Universal Joints

Universal Joints
Universal joints are capable of transmitting torque and rotational motion from one shaft to another when their axes are inclined to each other by some angle, which may constantly vary under working conditions. Universal joints are incorporated in the of vehicle’s transmission system to perform three basic applications :
(a) Propeller shaft end joints between longitudinally front mounted gearbox and rear final drive axle.
(b) Rear axle drive shaft end joints between the sprung final drive and the unsprung rear wheel stub axle.
(c) Front axle drive shaft end joints between the sprung front mounted final drive and the unsprung front wheel steered stub axle.
Universal joints have movement only in the vertical plane when they are used for lon gitudinally mounted propeller shafts and transverse rear mounted drive shafts. When these joints have been used for front outer drive shaft they have to move in both the vertical and horizontal plane to accommodate both vertical suspension deflection and the swivel pin angular movement to steer the front road wheels. The compounding of angular working movement of the outer drive shaft steering joint in two planes imposes large and varying working angles even when the torque is being transmitted to the stub axle. Due to the severe working conditions, special universal joints known as constant velocity joints are employed. These joints have been designed to absorb torque and speed fluctuations and to operate reliably with very little noise and wear having long life.
Универсальные шарниры способны передавать крутящий момент и вращательное движение от одного вала к другому , когда их оси которых наклонены друг к другу на некоторый угол , который может постоянно изменяться в рабочих условиях .

1 Carl Weiss Constant Velocity Joint
Наиболее удачными оказались шариковые ШРУСы. Первый вариант таких шарниров был запатентован в 1923 году Карлом Вайссом: концы соединяемых валов представляли собой своеобразные вилки, между внутренними поверхностями которых находились шарики, передающие крутящий момент. Впоследствии патент на шарниры Вайсса купила американская фирма Bendix и стала выпускать их под маркой Bendix-Weiss.
Rzeppa Constant Velocity (CV) Joint
Альфред Рцеппа, в 1927 и 1936 гг. оформил два патента на шариковый ШРУС, в котором крутящий момент передавался шестью шариками, которые работали по равнорасположенным канавкам полукруглого сечения. Специальный делительный рычажок, соединенный с охватывающим шарики сепаратором, постоянно выставляет его в биссекторной плоскости.
Tripod Joint A tripod or ball and housing CV joint consists of aspider, usually three balls, needle bearings, outer yoke,and boot. The inner spider is splined to the axle shaftwith the needle bearings and three balls fitting aroundthe spider. The yoke then slides over the balls. Slots inthe yoke allow the balls to slide in and out and alsoswivel.During operation, the axle shaft turns the spiderand ball assembly. The balls transfer power to the outerhousing. Since the outer housing is connected to theaxle stub shaft or hub, power is sent through the joint topropel the vehicle.Трехшиповой шарнир типа «Трипод» также является производным от «Рцеппа», однако его конструкция серьезно отличается от предшественника. Он применяется на легковых и грузовых автомобилях малой грузоподъемности. Трехшиповые шарниры бывают двух видов: жесткие и универсальные. Первые могут передавать крутящий момент при углах между валами до 43°, но при этом не допускают осевых перемещений, из-за чего их и назвали «жесткими». Используются они в качестве наружных ШРУСов. Универсальные трехшиповые ШРУСы допускают перемещения вдоль оси, что необходимо для компенсации колебаний передней подвески и силового агрегата при езде по неровностям. С другой стороны, эти шарниры могут работать при небольших углах – до 25°, поэтому чаще всего используются в качестве внутренних ШРУСов. Конструктивно жесткий и универсальный трехшиповые шарниры похожи. Tracta Constant Velocity Joint Одними из первых в 1932 г. подошли к разработке теоретических основ ШРУСов французы Жан-Альбер Грегуар и М. д’Оранж. При этом Ж.-А. Грегуар разработал и запатентовал собственную конструкцию ШРУСа, применявшуюся уже с 1925 г. на автомобилях «Тракта», конструктором которых он сам и являлся. Шарнир «Тракта» состоял из простых по механической обработке деталей — кулачков, которые соприкасались по довольно большим поверхностям. Следовательно, удельное давление на эти детали было невелико, а износ — мал. Кроме того, ШРУС «Тракта» хорошо работал при больших углах (до 50 градусов).
2
3
4 Шарнир Вейсса, придуманный и запатентованный в 1923 г., передает крутящий момент шариками. На внутренней поверхности вилок сделаны четыре канавки полукруглого сечения, которые лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях. Патент на технологичную и дешевую конструкцию купила американская фирма «Бендикс» и в годы второй мировой войны «виллисы», «студебекеры», «доджи» комплектовались ШРУСами «Бендикс-Вейсс». Шарниры такого типа получили широкое распространение и в отечественном автомобилестроении (ГАЗ-69, УАЗ-469, ГАЗ-66, ЗИЛ-131, БТР-70). Более долговечный (100-200 тыс. км) шарнир Рцеппа, который может работать при углах до 40 градусов, вдобавок и компактней, чем ШРУС «Бендикс-Вейсс».Различные фирмы («Бирфильд», «Сэгиноу», ГКН, «Льобро») приобрели лицензии на производство «рцепповских» шарниров. Вторичную лицензию приобрел в 1975 г. и ВАЗ для производства «Нивы» и переднеприводных моделей. Применяется на легковых и грузовых автомобилях малой грузоподъемности. Кулачковые шарниры «Тракта» получили в 20-30-е годы широкое распространение и использовались на переднеприводных моделях фирмы «Ситроен», «Штевер», ДКВ, «Адлер». Все эти компании должны были платить изобретателю «королевские сборы» — по 5 немецких марок за каждый автомобиль, оснащенный «грегуаровскими» шарнирами. Это означает, что только «Адлер» в течении лишь одного года выплачивал французу сумму, равную стоимости 20 своих машин.Дальнейшая эволюция сочленения «Тракта» привела к созданию кулачково-дискового шарнира, который нашел применение на тяжелых внедорожных грузовиках с постоянным, неотключаемым приводом на все колеса. Постоянная работа такого ШРУСа не приводила к чрезмерно большому износу деталей конструкции, а при мощном моторе низкий КПД практически не ощущался. Кулачково-дисковые шарниры можно увидеть на полноприводных грузовиках КрАЗ, Урал, КамАЗ.

