Шарнир равных угловых скоростей

Узел под названием ШРУС есть в каждом современном автомобиле. Несмотря на относительно простую конструкцию, он выполняет ответственную функцию по передаче крутящего момента от коробки передач на ведущие колеса, не ограничивая их подвижность. В этом материале мы рассмотрим различные виды ШРУСов, разберемся, где они находятся и как работают, а также рассмотрим преимущества и недостатки этого узла.

Аббревиатура ШРУС расшифровывается как «шарнир равных угловых скоростей» (иногда встречается ошибочная аббревиатура «ШРУЗ»). Понятие «угловая скорость» ­характеризует направление и момент вращения валов относительно оси. Соответственно, механизм ШРУСа обеспечивает вращение с одинаковой скоростью двух соединенных между собой валов в широком диапазоне углов взаимного положения осей (то есть делает соединение «гибкими», а не жестким). Автолюбители называют ШРУС «граната», а инженеры зовут его гомокинетическим шарниром.

Где находятся ШРУСы в авто

Где находятся ШРУСы в авто

Первым изобретателем ШРУСов считается немецкий инженер Карл Вайсс. В начале 20-х годов прошлого столетия он разработал принципиальную схему передачи угловых моментов вращения под различными углами. Недостатки – быстрый износ и малый угол поворота полуосей (не более 32°). В 1960-х года его конструкцию усовершенствовал Альфред Рцепп и довел ее до состояния, позволяющего увеличивать угол поворота полуосей до 70°, передавать на ведомый вал не менее 95% момента вращения. При этом пробег увеличивался до более 100 000 км. На сегодняшний день механизм ШРУСа имеют абсолютное большинство легковых и грузовых автомобилей. Узел имеет несколько модификаций, каждая со своими техническими характеристиками и эксплуатационными возможностями.

Для чего нужен шарнир равных угловых скоростей

В старых моделях автомобилей крутящий момент от коробки передач на ведомые колеса передавался только карданным валом. Это цельнометаллическая деталь, соответственно, параметры вращения в его передней и задней шлицевых частях полностью одинаковые. Однако карданные валы можно было использовать только на заднеприводных машинах – где оба колеса не меняют своего положения в поворотах. ШРУСы позволили создавать переднеприводные модели автомобилей – крутящий момент от коробки передач стало возможно передавать на ведущие колеса вне зависимости от угла их поворота или положения. Это и есть главное назначение ШРУСа.

ШРУСы

ШРУСы

Виды ШРУСов

Задача передачи вращения на подвижные полуоси решается при помощи нескольких вариантов их соединения с учетом места размещения механизма. Все виды ШРУСов подразделяются на несколько больших категорий по своим конструктивным особенностям.

По расположению

Для обеспечения более плавного движения автомобиля и уменьшения угла изгиба каждой полуоси используется по два механизма ШРУСа с каждой стороны – на выходе из коробки передач и на входе в ступицу, называются они соответственно внутренний и наружный ШРУСы. Задачи они решают одинаковые, но конструктивно отличаются из-за особенностей расположения и присоединения к другим узлам.

Наружный ШРУС

Наружные

Наружные ШРУСы передают вращательное усилие на передние колеса – шлицевой участок вала соединяется со ступицей колеса. В связи с ограниченным местом установки наружный ШРУС изготавливается максимально небольших размеров. В противном случае существенно уменьшается клиренс машины и возрастают риски механических повреждений устройств во время движения по неровным дорогам.

Внутренний ШРУС

Внутренние

Внутренние ШРУСы, как правило, имеют больше габариты, чем наружные, шлицевая часть полуоси входит в коробку передач. Свободное пространство места установки дает возможность увеличить габариты механизма и повысить его прочность. Но это увеличивает стоимость внутреннего ШРУСа, поэтому их цена обычно выше наружных.

По конструкции

Существует много инженерных решений передачи равных угловых скоростей, но не все они по техническим характеристикам отвечают современным требованиям к надежности и долговечности. Поэтому сейчас в основном используются только проверенных временем варианты – это шариковые и трипоидные ШРУСы.

Шариковый шрус

Шариковые

Внутри ведомого вала в корпусе (цапфе) располагается кулак (обойма). Вращающий момент передают шарики, при изменении угла они смещаются по специальным направляющим канавкам. Количество шариков, как правило, 6–8 штук, одинаковое расстояние между ними удерживается сепаратором. Шариковые ШРУСы очень часто применяется на автомобилях.

