Вибираємо хрестовину карданного валу

Матеріали підготовлені Завороткіним Е.А. і Антиповим А.І., «Механіка Харків».

Хрестовини є одними з основних елементів карданних шарнірів, багато в чому визначають ресурс карданних передач в цілому. На ринку автомобільних запасних частин представлені хрестовини різних виробників і постачальників - GKN, GWB, HD Parts, EDS, EDH і багатьох інших. При цьому хрестовини одних і тих же типорозмірів можуть істотно відрізнятися і за конструкцією, і за якістю виконання, і за вартістю.

Непусте питання і для фахівців, зайнятих ремонтом карданних передач, і для власників автотранспорту: чим керуватися при виборі і придбанні хрестовин? Нерідко перевага віддається найбільш дешевому варіанту без урахування якості виготовлення деталей. Наскільки обгрунтований такий підхід? На що слід звертати увагу при виборі хрестовин?

Для відповіді на ці питання звернемося спочатку до конструкції хрестовини. У загальному випадку хрестовина, як складальна одиниця, складається з власне хрестовини з чотирма шипами, 4-х голчастих підшипників і ущільнень (рис.1).

Мал. 1. Загальний вигляд хрестовини: 1 - хрестовина; 2 - пильовик; 3 - манжетное ущільнення; 4 - голчастий підшипник; 5 - завзятий підшипник; 6 - корпус голчастого підшипника (стакан); 7 - стопорне кільце.

Зовнішньої обоймою підшипника є стакан, внутрішньої - шип хрестовини. Для запобігання голчастого підшипника від попадання вологи, забруднень і утримання мастила служать пильовик і манжетное ущільнення. Торцевої упор шипа хрестовини в дно склянки відбувається через завзятий підшипник (шайбу). У ряді конструкцій хрестовин завзятий підшипник може бути відсутнім.

Фіксація склянок підшипників в отворах фланців і вилок здійснюється різними способами: за допомогою внутрішніх або зовнішніх стопорних кілець, за допомогою притискних кришок або планок, а також шляхом локальної деформації матеріалу вушок фланців і вилок - зачеканювання, часто званим кернение (рис.2).

Мал. 2. Способи фіксації склянок підшипників: а - внутрішніми стопорними кільцями; б - зовнішніми стопорними кільцями; в - притискними планками; г - кернение.

Яким же чином можна визначити якість виготовлення хрестовин? Попередньо його можна оцінити зовнішнім оглядом: пористе, несиметричне лиття, сліди грубої механічної обробки поверхонь, задирки і забоїни на склянках підшипників, дефекти ущільнення - ось перші ознаки низькоякісної продукції.

Одні з контрольованих параметрів - розміри і форма склянок підшипників. Діаметр склянки хрестовини повинен бути таким, щоб забезпечувалася щільна (нерухома) посадка підшипників в отворах фланців і вилок. Отвори під стакани підшипників обробляють, як правило, по сьомому квалітету H7. Таким чином, для гарантованої посадки склянки підшипника в отворах з натягом, стакани повинні виготовлятися з полем допуску n6 або p6. Відхилення від циліндричної склянок підшипників хрестовин не повинні перевищувати 0,006 мм. Виняток становлять склянки підшипників, виготовлені методами штампування і порошкової металургії. В цьому випадку склянки підшипників мають, як правило, конусну форму, з підставою конуса у манжетного ущільнення. Залежно від діаметра стакана його конусність може становити від 0,02 до 0,06 мм. Така форма склянок дозволяє компенсувати їх різну жорсткість (податливість) по довжині. Після запресовування в посадкові отвори стакан набуває правильної, циліндричну форму.

Найважливішими технологічними характеристиками хрестовин, що визначають їх зносостійкість, є шорсткість і твердість робочих поверхонь шипів, які повинні, відповідно, складати R а. 0,63 мкм і HRC 58 ... 65.

Для перевірки якості виготовлення хрестовин були відібрані по 2-3 типорозміру деталей різних виробників, найбільш поширених сьогодні на українському ринку. Результати вимірювання параметрів хрестовин наведені в таблиці.

