Лев Шугуров

Сегодня у подавляющего большинства легковых моделей, выпускаемых мировыми автомобилестроительными фирмами, — передние ведущие колеса (с обязательной независимой подвеской). Угловое положение этих колес относительно главной передачи постоянно изменяется в двух плоскостях — по вертикали и по горизонтали.

У внедорожников и грузовиков повышенной проходимости ведущее и в то же время управляемое колесо должно не только передавать крутящий момент, но и поворачиваться. Следовательно, как и у переднеприводных автомобилей, между колесом и полуосью необходим шарнир. Обыкновенный карданный? Нет. И вот почему.

Шарниры равных угловых скоростей на «Рено-Р4»: наружный — сдвоенный простой кардан, внутренний — «Бендикс-Вейсс»

Любой карданный шарнир, установленный между ведущим элементом (полуосью) и ведомым (ступицей колеса), передает вращение циклически. При постоянной угловой скорости полуоси вращение колеса каждую четверть оборота то нарастает, то замедляется.

Такие пульсации приводят к возникновению периодически меняющихся инерционных нагрузок, которые резко увеличиваются при росте угла между ведущими и ведомыми элементами. Как следствие, в результате этих пульсирующих нагрузок ускоряется износ шарниров.

На автомобилях, где двигатель соединен с задним ведущим мостом валом с двумя карданными шарнирами, переменные нагрузки испытывает только этот карданный вал. Когда обе вилки вала лежат в одной плоскости, а углы ведущего вала с карданом и кардана с ведомым одинаковы, то к главной передаче пульсации, о которых шла речь, не передаются. К сожалению, при независимой подвеске колес добиться такого равенства углов не удается.

Представим себе автомобиль с передними ведущими колесами, подвешенными независимо одно от другого. Рычаги подвески практически никогда, вне зависимости от их конфигурации и конструкции, не обеспечивают упомянутого равенства углов, и на управляемое, перемещающееся в двух плоскостях колесо всегда будут передаваться пульсирующие нагрузки. Это означает, что необходимо специальное сочленение, которое скрадывало бы эти нежелательные пульсации.

Подобные сочленения называются шарнирами равных угловых скоростей (сокращенно — ШРУСами), а также синхронными или гомокинетическими шарнирами. Для машины с передними ведущими управляемыми колесами ШРУС — залог полноценного существования. Эти шарниры играют в конструкциях автомобилей такую же важную роль, как механизм перекоса винта в вертолете.

Полуоси переднеприводного «Кадиллак-Севиль» со ШРУСами на обоих концах. Шарниры защищены резиновыми чехлами

Простейшее решение — объединить два обычных карданных шарнира «спина к спине» так, чтобы ведомая вилка одного служила ведущий вилкой другого. Частота вращения валов на входе и выходе такого сдвоенного шарнира будет одинаковой, если, во-первых, внутренние вилки разместить в одной плоскости, а, во-вторых, если входной и выходной валы шарнира станут образовывать угол, на биссектрисе которого окажется точка пересечения осей его вилок. Для этого между вилками размещают два делительных рычажка со сферическим соединением.

Такой сдвоенный шарнир первоначально казался идеальной конструкцией. ШРУС имел хорошую долговечность (60-70 тыс. км), работал при углах до 45 градусов, но... был довольно громоздким и на ранних моделях переднеприводных легковых машин 20-х годов («Альвис-ФА», «Корд-Л29», «Миллер-91») не оставлял в ступице переднего колеса места для тормоза. (Приходилось выносить тормоз к картеру главной передачи.)

Однако год от года ШРУС в виде сдвоенного карданного шарнира совершенствовался, становился более компактным и в 60-е годы встречался и на «Рено-Р4», и на «Пежо-204». Но чаще всего этот шарнир находил применение на тяжелых переднеприводных грузовиках, например, таких, как МАЗ-509.

Одними из первых в 1932 г. подошли к разработке теоретических основ ШРУСов французы Жан-Альбер Грегуар и М. д’Оранж. При этом Ж.-А. Грегуар разработал и запатентовал собственную конструкцию ШРУСа, применявшуюся уже с 1925 г. на автомобилях «Тракта», конструктором которых он сам и являлся. Кулачковые шарниры «Тракта» получили в 20-30-е годы широкое распространение и использовались на переднеприводных моделях фирмы «Ситроен», «Штевер», ДКВ, «Адлер». Все эти компании должны были платить изобретателю «королевские сборы» — по 5 немецких марок за каждый автомобиль, оснащенный «грегуаровскими» шарнирами. Это означает, что только «Адлер» в течении лишь одного года выплачивал французу сумму, равную стоимости 20 своих машин.