Bendix-Weiss Joint Rzeppa Universal Joint

This type of U-joint is limited to use in light-duty, vehicles. Other types of universal joints are used in the axles of heavy-duty vehicles. The types you will encounter in military designed vehicles are the Rzeppa and Bendix-Weiss constant velocity joints
The front drive axle of a four-wheel drive axle requires locking hubs. Locking hubs transfer power from the driving axles to the driving wheels on a four-wheel drive vehicle. There are three basic types of locking hubs, which are as follows:
MANUAL LOCKING HUB—requires the operator to turn a latch on the hub to lock the hubfor four-wheel drive action.
AUTOMATIC LOCKING HUB—hub locks the front wheels to the axles when the operator shifts into four-wheel drive.
FULL TIME HUB—front hubs are always locked and drive the front wheels.
Manual and automatic locking hubs are the most common. Used with part-time, four-wheel drive. They enable the drive line to be in two-wheel drive for use ondry pavement. The front wheels can turn without turning the front axles. This allows for increased fuel economy and reduces drive line wear.
FRONT-WHEEL DRIVE (AXLES)
Front-wheel drive axles, also called axle shafts or front drive shafts, transfer power from the transaxle differential to the hubs and wheel of a vehicle. Front-wheel drive axles turn much slower than a drive shaft for a rear-wheel drive vehicle. They turn about one third slower. They are connected directly to the drive wheels and do NOT have to act through the reduction of the axle ring gear and pinion gears.
Front-wheel drive axles typically consists of the following:
INNER STUB SHAFT—the short shaft splined to the side gears in the differential and connected to the inner universal joint.
OUTER STUB SHAFT—the short shaft connected to the outer universal joint and the front-wheel hub.
INTERCONNECTING SHAFT—the center shaft that fits between the two universal joints. Universal joints that connect the drive axle are called CV joints. The outer CV joint is a FIXED (nonsliding) ball and cage or Rzeppa-type joint that transfers rotating power from the axle shaft to the hub assembly. The inner CV joint is called a PLUNGING (sliding) ball and housing or tripod-type joint that acts like a slip joint in a drive shaft for a rear-wheel drive vehicle.
The plunging action of the inner CV joint allows for a change in distance between the transaxle and the wheel hub. As the front wheels move up and down over bumps in the road, the length of the drive axle (innerjoint) must change.
Tripod JointA tripod or ball and housing CV joint consists of aspider, usually three balls, needle bearings, outer yoke,and boot. The inner spider is splined to the axle shaftwith the needle bearings and three balls fitting aroundthe spider. The yoke then slides over the balls. Slots inthe yoke allow the balls to slide in and out and alsoswivel.During operation, the axle shaft turns the spiderand ball assembly. The balls transfer power to the outerhousing. Since the outer housing is connected to theaxle stub shaft or hub, power is sent through the joint topropel the vehicle.