Трипоидный ШРУС

Триподные

Внутри корпуса цапфы имеется шлицевая вилка с тремя лучами. В отверстия вилки запрессованы оси (лучи) для фиксации игольчатых подшипников. Внешняя обойма подшипников имеет сферическую форму, которая при повороте перемещается по канавкам корпуса. Игольчатые подшипники имеют значительную площадь контакта, что позволяет выдерживать больше усилия, чем шариковые подшипники. Также увеличивается плавность хода автомобиля и есть возможность продольного перемещения вала не только в шлицах, но и за счет качения подшипников в корпусе. Это уменьшает нагрузку на шлицевое соединение и, соответственно, его износ. Недостаток – несколько уменьшается максимальный осевой угол смещения.

Спаренный карданный ШРУС

Спаренные карданные

Одна из первых и в настоящее время примитивных разработок. Две полуоси соединяются с помощью двух крестовин. Такое решение позволяет в небольших пределах менять угол расположения осей. Из-за большого количества недостатков в легковых автомобилях не используется, применяются в большегрузных машинах.

Сухариковые или кулачковые

По техническим характеристикам несколько лучше, чем спаренные карданные, но не отвечают требованиям плавности хода легковых автомобилей. Используются в некоторых грузовиках небольшой мощности или автомобилях большой проходимости. Популярное название – шарнир равных угловых скоростей «Тракта».

Кулачково-дисковый шарнир

Кулачково-дисковые

Усовершенствованное решение кулачковых ШРУСов, используется на полноприводных грузовиках отечественного производства. Угол смещения увеличивается за счет размещенного между кулачками металлического диска. Шарнир применяется на некоторых марках грузовых машин и автомобилей большой проходимости.

Устройство шарнира равных угловых скоростей

Все механизмы, вне зависимости от вида, имеют два вала со шлицами (ведущий и ведомый), корпус (или кулачки), механизмы передачи крутящего момента и защиту от пыли. Различия из чего состоит ШРУС именно в механизмах передачи момента вращения.

Шариковые

На ведущем валу установлен шариковый подшипник, вдоль оси вала он может передвигаться с помощью шлицевого соединения. Крутящее усилие передается на ведомый вал с помощью шариков, перемещающихся в металлической чаше ведомого вала по специальным канавкам. Количество шариков в большинстве случаев 6 шт.

Детали ШРУСА ВАЗ-2109

Устройство шарикового ШРУСа:

1 – корпус, 2 – сепаратор, 3 – обойма, 4 – шарики.

Триподные

Устройство трипоидного ШРУСа

В трипоидных ШРУСах вместо шариковых подшипников используются три игольчатых или сферических подшипника. Они фиксируются на трех осях, внутренние обоймы принимают усилие от ведущего вала, внешние передают его на ведомый. Поверхность внешних обойм подшипников скользит по профилям корпуса, закрепленного на ведомом валу.

Спаренные карданные

Спаренный карданный ШРУС

Почти полностью идентичны карданному валу. Только вместо одной крестовины устанавливается две. Такое решение увеличивает плавность передачи момента и позволяет принимать его под большим углом между ведущей и ведомой осями.

Кулачковые

Кулачковый ШРУС

Ведущий и ведомый валы оканчиваются кулачками, запрессованными на торцы. Соединение полуосей делается специальным вкладышем, имеющиеся в нем профили позволяют изменять угол между полуосями во время вращения.

Кулачково-дисковые

Кулачково-дисковый ШРУС

Усовершенствованный вариант кулачковых. Для увеличения максимально возможного угла поворота полуосей используются два вкладыша, усилие между ними передается металлическим диском. Вкладыши позволяют полуосям перемещаться в горизонтальной плоскости, диск в вертикальной.

Устройство внутреннего ШРУСа

Одна полуось внутреннего ШРУСа соединяется на шлицах с шестерней в коробке передач и считается ведущей. Затем она передает вращение на внешний ШРУС и в этом механизме уже считается ведомой. В связи с тем, что КПП на двигателе фиксируется жестко, валы перемещаются ограниченно. Это позволяет делать шарнир более прочным за счет уменьшения степеней свободы.

