Конструкции ШРУС
ШРУС — расшифровывается как шарнир равных угловых скоростей и предназначен для передачи крутящего момента от одной оси к другой с постоянной угловой скоростью, даже если оси находятся друг к другу под углом.
На автомобильном сленге ШРУС часто называют «граната» за ее характерную форму, а также неправильно – шруз. Реже встречается академическое наименование «гомокинетический шарнир», то есть шарнир, который обеспечивает одинаковую скорость вращения.
Задача у шарнира такая же, что и у кардана, но есть два основных отличия ШРУСа:
— максимальный эффективный угол между осями составляет 70 градусов, тогда как кардан не в состоянии нормально работать при углах больше 20 градусов.
— как и следует из названия, ШРУС обеспечивает равномерную передачу момента с оси на ось, тогда как в карданном соединения ведомая ось то запаздывает, то опережает ведущую
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
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).
Поводом для изобретения шарнира равных угловых скоростей стало желание перевести привод колёс на переднюю ось. В самом деле, как передать крутящий момент на колесо, которое должно поворачиваться, причем на углы значительно большие, чем 20 градусов…
На современных автомобилях на каждое переднее колесо обычно приходится по два ШРУСа: наружный (со стороны колеса) и внутренний (со стороны привода). На УАЗе, вследствии применения только зависимой подвески используется только один, наружный ШРУС
По типу конструкции ШРУСы разделяются на четыре основных вида:
— Шариковый (самый популярный)
— Трипод (тоже достаточно популярный)
— Спаренный кардан (устарел, применяется редко)
— Кулачковый (устарел, применяется редко)
Детали шарикового ШРУСа в движении испытывают большие нагрузки, поэтому нуждаются в ОСОБОЙ пластичной смазке.
Чтобы внутрь шарнира не попала грязь и вода, на них одеваются пыльники.
Шарнир «Тракта»
Сухариковые или кулачковые — были разработаны французом Грегуаром и запатентованы под обозначением «Тракта» в начале 1920-х, в наше время применяются в основном на грузовиках, так как при высоких скоростях вращения вала склонны к перегреву.
На рисунке шарнир «Тракта», 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.
Немного другая конструкция у шарнира состоящего 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.
Спаренный кардан
Спаренный кардан – это самый старый и примитивный вид ШРУСа, который нашел применение еще в начале 20-х годов 20 века. Принцип его работы похож на обычный карданный вал с двумя шарнирами.
Как известно, в карданном шарнире вилка ведущего вала находится под углом в 90 градусов к вилке ведомого. Из-за этого и возникают толчки при вращении – постоянно то растут, то падают инерционные нагрузки. Как избавиться от этой пульсации?
Простейшее решение – установка двух карданных шарниров последовательно. Поскольку все вилки расположены друг к другу под углом 90 градусов, то когда их четыре штуки, первая вилка (на ведущем валу) будет сориентирована под нулевым углом к последней (на ведомом валу). Никакой пульсации не будет – шарниры будут «уравновешивать» друг друга. Конструкция из двух карданных шарниров, соединенных «спина к спине», смогла равномерно передавать момент под углом до 45 градусов. Основной его недостаток – громоздкость конструкции. В ступице колеса, которое приводит в движение спаренный кардан, зачастую не остается места для тормозного механизма.
Шарнир Вейсса
Ведущая и ведомая ось ШРУСа конструкции немецкого конструктора Карла Вейсса (в другом варианте — Вайсса) имеют полусферические вилки, которые стыкуются друг с другом под углом 90 градусов. Внутри этих вилок по дуге нарезаны четыре взаимно перпендикулярные направляющие канавки. В точках, где канавки двух вилок пересекаются, находятся четыре рабочих шарика. В центре шарнира находится пятый, центровочный шарик – иногда он закреплен на штифте.
Шарнир сконструирован так, что центры шариков всегда находятся в плоскости, которая проходит через биссектрису угла, образованного ведущим и ведомым валами, и при этом перпендикулярна плоскости, образованной осями этих валов. За счет такой геометрии крутящий момент передается равномерно. Причем при движении вперед работают два «передних» шарика, а назад – два «задних».
