Почему колесо крутится ровно, даже когда руль вывернут
Два шарнира на валу. Наружный ШРУС стоит у колеса и работает под большими углами из-за руля. Внутренний (трипод) у коробки компенсирует ход подвески, позволяя валу сдвигаться на ±25 мм.
Биссекторная плоскость. Канавки обойм устроены так, что шарики всегда стоят ровно посередине угла между валами. Точки контакта одинаково удалены от обеих осей — скорости на входе и выходе равны.
Закон косинуса для кардана. Простая крестовина под углом β вращает выход неравномерно: от cos β до 1/cos β от скорости входа, два раза за оборот. При 45° это от 71% до 141%.
Как спасают кардан. На карданном валу ставят две крестовины с одинаковыми углами и вилки в одной плоскости: вторая отменяет неравномерность первой. Поэтому углы карданов держат в пределах 3–6°.
Детали в модели «Приводы колёс и карданный вал»
Наружный ШРУС. Шесть шариков между внутренней и наружной обоймами, сепаратор держит их в биссекторной плоскости. Поэтому колесо вращается ровно, даже при угле 45°.
Внутренний ШРУС (трипод). Три ролика на шипах катаются по пазам корпуса. Вал может сдвигаться вдоль оси на ±25 мм, пока подвеска работает, угол до 20–25°.
Вал привода. Стальной вал Ø24 мм со шлицами на концах. При 100 км/ч крутится с колесом около 860 об/мин и передаёт до 1500 Н·м на первой передаче.
Пыльники ШРУСов. Гофрированные чехлы держат внутри около 80–100 г смазки и не пускают грязь. Гофры растягиваются и сжимаются, когда меняется угол.
Ступица и поворотный кулак. Хвостовик наружного ШРУСа входит в шлицы ступицы и затянут гайкой. Кулак поворачивается рулём вокруг оси шкворня.
Карданный вал. Две трубы с крестовинами и промежуточной опорой. Крутится в 3,9 раза быстрее колёс — до 3000–4000 об/мин.
Крестовина (карданный шарнир). Крест с четырьмя игольчатыми подшипниками соединяет две вилки. Простой и прочный, но под углом даёт неравномерное вращение — работает до 6–8°.
Промежуточная опора. Шариковый подшипник в резиновой подушке держит середину вала и гасит вибрацию.
Показ по шагам
Путь момента. Дифференциал крутит корпус трипода, дальше вал и наружный ШРУС передают вращение в ступицу колеса.
Подвеска работает. Колесо поднимается — вал меняет угол, а трипод сдвигается в корпусе. Без этого сдвига вал пришлось бы растягивать.
Руль вывернут. Наружный шарнир работает под углом до 45°. Посмотрите на шарики: они уходят из плоскости обойм и стоят ровно посередине.
Равные угловые скорости. Шарики в биссекторной плоскости — значит, ступица крутится с той же скоростью, что и вал. Сравните на графике с карданом под тем же углом.
Карданный вал. В заднеприводной схеме вал соединён крестовинами. Под углом крестовина ускоряет и замедляет вал дважды за оборот, а вторая крестовина под тем же углом это выравнивает.
Что ломается и как это проявляется
Порван пыльник — износ ШРУСа. Признаки: сначала смазка разбрызгана по кулаку и диску. Через несколько сотен километров появляется хруст или щелчки при разгоне с вывернутым рулём. Что проверить: осмотреть пыльники на подъёмнике, проверить хруст на развороте с полным поворотом руля. Если ШРУС ещё не шумит, достаточно заменить пыльник и смазку; если щёлкает — менять ШРУС.
Износ внутреннего ШРУСа. Признаки: при разгоне кузов и руль трясёт, особенно с полной загрузкой. Отпустили газ — вибрация пропала. Что проверить: проверить вибрацию под нагрузкой на скорости 30–60 км/ч, люфт вала в корпусе трипода, состояние внутреннего пыльника. Меняют внутренний ШРУС.
Погнут вал привода. Признаки: вибрация появляется после удара о бордюр или яму и растёт со скоростью, не зависит от того, тянет двигатель или нет. Что проверить: проверить биение вала индикатором на снятом приводе (норма обычно до 0,5 мм), исключить балансировку колёс. Погнутый вал меняют.
Износ опоры и крестовины. Признаки: металлический стук при трогании и переключении, вибрация пола и гул на 60–100 км/ч. Что проверить: покачать вал руками у крестовин и у опоры: люфт недопустим. Осмотреть резину опоры, следы ржавчины у чашек. Меняют крестовину или опору, после — балансировка вала.
Упрощения модели
Карданный вал укорочен примерно вдвое, ход подвески упрощён до вертикального перемещения с небольшим сдвигом колеса наружу.
Ось шкворня считается вертикальной; развал и продольный наклон не учитываются.
Углы наружного шарнира сложены из поворота и хода подвески; внутренний трипод показан с идеальными роликами, его малая неравномерность (доли процента) не видна.
В чашке крестовины 20 игл вместо обычных 25–30; зазор изношенных игл и шипов (около 2 мм) и ржавчина показаны крупнее, чем бывают; в разрезе крестовина остаётся целой, чтобы было видно шипы в чашках; чашки поворачиваются с крестовиной, хотя на самом деле стоят в вилке (они круглые, разницы не видно).
Связанные узлы и детали
Модель показывает принцип работы. Геометрия и режимы упрощены для обучения.