Приводные валы

 

Крутящий момент, развиваемый двигателем ав­томобиля, должен передаваться через коробку передач и дифференциал на ведущие колеса, для чего в автомобилях используются приводные валы. При движении автомобиля колеса посто­янно перемещаются вверх-вниз, а управляемые передние колеса еще и поворачиваются впра­во-влево, что не позволяет применять жесткое соединение приводных валов с другими агрега­тами автомобиля. Если двигатель расположен спереди, а ведущие колеса — задние, то в качестве приводного используется вал с карданными шар­нирами (карданный вал).

 

 

 

Задача приводного вала — эффективно пере­давать крутящий момент от одного агрегата к другому, независимо от того, расположены они соосно или со смещением относительно друг друга.

Приводной вал должен работать в широком диапазоне частоты вращения и при этом обе­спечивать возможность достаточно больших взаимных перемещений соединяемых элементов во всех плоскостях. Разнообразие требований к шарнирам приводных валов привело к появле­нию самых разных вариантов привода.

 

История создания приводных валов

 

Всерьез о трансмиссии задумались создатели первых автомобилей. Сначала общепринятым был привод на задние колеса, так как решить про­блемы переднего привода не удавалось. В случае передних ведущих колес крутящий момент дол­жен равномерно передаваться не только при ли­нейном смещении колеса вверх-вниз, но и при повороте колеса из стороны в сторону.

Для заднего привода передача крутящего момента от двигателя к заднему мосту была реализована с помощью продольного вала с кар­данными шарнирами. Такой подход к решению проблемы был более простым, ведь углы откло­нения таких шарниров небольшие и не влияют на ходовые качества автомобиля.

 

Изобретение карданного шарнира восходит к XVI столетию; авторами считаются итальянец Джероламо Кардано и англичанин Роберт Гук.

В середине XVI века Кардано создал кольцевой шарнир, в котором корабельный компас оставал­ся в горизонтальном положении, несмотря на морскую качку.

В 1664 году Роберт Гук подтвердил патентом, что его кольцевой шарнир способен соединить концы двух несоосных валов, расположенных под углом друг к другу (рис. 2 «Универсальный шарнир Роберта Гука«).

 

Универсальный шарнир Роберта Гука

 

Термины «карданный шарнир» или «шарнир Гука» и сегодня напоминают об этих двух авторах давнего изобретения.

С появлением переднего привода карданные шарниры использовались и там, но в связи с повышением требований к управляемости и ди­намике автомобиля поиск более оптимальной передачи крутящего момента привел к появлению шарниров равных угловых скоростей (ШРУС).

На современных легковых автомобилях кар­данный шарнир применяется только на продоль­ном карданном валу привода задних ведущих ко­лес, хотя и здесь постепенно сдает свои позиции. Различия между карданным шарниром и ШРУ­Сом объясняются в следующих главах.

 

На грузовых автомобилях карданный шар­нир по-прежнему используется на продольном карданном валу привода задних колес, а также в виде сдвоенного карданного шарнира — на по­перечных приводных валах.

В декабре 1926 года французские инженеры Пьер Фенай и Жан-Альбер Грегуар получили па­тент на изобретенный ими шарнир Tracta. Этот шарнир состоял из четырех деталей, соединен­ных скользящими направляющими. Чтобы не распадаться, он должен был постоянно находить­ся внутри полусферы.

Шарнир изготавливался на обычных универ­сальных станках и мог использоваться для пере­дачи большого крутящего момента, поэтому во время Второй мировой войны им оснащались многие французские, английские и американские полноприводные автомобили.

Для шарнира Tracta (рис. 3 «Деталировочный чертеж шарнира Tracta») впервые было использовано определение «гомокинети­ческий», которое и по сей день используется для обозначения шарниров равных угловых скоростей. Сам шарнир сегодня уже не приме­няется.

 

 

Как и в Европе, в Америке тоже пытались ре­шить проблему синхронного    вращения, и 4 мая 1923 года Карл Вайсс запатентовал разработан­ный им вариант такого шарнира (рис. 4 «Чертеж к патенту шарнира Вайсса«).

Этот шарнир изготавливался с 1934 года, но его массовый серийный выпуск начался только после Второй мировой войны. До середины 80-х годов прошлого века он применялся на автомо­билях Mercedes-Benz.

 

В то время, как шарнир Вайсса допускал отклонение не более чем на 20° и применялся на автомобилях с задним приводом, шарнир Tracta мог работать уже под углом до 50°.

В современном автомобилестроении шарнир Вайсса, не в последнюю очередь из-за своей большой удельной массы, практически не при­меняется.

 

 

 

Самый распространенный в настоящее время ШРУС основан на патенте, который получил ин­женер Ford Альфред Ганс Рцеппа в июне 1933 года (рис. 5 «Чертеж к патенту шарнира Рцеппа«).

Для достижения современного технического уровня потребовалось много исследовательской работы. Главную роль в этом сыграли английская фирма Hardy Spicer и основанная в 1948 году немецкая компания по производству шарниров Lohr&Bulmkamp.

На базе шарнира Рцеппа, который не допускал осевого смещения, эти две фирмы разработали универсальный ШРУС с возможностью продоль­ного перемещения деталей.

 

Системы привода

 

Большая часть выпускаемых сегодня легковых автомобилей оснащается приводными залами с шарнирами равных угловых скоростей. Схемы привода ведущих колес От­дельные схемы привода ведущих колес по­казаны с гомокинетическими (от греческого homos = одинаковый и kine = двигаться) шарни­рами (рис. 6 «Схемы привода ведущих коле»).

При переднем приводе ведущими являются передние колеса. На приводных валах со стороны колеса при­меняются жесткие ШРУСы (без возможности продольного перемещения деталей), а со сторо­ны коробки передач — универсальные (с возмож­ностью продольного перемещения). Передние колеса — управляемые, поэтому угол поворота в шарнире со стороны колеса должен достигать примерно 50°.

Из-за поперечного расположения двигателя и связанной с этим асимметрии в моторном отсеке приводные валы могут быть разной длины.

При заднем приводе ведущими являются за­дние колеса. На приводных валах как со стороны колеса, так и со стороны коробки передач применяются универсальные ШРУСы, поскольку в этом случае шарнир — в отличие от переднего привода — дол­жен компенсировать только изменение длины ва­лов из-за хода подвески вверх-вниз.

При полном приводе ведущими являются все колеса. Шарниры приводных валов применяются точ­но так же, как на описанных выше переднем и заднем приводах. Крутящий момент от силового агрегата на задние или (при расположенном сзади двигателе) на передние колеса передается с помощью продольного вала.

Частота вращения валов в этом случае может достигать 6000 об/мин, поэтому продольные валы оснащаются высокооборотными шарнирами. Далее отдельные типы шарниров рассматриваются более подробно.

 

Общие показатели для приводных валов

Наряду с передачей усилия задачей приводных валов является и равномерная передача крутяще­го момента на ведущие колеса.

 

Угловая скорость

 

Приводные валы только с одним шарниром вра­щаются неравномерно.

Приводные валы с одним шарниром Если два вала соединить простым карданным шарниром под определенным углом и вращать вал I с постоянной угловой скоростью ω1 то вал II будет вращаться с неравномерной угловой скоро­стью ω2 (рис. 7 «Приводные валы с одним шарниром«).

Эта неравномерность, часто называемая по­грешностью карданного шарнира, выражается в синусоидальном колебании угловой скорости вала II, как показано на графике цикла вращения 360° (рис. 8 «Изменение угловой скорости в зависимости от положения карданного шарнира«).

При 0°, 180° и 360° вилка шарнира на валу I расположена горизонтально и обладает меньшей угловой скоростью, чем в вертикальных положе­ниях 90° и 270°.

Такое ускорение и замедление крестовины шарнира соответственно изменяет и угловую ско­рость вала II.

 

Изменение угловой скорости в зависимости от положения карданного шарнира

 

Поскольку решению этой проблемы способ­ствуют угловое и параллельное смещение валов (за счет конструктивно обусловленного располо­жения элементов трансмиссии и достаточно эла­стичных опор), карданные валы автомобиля всег­да оснащаются двумя шарнирами. Это позволяет компенсировать неравномерно­сти вращения вала.

 

Максимальный угол в шарнире

 

Максимальный угол отклонения от горизонтали (рис. 9 «Угол в шарнире«) показывает, под каким углом может работать шарнир, соответствуя требованиям по равномерности передачи крутящего момента и долговечности.

 

Угол в шарнире

 

В автомобильной технике максимальный угол в шарнире может составлять более 50°.

 

Схемы расположения карданных валов

 

Неизбежно возникающую неравномерность вра­щения можно компенсировать последователь­ным размещением двух шарниров на одном валу.

При этом различают два варианта их располо­жения: Z-схема и W-схема.

 

Z-схема

 

Z-схема или Z-изгиб представляет собой наибо­лее распространенный вариант применения кар­данного вала. В этом случае изгиб происходит только в одной плоскости (рис. 10 «Z-схема«).

 

Z-схема

 

Для абсолютно синхронного вращения веду­щего и ведомого валов, соединенных карданным валом, вилки шарниров этого общего вала долж­ны находиться в одной плоскости, а углы в шар­нирах должны быть одинаковы.

 

W-схема

 

Еще одним способом избежать нежелательных колебаний частоты вращения между валами I и II является W-схема их расположения (рис. 11 «W-схема«).

И в этом случае углы в карданных шарнирах должны быть одинаковыми, а их вилки — нахо­диться в одной плоскости.

 

W-схема

 

Общее правило для Z-схемы и W-схемы за­ключается в том, что карданный вал и соединяе­мые им концы ведущего и ведомого валов долж­ны лежать в одной вертикальной плоскости.

В случае бокового смещения при использова­нии Z-схемы достаточно, чтобы пространствен­ный угол оставался минимальным.

 

Чтобы избежать нежелательных колеба­ний частоты вращения вала при использовании W-схемы, угол смещения необходимо высчитать заранее (рис. 12 «Боковое смещение«).

 

Боковое смещение

 

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *