ШРУС - шарнір рівних кутових швидкостей. Цей вузол був створений в 20-і роки XX століття і сьогодні є невід'ємною частиною автомобіля. Було створено чимало конструкцій, але зараз використовують лише кілька їх типів.
ШРУС - шарнір рівних кутових швидкостей. Цей вузол був створений в 20-і роки XX століття і сьогодні є невід'ємною частиною автомобіля. Було створено чимало конструкцій, але зараз використовують лише кілька їх типів.
При перших спробах створення повно- та передньопривідних автомобілів конструктори зіткнулися з досить серйозною проблемою: як передавати крутний момент від диференціала до коліс. Карданні шарніри з хрестовинами не могли самотужки виконувати цю функцію, так як при найменшій несоосности пов'язаних валів кутова швидкість обертання веденого, розташованого під кутом, не рівним 180 °, до ведучого, нерівномірна: вона то збільшується, то зменшується в межах обороту. Відповідно, якщо веденим валом є піввісь, колесо теж обертається нерівномірно, а значить, помітно збільшуються навантаження на деталі, інтенсивно зношуються шини та знижується рівень комфорту.
Установка двох таких шарнірів нерівних кутових швидкостей, як у випадку з карданним валом, теж не рятувала ситуацію. Шарніри з хрестовинами здатні ефективно працювати під кутами до 45 ° але, кути між валами - провідним з проміжним і веденим з проміжним - при цьому повинні бути однаковими. Дотримати остання умова у випадку з передньо-або повноприводними автомобілями неможливо, так як кути між веденим і провідним валами приводу керованих коліс змінюються не тільки у вертикальній площині, а й у горизонтальній.
Словом, класичного шарниру нерівних кутових швидкостей, який використовується в карданної передачі, довелося шукати заміну. Багато інженерів минулого століття старанно працювали над створенням шарнір рівних кутових швидкостей. Було розроблено багато конструкцій, проте в останні десятиліття найбільшого поширення набули чотири типи ШРУСов, конструктивно відрізняються між собою: кулачково-дисковий; чотирьохкулькові типу «Вейс»; універсальні Шестішаріковий типу «Рцеппа»; трехшіповие типу «Трипод».
Кулачки і диски
В середині 20-х років минулого століття француз Жан-Альбер Грегуар одним з перших розробив і запатентував конструкцію шарнір рівних кутових швидкостей. ШРУС, який отримав ім'я «Тракту», складається з двох куркулів (звідси і назва - кулачковий), що включають в себе чотири штамповані деталі - дві вилки і два фасонних диска, і що входять в зачеплення між собою. Площа поверхні контакту виходить великий, завдяки чому деталі відчувають невеликі в порівнянні зі здвоєним карданним шарніром навантаження і можуть працювати під досить великими кутами - до 50 °. У 20 - 30-ті роки конструкція використовувалася в багатьох європейських передньопривідних автомобілях - Citroеn, Adler, DKV, Shtever. Останнім часом шарнір «Тракту» широко застосовується в зарубіжних автомобілях великої вантажопідйомності.
Пізніше шарнір «Тракту» був модернізований в кулачково-дискову конструкцію. Вона виявилася більш «силовий» і застосовувалася у важких повнопривідних вантажівках з постійним відключається повним приводом. Кулачково-дискові ШРУСи і донині використовуються на повнопривідних Камазах, КрАЗах, «Уралах».
Кулачково-дисковий ШРУС складається з двох куркулів, двох вкладишів і диска. У вкладишів оброблені зовнішні циліндричні шийки, а всередині - пази з плоскими бічними поверхнями. Циліндричні шийки вкладишів охоплюються кулаками, а диск входить в пази. При такій конструкції кожна піввісь може повертатися щодо осі диска і шийок вкладишів, тобто в двох перпендикулярних напрямках, як в карданном шарнірі нерівних кутових швидкостей. Таким чином, кулачково-дисковий шарнір складається ніби з двох карданних шарнірів, завдяки чому внутрішня і зовнішня піввісь обертаються з однаковими кутовими швидкостями. При використанні кулачково-дискового шарніра максимальний робочий кут між валами становить 45 °.
