Сьогодні у переважної більшості легкових моделей, що випускаються світовими автомобілебудівними фірмами, - передні провідні колеса (з обов'язковою незалежною підвіскою). Кутове положення цих коліс відносно головної передачі постійно змінюється в двох площинах - по вертикалі і по горизонталі.
У позашляховиків і вантажівок підвищеної прохідності провідне і в той же час кероване колесо повинне не тільки передавати крутний момент, але і повертатися. Отже, як і у передньопривідних автомобілів, між колесом і полуосью необхідний шарнір. Звичайний карданний? Ні. І ось чому.
Будь карданний шарнір, встановлений між ведучим елементом (полуосью) і веденим (маточиною колеса), передає обертання циклічно. При постійній кутовий швидкості піввісь обертання колеса кожну чверть обороту то наростає, то сповільнюється.
Такі пульсації приводять до виникнення періодично змінних інерційних навантажень, які різко збільшуються при зростанні кута між провідними і відомими елементами. Як наслідок, в результаті цих пульсуючих навантажень прискорюється знос шарнірів.
На автомобілях, де двигун з'єднаний із заднім ведучим мостом валом з двома карданними шарнірами, змінні навантаження відчуває тільки цей карданний вал. Коли обидві вилки вала лежать в одній площині, а кути ведучого вала з карданом і кардана з веденим однакові, то до головної передачі пульсації, про які йшла мова, не передаються. На жаль, при незалежній підвісці коліс домогтися такого рівності кутів не вдається.
Уявімо собі автомобіль з передніми ведучими колесами, підвішеними незалежно одне від іншого. Важелі підвіски практично ніколи, незалежно від їх конфігурації і конструкції, не забезпечують згаданого рівності кутів, і на кероване, що переміщається в двох площинах колесо завжди будуть передаватися пульсуючі навантаження. Це означає, що необхідно спеціальне зчленування, яке Крадуче б ці небажані пульсації.
Подібні зчленування називаються шарнірами рівних кутових швидкостей (скорочено - Шрусамі), а також синхронними або гомокінетіческіх шарнірами. Для машини з передніми ведучими керованими колесами ШРУС - запорука повноцінного існування. Ці шарніри грають в конструкціях автомобілів таку ж важливу роль, як механізм перекосу гвинта в вертольоті.
напівосі передньопривідного
«Кадилак-Севіль»
зі Шрусамі на обох кінцях.
шарніри захищені
гумовими чохлами
Найпростіше рішення - об'єднати два звичайних карданних шарніра «спина до спини» так, щоб ведена вилка одного служила провідний виделкою іншого. Частота обертання валів на вході і виході такого здвоєного шарніра буде однаковою, якщо, по-перше, внутрішні вилки розмістити в одній площині, а, по-друге, якщо вхідний і вихідний вали шарніра стануть утворювати кут, на бісектрисі якого виявиться точка перетину осей його вилок. Для цього між вилками розміщують два ділильних важеля зі сферичним з'єднанням.
Такий здвоєний шарнір спочатку здавався ідеальною конструкцією. ШРУС мав хорошу довговічність (60-70 тис. Км), працював при кутах до 45 градусів, але. був досить громіздким і на ранніх моделях передньопривідних легкових машин 20-х років ( «Альвис-ФА», «Корд-Л29», «Міллер-91») не залишав в ступиці переднього колеса місця для стоянки. (Доводилося виносити гальмо до картера головної передачі.)
Однак з року в рік ШРУС у вигляді здвоєного карданного шарніра удосконалювався, ставав більш компактним і в 60-ті роки зустрічався і на «Рено-Р4», і на «Пежо-204». Але найчастіше цей шарнір знаходив застосування на важких передньопривідних вантажівках, наприклад, таких, як МАЗ-509.
Одними з перших в 1932 р підійшли до розробки теоретичних основ ШРУСов французи Жан-Альбер Грегуар і М. д'оранж. При цьому Ж.-А. Грегуар розробив і запатентував власну конструкцію ШРУСа, яку використовували вже з 1925 р на автомобілях «Тракту», конструктором яких він сам і був. Кулачкові шарніри «Тракту» отримали в 20-30-і роки широке поширення і використовувалися на передньопривідних моделях фірми «Сітроен», «Штевер», ДКВ, «Адлер». Всі ці компанії повинні були платити винахіднику «королівські збори» - по 5 німецьких марок за кожен автомобіль, оснащений «грегуаровскімі» шарнірами. Це означає, що тільки «Адлер» протягом лише одного року виплачував французу суму, рівну вартості 20 своїх машин.
Шарнір «Тракту» складався з простих по механічній обробці деталей - кулачків, які стикалися з досить великим поверхням. Отже, питомий тиск на ці деталі було невелике, а знос - малий. Крім того, ШРУС «Тракту» добре працював при великих кутах (до 50 градусів).
Подальша еволюція зчленування «Тракту» привела до створення кулачково-дискового шарніра, який знайшов застосування на важких позашляхових вантажівках з постійним, не відключається приводом на всі колеса. Постійна робота такого ШРУСа не приводила до надмірно великим зносу деталей конструкції, а при потужному моторі низький ККД практично не відчувався. Кулачково-дискові шарніри можна побачити на повнопривідних вантажівках КрАЗ, Урал, КамАЗ.
Умови, які поставив Грегуар, не влаштовували, зокрема, фірму ДКВ, що виготовляла в середині 30-х років по 30-40 тис. Малолітражок з передніми ведучими колесами. Інженер фірми Г. Юнг в 1931 р розробив оригінальну різновид здвоєного шарніра. Цей ШРУС вийшов дуже компактним і застосовувався на довоєнних моделях ДКВ і «Ауді», а також на джипах «Хорьх» і закінчив свою кар'єру на машинах «Трабант» виробництва НДР.
Недоліки здвоєних шарнірів і ШРУСов кулачкового типу були подолані в 20-і роки, коли два винахідника Карл Вейсс, а потім Альфред Рцеппа створили кулькові ШРУСи.
Здвоєний шарнір Ганса Юнга
Шарнір Вейсса, придуманий і запатентований в 1923 р передає крутний момент кульками. На внутрішній поверхні вилок зроблені чотири канавки напівкруглого перетину, які лежать у взаємно перпендикулярних площинах. Там, де канавки обох вилок перехрещуються, знаходиться кулька. Середні лінії канавок рівновіддалені від центру шарніра і при його обертанні утворять дві сферичні поверхні, які перетинаються по колу. Ця окружність лежить в площині бісектриси того кута, під яким розташовуються вилки шарніра. Центри кульок завжди лежать в цій площині, чим і забезпечується рівномірність обертання. Щоб виключити осьовий зсув вилок, що зумовлює зміни площині катання кульок, в ШРУС «Вейсс» введений центрирующий кульку, який іноді фіксується штифтом.
Патент на настільки «хитру» конструкцію купила американська фірма «Бендикс», і в роки Другої світової війни «віліси», «студебекери», «доджі» комплектувалися Шрусамі «Бендикс-Вейсс». Шарніри такого типу отримали широке поширення і у вітчизняному автомобілебудуванні (ГАЗ-69, УАЗ-469, ГАЗ-66, ЗІЛ-131, БТР-70).
Зчленування «Бендикс-Вейсс» дуже технологічні і дешеві у виробництві, мають високий ККД і забезпечують кут між вилками не більше 35 градусів. Високі контактні напруги в зоні кулька-канавка (тільки дві кульки передають крутний момент в кожну мить) помітно скорочують термін служби цих ШРУСов (15-25 тис. Км).
Інший винахідник, Альфред Рцеппа, в 1927 і 1936 рр. оформив два патенти на кульковий ШРУС, в якому крутний момент передавався шістьма кульками, які працювали по равнорасположенним канавок напівкруглого перетину. Спеціальний ділильний важіль, з'єднаний з охоплює кульки сепаратором, постійно виставляє його в биссекторной площині. Більш довговічний (100-200 тис. Км) шарнір Рцеппа, який може працювати при кутах до 40 градусів, до того ж і більш компактно, ніж ШРУС «Бендикс-Вейсс». Не дивно, що саме ця конструкція отримала найбільшого поширення на сучасних передньопривідних автомобілях. Різні фірми ( «Бірфільд», «Сегіноу», ГКН, «Льобро») придбали ліцензії на виробництво «рцепповскіх» шарнірів. Вторинну ліцензію придбав в 1975 р і ВАЗ для виробництва «Ниви» і передньопривідних моделей.
Подальший розвиток ідей А. Рцеппа є шарніри з трьома сферичними роликами ( «Льобро», «Трипод», «Унікардан»). Тут вдалося спростити конструкцію і відмовитися від ділильної важеля. Канавки (зі зміненим перетином), тепер розмістили не паралельно осі шарнірів, а під кутом до неї.
Сьогодні ми можемо з упевненістю говорити, що право на життя в трансмісії легкових передньопривідних моделей завоювали шарніри «Рцеппа» і похідні від них, а на потужних важких передньопривідних автомобілях - кулачково-дискові зчленування або здвоєні кардани.