Przeguby
w układach napędowych
Przeguby służą do przekazywania momentu o-
brotowego z jednego wału na inny, w przypadkach gdy osie obrotu tych wałów są do siebie nachylone. Wał napędowy jest nachylony do osi wałka głównego skrzynki biegów oraz do osi wałka napędzającego przekładnię główną. Dlatego jego prawidłowa praca, niezależnie od zmian położenia mostu, jest możliwa tylko przy zastosowaniu przegubów. Przeguby umożliwiające szczególnie duże kąty załamania potrzebne są do przekazywania napędu na przednie — kierowane — koła samochodu. Oś koła zmienia bowiem swoje położenie nie tylko wskutek pracy zawieszenia (uresorowania) samochodu, ale też ulega znacznym odchyleniom wskutek skręcania kół na zakręcie.
Istnieją różne konstrukcje przegubów. Ze względu na ich własności kinematyczne dzielimy je na proste i równobiezne (homokinetyczne).
Przeguby proste iimożliwiają przekazywanie momentu obrotowego przy zmiennym kącie załamania, jednak chwilowe prędkości obrotowe elementów przed i za przegubem nie są równe. Jeżeli element napędzający przegubu obraca się ze stałą prędkością obrotową, to prędkość obrotowa elementu napędzanego jest zmienna i zmienia się sinusoidalnie tak, że dwa pełne okresy jej zmian przypadają na każdy obrót wału.
Przeguby równobiezne charakteryzują się tym, że prędkości obrotowe elementów przed i za przegubem są w każdej chwili równe.
Najczęściej spotykanym przegubem prostym jest przegub krzyżakowy. Na rys. 13.5 przedstawiono zasadę działania takiego przegubu. Na końcach wałów napędzającego i napędzanego znajdują się rozwidlone końcówki — tzw. widełki, połączone ze sobą krzyżakiem. Czopy krzyżaka są ułożyskowane w ramionach widełek. Widełki na wale napędzanym mogą obracać się o pewien kąt względem osi A—A krzyżaka, a jednocześnie wraz z krzyżakiem mogą obracać się względem osi B—B. Dlatego połączenie takie umożliwia przenoszenie momentu obrotowego z wału napędzającego na wał napędzany, mimo że ich osie tworzą ze sobą pewien kąt, zwany kątem załamania przegubu.
Rozwiązanie konstrukcyjne przegubu krzyżakowego przedstawiono na rys. 13.6. Czopy krzyżaka osadzone są w ramionach widełek w specjalnych gniazdach 2, tzw. szklankach, na łożyskach igiełkowych 4. Niekiedy stosuje się też łożyska ślizgowe. Widełki wykonane są jako odkuwki i mogą być przyspawane do rury wału (rys. 13.3) bądź tworzyć całość z jego krótszą częścią. Widełki z kołnierzem mocującym odkuwane są z reguły jako jedna całość. Łożyska krzyżaka oraz jego powierzchnie oporowe, przenoszące siły promieniowe, smaruje się przez centralnie umieszczoną smarowniczkę.
Przegub krzyżakowy jest przegubem prostym, ponieważ prędkość kątowa wału napędzanego zmienia się mimo stałej wartości prędkości kątowej wału napędzającego. Na rys. 13.7 przedstawiono schematycznie prze-
gub krzyżakowy załamany pod kątem y, w dwóch położeniach: a) gdy widełki wału napędzającego ustawione są w płaszczyźnie osi wałków oraz b) gdy widełki wału napędzającego są obrócone w stosunku do poprzedniego położenia o 90°. Określimy wartość prędkości kątowej wału napędzanego eo2 w obydwu przedstawionych na rysunku położeniach przegubu zakładając, że prędkość wału napędzającego jest stała.
Prędkości obwodowe punktów A i B są równe i wynoszą
*>A = VB — * rl = w2 ' r2
W przypadku a promień rx jest równy połowie rozstawu ramion widełek, natomiast promień r2 = rx cos y. Wobec tego w tym przypadku
cax • rx = co2 • rx cos y
W przypadku b promień r2 jest równy polowie rozstawu ramion widełek, natomiast promień rx = r2 cos y. Podstawiając otrzymujemy
2 • r2
czyli
co2 = 6)x • cos y
Ponieważ dla y # 0 zawsze cos y < 1, więc:
w przypadku a cox
w przypadku b co2 < cox
Prędkości kątowe w2 określone wzorami 13.2 i 13.3 odpowiadają położeniom przegubu przedstawionym na rys. 13.7a i b i stanowią wartości graniczne, pomiędzy którymi zmienia się cyklicznie wartość prędkości kątowej co2 w miarę obracania się wału. Na rys. 13.8 przedstawiono wykres zmian prędkości kątowej wału napędzanego oo2 w stosunku do prędkości kątowej wału napędzającego toj w zależności od kąta obrotu wału napędzającego ax. Jak widać, na pełny obrót wału przypadają dwa okresy zmian prędkości kątowej.
Na podstawie zależności geometrycznych można wyprowadzić wzór określający w sposób ciągły funkcję przedstawioną na rys. 13.8. Wzór taki ma postać
w2 = i 2-2 0)1 O3-4)
1 — cos*5 sin2 v
W układach napędowych samochodów kąty załamania przegubów są niewielkie i w związku z tym procentowe zmiany prędkości wału też nie są duże. Niemniej mogą one wywołać niekorzystne obciążenia dynamiczne układu napędowego, wpływające na obniżenie trwałości zespołów.
