25.04.2018
1. Виды карданных валов.
Карданная передача — механизм, передающий крутящий момент между валами, пересекающимися в центре карданной передачи и имеющими возможность взаимного углового перемещения. В автомобиле карданный вал служит для передачи крутящего момента от коробки передач (раздаточной коробки) к ведущим мостам в случае классической или полноприводной компоновки. У полноприводных колесных машин карданная передача обычно соединяет ведомый вал коробки передач (КП) с ведущим валом раздаточной коробки, а ведомые валы раздаточной коробки — с ведущими валами главных передач ведущих мостов. Агрегаты, закрепленные на раме (в частности, КП и раздаточная коробка), могут перемещаться относительно друг друга в результате деформации своих опор и самой рамы, а ведущие мосты присоединены к раме через подвеску, поэтому могут перемещаться относительно рамы и закрепленных на ней агрегатов при деформации упругих элементов подвески. При этом могут изменяться не только углы наклона карданных валов, соединяющих агрегаты, но и расстояние между агрегатами. Карданная передача имеет существенный недостаток — несинхронность вращения валов (если один вал вращается равномерно, то другой — нет), увеличивающуюся при увеличении угла между валами. Это исключает возможность применения карданной передачи во многих устройствах, например, в трансмиссии переднеприводных автомобилей (где главная проблема в передаче крутящего момента на поворотные колеса). Отчасти этот недостаток может быть скомпенсирован использованием на одном валу парных шарниров, повёрнутых на четверть оборота друг относительно друга. Однако там, где требуется синхронность, как правило, используется не карданная передача, а шарнир равных угловых скоростей (ШРУС) — более совершенная, однако и более сложная конструкция того же назначения.
Карданные передачи могут иметь один или несколько карданных шарниров, соединенных карданными валами, и промежуточные опоры.
Рис.1 Схема карданной передачи: 1, 4, 6 — карданные валы; 2, 5 — карданные шарниры; 3 — компенсирующее соединение; у1, у2 — углы между валами
В общем случае карданная передача состоит из карданных шарниров 2 и 5, карданных валов 1,4 и 6 и компенсирующего соединения 3. Иногда карданный вал устанавливают на промежуточной опоре, прикрепленной к поперечине рамы ТС. Карданные шарниры обеспечивают передачу вращающего момента между валами, оси которых пересекаются под углом. Различают карданные шарниры неравных и равных угловых скоростей. Карданные шарниры неравных угловых скоростей подразделяют на упругие и жесткие. Карданные шарниры равных угловых скоростей по конструкции бывают шариковые с делительными канавками, шариковые с делительным рычажком и кулачковые. Обычно их устанавливают в приводе ведущих управляемых колес, где угол между валами может достигать 45°, причём центр карданного шарнира должен совпадать с точкой пересечения осей вращения колеса и его поворота. Упругие карданные шарниры передают вращающий момент между валами с пересекающимися под углом 2…3° осями в результате упругой деформации соединительных элементов. Жесткий карданный шарнир неравных угловых скоростей передает вращающий момент от одного вала к другому вследствие подвижного соединения жестких деталей. Он состоит из двух вилок — 3 и 5, в цилиндрические отверстия которых установлены на подшипниках концы А, Б, В и Г соединительного элемента — крестовины 4. Вилки жестко соединены с валами 1 и 2. Вилка 5 может поворачиваться относительно оси БГ крестовины и в то же время вместе с крестовиной поворачиваться относительно оси АВ, благодаря чему и обеспечивается возможность передачи вращения от одного вала к другому при меняющемся угле между ними.
