент, а остальные два создают предварительную нагрузку на соединение и обеспечивают отсутствие люфта при изменении направления нагрузки. Его конструкция отличается от конструкции Rzeppa тем, что шары плотно подогнаны между двумя половинами муфты и не используется обойма. Центральный шар вращается на пальце, вставленном во внешнюю обойму, и служит для фиксации остальных четырёх шаров. Когда оба вала выровнены, то есть находятся под углом 180 градусов, шары лежат в плоскости, перпендикулярной валам (под углом 90 градусов). Если ведущий вал остаётся неподвижным, любое движение ведомого вала вызовет перемещение шаров на половину углового расстояния. Например, при перемещении ведомого вала на 20 градусов угол между валами уменьшится до 160 градусов. Шары переместятся на 10 градусов в том же направлении, а угол между ведущим валом и плоскостью, в которой лежат шары, уменьшится до 80 градусов. Это обеспечивает выполнение требования, чтобы шары лежали в плоскости, которая делит пополам угол привода. Этот тип соединения Вайсса известен как соединение Бендикс-Вайсса. Наиболее совершенным универсальным шарниром, работающим по принципу Вайсса, является шестишаровый звездообразный шарнир Курта Энке. В этом типе используются только три шара для передачи крутящего момента, а остальные три центрируют и удерживают конструкцию вместе. Шары предварительно нагружены, а шарнир полностью герметизирован.
Стыки Томпсона
Соединение Томпсона (также известное как муфта Томпсона) объединяет два карданных шарнира друг в друге для устранения промежуточного вала. Для поддержания соосности входного и выходного валов используется управляющее плечо. Управляющее плечо использует сферический ножничный механизм пантографа для деления пополам угла между входным и выходным валами и поддержания шарниров с нулевым относительным фазовым углом. Соосность обеспечивает постоянную угловую скорость при всех углах соединения. Устранение промежуточного вала и поддержание входных валов в соосности в гомокинетической плоскости значительно снижает индуцированные касательные напряжения и вибрации, свойственные двойным карданным валам. Хотя геометрическая конфигурация не обеспечивает постоянную скорость для управляющего плеча, которое выравнивает карданные шарниры, управляющее плечо имеет минимальную инерцию и генерирует небольшую вибрацию. Непрерывное использование стандартной муфты Томпсона при прямом, нулевом угле приведет к чрезмерному износу и повреждению шарнира; для снижения износа управляющего плеча требуется минимальное смещение в 2 градуса между входным и выходным валами. Модификация входных и выходных плеч таким образом, чтобы они не были точно перпендикулярны своим осям, может изменить или устранить "запрещенные" углы. Новой особенностью муфты является метод геометрического ограничения пары карданных шарниров в составе узла, например, с помощью сферической четырехзвенной ножничной связи (сферического пантографа), и это первая муфта, обладающая такой комбинацией свойств.
Использование в автомобилях
Ранние переднеприводные автомобили (такие как Citroen Traction Avant 1930-х годов) и передние оси полноприводных автомобилей для бездорожья использовали карданные валы вместо шарниров равных угловых скоростей (CV-соединений). Среди первых автомобилей, в которых применялись CV-соединения, были Tracta 1926 года, DKW F1 1931 года и Adler Trumpf 1932 года – все они были переднеприводными и использовали конструкцию шарнира Tracta по лицензии. CV-соединения обеспечивали плавную передачу мощности в более широком диапазоне углов, особенно при сжатии подвески под воздействием боковых сил при повороте или при наезде на неровность. В современных автомобилях с задним приводом и независимой задней подвеской обычно используются CV-соединения на концах полуосей, и все чаще – на карданном валу.
Ботинки для фитнеса и смазка
Над CV-соединением обычно устанавливается отдельный гибкий пыльник для защиты от посторонних частиц и предотвращения утечки смазочного жира. Этот пыльник обычно изготавливается из резины и называется "пыльник ШРУСа" или "гетр ШРУСа". Трещины и разрывы в пыльнике позволяют грязи и влаге проникать внутрь, что приводит к быстрому износу шарнира из-за вытекания смазки. CV-соединение обычно смазывается смазкой на основе дисульфида молибдена. Шесть шаров удерживаются антивыпадающим кольцом, которое предотвращает их выпадение при полном выравнивании валов.