Достоинства шарнира Вейсса:
— компактность
— простота в производстве и низкая стоимость
Недостатки шарнира Вейсса:
— угол корректной работы – не более 32 градусов
— из-за того, что одновременно работают только два шарика, на них приходится огромная нагрузка, и ресурс не превышает 30 тысяч километров
Патент Карла Вейсса купила американская фирма Бендикс, поэтому шарнир Вейсс также иногда называют Бендикс-Вейсс (Bendix-Wiess). Широкое распространение эти шарниры получили во время Второй мировой войны – ими оснащали Виллисы, Студебеккеры и Доджи. Благодаря ленд-лизу с американскими военными машинами близко успели познакомиться советские инженеры, и эти ШРУСы нашли применение на многих послевоенных машинах, в том числе на УАЗ-469, ГАЗ-66, ГАЗ-69 и ЗИЛ-131.
ШРУС Рцеппа
На данный момент большинство автомобилей оснащено именно шариковым шарниром типа «Рцеппа» в классическом или модифицированном виде. В отличие от шарнира Вейсс, крутящий момент с оси на ось в этом ШРУСе передают не два, а шесть шариков, что значительно снижает нагрузку на узел и продлевает его ресурс. Правда и конструкция шарнира Рцеппа – значительно сложнее.
Никаких вилок, в отличие от кардана, шарнира Тракта и шарнира Вейсс, здесь нет. Ведущий вал оканчивается обоймой – массивной металлической деталью с нарезанными канавками. Ведомый вал оканчивается сферической чашкой, тоже с канавками. Нетрудно догадаться, что по этим канавкам передвигаются шарики, разделяющие чашку и обойму.
Как и в случае с шарниром Вейсс, для равномерной передачи момента нужно, чтобы центры всех шариков находились в плоскости, проходящей через биссектрису угла между ведущим и ведомым валами и одновременно – в плоскости, перпендикулярной осям валов. Чтобы обеспечить это условие, в ШРУСе Рцеппа есть сепаратор – специальное кольцо с отверстиями, удерживающее шарики между чашкой и обоймой. Сепаратор перемещает делительный рычажок, закрепленный на пружине внутри ведомого вала.
Как следует из названия, изобретателем классического шарикового ШРУСа был американский инженер Альфред Рцеппа, который на момент регистрации патента в 1927 году работал в компании Ford. Впоследствии именно на основе конструкции Рцеппы появились более современные варианты шариковых ШРУСов. Свои конструкции разработали компании Birfield, Loebro и GKN.
Достоинства шарнира Рцеппа:
— компактность конструкции- возможность передать большой момент за счет распределения нагрузки на шесть шариков
— долговечность (при условии герметичности пыльников ресурс составляет до 200 тысяч километров)
Недостатки шарнира Рцеппа:
— сложность и дороговизна конструкции (в сравнении с шарниром Вейсс, Тракта и спаренным карданом)
— относительно небольшой угол эффективной работы (по сравнению с триподом)
ШРУС Birfield
Этот тип шарнира разработан фирмой Birfield на основе классической конструкции шарикового ШРУСа Альфреда Рцеппы.
Важное отличие от изначального варианта – отсутствие делительного рычажка. Как известно, именно он передвигал сепаратор таким образом, чтобы шарики всегда находились в биссекторной плоскости.
В шарнире типа Бирфильд пропорциональное перемещение сепаратора обеспечивают канавки с переменной глубиной, нарезанные по радиусам с центрами, смещенными в разные стороны от плоскости, в которой расположены шарики.
Кроме того, профиль самих канавок шарнира Бирфильд – не круглый, а слегка вытянутый, в виде эллипса. Это решение применено для того, чтобы снизить нагрузку на стенки канавок и предотвратить их от сминания и скалывания.
Главное достоинство ШРУСа Бирфильд – высокий КПД (от 95 до 99% в зависимости от угла поворота колеса) и возможность работать под углом до 45 градусов (классический ШРУС Рцеппа – до 38 градусов). Именно поэтому шарниры Бирфильд чаще всего применяют в качестве внешних ШРУСов, где принципиальное значение имеет именно угол.
Шрус Бирфильд для УАЗ:
Трехшиповой шарнир. ШРУС Трипод
Трипод (в народе он имеет еще названия Трипоид или Тришип) – это, в отличие от шарикового ШРУСа, относительно современный узел. Он был изобретен в 1963 году французским инженером Мишелем Орэном, и изначально широко использовался именно в автомобилях французских марок.
Считается, что трипод – это еще одно производное от классического шарикового шарнира Рцеппа, однако конструктивно он ушел от предшественника очень далеко. Принцип работы трипода основан на работе роликов (а не шариков), которые вращаются в игольчатых подшипниках на трехлучевой опоре и катаются по направляющим.