Шарнирный механизм внутреннего типа состоит из полого корпуса (стакана), соединенного с ведущим валом. На внутренней поверхности стакана сделаны канавки для прохода шариков или внешних обойм игольчатых подшипников, сами подшипники установлены на ведущем вале. Корпус защищен резиновым пыльником. Внутренние ШРУСы устанавливаются и на заднеприводных автомобилях, если у них имеется независимая подвеска – они компенсируют вертикальные перемещения вала.

Устройство внутреннего (слева) и наружного (справа) ШРУСов

Устройство внутреннего (слева) и наружного (справа) ШРУСов

Устройство наружного ШРУСа

В нем ведомый вал от внутреннего ШРУСа считается ведущим, а ведомый вал на шлицах посажен на ступицу колеса. Принцип действия механизма идентичен с внутренним, но конструкторские решения имеют отличия. Вызвано это увеличенными углами поворота между ведущей и ведомой полуосями шарнира. В связи с этим меняется конфигурация канавок на ведомой полуоси. По типу используются различные варианты с учетом технических характеристик легковых или грузовых автомобилей. Еще одна проблема для конструкторов – наружный ШРУС следует ограничивать в размерах, в противном случае он опустится значительно ниже центра ступицы колеса. А это уменьшает клиренс автомобиля. Меньше размеры деталей – меньше площадь контакта рабочих поверхностей, больше усилия и меньше расчетный пробег.

Принцип работы ШРУСов

С помощью ШРУСа конструкторам удалось решить две проблемы карданных передач: неравномерность вращения ведущего и ведомого валов при изменении угла между осями и недостаточная степень свободы соединенных валов. Эти задачи почти полностью решает устройство. Как работает ШРУС рассмотрим на примере одного из наиболее современных распространенных типов – внешний шарикового типа.

Принцип работы шарикового ШРУСа

Схематично, как выглядит работа шарикового механизма, показано на анимации слева. Как видно, передача крутящего момента под углом решена с помощью перемещения шариков в канавках обоймы. При изменении угла относительного расположения осей шарики меняют свои позиции в канавках.

Вращательное усилие при помощи шлицевого соединения на валу передается на внутреннюю обойму шарикового подшипника. Осевые усилия компенсируются ее смещением по шлицам. Вращательное движение шариками передается на корпус шарнира, специальные канавки в нем позволяют перемещаться шарикам в зависимости от угла между ведущей и ведомой осью. Корпус жестко зафиксирован на ведомой оси. Расстояние между шариками удерживается сепаратором. От влаги и пыли механизм защищается резиновым пыльником.

Еще лучше понять принцип работы ШРУСов и других карданных шарниров, применяемых в автомобиле, поможет видео ниже, рекомендуем к просмотру:

Чаще всего в качестве внутренних ШРУСов применяются механизмы триподного типа. Причина в том, что трение скольжения в шлицах всегда больше трения качения в подшипниках. Шлицевое соединение оказывает заметное сопротивление осевому смещению вала, нагрузка передается на соединяемые детали. Для ступицы колеса такие усилия не считаются значимыми, поэтому шариковый ШРУС может использоваться без опасений. Для элементов коробки передач дополнительные осевые нагрузки крайне нежелательны. Именно для их устранения внутренние ШРУСы в своем большинстве триподного вида.

Трипоидный ШРУС

Трипоидный ШРУС

Достоинства и недостатки ШРУСов

Как и каждый механизм, ШРУС имеет свои сильные и слабые стороны. К достоинствам относится:

  • Возможность создания переднеприводных автомобилей и независимых подвесок;
  • Современные материалы и технологии позволяют увеличить гарантированный пробег до более 100 тыс. км;
  • Новые разработки увеличили максимальный угол оптимального функционирования до 70°;
  • Возросла равномерность передачи крутящего момента на ведущие колеса;
  • Минимальная вибрация и шумность на больших оборотах.

К недостаткам относится:

  • Ненадежная герметизация увеличивает риски попадания в механизм пыли и грязи;
  • По механической прочности ШРУСы уступают карданным валам;

  • При изменении угла нагрузки появляется неравномерное ее распределение между подшипниками или кулачками – повышается износ;
  • Высокая стоимость и малая ремонтопригодность.

Если вам понравился данный материал – рекомендуем ознакомиться с другими нашими статьями про устройство автомобиля. Например, недавно мы рассказывали про двигатель внутреннего сгорания и коробку передач в автомобиле.

Подписывайтесь на нас: Дзен Новости, Google News, ВКонтакте, Telegram, по RSS

Читайте также в нашем журнале:

Рубрики:

Последние новости: