Выбираем крестовину карданного вала

Материалы подготовлены Завороткиным Е.А. и Антиповым А.И.,«Механика СПб».

Крестовины являются одними из основных элементов карданных шарниров, во многом определяющими ресурс карданных передач в целом. На рынке автомобильных запасных частей представлены крестовины различных производителей и поставщиков – GKN, GWB, HD Parts, EDS, EDH и многих других. При этом крестовины одних и тех же типоразмеров могут существенно отличаться и по конструкции, и по качеству исполнения, и по стоимости.

Непраздный вопрос и для специалистов, занятых ремонтом карданных передач, и для владельцев автотранспорта: чем руководствоваться при выборе и приобретении крестовин? Нередко предпочтение отдается наиболее дешевому варианту без учета качества изготовления деталей. Насколько обоснован такой подход? На что следует обращать внимание при выборе крестовин?

Для ответа на эти вопросы обратимся сначала к конструкции крестовины. В общем случае крестовина, как сборочная единица, состоит из собственно крестовины с четырьмя шипами, 4-х игольчатых подшипников и уплотнений (рис.1).

Рис. 1. Общий вид крестовины: 1 – крестовина; 2 – пыльник; 3 – манжетное уплотнение; 4 – игольчатый подшипник; 5 – упорный подшипник; 6 – корпус игольчатого подшипника (стакан); 7 – стопорное кольцо.

Внешней обоймой подшипника является стакан, внутренней – шип крестовины. Для предохранения игольчатого подшипника от попадания влаги, загрязнений и удержания смазки служат пыльник и манжетное уплотнение. Торцевой упор шипа крестовины в дно стакана происходит через упорный подшипник (шайбу). В ряде конструкций крестовин упорный подшипник может отсутствовать.

Фиксация стаканов подшипников в отверстиях фланцев и вилок осуществляется различными способами: с помощью внутренних или внешних стопорных колец, с помощью прижимных крышек или планок, а также путем локальной деформации материала проушин фланцев и вилок – зачеканиванием, часто называемым кернением (рис.2).

Рис. 2. Способы фиксации стаканов подшипников: а - внутренними стопорными кольцами; б – внешними стопорными кольцами; в – прижимными планками; г – кернением.

Каким же образом можно определить качество изготовления крестовин? Предварительно его можно оценить внешним осмотром: пористое, несимметричное литьё, следы грубой механической обработки поверхностей, заусенцы и забоины на стаканах подшипников, дефекты уплотнения – вот первые признаки низкокачественной продукции.

При проверке качества крестовин важно установить, соответствуют ли значения конструктивно-технологических параметров крестовин техническим условиям на их изготовление. Поскольку поставляемые зарубежными производителями детали карданных передач сертифицированы на соответствие российским стандартам, вполне обоснованно применение для оценки качества крестовин технических требований, регламентированных стандартами ГОСТ Р 52923-2008, ГОСТ 4657-82 и ГОСТ 24310-80.

Одни из контролируемых параметров - размеры и форма стаканов подшипников. Диаметр стакана крестовины должен быть таким, чтобы обеспечивалась плотная (неподвижная) посадка подшипников в отверстиях фланцев и вилок. Отверстия под стаканы подшипников обрабатывают, как правило, по седьмому квалитету H7. Таким образом, для гарантированной посадки стакана подшипника в отверстиях с натягом, стаканы должны изготавливаться с полем допуска n6 или p6. Отклонения от цилиндричности стаканов подшипников крестовин не должны превышать 0,006 мм. Исключение составляют стаканы подшипников, изготовленные методами штамповки и порошковой металлургии. В этом случае стаканы подшипников имеют, как правило, конусную форму, с основанием конуса у манжетного уплотнения. В зависимости от диаметра стакана его конусность может составлять от 0,02 до 0,06 мм. Такая форма стаканов позволяет компенсировать их различную жесткость (податливость) по длине. После запрессовки в посадочные отверстия стакан приобретает правильную, цилиндрическую форму.

Важнейшими технологическими характеристиками крестовин, определяющими их износостойкость, являются шероховатость и твердость рабочих поверхностей шипов, которые должны, соответственно, составлять Rа ? 0,63 мкм и HRC 58…65.

Для проверки качества изготовления крестовин были отобраны по 2-3 типоразмера деталей различных производителей, наиболее распространенных сегодня на российском рынке. Результаты измерения параметров крестовин приведены в таблице.

* - данные по подшипникам крестовин, изготовленным методами штамповки или порошковой металлургии;

Анализ результатов измерений показывает, что значения контролируемых параметров большинства обследованных крестовин соответствуют техническим условиям. Наряду с этим у крестовин HD Parts и EDH отклонения от цилиндричности шипов в 2…3 раза превышают допустимое значение, существенно выше нормируемого значения шероховатость шипов крестовин HD Parts.

Достаточно разнообразны конструкции уплотнений подшипников крестовин. Простейший вариант конструкции уплотнения представляет собой эластомерное кольцо, которое устанавливается непосредственно на шип или в обойму, напрессованную на шип, и обеспечивает герметизацию только по торцу крестовины и стакана подшипника (рис.3).

Рис. 3. Торцевое уплотнение подшипников крестовин: а – BKJ; б – EDS.

Как правило, такая конструкция уплотнения применяется на крестовинах небольших размеров с диаметром стакана до 30 мм. Вариант исполнения «б» более предпочтителен, поскольку обойма предотвращает выдавливание уплотнения из стыка и защищает уплотнение от внешних механических воздействий.

Примером неудачного конструктивного решения может служить схема торцевого уплотнения крестовин фирмы JAB (1КМ08). Торцевая манжета представляет собой кольцо из твердой резины, установленное в штампованном корпусе. Уплотнение стыка происходит по очень узкой (шириной 0,8 мм) кольцевой поверхности торца стакана подшипника (рис.4).

Рис. 4. Торцевое уплотнение подшипников крестовин JAB

Размерная цепь крестовины рассчитана таким образом, что между шипом и дном стакана имеется зазор 0,5…1,0 мм. В результате этого торцевой упор происходит не по дну стакана подшипника и торцу шипа, а по боковой поверхности манжеты и торцу стакана. Вследствие очень узкой торцевой поверхности стакана в зоне контакта с манжетой возникают высокие удельные нагрузки, приводящие к повышенному износу поверхности манжеты, появлению в крестовине ощутимого осевого зазора и быстрому выходу шарнира из строя.

Более совершенной является конструкция уплотнительного узла, когда уплотнение подшипника обеспечивается и в осевом, и в радиальном направлении единой манжетой специальной конфигурации (рис.5).

Рис. 5. Уплотнение подшипника манжетой осевого и радиального действия

Широко распространена конструкция комбинированного уплотнительного узла, состоящего из двух элементов: пластикового кольца и эластомерной манжеты (рис.6). Пластиковое кольцо играет роль торцового уплотнения, эластомерная манжета обеспечивает уплотнение подшипника в радиальном направлении и может иметь от одной до трех уплотняющих кромок.

Рис. 6. Комбинированное уплотнение подшипников крестовин

Одной из наиболее надежных является конструкция, в которой сочетается двухкромочная радиальная манжета с торцевым лабиринтным уплотнением (рис.7). Такая конструкция уплотнения применяется на тяжелонагруженных крестовинах, укомплектованных подшипниками SKF, INA и ряде других.

Рис. 7. Торцевое лабиринтное уплотнение подшипников крестовин

Надежность уплотнительных узлов подшипников крестовин в значительной мере зависит от качества обработки поверхностей крестовин, сопрягаемых с уплотнительными элементами. Согласно ТУ шероховатость поверхностей под уплотнения должна быть Rа ? 1,25 мкм.

Как показывает практика, не всегда это требование производителями соблюдается. Нередко поверхности на крестовине под манжету обрабатываются очень грубо, в ряде случаев с заметным смещением (рис.8). Работа манжетного уплотнения по грубой шероховатой поверхности крестовины приводит к интенсивному износу рабочих поверхностей уплотнительных элементов, нарушению герметичности уплотнительного узла и преждевременному отказу карданного шарнира. Несимметричное расположение и неравномерная ширина уплотнительной поверхности крестовины снижают эффективность уплотнения и также приводят к преждевременному отказу шарнира.

