Шарнир равных угловых скоростей

Шарнир равных угловых скоростей (ШРУС) — это механическое устройство, предназначенное для передачи вращательного момента между двумя валами, оси которых расположены под углом друг к другу, при условии обеспечения равенства угловых скоростей ведущего и ведомого валов. В отличие от простых карданных шарниров (шарниров Гука), которые при работе под углом создают неравномерность вращения (пульсации скорости), ШРУС обеспечивает синхронное вращение, что критически важно для привода управляемых колёс автомобиля.

История

Первые попытки создания шарнира, передающего вращение под углом без потери равномерности, относятся к началу XX века. В 1920-х годах французский инженер Пьер Феней (Pierre Fenaille) разработал конструкцию, впоследствии лёгшую в основу современных ШРУСов. Однако массовое применение стало возможным благодаря американскому изобретателю Альфреду Ржеппу (Alfred Rzeppa), который в 1926 году запатентовал шарнир с шестью шариками, работающими в канавках. Эта конструкция, известная как «шарнир Ржеппа», до сих пор является одной из самых распространённых.

В 1950-х годах швейцарский инженер Карл Вайсс (Karl Weiss) предложил альтернативную конструкцию с четырьмя шариками, которая получила название «шарнир Вайсса». В СССР и России разработка и внедрение ШРУСов начались в 1960-х годах, в первую очередь для автомобилей повышенной проходимости (например, ГАЗ-69, УАЗ-469) и переднеприводных моделей (ВАЗ-2108). С развитием переднеприводных автомобилей в 1970–1980-х годах ШРУС стал обязательным элементом трансмиссии большинства легковых автомобилей.

Классификация

ШРУСы классифицируют по нескольким признакам: конструктивному исполнению, количеству шариков (или роликов) и области применения.

По конструктивному типу

1. Шариковый ШРУС (тип Ржеппа). Наиболее распространённый тип. Состоит из наружной и внутренней обойм с канавками, между которыми размещены шарики, удерживаемые сепаратором. Обеспечивает углы до 45–50°.
2. ШРУС с тремя шипами (триподный). Внутренняя обойма имеет три шипа, на которые надеты ролики (игольчатые подшипники). Ролики перемещаются в пазах наружной обоймы. Используется в основном как внутренний шарнир, допускающий осевое перемещение (компенсация изменения длины привода). Рабочий угол — до 20–25°.
3. Кулачковый (дисковый) ШРУС. Состоит из двух вилок и диска с прорезями. Обеспечивает большие углы (до 50°) и высокую прочность, но имеет низкий КПД и шумную работу. Применяется в грузовой и специальной технике.
4. Сдвоенный карданный шарнир. Два карданных шарнира, соединённые промежуточным валом, при определённом расположении могут обеспечивать равную угловую скорость. Используется в рулевом управлении (карданные валы рулевых колонок).

По расположению в приводе

1. Внутренний шарнир. Устанавливается со стороны коробки передач (дифференциала). Обычно допускает осевое перемещение (компенсация хода подвески) и работает при меньших углах (до 20–25°).
2. Наружный шарнир. Устанавливается со стороны ступицы колеса. Работает при больших углах (до 45–50°) и не допускает осевого перемещения.

Устройство и принцип работы

Основной элемент любого ШРУС — это система тел качения (шариков или роликов), размещённых в специальных направляющих канавках. Принцип работы основан на том, что точки контакта тел качения с обоймами всегда лежат в плоскости, делящей угол между валами пополам (биссекторной плоскости). Это обеспечивает равенство угловых скоростей.

Конструкция шарикового ШРУС (типа Ржеппа)

• Наружная обойма (корпус). Деталь, соединённая с валом (например, с полуосью). Имеет внутренние канавки определённой формы (как правило, эллиптические или с постоянным радиусом).
• Внутренняя обойма (сепараторная втулка). Деталь, соединённая с другим валом. Имеет наружные канавки, соответствующие канавкам наружной обоймы.
• Шарики. Стальные закалённые шарики (обычно 6 штук), размещённые в канавках обойм.
• Сепаратор. Кольцо с отверстиями, удерживающее шарики на равном расстоянии друг от друга и направляющее их движение.