Locking hubs, also known as free wheeling hubs are an accessory fitted to many four-wheel drive vehicles, allowing the front wheels to be manually disconnected from the front half shafts.





Birfield, Lobro, GKN, Rzeppa joint

Because many 4WD vehicles, especially heavy duty 4?4 trucks, do not have a center differential or equivalent (e.g., a viscous coupling), they should be used in 4WD mode only when traction is limited: small differences in rotational speed between the front and rear wheels that occur when driving in 4WD on a dry, hard surface (such as pavement) cause a torque to be applied across the transmission, a phenomenon known as transmission wind-up can occur, and can cause considerable damage to the transmission or drive train; on loose surfaces (dirt, snow, mud, gravel), these rotational speed differences are absorbed by tire slippage.
Consequently, most 4-wheel-drive vehicles are fitted with “part-time” 4WD systems: they can be switched from 2-wheel-drive mode (“2WD”), where only the rear wheels are driven by the drivetrain, to 4-wheel-drive mode (”4WD”), where all 4 wheels are driven by the drivetrain. Many of these vehicles will spend most of their time in 2WD: locking hubs allow the parts of the drivetrain that are used for 4-wheel-drive to be disconnected. With the hubs disengaged, and the transfer case in 2WD, the entire front axle and differential are inactive.
Suggested benefits of locking hubs include better fuel efficiency, quieter operation, less vibration, and lower wear; however, there are no reliable scientific studies to prove these claims. Exactly how great these benefits are is open to debate, with many feeling that they are outweighed by the disadvantages below.
In older vehicles, manual locking hubs are used to disengage the front wheels. This requires getting off/out of the vehicle to engage or disengage the front wheels. If road conditions are irregular (snow, then dry pavement, then snow again, repeatedly), these vehicles can be used in 2WD mode with the locks engaged (by disengaging 4WD with the lever or switch INSIDE the vehicle) and 4WD needs only to be engaged from inside the vehicle when road conditions require it.
In more modern 4WD vehicles, automatic locking hubs are often used which, as the name implies, engage automatically when 4WD is activated from inside the vehicle. The main advantage is that the driver does not need to leave the vehicle to activate 4WD, or drive the vehicle in 2WD with the front axle engaged. The disadvantage with this system is that most designs require the vehicle to move some distance (usually a whole wheel turn, often going backwards) after engaging 4WD, in order for the hubs to engage or disengage (in many cases, 4WD can be engaged with the vehicle moving). This might not be possible if the vehicle gets completely stuck before 4WD has been engaged, meaning automatic hubs require more caution on the driver's part.
Exposed hub locks can be broken or damaged by off-road conditions, rendering 4x4 useless and leaving the vehicle stranded. Also, in some axle designs (such as those used on older Land Rovers), the top swivel bearing can become starved for lubrication (which is normally supplied by oil slung up by the rotating axle), unless the hubs are locked every few hundred miles. Also, since locking hubs generally do not require a key to operate, they can be maliciously locked or unlocked by persons other than the vehicle owner.

In 1966, Raymond Brookes – who had become chairman of GKN the previous year – completed the takeover of the Birfield automotive components group. Birfield’s main business was propshafts, but within its portfolio were two companies making constant velocity joints (CVJs): Hardy Spicer in the UK, and Uni-Cardan, based in West Germany but with interests in France and Italy.
CVJs were revolutionising the motor industry, enabling the new generation of front-wheel drive cars – including the iconic Mini. As a result, GKN’s automotive business emerged for the first time as a major force in the group, accounting for approximately one-third of sales by the end of the 1960s.