Рис. 8. Качество обработки уплотнительных поверхностей крестовин: а – GWB; б – HD Parts; в – EDS; г – EDH; д – GKN; е – BKJ; стрелками показаны поверхности крестовин, сопрягаемые с манжетами

Одна из проблем, с которой сталкиваются специалисты при ремонте карданных валов автомобилей, невозможность установки крестовин некоторых производителей в вилку или фланец (рис.9).

Рис. 9. Положение крестовин относительно вилки (а), фланца (б): а – BKJ; б – EDH .

Это связано или с отличной от оригинала формой отливки крестовины (более «полная»), или с отсутствием на шипах крестовин заходных лысок (рис.10).

Рис. 10. Конструктивные отличия крестовин MB Actros (68*89-166): а – крестовина GWB; б – крестовина EDH.

Для карданных валов автомобилей Scania серий Р300, Р400 и Р500 (и ряда «американских» грузовиков) крестовины поставляются в сборе с подшипниками, запрессованными в бугеля, посредством которых крестовины крепятся к фланцам. При сборке карданного вала регламентированное положение крестовин относительно фланцев обеспечивается центрирующими поверхностями бугелей (угол наклона поверхностей 4,50). Для обеспечения заданной точности позиционирования и надежной посадки крестовин во фланцах, центрирующие поверхностей бугелей должны быть обработаны c высоким качеством (с шероховатостью Rа≤1,25 мкм). Исследование технического состояния поставляемых крестовин показывает, что часто обработка центрирующих поверхностей бугелей выполнена достаточно грубо: в одних случаях фрезерованием (рис.11а), в других – пескоструйной обработкой (рис.11б).

Рис. 11. Качество обработки центрирующих поверхностей бугелей крестовин Scania: а - крестовина производства BKJ; б - крестовина производства HD Parts.

По возможности пополнения смазки в процессе эксплуатации карданных передач крестовины можно разделить на два типа: обслуживаемые (с возможностью пополнения смазки) и не требующие технического обслуживания (без возможности пополнения смазки).

При изготовлении крестовин, не требующих технического обслуживания, предполагается, что смазка закладывается в подшипники на весь срок службы карданной передачи.

Смазывание обслуживаемых крестовин осуществляется через пресс-масленки, установленные непосредственно в крестовинах (по центру или сбоку между шипами) или в стаканах подшипников (в 1-ом, 2-х или во всех 4-х стаканах). Очевидно, что крестовина с возможностью пополнения смазки при эксплуатации будет иметь больший ресурс, чем аналогичная необслуживаемая крестовина.

Не редко ремонтники «покупаются» на название известной торговой марки, указанной на упаковках крестовин. Опыт показывает, что содержимое упаковки не всегда соответствует самой упаковке, так как часто фирма поставщик (торговая марка) является лишь упаковщиком продукции других производителей. В этом случае маркировка производителя на деталях может вовсе отсутствовать. В то время как продукция ведущих производителей крестовин всегда имеет фирменную маркировку.

Поскольку качество ремонта карданных валов в значительной мере зависит от качества комплектующих, в том числе и крестовин, в заключение приведем некоторые рекомендации по выбору крестовин.

1. Предпочтение следует отдавать продукции ведущих производителей крестовин, руководствуясь маркировкой, размещенной непосредственно на крестовинах.

2. При приобретении и перед установкой крестовин необходимо контролировать размеры и форму стаканов подшипников: диаметр стаканов должен соответствовать плотной посадке подшипников в отверстиях фланцев и вилок, овальность стаканов не должна превышать 0,006 мм.

4. Особое внимание необходимо обращать на качество обработки шипов крестовин. Следов грубой механической обработки, рисок и забоин на шипах (в том числе и на поверхностях под уплотнения) быть не должно. Шероховатость шипов должна составлять Rа≤0,63 мкм, поверхностей под уплотнение Rа≤1,25 мкм.

5. Учитывая отечественный уровень технической эксплуатации и обслуживания автомобилей, предпочтительнее применять обслуживаемые крестовины с возможностью пополнения смазки подшипников.