ШРУСы кулачкового типа: вверху — «Тракта», внизу — более современный, кулачково-дисковый

Шарнир «Тракта» состоял из простых по механической обработке деталей — кулачков, которые соприкасались по довольно большим поверхностям. Следовательно, удельное давление на эти детали было невелико, а износ — мал. Кроме того, ШРУС «Тракта» хорошо работал при больших углах (до 50 градусов).

Дальнейшая эволюция сочленения «Тракта» привела к созданию кулачково-дискового шарнира, который нашел применение на тяжелых внедорожных грузовиках с постоянным, неотключаемым приводом на все колеса. Постоянная работа такого ШРУСа не приводила к чрезмерно большому износу деталей конструкции, а при мощном моторе низкий КПД практически не ощущался. Кулачково-дисковые шарниры можно увидеть на полноприводных грузовиках КрАЗ, Урал, КамАЗ.

Условия, которые поставил Грегуар, не устраивали, в частности, фирму ДКВ, изготовлявшую в середине 30-х годов по 30-40 тыс. малолитражек с передними ведущими колесами. Инженер фирмы Г. Юнг в 1931 г. разработал оригинальную разновидность сдвоенного шарнира. Этот ШРУС получился очень компактным и применялся на довоенных моделях ДКВ и «Ауди», а также на джипах «Хорьх» и закончил свою карьеру на машинах «Трабант» производства ГДР.

Недостатки сдвоенных шарниров и ШРУСов кулачкового типа были преодолены в 20-е годы, когда два изобретателя Карл Вейсс, а затем Альфред Рцеппа создали шариковые ШРУСы.

Сдвоенный шарнир Ганса Юнга

Шарнир Вейсса, придуманный и запатентованный в 1923 г., передает крутящий момент шариками. На внутренней поверхности вилок сделаны четыре канавки полукруглого сечения, которые лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях. Там, где канавки обеих вилок перекрещиваются, находится шарик. Средние линии канавок равноудалены от центра шарнира и при его вращении образуют две сферические поверхности, которые пересекаются по окружности. Эта окружность лежит в плоскости биссектрисы того угла, под которым располагаются вилки шарнира. Центры шариков всегда лежат в этой плоскости, чем и обеспечивается равномерность вращения. Чтобы исключить осевое смещение вилок, ведущее к изменению плоскости катания шариков, в ШРУС «Вейсс» введен центрирующий шарик, который иногда фиксируется штифтом.

Патент на столь «хитрую» конструкцию купила американская фирма «Бендикс», и в годы второй мировой войны «виллисы», «студебекеры», «доджи» комплектовались ШРУСами «Бендикс-Вейсс». Шарниры такого типа получили широкое распространение и в отечественном автомобилестроении (ГАЗ-69, УАЗ-469, ГАЗ-66, ЗИЛ-131, БТР-70).

Сочленения «Бендикс-Вейсс» очень технологичны и дешевы в производстве, имеют высокий КПД и обеспечивают угол между вилками не более 35 градусов. Высокие контактные напряжения в зоне шарик-канавка (только два шарика передают крутящий момент в каждое мгновение) заметно сокращают срок службы этих ШРУСов (15-25 тыс. км).

Шариковые ШРУСы: вверху — «Бендикс-Вейсс», внизу — «Рцеппа»

Другой изобретатель, Альфред Рцеппа, в 1927 и 1936 гг. оформил два патента на шариковый ШРУС, в котором крутящий момент передавался шестью шариками, которые работали по равнорасположенным канавкам полукруглого сечения. Специальный делительный рычажок, соединенный с охватывающим шарики сепаратором, постоянно выставляет его в биссекторной плоскости. Более долговечный (100-200 тыс. км) шарнир Рцеппа, который может работать при углах до 40 градусов, вдобавок и компактней, чем ШРУС «Бендикс-Вейсс». Неудивительно, что именно эта конструкция получила наибольшее распространение на современных переднеприводных автомобилях. Различные фирмы («Бирфильд», «Сэгиноу», ГКН, «Льобро») приобрели лицензии на производство «рцепповских» шарниров. Вторичную лицензию приобрел в 1975 г. и ВАЗ для производства «Нивы» и переднеприводных моделей.

Дальнейшее развитие идей А. Рцеппы представляют собой шарниры с тремя сферическими роликами («Льобро», «Трипод», «Уникардан»). Здесь удалось упростить конструкцию и отказаться от делительного рычажка. Канавки (с измененным сечением), теперь разместили не параллельно оси шарниров, а под углом к ней.

Сегодня мы можем с уверенностью говорить, что право на жизнь в трансмиссии легковых переднеприводных моделей завоевали шарниры «Рцеппа» и производные от них, а на мощных тяжелых переднеприводных автомобилях — кулачково-дисковые сочленения или сдвоенные карданы.

"АВТОМОБИЛИ", 1998