При первых попытках создания полно- и переднеприводных автомобилей конструкторы столкнулись с весьма серьезной проблемой: как передавать крутящий момент от дифференциала к колесам. Карданные шарниры с крестовинами не могли в одиночку выполнять эту функцию, так как при малейшей несоосности сопряженных валов угловая скорость вращения ведомого, расположенного под углом, не равным 180°, к ведущему, неравномерна: она то увеличивается, то снижается в пределах оборота. Соответственно, если ведомым валом является полуось, колесо тоже вращается неравномерно, а значит, заметно увеличиваются нагрузки на детали, интенсивно изнашиваются шины и снижается уровень комфорта.

Установка двух таких шарниров неравных угловых скоростей, как в случае с карданным валом, тоже не спасала ситуацию. Шарниры с крестовинами способны эффективно работать под углами до 45° но, углы между валами – ведущим с промежуточным и ведомым с промежуточным – при этом должны быть одинаковыми. Соблюсти последнее условие в случае с передне- или полноприводными автомобилями невозможно, так как углы между ведомым и ведущим валами привода управляемых колес изменяются не только в вертикальной плоскости, но и в горизонтальной.

Словом, классическому шарниру неравных угловых скоростей, который используется в карданной передаче, пришлось искать замену. Многие инженеры минувшего века усердно работали над созданием шарнира равных угловых скоростей. Было разработано много конструкций, однако в последние десятилетия наибольшее распространение получили четыре типа ШРУСов, конструктивно отличающиеся между собой: кулачково-дисковый; четырехшариковый типа «Вейсс»; универсальные шестишариковые типа «Рцеппа»; трехшиповые типа «Трипод».

Кулачки и диски

В середине 20-х годов прошлого века француз Жан-Альбер Грегуар одним из первых разработал и запатентовал конструкцию шарнира равных угловых скоростей. ШРУС, получивший имя «Тракта», состоит из двух кулаков (отсюда и название – кулачковый), включающих в себя четыре штампованные детали – две вилки и два фасонных диска, и входящих в зацепление между собой. Площадь поверхности контакта получается большой, благодаря чему детали испытывают небольшие по сравнению со сдвоенным карданным шарниром нагрузки и могут работать под достаточно большими углами – до 50°. В 20 – 30-е годы конструкция использовалась во многих европейских переднеприводных автомобилях – Citroёn, Adler, DKV, Shtever. Последнее время шарнир «Тракта» широко применяется в зарубежных автомобилях большой грузоподъемности.

Позже шарнир «Тракта» был модернизирован в кулачково-дисковую конструкцию. Она оказалась более «силовой» и применялась в тяжелых полноприводных грузовиках с постоянным неотключаемым полным приводом. Кулачково-дисковые ШРУСы и по сей день используются на полноприводных КамАЗах, КрАЗах, «Уралах».

Кулачково-дисковый ШРУС состоит из двух кулаков, двух вкладышей и диска. У вкладышей обработанные наружные цилиндрические шейки, а внутри – пазы с плоскими боковыми поверхностями. Цилиндрические шейки вкладышей охватываются кулаками, а диск входит в пазы. При такой конструкции каждая полуось может поворачиваться относительно оси диска и шеек вкладышей, то есть в двух перпендикулярных направлениях, как в карданном шарнире неравных угловых скоростей. Таким образом, кулачково-дисковый шарнир состоит как бы из двух карданных шарниров, благодаря чему внутренняя и наружная полуоси вращаются с одинаковыми угловыми скоростями. При использовании кулачково-дискового шарнира максимальный рабочий угол между валами составляет 45°.

КПД кулачковых шарниров значительно ниже, чем других ШРУСов, так как их детали работают в условиях трения скольжения, а не качения. В процессе эксплуатации они могут перегреваться, а при нерегулярном смазывании на рабочих поверхностях появляются задиры.

Уже не один десяток лет кулачковые и кулачково-дисковые ШРУСы в легковых автомобилях не используют из-за низкого КПД и из соображений компоновки: у них большие габариты и вес.

Четыре плюс один

Некоторых недостатков предыдущих конструкций сумел избежать инженер Карл Вейсс. В 20-е годы он изобрел свой шариковый шарнир равных угловых скоростей (запатентован в 1923 году), в котором крутящий момент передается с помощью шариков. Равномерность вращения в нем обеспечивается благодаря одинаковым расстояниям между канавками и центром шарнира. Центры четырех шариков всегда лежат в биссекторной плоскости. Биссекторная плоскость – плоскость, которая проходит через биссектрису угла между стыкуемыми валами и перпендикулярна плоскости, образованной осями этих валов. Для исключения смещения вилок предусмотрен центрирующий пятый шарик.

Конструкция этого ШРУСа включает в себя два кулака, в которых по определенной дуге сделаны канавки. Четыре шарика располагаются на пересечении симметрично расположенных канавок в биссекторной плоскости. Интересно, что при движении автомобиля вперед усилие передается одной парой шариков, а при движении назад – другой.

Четырехшариковый шарнир типа «Вейсс» устанавливался на многих советских полноприводных автомобилях – УАЗ-469, ГАЗ-66, ГАЗ-69, ЗИЛ-131, а также на большинстве зарубежных машин повышенной проходимости 40 – 60 годов выпуска – американских «Виллисах» и «Студебеккерах».

Широкое распространение шарниры Вейсса получили благодаря низкой трудоемкости изготовления, простоте конструкции, а значит, и низкой стоимости. Однако при этом ШРУС данного типа имеет серьезные недостатки: он работает при углах до 32 градусов, а из-за большой контактной нагрузки, которая приходится всего на два шарика, соответственно, и на две канавки, его ресурс не превышает 30 000 км.