ККД кулачкових шарнірів значно нижче, ніж інших ШРУСов, так як їх деталі працюють в умовах тертя ковзання, а не кочення. В процесі експлуатації вони можуть перегріватися, а при нерегулярному змащення на робочих поверхнях з'являються задираки.
Вже не один десяток років кулачкові та кулачково-дискові ШРУСи в легкових автомобілях не використовують через низький ККД і з міркувань компонування: у них великі габарити і вага.
Чотири плюс один
Деяких недоліків попередніх конструкцій зумів уникнути інженер Карл Вейсс. У 20-і роки він винайшов свій кульковий шарнір рівних кутових швидкостей (запатентований в 1923 році), в якому крутний момент передається за допомогою кульок. Рівномірність обертання в ньому забезпечується завдяки однаковим відстаням між канавками і центром шарніра. Центри чотирьох кульок завжди лежать в биссекторной площині. Биссекторной площину - площину, яка проходить через бісектрису кута між стикуємими валами і перпендикулярна площині, утвореної осями цих валів. Для виключення зсуву вилок передбачений центрирующий п'ятий кулька.
Конструкція цього ШРУСа включає в себе два кулака, в яких за певною дузі зроблені канавки. Чотири кульки розташовуються на перетині симетрично розташованих канавок в биссекторной площині. Цікаво, що при русі автомобіля вперед зусилля передається однією парою кульок, а при русі назад - інший.
Чотирьохкулькові шарнір типу «Вейс» встановлювався на багатьох радянських повнопривідних автомобілях - УАЗ-469, ГАЗ-66, ГАЗ-69, ЗІЛ-131, а також на більшості зарубіжних машин підвищеної прохідності 40 - 60 років випуску - американських «Вілліс» і «Студебеккера ».
Широке поширення шарніри Вейсса отримали завдяки низькій трудомісткості виготовлення, простоті конструкції, а значить, і низької вартості. Однак при цьому ШРУС даного типу має серйозні недоліки: він працює при кутах до 32 градусів, а через великий контактної навантаження, яка припадає лише на два кульки, відповідно, і на дві канавки, його ресурс не перевищує 30 000 км.
Шестішаріковий
У шарнірі Альфреда Рцеппа (запатентований в 1927 році) крутний момент передають шість кульок. Саме ця конструкція найбільш популярна у творців легкових автомобілів: вона виявилася найдосконалішою і довговічною.
Конструктивно базовий шарнір «Рцеппа» складається з наступних основних елементів: корпуса (сферичної чашки з веденим валом), внутрішньої обойми (сферичного кулака з провідним валом), ділильної важеля, сепаратора, який утримує шість кульок. Вони розташовуються в мерідіанальних канавках напівкруглого перетину, які зроблені на внутрішній сферичної поверхні корпусу і у внутрішній обоймі. При нахилі валів кульки встановлюються в биссекторной площині за допомогою ділильної важеля, що повертає сепаратор (див. Рис. Справа).
ШРУС з ділильні важелем працює при кутах до 37 °. Завдяки передачі зусилля через шість кульок невеликий ШРУС здатний передавати значні крутний момент. Дана конструкція досить надійна, характеризується високим ККД, але при цьому вона досить дорога. Вартість обумовлена складністю виготовлення: щоб забезпечувати передачу зусиль усіма кульками одночасно, необхідна високоточна токарна і фрезерна обробка деталей.
Розширення «модельного ряду» шарнірів цього типу відбулося після того, як патент на їх виробництво придбали різні компанії, наприклад, GKN і Lo..bro. Кожна з них по-своєму вирішила вдосконалити, а точніше, спростити конструкцію, що і стало причиною появи шарнірів типу «Бірфільд», «ГКН» (GKN), і «Лебрен» (Lo..bro).