Рис.2 Схема жесткого карданного шарнира неравных угловых скоростей
Если вал 7 повернется вокруг своей оси на угол а, то вал 2 за это же время повернется на угол В. Соотношение между углами поворота валов 7 и 2 определяется выражением tga= tgВ*cosy, где у — угол, под которым расположены оси валов. Из этого выражения следует, что угол В то меньше угла а, то равен ему. Равенство этих углов наступает через каждые 90° поворота вала 7. Таким образом, при равномерном вращении вала 1 угловая скорость вала 2 неравномерна и изменяется по синусоидальному закону. Неравномерность вращения вала 2 будет тем значительнее, чем больше угол у между осями валов. Если неравномерность вращения вала 2 будет передаваться на валы агрегатов, в трансмиссии возникнут дополнительные пульсирующие нагрузки, возрастающие при увеличении угла у. Чтобы неравномерность вращения вала 2 не передавалась на валы агрегатов, в карданной передаче применяют два карданных шарнира. Их устанавливают так, чтобы углы у1 и у2 были равны; вилки карданных шарниров, закрепленные на неравномерно вращающемся валу 4, должны быть расположены в одной плоскости.
Устройство основных частей карданных передач приведено на рис.3 Карданный шарнир неравных угловых скоростей состоит из двух вилок — 1 и соединенных крестовиной 3. Одна из вилок иногда имеет фланец, а другая приварена к трубе карданного вала или имеет шлицевой наконечник 6 (или втулку) для соединения с карданным валом. Шипы крестовины устанавливаются в проушины обеих вилок на игольчатых подшипниках 7. Каждый подшипник размещается в корпусе 2 и удерживается в проушине вилки крышкой, которая присоединена к вилке двумя болтами, стопорящимися усиками шайбы. В отдельных случаях подшипники закрепляются в вилках стопорными кольцами. Для удержания смазки в подшипнике и защиты его от попадания воды и грязи имеется резиновый самоподжимной сальник. Внутренняя полость крестовины через масленку заполняется смазкой, поступающей к подшипникам. В крестовине обычно имеется предохранительный клапан, защищающий сальник от повреждения под действием давления нагнетаемой в крестовину смазки. Шлицевое соединение 6 смазывается с помощью масленки 5.
Рис.3 Детали карданного шарнира неравных угловых скоростей
Максимальный угол между осями валов, соединенных карданными шарнирами неравных угловых скоростей, обычно не превышает 20°, так как при больших углах значительно снижается КПД карданных передач. Если угол между осями валов изменяется в пределах 0 …2%, то шипы крестовины деформируются иглами подшипников, и карданный шарнир быстро разрушается.
В трансмиссиях быстроходных гусеничных машин часто применяются карданные передачи с карданными шарнирами типа зубчатых муфт, допускающими передачу вращающего момента между валами, оси которых пересекаются под углом до 1,5… 2°.
Карданные валы выполняют, как правило, трубчатыми, для чего применяют специальные стальные цельнотянутые или сварные трубы. К трубам приваривают вилки карданных шарниров, шлицевые втулки или наконечники. Для уменьшения поперечных нагрузок, действующих на карданный вал, осуществляют его динамическую балансировку в сборе с карданными шарнирами. Дисбаланс устраняют приваркой к карданному валу балансировочных пластин, а иногда установкой балансировочных пластин под крышки подшипников карданных шарниров. Взаимное положение деталей шлицевого соединения после сборки и балансировки карданной передачи на заводе обычно отмечается специальными метками.
Компенсирующее соединение карданной передачи обычно выполняют в виде шлицевого соединения, допускающего осевое перемещение деталей карданной передачи и состоящего из шлицевого наконечника, который входит в шлицевую втулку карданной передачи. Смазку вводят в шлицевое соединение из масленки или при сборке закладывают смазку, которую заменяют после длительного пробега ТС. Для защиты шлицевого соединения от вытекания смазки и загрязнения обычно устанавливают сальник и чехол.
При большой длине карданных валов в карданных передачах обычно применяют промежуточные опоры. Промежуточная опора, как правило, представляет собой прикрепленный болтами к поперечине рамы кронштейн, в котором установлен в резиновом упругом кольце шариковый подшипник, закрытый с обеих сторон крышками с сальниками и устройством для его смазывания. Наличие упругого резинового кольца позволяет компенсировать неточности сборки и перекосы подшипника, возможные при деформациях рамы ТС.