Aby zmiany prędkości kątowej wywołane pracą przegubu krzyżakowego nie przenosiły się na inne zespoły, wały napędowe wyposaża się w dwa przeguby, na obydwu ich końcach, przy czym widełki przegubów ustawia się w ten sposób, by zmiany prędkości wywołane pracą jednego przegubu były kompensowane przez drugi przegub. Muszą być przy tym spełnione następujące warunki:
widełki obu przegubów związane z wałem muszą leżeć w tej samej płaszczyźnie (rys. 13.9),
kąty załamania y obydwu przegubów muszą być równe.
Wówczas wał napędowy obraca się ze zmienną prędkością, ale znajdujący się za drugim przegubem wałek napędzający przekładnię główną obraca się już z taką samą prędkością, jak wałek główny skrzynki biegów, napędzający pierwszy przegub.
Możliwość skompensowania nierównobieżności wałów przez zastosowanie dwóch takich samych przegubów odpowiednio ustawionych wykorzystano przy konstruowaniu przegubu homokinetycznego (równobieżnc-go), stanowiącego połączenie dwóch prostych przegubów krzyżakowych — czyli tzw. przegubu dwukrzyżakowego. Zasadę działania takiego przegubu ilustruje rys. 13.10. Przykład konstrukcji takiego przegubu, stosowa-
nego do napędu przednich kół samochodu Citroen, przedstawiono na rys. 13.11. Wewnętrzne widełki przegubu stanowią tu jedną część, spełniającą jednocześnie zadanie skróconego do minimum wału pośredniego. Jednakowe kąty załamania na obydwu krzyżakach, niezależnie od wartości całkowitego kąta załamania przegubu, uzyskano przez zastosowanie elementów środkujących przegub — czopów zakończonych współpracującymi ze sobą kulistymi powierzchniami — zewnętrzną i wewnętrzną.
Przeguby dwukrzyżakowe, ze względu na dość złożoną konstrukcję, są rzadko stosowane. Klasyczne już konstrukcje przegubów homokinc-tycznych, stosowane w samochodach do napędu kół kierowanych, to przeguby Weissa, Rzeppa i Tracta oraz szeroko ostatnio stosowane przeguby Birfielda, stanowiące udoskonaloną odmianę przegubu Rzeppa.
Przegub Weissa (rys. 13.12) jest przegubem kulowym. Cztery kule przenoszące moment obrotowy toczą się w odpowiednio ukształtowanych prowadnicach wykonanych w widełkach części napędzającej i napędzanej przegubu. Prowadnice ukształtowane są w ten sposób, że przy względnym przesunięciu widełek kule ustawiają się tak, że płaszczyzna przechodząca przez środki kul dzieli na połowę kąt między walami napędzającym i napędzanym. Dzięki temu prędkość kątowa walu napędzającego i napędzanego jest zawsze jednakowa. Piąta kula — z dodatkowym otworem — służy do środkowania widełek. Ustala się ją w określonym położeniu za pomocą kołka wsuniętego jednym końcem w kanał widełek, a drugim w otwór kulki. Kołek ten jest zabezpieczony dodatkowym kołeczkiem prostopadłym do osi wałów.
Najczęściej widełki odkute są jako jedna całość z częściami pół-osi — napędzającą i napędzaną. Obróbka prowadnic wymaga specjalnego oprzyrządowania. Przeguby te mogą pracować przy kącie załamania 30^-35°.
Przeguby Rzeppa działają na tej samej zasadzie co przeguby Weissa. Różnica polega na zastąpieniu widełek specjalnymi czaszami kulistymi (rys. 13.13) oraz na sposobie środkowania przegubu. Sześć kul prze-
noszących moment obrotowy znajduje się w rowkach prowadzących, wykonanych na wewnętrznej powierzchni kulistej oprawy oraz na zewnętrznej powierzchni piasty. Kule utrzymywane są w określonym położeniu przez koszyk, którego położenie nastawiane jest przez dźwigienkę sterującą. Końce tej dźwigienki są osadzone w napędzającej i napędzanej części przegubu. Dzięki odpowiednio dobranemu przełożeniu (stosunkowi długości ramion) przy dowolnych kątach dzwigienka ustawia koszyk z kulami w położeniu zapewniającym właściwą kinematykę, a więc równobieżność pracy przegubu.
Przegub}' Birfielda (rys. 13.14) stanowią udoskonaloną wersję przegubu Rzeppa. Ich zaletą jest takie ukształtowanie bieżni prowadnic, przy którym zbędne jest stosowanie elementów środkujących, ponieważ geometria prowadnic zapewnia samoczynne ustawianie się kul we właściwym położeniu. Przeguby te wykazują wiele zalet w stosunku do innych przegubów ho-mokinetycznych. Są zwarte, odznaczają się dużą wytrzymałością, zdolnością
do przenoszenia znacznych obciążeń dynamicznych. Maksymalny kąt odchylenia wałów przekracza 40 °. Cechy te sprawiły, że przeguby Birfielda są stosowane w większości nowoczesnych samochodów osobowych z przednim napędem.
Przegub Tra-
cta jest prze-
gubem, w któ-
rym waru-
nek równobież-
ności wałów
spełniono przez
zastosowanie zu-
pełnie innego
rozwiązania kon-
strukcyjnego niż
w omawianych
dotychczas prze-
gubach kulo-
wych. Składa się
widełek połączonych dwoma pośrednimi ogniwami (rys. 13.15), sprzęgniętymi ze sobą za pomocą charakterystycznego występu i wcięcia. Konstrukcja taka umożliwia ustawianie się wałów pod kątem do 50° w dowolnej płaszczyźnie. Powierzchniami współpracującymi są w przegubie Tracta dosyć duże powierzchnie płaskie, dzięki czemu naciski powierzchniowe są stosunkowo małe.