Преимущества переднего и полного привода над задним были понятны конструкторам еще 100 лет назад, но уже первые попытки реализации наиболее удачного конструкторского решения выявили проблему передачи крутящего момента к колесам. Привычные карданные шарниры не годились, так как при несоосности сопряженных валов угловая скорость вращения ведомого «пульсирует». Это потребовало изобретения шарниров нового типа, обеспечивающих равномерное вращение валов. Общее название подобных узлов – шарниры равных угловых скоростей – сокращенно ШРУС.
Проще всего соединить два обычных карданных шарнира «спиной к спине», чтобы ведомая вилка одного служила ведущей вилкой другого. Частота вращения валов на входе и выходе такого сдвоенного шарнира будет одинаковой, если внутренние вилки разместить в одной плоскости и если входной и выходной валы шарнира образуют угол, на биссектрисе которого окажется точка пересечения осей его вилок. Для этого между вилками размещают два делительных рычажка со сферическим соединением.
Такой ШРУС был прост в изготовлении, работал при углах до 45°, но оказался громоздким, не оставлял в ступице колеса места для тормоза, так что приходилось выносить его к картеру главной передачи. Поэтому уже в 20-х годах прошлого столетия появились патенты на более сложные шарниры. При всем многообразии решений в шарнирах равных угловых скоростей всегда выдерживается общий принцип: точки контакта, через которые передаются окружные силы, должны находиться в плоскости, проходящей через биссектрису угла между валами.
До сих пор не удалось изобрести ШРУС, который бы отрабатывал одновременно и продольное смещение полуоси и изменение углового направления, поэтому применяются пары ШРУСов. Внутренние шарниры связаны с КПП и компенсируют смещения силового агрегата, а внешние закреплены на колесе и отвечают непосредственно за поворот.
В наши дни подавляющее большинство ШРУСов базируется на патенте Альфреда Рцеппы. В классическом варианте шарнир состоит из корпуса (сферической чашки с ведомым валом), внутренней обоймы (сферического кулака с ведущим валом), делительного рычажка и сепаратора, удерживающего шесть шариков. Они лежат в канавках полукруглого сечения, которые сделаны на внутренней поверхности корпуса и на поверхности обоймы. При наклоне валов шарики устанавливаются в биссекторной плоскости при помощи делительного рычажка, поворачивающего сепаратор.
ШРУС Рцеппы работает при углах до 37°, компактен и способен передавать солидный крутящий момент. Данная конструкция надежна, имеет высокий КПД, но при этом довольно дорога по причине высокой точности обработки деталей.
Внутренние и наружные шариковые ШРУСы конструктивно отличаются, что легко объясняется теми задачами, которые они решают: дорожки под шарики во внутреннем шарнире прямые, а в наружном радиусные.
Существует несколько более эффективных разновидностей шарнира Рцеппы. Так, наружный ШРУС Birfield отличается переменной глубиной канавок и эллиптическим профилем их сечения. Это повысило долговечность узла и увеличило предельный угол поворота до 45°.
У шарнира GKN в чашке и кулаке канавки эллиптического сечения прорезаны параллельно осям валов. При этом сферическая наружная часть сепаратора переходит в коническую. Установка шариков в биссекторной плоскости при появлении несоосности валов происходит благодаря смещенным центрам наружной и внутренней сфер сепаратора. В шарнире Loebro канавки в чашке и кулаке нарезаны под углом 15 – 16° к образующей цилиндра, а геометрия сепаратора правильная (без конусов).
ШРУС Loebro компактнее других шариковых шарниров, и его сепаратор менее нагружен, поскольку не отвечает за смещение шариков.
Дальнейшим развитием идей Рцеппы стали ШРУСы типа Tripod. В них крутящий момент передают три сферических ролика, которые насажены на шипы крестовины, связанной с ведущим валом и скользят в цилиндрических пазах вилки ведомого вала. Ролики всегда находятся в биссекторной плоскости шарнира. Tripod технологически проще шариковых ШРУСов, но его кинематика не обеспечивает полной синхронности передачи вращения. Как правило, шарниры Tripod применяются на коммерческих автомобилях и микроавтобусах.
Как и шариковые шарниры, «Триподы» делятся на внешние (жесткие) и внутренние (универсальные). Первые передают момент при углах между валами до 43°, но совершенно не допускают осевых перемещений. Вторые допускают перемещения вдоль оси для компенсации колебаний подвески и силового агрегата, но также могут работать при небольших углах.
Жесткий шарнир состоит из корпуса, соединенного с входным валом. В корпусе неподвижно закрепляется трехлучевая опора, на концах которой установлены вращающиеся ролики с шаровой поверхностью. Внутрь корпуса вставлена вилка с выходным валом, в которой для перемещения по роликам 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 опоры, напрессованной на шлицевую часть выходного вала. Во внутренней части корпуса сделаны канавки под ролики, что обеспечивает необходимый угол поворота внутреннего шарнира, а также позволяет опоре перемещаться в продольном направлении. Часто такие шарниры используют в качестве внутренних в сочетании с внешними ШРУСами иных типов.
Как уже было сказано, современные ШРУСы – изделия долговечные. Но высокая точность изготовления означает требовательность к смазке и нетерпимость к загрязнению. Герметичность ШРУСа обеспечивается гофрированным резиновым пыльником. Со временем резина теряет эластичность и рвется. Легко повредить пыльник при движении по плохим дорогам, поэтому на внедорожниках пыльники нередко закрывают дополнительным кожухом. Место пробоя пыльника легко обнаружить по масляному пятну.
Хороший ШРУС без нарушения герметичности проходит 100 – 150 тысяч км. За это время интенсивные нагрузки приводят к истираниям в местах сопряжения деталей. У шариков появляется свободный ход, и шарнир начинает характерно хрустеть. Если хруст раздается при движении прямо, то замены требует внутренний ШРУС, если при поворотах – внешний.
При наличии ямы в гараже можно провести самостоятельный ремонт ШРУСа. Однако при низкой квалификации механика этот ремонт рискует стать нескончаемым. Дело в том, что ШРУСы на заводе балансируются индивидуально, поэтому при их разборе нужно четко маркировать все детали. ШРУСы левого и правого колеса не будут взаимозаменяемыми, также невозможно собрать один ШРУС из деталей нескольких других. Хомуты, стягивающие пыльники, и гайки, крепящие шарниры, по сути, являются одноразовыми и при установке узла назад нужно использовать новые. При замене пыльника необходимо поменять и смазку в ШРУСе: большую часть распределить по шарниру и немного смазать внутреннюю поверхность пыльника, чтобы при сжатии эта часть смазки попадала и на шарнир тоже. И, конечно же, следить, чтобы внутрь пыльника не попадала грязь и вода, иначе все усилия будут напрасными.
Текст: Серик Туленов