Триподы делятся на жесткие и универсальные. Жесткие обеспечивают большой угол поворота (до 43 градусов), но при этом не позволяют деталям перемещаться вдоль оси – они применяются в качестве внешних ШРУСов. Универсальные способны передавать момент под меньшим углом (до 25 градусов), зато позволяют осевые перемещения – их используют в качестве внутренних ШРУСов.
Конструкции жесткого и универсального трипода сильно отличаются. В жестком ШРУСе опора с роликами неподвижно закреплена в чашке-корпусе на ведущем валу. В эту конструкцию вставляется сферическая вилка, соединенная с ведомым валом. Собственно, ролики катаются вдоль пазов этой вилки.
Триподы — слева жесткий, справа универсальный.
Где: 1 — ведущий вал, 2 — корпус, 3 — ролики, 4 — крестовина, 5 — ведомый вал, 6 — вилка
В универсальном триподе всё наоборот. Трехлучевая (трехшиповая) опора с роликами размещается на вилке ведомого вала, которая вставляется в чашку-корпус ведущего вала. Ролики катаются вдоль сферических канавок, вырезанных в стенках чашки. Универсальный трипод, допускающий осевые перемещения, называют еще уникарданом.
Основное достоинство трипода – меньшая сложность изготовления и, как следствие, более низкая стоимость. На современных автомобилях триподы ставят в основном в качестве внутренних ШРУСов – жесткие триподы встречаются редко.
Источник
Шрузы для уаза переднего моста
ВЫБИРАЕМ ШРУС ДЛЯ УАЗ: ШАРИКОВЫЙ «ВЕЙС», СЕПАРАТОРНЫЕ «РЦЕППА» И «БИРФИЛЬД» ИЛИ ТРИПОИДНЫЙ?
Карданные передачи применяются в трансмиссиях автомобилей для силовой связи механизмов, валы которых не соосны или расположены под углом, причем взаимное положение их может меняться в процессе движения. Карданные передачи могут иметь один или несколько карданных шарниров, соединенных карданными валами, и промежуточные опоры.
К карданным передачам предъявляют следующие требования:
— передача крутящего момента без создания дополнительных нагрузок в трансмиссии (изгибающих, скручивающих, вибрационных, осевых);
— возможность передачи крутящего момента с обеспечением равенства угловых скоростей ведущего и ведомого валов независимо от угла между соединяемыми валами;
Карданная передача служит для передачи крутящего момента от коробки передач к раздаточной коробке и от нее к валам главных передач ведущих мостов автомобиля. Так как ведущие мосты автомобиля расположены ниже раздаточной коробки, то оси валов привода мостов раздаточной коробки располагаются по отношению к осям валов главных передач ведущих мостов под углом. Этот угол постоянно изменяется в связи с эластичным соединением ведущих мостов с кузовом. Изменяется не только угол, но и расстояние между раздаточной коробкой и ведущими мостами. Поэтому в устройстве карданной передачи предусмотрены элементы, которые обеспечивают передачу крутящего момента под постоянно изменяющимся углом и изменяющейся длине карданной передачи. К этим элементам относятся карданные шарниры. Карданная передача состоит из переднего и заднего карданных валов.
По типу конструкции шарнира карданные передачи обычно дифференцируют на передачи:
- с шарнирами неравных угловых скоростей – крестовины,
- с шарнирами равных угловых скоростей (ШРУС).
У привычных карданных крестовин есть несколько существенных недостатков.
Во-первых, даже при равномерном вращении ведущего вала частота вращения ведомого вала неравномерна и изменяется во времени по синусоидальному закону. Причем эта неравномерность увеличивается при возрастании угла между валами. В результате в трансмиссии возникают дополнительные пульсирующие нагрузки, вызывающие не только появление неприятных шумов и вибраций, но и повышенный износ деталей.
Во-вторых, при изменении угла между валами происходит изменение расстояния между шарнирами. Обычные крестовины не могут его компенсировать, поэтому в дополнение к ним привычный карданный вал имеет так называемое компенсирующее соединение, как правило, шлицевое.
Приводные валы с шарнирами равных угловых скоростей (ШРУС) обеспечивают равномерность скорости вращения и осевую компенсацию длины ведомого вала по отношению к ведущему.
В результате проведенных испытаний было установлено, что использование ШРУС позволяет:
- Существенно снизить уровень шумов (на 4Дба) и вибраций от трансмиссии.
- Снизить до 16 кг усилие продольного перемещения.
- Снизить механические потери в трансмиссии до 5 л.с. и, соответственно, расход топлива на 0,8 — 1,6 литра на 100 км пробега.
