Как уравнять скорости? Эволюция конструкции ШРУС

Самое простое решение – это сдвоенный карданный шарнир. В такой конструкции используются два обычных карданных шарнира, где ведомая вилка одного шарнира служит ведущей вилкой другого. Преимущества такого решения очевидны – простота, как в производстве, так и в ремонте. Такие шарниры можно изготавливать на универсальном оборудовании из простых углеродистых сталей. Еще один плюс – можно обновлять смазку в процессе эксплуатации, что имеет решающее значение при эксплуатации автомобиля в тяжелых условиях. Поэтому такую схему используют до сих пор на некоторых военных автомобилях и внедорожниках. Дальнейшее развитие такой конструкции – кулачковые карданные шарниры «Тракта» и кулачково-дисковые шарниры. Последние состоят всего из пяти деталей: двух вилок, двух кулаков и диска. Благодаря простоте конструкции и ремонтопригодности такая схема до сих пор широко применяется на автомобилях, предназначенных для эксплуатации в тяжелых условиях эксплуатации, в частности на полноприводных грузовиках КАМАЗ, «Урал», КРАЗ. Недостатки такой конструкции – низкий КПД, большой люфт в соединениях, который увеличивается в процессе эксплуатации, высокий уровень шума из-за больших зазоров, большие габариты, что затрудняет использование на легковых автомобилях, ограниченный ресурс – 60 000–70 000 км.

Поэтому еще в 1920–1930-х годах были предложены альтернативные решения. В 1923 году немецкий изобретатель Карл Вейс запатентовал шариковый карданный шарнир с делительными канавками. Такая конструкция достаточно легкая и компактная, в ней в каждом шарнире используется всего четыре шарика: два для движения вперед и два для движения назад. Шарниры типа «Вейс» также просты в производстве, имеют более высокий КПД по сравнению со сдвоенным карданным шарниром. Однако они не способны передавать большой крутящий момент и обладают небольшим ресурсом – не более 30 000 км. Однако, несмотря на эти недостатки, они более 70 лет использовались на полноприводных автомобилях ГАЗ и УАЗ.

Прообразом современного ШРУС стала конструкция Альфреда Рцеппа, на которую он получил два патента в 1920–1930-х годах. Конструктивно он похож на конструкцию типа «Вейс», но вместо делительных канавок здесь применен делительный рычажок, а шариков уже шесть. В результате высокий КПД, компактность, возможность передачи большего крутящего момента, большой ресурс – 100 000–200 000 км при условии соблюдения технологии изготовления. Но вот с технологичностью здесь как раз есть проблемы. Конструктивно шарниры типа «Рцеппа» сложны и дороги в производстве. Они требуют для изготовления специального оборудования, в том числе уникальных планетарно-шлифовальных станков. В СССР так и не смогли организовать производство таких шарниров до 1970-х годов, пока не купили лицензию и соответствующее оборудование. Сам вал привода испытывает различные знакопеременные нагрузки, поэтому изготавливается из высокопрочных сталей. Современный ШРУС и сегодня крепкий орешек для производителей автокомпонентов. Далеко не все из них изготавливают этот узел полностью. Широко распространено разделение труда: одни делают сами шарниры, другие производят приводные валы, третьи – пыльники, четвертые – специальную смазку.

ШРУС постоянно совершенствуется как конструктивно, так и технологически. В частности, компания NTN-SNR разработала технологию PCS (Press Connected Splines – прессошлицевое соединение) и шарнир с восемью шариками. Такие технические решения позволили повысить КПД и надежность узла.

Долгие годы слабым звеном ШРУС были резиновые пыльники, их достаточно легко было повредить, они могли потрескаться при экстремально низких температурах, а если жидкость попадет внутрь, то жить дорогостоящему шарниру осталось не более нескольких сотен километров. В значительной степени эту проблему удалось решить после того, как пыльники стали изготавливать из высокопрочных полимеров.

Постепенно сфера применения ШРУС увеличилась, помимо полноприводных и переднеприводных автомобилей они используются также на заднеприводных машинах с независимой задней подвеской.

Конструкция ШРУС отличается в зависимости от компоновки автомобиля. Идеальный вариант, если двигатель установлен продольно, тогда левый и правый приводы одинаковой длины и при разгоне автомобиль стабилен. Но при поперечном расположении силового агрегата приводы приходится делать разной длины. Из-за этого моменты, передаваемые на правые и левые колеса, различны и автомобиль при разгоне уводит в сторону. Конструкторы этот эффект пытаются уменьшить, применяя различные технические решения. Например, делают валы одинаковой длины, но добавляют дополнительный вал от коробки передач до дополнительной опоры. Такое решение использует Ford. Есть еще один способ. Длинный вал укорачивают, при этом выносят внутренний шарнир дальше от коробки передач с помощью вытянутой полуосевой шестерни. А короткий вал, наоборот, удлиняют, размещая его внутренний шарнир внутри коробки передач. В итоге длина у валов все равно получается различной, но разница уже не настолько большая, чтобы это могло повлиять на управляемость автомобиля. Такое решение применяет компания Renault на массовых автомобилях.

Современные ШРУС очень надежны, и при правильной эксплуатации срок их службы сопоставим с ресурсом самого автомобиля. С другой стороны, автомобильный парк в нашей стране сильно изношен и многие машины отработали уже больше положенного срока, поэтому и ШРУС на них может быть изношен. К тому же срок службы узла значительно зависит от условий эксплуатации. В зоне риска внедорожники. Если такие автомобили используются по прямому назначению, то велик риск повредить пыльники. На обычных автомобилях ресурс узла могут значительно снизить привычка резко стартовать с вывернутыми колесами или заезды на бордюр. Диагностика ШРУС проста и не требует специального оборудования. При изношенных наружных шарнирах слышно, как при повороте перекатываются шарики, при износе внутреннего шарнира появляется большой осевой люфт, который можно проверить при вывешенном ведущем колесе. Если даже изношен только один шарнир, а пробег автомобиля больше или приближается к 100 000 км, то экономически целесообразно заменить весь узел в сборе, поскольку другой шарнир вряд ли продержится намного дольше.