Шестишариковый

В шарнире Альфреда Рцеппа (запатентован в 1927 году) крутящий момент передают шесть шариков. Именно эта конструкция наиболее популярна у создателей легковых автомобилей: она оказалась самой совершенной и долговечной.

Конструктивно базовый шарнир «Рцеппа» состоит из следующих основных элементов: корпуса (сферической чашки с ведомым валом), внутренней обоймы (сферического кулака с ведущим валом), делительного рычажка, сепаратора, удерживающего шесть шариков. Они располагаются в меридианальных канавках полукруглого сечения, которые сделаны на внутренней сферической поверхности корпуса и во внутренней обойме. При наклоне валов шарики устанавливаются в биссекторной плоскости при помощи делительного рычажка, поворачивающего сепаратор (см. рис. справа).

ШРУС с делительным рычажком работает при углах до 37°. Благодаря передаче усилия через шесть шариков небольшой ШРУС способен передавать внушительные крутящие моменты. Данная конструкция довольно надежна, характеризуется высоким КПД, но при этом она весьма дорогая. Стоимость обусловлена сложностью изготовления: чтобы обеспечивать передачу усилий всеми шариками одновременно, необходима высокоточная токарная и фрезерная обработка деталей.

Расширение «модельного ряда» шарниров этого типа произошло после того, как патент на их производство приобрели различные компании, например, GKN и Lo..bro. Каждая из них по-своему решила усовершенствовать, а точнее, упростить конструкцию, что и стало причиной появления шарниров типа «Бирфильд», «ГКН» (GKN), и «Лебро» (Lo..bro).

В шарнире «Бирфильд» требуемого перемещения шариков в канавках при изменении угла между валами добились путем проточки в кулаке и чашке канавок с переменной глубиной. Их нарезали по радиусам, центры которых смещены в разные стороны относительно плоскости, в которой располагаются шарики. Таким образом удалось добиться пропорционального перемещения сепаратора с шариками относительно кулака и чашки. Кроме того, профиль сечения канавок выполнен не по дуге окружности, а по эллипсу, что позволило предохранить кромки канавок от сминания и скалывания. Данный шарнир имеет высокий КПД – от 95 до 99% (в зависимости от угла поворота) и способен работать под углами до 45°.

Шарнир «ГКН» отличается от предшественника тем, что в чашке и кулаке канавки эллиптического сечения прорезаны продольно, параллельно оси их валов. Сепаратор и кулак имеют сферические поверхности. При этом сферическая наружная часть сепаратора переходит в коническую (под углом 10°). Установка шариков в требуемой биссекторной плоскости при появлении несоосности валов обеспечивается благодаря смещенным центрам наружной и внутренней сфер сепаратора.

Шарнир типа «Лебро» (Lo..bro) отличается от «ГКН» тем, что канавки в чашке и кулаке нарезаны под углом 15-16° к образующей цилиндра, а геометрия сепаратора правильная – без каких-либо конусов и с параллельными наружной и внутренней сторонами. У данного шарнира меньшие размеры, чем у других шестишариковых шарниров. Есть и другие преимущества. Сепаратор не выполняет функции смещения шариков кулаков, менее нагружен, поэтому требования к точности его изготовления ниже. Имеющийся фланцевый разъем шарнира усложняет конструкцию, однако облегчает ее сборку и установку. КПД такого шарнира – около 0,99 (при угле выворота 10°).

Шарниры из семейства «Рцеппа» достаточно дороги, но долговечны и могут «пробежать» от 100 000 до 200 000 км.

Трехшиповой

Трехшиповой шарнир типа «Трипод» также является производным от «Рцеппа», однако его конструкция серьезно отличается от предшественника. Он применяется на легковых и грузовых автомобилях малой грузоподъемности. Трехшиповые шарниры бывают двух видов: жесткие и универсальные. Первые могут передавать крутящий момент при углах между валами до 43°, но при этом не допускают осевых перемещений, из-за чего их и назвали «жесткими». Используются они в качестве наружных ШРУСов.

Универсальные трехшиповые ШРУСы допускают перемещения вдоль оси, что необходимо для компенсации колебаний передней подвески и силового агрегата при езде по неровностям. С другой стороны, эти шарниры могут работать при небольших углах – до 25°, поэтому чаще всего используются в качестве внутренних ШРУСов.

Конструктивно жесткий и универсальный трехшиповые шарниры похожи.

Жесткий шарнир состоит из корпуса (сделанного как единое целое с валом), в котором шипы закреплены под углом 120°. На них установлены ролики с шаровой поверхностью, которые могут вращаться. Внутри корпуса расположена вилка с выходным валом, в которой для перемещения шипов с роликами проделаны три паза цилиндрического сечения. Торцевая поверхность вилки сферическая, что позволило получить больший рабочий угол между сопряженными валами.

Универсальный шарнир состоит из корпуса, трех роликов, надетых на пальцы «трехшиповика», напрессованного на шлицевую часть вала шарниров. Ролики на пальцах «трехшиповика» сидят на игольчатых подшипниках. Во внутренней части корпуса сделаны канавки под ролики, что, собственно, и обеспечивает необходимый угол поворота внутреннего шарнира, а также позволяет ШРУСу перемещаться в продольном (вдоль оси) направлении. Данные шарниры достаточно долговечны и используются, например, на «Тавриях» в качестве внутренних ШРУСов.