* - дані щодо підшипників хрестовин, виготовленим методами штампування або порошкової металургії;

Аналіз результатів вимірювань показує, що значення контрольованих параметрів більшості обстежених хрестовин відповідають технічним умовам. Поряд з цим у хрестовин HD Parts і EDH відхилення від циліндричної шипів в 2 ... 3 рази перевищують допустиме значення, істотно вище нормованого значення шорсткість шипів хрестовин HD Parts.

Досить різноманітні конструкції ущільнень підшипників хрестовин. Найпростіший варіант конструкції ущільнення являє собою еластомерних кільце, яке встановлюється безпосередньо на шип або в обойму, напресованими на шип, і забезпечує герметизацію тільки по торця хрестовини і склянки підшипника (рис.3).

Мал. 3. Торцеве ущільнення підшипників хрестовин: а - BKJ; б - EDS.

Як правило, така конструкція ущільнення застосовується на хрестовинах невеликих розмірів з діаметром склянки до 30 мм. Варіант виконання «б» більш кращий, оскільки обойма запобігає видавлювання ущільнення з стику і захищає ущільнення від зовнішніх механічних впливів.

Прикладом невдалого конструктивного рішення може служити схема торцевого ущільнення хрестовин фірми JAB (1КМ08). Торцева манжета виконаний у вигляді кільця з твердої гуми, встановлене в штампованому корпусі. Ущільнення стику відбувається за дуже вузької (шириною 0,8 мм) кільцевої поверхні торця склянки підшипника (рис.4).

Мал. 4. Торцеве ущільнення підшипників хрестовин JAB

Розмірна ланцюг хрестовини розрахована таким чином, що між шипом і дном склянки є зазор 0,5 ... 1,0 мм. В результаті цього торцевої упор відбувається не по дну склянки підшипника і торця шипа, а по боковій поверхні манжети і торця склянки. Внаслідок дуже вузької торцевій поверхні склянки в зоні контакту з манжетою виникають високі питомі навантаження, що призводять до підвищеного зносу поверхні манжети, появи в хрестовині відчутного осьового зазору і швидкого виходу шарніра з ладу.

Більш досконалою є конструкція ущільнювача вузла, коли ущільнення підшипника забезпечується і в осьовому, і в радіальному напрямку єдиної манжетою спеціальної конфігурації (рис.5).

Мал. 5. Ущільнення підшипника манжетою осьового і радіального дії

Широко поширена конструкція комбінованого ущільнювального вузла, що складається з двох елементів: пластикового кільця і ​​еластомерній манжети (рис.6). Пластикове кільце грає роль торцевого ущільнення, еластомерна манжета забезпечує ущільнення підшипника в радіальному напрямку і може мати від однієї до трьох ущільнюючих крайок.

Мал. 6. Комбінована ущільнення підшипників хрестовин

Однією з найбільш надійних є конструкція, в якій поєднується двухкромочной радіальна манжета з торцевих лабіринтовим ущільненням (рис.7). Така конструкція ущільнення застосовується на важконавантажених хрестовинах, укомплектованих підшипниками SKF, INA і ряді інших.

Мал. 7. Торцеве лабіринтове ущільнення підшипників хрестовин

Надійність ущільнюючих вузлів підшипників хрестовин в значній мірі залежить від якості обробки поверхонь хрестовин, що сполучаються з елементами ущільнювачів. Згідно ТУ шорсткість поверхонь під ущільнення повинна бути R а. 1,25 мкм.

Як показує практика, не завжди це вимога виробниками дотримується. Нерідко поверхні на хрестовині під манжету обробляються дуже грубо, в ряді випадків з помітним зміщенням (рис.8). Робота манжетного ущільнення по грубої шорсткої поверхні хрестовини призводить до інтенсивного зносу робочих поверхонь елементів ущільнювачів, порушення герметичності ущільнювального вузла і передчасної відмови карданного шарніра. Несиметричне розташування і нерівномірна ширина ущільнювальної поверхні хрестовини знижують ефективність ущільнення і також призводять до передчасної відмови шарніра.