КАРДАННАЯ ПЕРЕДАЧА

 

Карданная передача предназначена для передачи крутящего момента от ведо­мого вала коробки передач или раз­даточной коробки к ведущему валу главной передачи. Ее применение связано с тем, что изменяется взаимное положение осей валов трансмиссии, и они не лежат на одной прямой.

На автомо­биле коробка передач 1 (рис.13.1,а) (или раздаточная коробка), установлена выше ведущего моста 7, в результате чего ось карданного вала 5, передающего крутящий момент, расположена под некоторым углом a к горизонтали. Ведущий мост подве­шен к раме при помощи рессор, а коробка передач соединена с ней неподвижно. Когда при прогибе рессор изменяет­ся положение моста относительно ра­мы, изменяется и угол a наклона карданного вала 5.

 

Рис.13.1. Схема карданной передачи: а - с шарнирами;

б - шарнир неравных угловых скоростей

 

Предусмотрены три составных элемента карданной передачи: карданные шарниры 2, карданные валы 3 и 5 и промежуточная опора 4. Карданный шарнир представляет собой сочле­нение, при помощи которого вращение передается с одного вала на другой при изменяющемся угле наклона между валами. Равенство углов a и a₁ между осью вала 5 и осями валов 3 и 6 является од­ним из условий равномерного враще­ния вала 6 главной передачи веду­щего моста 7.

 

13.1. Карданные шарниры неравных уг­ловых скоростей

 

Простейший кар­данный шарнир состоит из двух вилок 8 и 10 (см.рис.13.1,б), укрепленных на валах 3 и 5, и крестовины 9 с шипами, входящими в отверстия вилок и соединяющими шарнирно валы. В жестком шарнире неравных угловых скоростей вилка 10 поворачи­вается относительно оси А–А и одновременно с крестовиной повора­чивается относительно оси Б–Б, обеспечивая передачу вращения от одного вала к другому при изменении угла между осями валов. В таком шарнире при равномерном вращении ведущей вилки 8 ведомая вилка 10 вращается неравномерно: в течение одного оборота она дважды обгоняет ведущую вилку и дважды отстает от нее. Дополнительные нагрузки, возникающие в результате этого, вызывают изнашивание деталей шарнирного соединения и узлов трансмиссии.

Неравномерность вращения возникает в случае взаимного расположения валов под углом a при наличии одного кардана неравной угловой скорости. Точка Б (см.рис.13.1,б), лежащая на вертикально расположенном шипе, при вращении вала 3 опишет окружность в вертикальной плоскости. Соответствующая точка на горизонтальном шипе, связанном с вилкой вала 5, при этом опишет такую же окружность, расположенную в плоскости, наклоненной под углом a к вертикальной плоскости. Ось, проходящая через центр крестовины перпендикулярно плоскости валов, является линией пересече­ния плоскостей перемещения ши­пов. Таким образом, при вращении валов крестовина качается на шипах в пределах угла a, что и вызывает неравномерность вращения вала 5 при равномерном вращении вала 3. При любом положении валов

, (13.1)

где j₁ и j₂ - углы поворота соответственно ведущей и ведомой вилок кардана.

Угловые скорости соответственно определяются:

и .

Дифференцируя приведенное выше выражение (13.1), получим

,

откуда

.

Используя выражение (13.1), исключим из равенства угол j_{2 ,} тогда

.

Наибольшее значение отношения w₂/w₁, характеризующее неравномерность вращения, соответствует наименьшему значению знаме­нателя, получающемуся при j₁ = 0°, 180°, 360° и т.д. При этом

.

Наименьшее значение отношения w₂/w₁ получается при j₁ = 90°, 270° и т.д. При этом

.

Чтобы устранить неравномерность вращения, используют два одинако­вых карданных шарнира. Неравномерность, вызываемая одним карданным шарниром, компен­сируется неравномерностью другого при условии, что вилки должны лежать в одной плоскости и должны быть расположены на противо­положных концах карданного вала. Однако и при двух карданных шарнирах угол между осями валов не должен превышать 23°.

В ре­зультате прогиба рессор при движении автомобиля расстояние между коробкой передач и задним мостом изменяется, поэтому на валу одну из вилок карданного шарнира устанавливают на шлицах, чтобы длина карданного вала также могла изменяться.

Наряду с жесткими шар­нирами неравных угловых скоростей в карданных передачах легковых автомобилей применяют и мягкие кардан­ные шарниры, имеющие упругий элемент в виде муфты из эластич­ного материала. Упругая деформация такого элемента позволяет не только переда­вать крутящий момент между вала­ми, пересекающимися под углом 2…5°, но и защищает трансмиссию от жестких ударов.

Например, карданная передача автомобилей ВАЗ-2105,-2107 и др. состоит из перед­него и заднего карданных валов, промежуточной опоры и трех шарни­ров. Передний шарнир представ­ляет собой упругий элемент, соеди­няющий ведомый вал коробки пере­дач с передним валом карданной передачи.

13.2. Карданные шарниры равных угло­вых скоростей

 

Известно, чем больше углы a наклона осей валов, тем в более тяжелых условиях работает переда­ча (см.рис.13.1,а). В особо тяжелых условиях рабо­тает карданная передача ведущих управляемых колес переднеприводных автомобилей, у которых угол наклона осей валов может достигать 35…40° (в частности, при повороте автомобиля). В таких передачах приме­няют шарниры равных угловых ско­ростей (шариковые или кулачковые), обеспечивающие передачу крутящего момента, равномерное вращение ве­домого вала и поворот управляе­мых колес.

Карданные шариковые шарниры (рис.13.2,а) с делительными ка­навками получили наибольшее распространение. Они содержат следующие элементы: две вилки 1 и 4, пять шариков 9 и штифт 7. Вилки 1 и 4 изготовлены заодно целое со шлицевыми валами 5. Вилки центрируются между собой при помощи торцевых сферических углублений и центрального шарика 8. Положение шарика 8 фиксируется штифтом 7, удерживаемым от осевых смещений шпилькой 6. Четыре рабочих шарика 9, закладываемые в делительные канавки 2 и 3, удерживаются от выкатывания из делительных канавок центральным шариком 8.

 

 

Рис.13.2. Карданные шарниры равных угло­вых скоростей:

а – шариковый; б – кулачковый

 

Кру­тящий момент от одной вилки к другой при вращении ведущего вала передается через рабочие шарики. Делительные канавки имеют такую форму, которая независимо от угловых перемещений вилок обеспе­чивает расположение шариков в плоскости, делящей пополам угол между осями вилок. Такая конструкция позволяет обоим валам вращаться с равными угловыми скоростями.

Наряду с шариковыми шарнирами часто применяют и кулачковые шар­ниры (см.рис.13.2,б) равных угловых скоростей. Они состоят из двух вилок 10 и 14, двух кулаков 11 и 13 и диска 12. Диск заходит в пазы кулаков и передает вращение от ве­дущей вилки к ведомой. Вилки в верти­кальной плоскости поворачи­ваются вокруг кулаков, а в гори­зонтальной – вместе с кулаками вокруг диска. Кулачковый кардан­ный шарнир представляет собой два сочлененных жестких карданных шарнира, первый из которых соз­дает неравномерность вращения, а второй устраняет эту неравномер­ность. Таким образом достигается вращение ведущего и ведомого валов с равны­ми угловыми скоростями.

Шариковые и кулачковые кар­данные шарниры из-за простоты конструкции и сравнительно высокой работоспособ­ности нашли широкое применение в приводах к ведущим управляемым колесам многих авто­мобилей (ЗИЛ-131, ГАЗ-66-11, КамАЗ-4310, ВАЗ-2108, -2109 и др.).