При повороте вала шарики перекатываются по канавкам, при этом сепаратор поворачивается так, чтобы шарики всегда находились в биссекторной плоскости. Это обеспечивает передачу вращения без рывков.

Конструкция триподного ШРУС

• Корпус (стакан). Имеет три продольных паза.
• Внутренняя обойма (трипод). Три шипа, расположенных под углом 120°.
• Ролики. Игольчатые подшипники, надетые на шипы трипода. Ролики могут перемещаться в пазах корпуса, обеспечивая как вращение, так и осевое смещение.

Применение

Основная область применения ШРУС — автомобильная промышленность. Они являются неотъемлемой частью трансмиссии:

• Переднеприводные автомобили. ШРУСы используются в приводах передних колёс, где необходимо передавать крутящий момент от дифференциала к колёсам, которые одновременно поворачиваются и перемещаются в вертикальной плоскости (из-за работы подвески). Внутренний шарнир (обычно триподный) компенсирует изменение длины привода, наружный (шариковый) — обеспечивает поворот колеса.
• Заднеприводные автомобили с независимой подвеской. ШРУСы применяются в приводах задних колёс, где они работают при меньших углах, но компенсируют ходы подвески.
• Полноприводные автомобили. ШРУСы используются как в передних, так и в задних приводах, а также в карданных передачах (например, в раздаточных коробках).
• Сельскохозяйственная и строительная техника. ШРУСы применяются в приводах колёс тракторов, комбайнов, погрузчиков, где требуется передача больших крутящих моментов при значительных углах поворота.
• Промышленные приводы. В станках, роботах, конвейерах, где необходимо передавать вращение под углом.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Равномерность вращения. Отсутствие пульсаций скорости, что снижает вибрации и шум, повышает комфорт и долговечность трансмиссии.
• Высокий КПД. Потери на трение в ШРУС (особенно шариковом) минимальны — до 95–98%.
• Компактность. ШРУС значительно компактнее сдвоенных карданных шарниров.
• Большой рабочий угол. Шариковые ШРУСы допускают углы до 45–50°, что необходимо для поворота колёс.

Недостатки

• Сложность конструкции и высокая стоимость изготовления. Требуется высокая точность обработки деталей.
• Чувствительность к загрязнениям. ШРУС требует надёжной защиты (пыльник, смазка). Попадание абразива (песка, воды) быстро выводит шарнир из строя.
• Ограниченный ресурс. При интенсивной эксплуатации (частые повороты, большие углы, высокая нагрузка) ресурс ШРУС может составлять 100–150 тыс. км пробега.
• Необходимость регулярного обслуживания. Замена смазки и пыльников.

Интересные факты

• В автомобильной среде ШРУС часто называют «гранатой» из-за внешнего сходства наружной обоймы с корпусом ручной гранаты.
• Первый серийный автомобиль с передним приводом и ШРУСами — Citroën Traction Avant (1934 год).
• В СССР ШРУСы впервые массово применили на автомобиле ВАЗ-2108 «Спутник» (1984 год), что стало революцией для советского автопрома.
• В гоночных автомобилях (например, в Формуле-1) используются ШРУСы с керамическими шариками для снижения веса и повышения износостойкости.

Источники

• Артамонов М. Д., Иларионов В. А., Морин М. М. Основы теории и конструкции автомобиля. — М.: Машиностроение, 1974.
• Гришкевич А. И. Автомобили: Теория. — М.: Высшая школа, 1991.
• Патент США № 1,665,280 (Alfred H. Rzeppa, 1926).
• Патент США № 2,046,584 (Karl Weiss, 1936).
• Руководство по ремонту и эксплуатации автомобилей ВАЗ. — Тольятти: АВТОВАЗ, 2005.