Карданный шарнир с игольчатыми подшипниками (рисунок 4а) состоит из вилок, крестовины, игольчатых подшипников, сальников. Стаканы с игольчатыми подшипниками надевают на пальцы крестовины и уплотняют сальниками. Стаканы фиксируют в вилках стопорными кольцами или крышками, привернутыми к ним винтами. Карданные шарниры смазывают через масленку по внутренним сверлениям крестовины. Предохранительный клапан служит для устранения излишнего давления масла в шарнире. При равномерном вращении ведущей вилки ведомая вилка вращается неравномерно: за один оборот она дважды обгоняет ведущую вилку и дважды отстает от нее. Для устранения неравномерности вращения и снижения инерционных нагрузок применяют два карданных шарнира.
В приводе к передним ведущим колесам устанавливают карданную передачу равных угловых скоростей. Такая передача автомобилей ГАЗ-66 и ЗИЛ-131 состоит из вилок 2, 5 (рисунок 4б), четырех шариков 7 и центрального шарика 8. Ведущая вилка 2 представляет собой единое целое с внутренней полуосью, ведомая откована вместе с наружной полуосью, на конце которой закреплена ступица колеса. Ведущий момент от вилки 2 к вилке 5 передается через шарики 7, перемещающиеся по круговым желобам вилок. Шарик 8 служит для центрирования вилок и удерживается в неизменном положении шпильками 3, 4. Частота вращения вилок 2, 5 одинаковая вследствие симметричности механизма относительно вилок. Изменение длины вала обеспечивают свободные шлицевые соединения вилок карданных шарниров с валом.
Рис.4 Карданные шарниры: а — карданный шарнир: 1 — крышка; 2 — стакан; 3 — игольчатый подшипник; 4 — сальник; 5, 9 — вилки; 6 — предохранительный клапан; 7 — крестовина; 8 — масленка; 10 — винт; б — карданный шарнир равных угловых скоростей: 1 — внутренняя полуось; 2 — ведущая вилка; 3, 4 — шпильки; 5 — ведомая вилка; 6 — наружная полуось; 7 — шарики: 8 — центральный шарик.
2. Неисправности карданной передачи.
Неисправности карданной передачи обычно проявляются в виде резких стуков в карданах, возникающих при движении автомобиля в момент перехода с одной передачи на другую и резком увеличении числа оборотов коленчатого вала двигателя(например, при переходе от торможения двигателем к разгону). Показателем нарушения нормальной работы кардана может быть его нагрев до высокой температуры (свыше 100°С). Это происходит вследствие значительного износа втулок и шипов кардана, игольчатых подшипников, крестовин и шлицевых соединений кардана, в результате чего нарушается центровка кардана и возникают значительные ударные осевые нагрузки на игольчатые подшипники. Повреждения пробковых сальников крестовины кардана приводят к быстрому износу шипа и его подшипника. При техническом обслуживании карданную передачу проверяют резким проворачиванием карданного вала от руки в обе стороны. По величине свободного проворачивания вала определяют степень износа карданов и шлицевых соединений. Через 8—10 тыс. км пробега проверяют состояние болтовых соединений фланцев ведомого вала коробки передач и вала ведущей шестерни главной передачи с фланцами концевых карданов и крепления промежуточной опоры карданного вала. Проверяют также состояние резиновых чехлов на шлицевых соединениях и пробковых сальников крестовины кардана. Все болты крепления должны быть затянуты до отказа (момент затяжки 8—10 кГм). Игольчатые подшипники карданов смазывают жидким маслом, применяемым для агрегатов трансмиссии; шлицевые соединения у большинства автомобилей смазывают консистентными смазками (УС-1, УС-2, 1—13 и др.); применение консистентной смазки для смазывания игольчатых подшипников категорически запрещается. У некоторых автомобилей шлицевые соединения смазывают трансмиссионным маслом. Подшипник промежуточной опоры, смонтированный в резиновой обойме, в смазывании практически не нуждается, так как смазка заложена в него при сборке на заводе. Опорный подшипник автомобиля ЗИЛ-130 смазывают консистентной смазкой через пресс-масленку при очередном техническом обслуживании (через 1100—1700 км).
Рис.5 Карданная передача, карданный привод: 1 — фланец крепления кардана; 2 — крестовина кардана; 3 — вилка кардана; 4 — скользящая вилка кардана; 5 — труба карданного вала; 6 — игольчатый роликовый подшипник с закрытым торцом.
Карданная передача состоит из двух карданных шарниров с игольчатыми подшипниками, соединенных полым валом, и скользящей вилки с эвольвентными шлицами. Для надежной защиты от попадания грязи и обеспечении хорошей смазки шлицевого соединения скользящая вилка 6, соединенная с вторичным валом 2 коробки передач, размещена в удлинителе 1, закрепленном на картере коробки передач. Кроме того, такое расположение шлицевого соединения (вне зоны между шарнирами) значительно повышает жесткость карданной передачи и уменьшает возможность появления вибраций вала при износе скользящего шлицевого соединения. Карданный вал состоит из тонкостенной электросваркой трубы 8, в которую с каждого конца запрессованы, а затем приварены дуговой электросваркой две одинаковые вилки 9. В отверстия проушин вилок 9 запрессованы корпусы игольчатых подшипников 18 крестовины 25, которые крепятся пружинными стопорными кольцами 20. В каждом карданном подшипнике помещены 22 иглы 21. На выступы цапф крестовин напрессованы штампованные обоймы 24, в которые устанавливаются пробковые кольца 23. Подшипники смазываются с помощью угловой пресс-масленки 17, ввернутой в резьбовое отверстие в центре крестовины, которое соединено со сквозными каналами в цапфах крестовины. С другой стороны крестовины кардана в центре ее размещен предохранительный клапан 16, предназначенный для выпуска излишней смазки при заполнении крестовины и подшипников и предотвращающий повышение давления внутри крестовины при нагревании ее во время работы (клапан срабатывает при давлении около 3,5 кГ/см ). Необходимость введения предохранительного клапана вызвана тем, что чрезмерное повышение давления масла внутри крестовины может привести к порче (выдавливанию) пробковых сальников.
Рис.6 Карданная передача: 1 — удлинитель картера коробки передач; 2 — вторичный вал коробки передач; 3 и 5 — грязеотражатели; 4 — резиновые сальники; б — скользящая вилка; 7 — балансировочная пластина; 8 — труба карданного вала; 9 — вилка;10 — фланцевая вилка; 11 — болт; 12 — фланец ведущей шестерни заднего моста; 13 — пружинная шайба; 14 — гайка; 15 — задний мост; 16 — предохранительный клапан; 17 — угловая пресс-масленка; 18 — игольчатый подшипник; 19 — проушина вилки; 20 — стопорное пружинное кольцо; 21 — игла; 22 — шайба с тороидным торцом; 23 — пробковое кольцо; 24 — штампованная обойма; 25 — крестовина
Карданный вал в сборе с обоими шарнирами тщательно динамически балансируется с обоих концов путем приварки балансировочных пластин 7 к трубе. Поэтому при разборке вала все его детали нужно тщательно замаркировать для того, чтобы при сборке можно было установить их в прежнее положение. Несоблюдение этого указания нарушает балансировку вала, что вызывает затем вибрации, разрушающие трансмиссию и кузов автомобиля. При износе отдельных деталей, и особенно при прогибе трубы в результате удара и невозможности динамически отбалансировать вал после сборки, необходимо заменить весь вал.
3. Балансировка карданных валов.
После ремонта и сборки карданного вала осуществляют его динамическую балансировку на станке. При динамической балансировке карданный вал в сборе со скользящей вилкой устанавливают и закрепляют на станке. Один конец карданного вала соединяют фланцем-вилкой с фланцем передней ведущей бабки, а другой конец опорной шейкой скользящей вилки со шлицевой втулкой задней бабки. Затем проверяют легкость вращения карданного вала и при помощи фиксатора закрепляют один конец маятниковой рамы станка. Включив станок, вращают лимб выпрямителя против часовой стрелки, доводя показание стрелки милливольтметра до максимального значения. Показание милливольтметра будет соответствовать величине дисбаланса. Шкала милливольтметра градуируется в граммсантиметрах или граммах уравновешивающего груза. Продолжая вращение лимба выпрямителя против часовой стрелки, доводят показание милливольтметра до нулевого показания и останавливают станок. По показанию лимба выпрямителя определяют величину углового смещения (угол смещения дисбаланса) и, поворачивая вручную карданный вал, устанавливают эту величину на лимбе промежуточного вала. При этом место приварки балансировочной пластины будет находиться на верху карданного вала, а утяжеленная часть—внизу в плоскости коррекции. Затем устанавливают и привязывают балансировочную пластину тонкой проволокой на расстоянии 10 мм от сварочного шва, включают станок и проверяют сбалансированность конца карданного вала с пластиной. Величина дисбаланса должна быть не более 70 Г см. Затем, освобождая один и закрепляя другой конец маятниковой рамы при помощи фиксатора стойки, осуществляют динамическую балансировку другого конца карданного вала согласно технологической последовательности, описанной выше.
Карданные валы имеют некоторые особенности балансировки. У большинства деталей базой при динамической балансировке служат опорные шейки (например, роторы электродвигателей, турбин, шпинделей, коленчатые валы и т. д.), а у карданных валов — фланцы. При сборке, в разных соединениях существуют неустранимые зазоры, приводящие к дисбалансу. Если при балансировке не удается достичь минимального дисбаланса, то ее прекращают и вал бракуют. На точность балансировки влияют следующие факторы:
зазор в соединении посадочного пояска фланца карданного вала и внутреннего отверстия фланца зажима левой и правой опорных бабок;
радиальное и торцовое биение базовых поверхностей фланца;
зазоры в шарнирных и в шлицевых соединениях. Наличие смазки в полости шлицевого соединения может привести к появлению «плавающего» дисбаланса. Если он не позволяет достичь требуемой точности балансировки, то карданный вал балансируют без смазки.
Некоторые дисбалансы могут быть вообще неустранимы. В случае, если в шарнирах карданного вала наблюдается повышенное трение, то увеличивается взаимное влияние плоскостей коррекции. Это приводит к снижению производительности и точности балансировки.
Согласно ОСТ 37.001.053—74 установлены следующие нормы дисбаланса: карданные валы с двумя шарнирами (двухопорные) балансируют в динамическом режиме, а с тремя (трехопорные) — в сборе с промежуточной опорой; фланцы (вилки) карданных валов и муфт при их массе более 5 кг балансируют статически перед сборкой вала или муфты; нормы остаточного дисбаланса карданных валов на каждом их конце или у промежуточной опоры трехшарнирных карданных передач оценивают по удельному дисбалансу;
максимально допустимая норма удельного остаточного дисбаланса на каждом конце вала или у промежуточной опоры, а также для трехшарнирных карданных передач при любом их положении на балансировочном стенде не должна быть более: для трансмиссий легковых и грузовых автомобилей малой грузоподъемности (до 1 т) и особо малых автобусов — 6 г-см/кг, для остальных— 10 г-см/кг. Максимально допустимая норма остаточного дисбаланса карданного вала или трехшарнирной карданной передачи должна обеспечиваться на балансировочном стенде при частоте вращения, соответствующей их частотам в трансмиссии при максимальной скорости автомобиля. Для карданных валов и трехшарнирных карданных передач грузовых автомобилей грузоподъемностью 4 т и выше, малых и больших автобусов допускается снижение частоты вращения на балансировочном стенде до 70 % частоты вращения валов трансмиссии при максимальной скорости автомобиля. Согласно ОСТ 37.001.053—74 частота вращения при балансировке карданных валов должна быть равна:
nб= (0,7 ... 1,0)nр,
где nб — частота вращения при балансировке (должна соответствовать основным техническим данным стенда,
и=3000 мин-1; nр — максимальная рабочая частота вращения, мин-1.
На практике из-за зазора в шарнирах и в шлицевых соединениях карданный вал не удается сбалансировать на рекомендуемой частоте вращения. В этом случае необходимо выбрать другую частоту вращения, при которой он балансируется.