- Обеспечить равномерную передачу крутящего момента при больших углах отклонения.
- Уменьшить износ деталей трансмиссии.
ШРУС (шарнир равных угловых скоростей) – это элемент трансмиссии ряда автомобилей, обеспечивающий одинаковую угловую скорость каждого колеса моста, вне зависимости от того, как движется автомобиль.
Применяется такая конструкционная деталь только на передней оси как полноприводных агрегатов, так и переднеприводных. Это связано с тем, что передние колеса автомобиля поворачиваются, а задние — нет, поэтому для последних проще использовать относительно упрощённый дифференциал.
Идея создания кулачкового механизма пришла в голову французскому изобретателю Грегуару, который в начале 20-х годов XX века получил патент на это изобретение. Это было 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. Его использовали преимущественно в американских моделях автомобилей и в системах трансмиссий французских автомобилей «Панар-Левассор».
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. 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.
В автомобилях УАЗ применяются следующие модификации ШРУСов:
1. 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 «Тракта», применявшихся на полноприводных грузовиках КрАЗ, Урал, КамАЗ, были толчком к поиску новых решений, и в 1923 году немецкий изобретатель Карл Вейс запатентовал шариковый карданный шарнир с делительными канавками.
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. Впоследствии патент на шарниры Вайсса купила американская фирма Bendix и стала выпускать их под маркой Bendix-Weiss. Такие шарниры и по сей день можно встретить, например, на 469-х «уазиках» и легендарной «шишиге» 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.
1 — биссекторная плоскость
2 — делительный рычажок
Самую успешную конструкцию через три года после изобретения Вайсса предложил Альфред Рцеппа — это был, по сути, привычный нам шестишариковый ШРУС, способный работать при углах до 40 градусов, компактный и долговечный.
Этот ШРУС состоит из двух кулаков: внутреннего, связанного с ведущим валом, и наружного, связанного с ведомым валом. В обоих кулаках имеется по шесть тороидных канавок, расположенных в плоскостях, проходящих через оси валов. В канавках находятся шарики, положение которых задается сепаратором, взаимодействующим с валами через делительный рычажок. Один конец рычажка поджимается пружиной к гнезду внутреннего кулака, другой скользит в цилиндрическом отверстии ведомого вала. При изменении относительного положения валов рычажок наклоняется и поворачивает сепаратор, который в свою очередь, изменяя положение шариков, обеспечивает их расположение в бисекторной плоскости. В данном шарнире крутящий момент передается через все шесть шариков. Предельный угол между осями валов 35—38°.
Дальнейшей эволюцией является шестишариковый шарнир типа «Бирфильд» с делительными канавками.
В общем виде деталь представляет собой корпус с ведомым валом (цапфой), в который вставлена обойма (кулак). На внутренней поверхности корпуса и внешней стороне обоймы нанесены направляющие канавки, по которым двигаются шесть шариков, удерживаемые сепаратором. В центральное отверстие кулака вставляется шлицевая часть приводного вала. Для обеспечения устойчивой работы установленный шарнир заполняется смазочным материалом и герметично закрывается резиновым или силиконовым пыльником. При этом применяются густые смазки с дисульфидом молибдена.
Конструкция с шестью шариками при компактных внешних размерах обладает высокой надежностью и износоустойчивостью. Нагрузка распределяется на большую контактную площадь, поэтому ШРУС может передавать крутящий момент высокой интенсивности без негативных последствий для детали.
Также шариковый шарнир обладает большим углом поворота сепаратора, минимальным люфтам между элементами и соответственно низкими вибрационными нагрузками при начале движения машины.
В корпусе такого шарнира располагается трехлучевая вилка, напрессованная на шлицы ведомого вала. На оконечностях вилки крепятся три рабочих ролика, которые могут перемещаться по направляющим канавкам корпуса при повороте или осевом смещении узла.
За счет применения игольчатых подшипников обеспечивается стойкость трипоидов к износу, а также снижаются потери на трение элементов в узле.
Для защиты трипоидных шарниров от износа и задиров металла применяются специальные синтетические составы без твердых добавок.
Следует отметить, что трипоидные ШРУСы начали устанавливать на автомобили семейства УАЗ-3163 с шаровой опорой открытого типа.
5. «Вилка Виллиса» (американка).
Так называемая «вилка Виллиса» представляет собой ни что иное как обыкновенную карданную крестовину, а она не является ШРУСом.