У шарнірі «Бірфільд» необхідного переміщення кульок в канавках при зміні кута між валами домоглися шляхом проточки в кулаці і чашці канавок зі змінною глибиною. Їх нарізали по радіусах, центри яких зміщені в різні боки відносно площини, в якій розташовуються кульки. Таким чином вдалося добитися пропорційного переміщення сепаратора з кульками щодо кулака і чашки. Крім того, профіль перетину канавок виконаний не по дузі кола, а по еліпсу, що дозволило захистити кромки канавок від м'яття і сколювання. Даний шарнір має високий ККД - від 95 до 99% (в залежності від кута повороту) і здатний працювати під кутами до 45 °.
Шарнір «ГКН» відрізняється від попередника тим, що в чашці і кулаці канавки еліптичного перетину прорізані поздовжньо, паралельно осі їх валів. Сепаратор і кулак мають сферичні поверхні. При цьому сферична зовнішня частина сепаратора переходить в конічну (під кутом 10 °). Установка кульок в необхідної биссекторной площині при появі несоосности валів забезпечується завдяки зміщеним центрам зовнішньої і внутрішньої сфер сепаратора.
Шарнір типу «Лебрен» (Lo..bro) відрізняється від «ГКН» тим, що канавки в чашці і кулаці нарізані під кутом 15-16 ° до котра утворює циліндра, а геометрія сепаратора правильна - без будь-яких конусів і з паралельними зовнішньої і внутрішньої сторонами. У даного шарніра менші розміри, ніж у інших Шестішаріковий шарнірів. Є й інші переваги. Сепаратор не виконує функції зміщення кульок куркулів, менш завантажений, тому вимоги до точності його виготовлення нижче. Наявний фланцевий роз'єм шарніра ускладнює конструкцію, проте полегшує її складання і установку. ККД такого шарніра - близько 0,99 (при вугіллі вивороту 10 °).
Шарніри з сімейства «Рцеппа» досить дороги, але довговічні і можуть «пробігти» від 100 000 до 200 000 км.
Трехшіповой
Трехшіповой шарнір типу «Трипод» також є похідним від «Рцеппа», проте його конструкція серйозно відрізняється від попередника. Він застосовується на легкових і вантажних автомобілях малої вантажопідйомності. Трехшіповие шарніри бувають двох видів: жорсткі і універсальні. Перші можуть передавати крутний момент при кутах між валами до 43 °, але при цьому не допускають осьових переміщень, через що їх і назвали «жорсткими». Використовуються вони в якості зовнішніх ШРУСов.
Універсальні трехшіповие ШРУСи допускають переміщення уздовж осі, що необхідно для компенсації коливань передньої підвіски і силового агрегату при їзді по нерівностях. З іншого боку, ці шарніри можуть працювати при невеликих кутах - до 25 °, тому найчастіше використовуються в якості внутрішніх ШРУСов.
Конструктивно жорсткий і універсальний трехшіповие шарніри схожі.
Жорсткий шарнір складається з корпусу (зробленого як єдине ціле з валом), в якому шипи закріплені під кутом 120 °. На них встановлені ролики з кульової поверхнею, які можуть обертатися. Усередині корпусу розташована вилка з вихідним валом, в якій для переміщення шипів з роликами пророблені три паза циліндричного перетину. Торцева поверхня вилки сферична, що дозволило отримати більший робочий кут між сполученими валами.
Універсальний шарнір складається з корпусу, трьох роликів, одягнутих на пальці «трехшіповіка», напресованими на шліцеві частину валу шарнірів. Ролики на пальцях «трехшіповіка» сидять на голчастих підшипниках. У внутрішній частині корпусу зроблені канавки під ролики, що, власне, і забезпечує необхідний кут повороту внутрішнього шарніра, а також дозволяє шрусом переміщатися в поздовжньому (вздовж осі) напрямку. Дані шарніри досить довговічні і використовуються, наприклад, на «Таврії» в якості внутрішніх ШРУСов.
Юрій Дацик
фото GKN
Підписуйтесь на наші стрічки в Facebook. Viber. Telegram і Messenger. всі найважливіші автомобільні події в одному місці.