Вместо пяти маленьких шариков в «вилке Виллиса» установлен один большой. На нем в двух взаимно перпендикулярных плоскостях по всей окружности выполнены пазы. В это пазы входят две вилки.
Кинематически «вилка Виллиса» не отличается от обычного карданного шарнира. Это значит, что она, действительно, неравных угловых скоростей (что хуже, чем равных) и что угол поворота колес МЕНЬШЕ, чем у родного ШРУСА.
Кроме того, наиболее нагруженные поверхности в «вилке Виллиса» имеют трение скольжения, а не качения, как в родных ШРУСах, а это означает, что желательна гипоидная смазка, а не литол. Неизнашиваемость по этой причине весьма сомнительна.
ВЫБОР ШРУСА ПО ПРОИЗВОДИТЕЛЮ
Шарниры равных угловых скоростей – востребованная среди автомобилистов деталь, поэтому перечень производителей подобных запчастей достаточно широк. Другой вопрос в том, какие эксплуатационные свойства гарантирует тот или иной бренд.
В качестве бюджетного надежного варианта для езды в городских условиях вполне приемлемы штатные заводские ШРУСы бренда «АДС».
Если Вы начинаете прокачивать свой УАЗ, лифтовать его, изменять кастор и использовать для езды по бездорожью, штатные ШРУСы и полуоси начинают быстро ломаться как у дифференциала, так и у колеса.
В таком случае мы рекомендуем рассмотреть усиленные ШРУСы ОАО Саратовский завод «СЕРП и МОЛОТ» — старейшего промышленного предприятия Поволжья, основанного в Саратове немецким промышленником Отто Берингом в 1887 году. В 1980-е годы завод занимал ведущие позиции среди предприятий Поволжья в составе Министерства автомобильного, тракторного и сельскохозяйственного машиностроения СССР. Сегодня завод — высокомеханизированное предприятие, оснащённое современной техникой отечественного и зарубежного производства, производящее карданные валы в сборе со ШРУСами, шарниры поворотного кулака, тяги управления и распределительные валы.
Шарнир поворотного кулака переднего моста / ШРУС (мост «Спайсер» 1445 мм) L=640 мм, правый, усиленный «Серп и молот»
Шарнир поворотного кулака переднего моста / ШРУС (мост «Гибридный», «Спайсер» 1445 мм) L=1040 мм, левый, усиленный «Серп и молот»
Шарнир поворотного кулака переднего моста / ШРУС (УАЗ-3160) L=1030 мм, левый, усиленный «Серп и молот»
Шарнир поворотного кулака переднего моста / ШРУС (мост «Тимкен»; УАЗ-3160) L=630 мм, правый, усиленный «Серп и молот»
Шарнир поворотного кулака переднего моста / ШРУС (мост «Спайсер» 1600 мм) L=720 мм, правый, усиленный «Серп и молот»
Шарнир поворотного кулака переднего моста / ШРУС (мост «Спайсер» 1600 мм) L=1120 мм, левый, усиленный «Серп и молот»
Преимущества ШРУСов ООО «Серп и Молот»:
1. Шлицы полуоси и гранаты, беговые дорожки подшипника закалены токами ТВЧ до твердости 62 единицы по шкале Роквелла (HRC), что обеспечивает увеличенный ресурс изделия.
2. Закалка рабочей поверхности шлиц выполнена токами ТВЧ на глубину 6 мм, при этом сердцевина полуоси остается сырой для того, чтобы полуось могла работать на скручивание, как упругий элемент. Как следствие, полуось может воспринимать знакопеременные нагрузки без разрушения.
3. Рабочая поверхность канавок после закалки проходит операцию шлифования, это позволяет получить идеальную поверхность для работы шарика с высотой микронеровностей от 2 до 4 микрометров. Это техническое решение применено для увеличения ресурса работы шарнира и исключения появления люфтов.
4. Шарнир конструкции типа «Бирфильд» работает при угле между полуосями до 45 градусов, тогда как максимальный угол работы штатного шарнира конструкции «Вейс» составляет 32 градуса.
5. Дорожки качения шариков выполнены с высокой точностью обработки, высота микронеровностей от 2 до 4 микрометров, что минимизирует возможность появления люфта.
6. В шарнир заложена синтетическая консистентная невымываемая влагостойкая смазка, в состав которой включен диоксид молибдена, обладающий высокими антифрикционными свойствами и способностью работать при температурах от -45˚С до +110˚С.
Более подробно смотрите о ШРУСах от ООО «Серп и Молот» на нашем канале:
Источник