Hanns Jung's hinged joint, used from 1931 -1963 in the DKW front wheel drive car (German patent 646 104, 664 481, 666 497)

Условия, которые поставил Грегуар, не устраивали, в частности, фирму ДКВ, изготовлявшую в середине 30-х годов по 30-40 тыс. малолитражек с передними ведущими колесами. Инженер фирмы Ганс Юнг в 1931 г. разработал оригинальную разновидность сдвоенного шарнира. Этот ШРУС получился очень компактным и применялся на довоенных моделях ДКВ и «Ауди», а также на джипах «Хорьх» и закончил свою карьеру на машинах «Трабант» производства ГДР.
Недостатки сдвоенных шарниров и ШРУСов кулачкового типа были преодолены в 20-е годы, когда два изобретателя Карл Вейсс, а затем Альфред Рцеппа создали шариковые ШРУСы.
Шарнир Вейсса, придуманный и запатентованный в 1923 г., передает крутящий момент шариками. На внутренней поверхности вилок сделаны четыре канавки полукруглого сечения, которые лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях. Там, где канавки обеих вилок перекрещиваются, находится шарик. Средние линии канавок равноудалены от центра шарнира и при его вращении образуют две сферические поверхности, которые пересекаются по окружности. Эта окружность лежит в плоскости биссектрисы того угла, под которым располагаются вилки шарнира. Центры шариков всегда лежат в этой плоскости, чем и обеспечивается равномерность вращения. Чтобы исключить осевое смещение вилок, ведущее к изменению плоскости катания шариков, в ШРУС «Вейсс» введен центрирующий шарик, который иногда фиксируется штифтом.
Патент на конструкцию купила американская фирма «Бендикс», и в годы второй мировой войны «виллисы», «студебекеры», «доджи» комплектовались ШРУСами «Бендикс-Вейсс». Шарниры такого типа получили широкое распространение и в отечественном автомобилестроении (ГАЗ-69, УАЗ-469, ГАЗ-66, ЗИЛ-131, БТР-70).
Сочленения «Бендикс-Вейсс» очень технологичны и дешевы в производстве, имеют высокий КПД и обеспечивают угол между вилками не более 35 градусов. Высокие контактные напряжения в зоне шарик-канавка (только два шарика передают крутящий момент в каждое мгновение) заметно сокращают срок службы этих ШРУСов (15-25 тыс. км).
Другой изобретатель, Альфред Рцеппа, в 1927 и 1936 гг. оформил два патента на шариковый ШРУС, в котором крутящий момент передавался шестью шариками, которые работали по равнорасположенным канавкам полукруглого сечения. Специальный делительный рычажок, соединенный с охватывающим шарики сепаратором, постоянно выставляет его в биссекторной плоскости. Более долговечный (100-200 тыс. км) шарнир Рцеппа, который может работать при углах до 40 градусов, вдобавок и компактней, чем ШРУС «Бендикс-Вейсс». Неудивительно, что именно эта конструкция получила наибольшее распространение на современных переднеприводных автомобилях. Различные фирмы («Бирфильд», «Сэгиноу», ГКН, «Льобро») приобрели лицензии на производство «рцепповских» шарниров. Вторичную лицензию приобрел в 1975 г. и ВАЗ для производства «Нивы» и переднеприводных моделей.
Дальнейшее развитие идей А. Рцеппы представляют собой шарниры с тремя сферическими роликами («Льобро», «Трипод», «Уникардан»). Здесь удалось упростить конструкцию и отказаться от делительного рычажка. Канавки (с измененным сечением), теперь разместили не параллельно оси шарниров, а под углом к ней.
Сегодня мы можем с уверенностью говорить, что право на жизнь в трансмиссии легковых переднеприводных моделей завоевали шарниры «Рцеппа» и производные от них, а на мощных тяжелых переднеприводных автомобилях — кулачково-дисковые сочленения или сдвоенные карданы.
"АВТОМОБИЛИ", 1998 Лев Шугуров

Approximate solutions to constant velocity joints were attempted in 1922 by Mechanics and Julie-Marie-Rene Retel (French patent 550880), in 1930 by Chenard & Walcker, and in 1931 by Hanns Jung for the DKW front wheel drive small car. With Jung's solution the displacements occurred in the steering yoke between the input and the shell ); the ball pivot formed the mid-point of the king pin axis. This DKW joint worked like a hinge in one direction and as a double joint in the other. In laier improved versions the travel of the ball pivot was increased through a spherical joint which was open at both sides. Jung's hinged joint was fitted in several Auto Union passenger car models from 1931 to 1963.
In 1949 Marcel Villard designed a five-part joint which was subsequently fitted in the Citroen 2 CV small car with front wheel drive. Four parts (3 - 6),sliding in semicircular recesses allowed articulation and rocked on machined serrations, the axes of which intersected in the centre of the recesses.

1923 - Fixed ball joint steered by generating centres widely separated from the joint mid-point, by Carl William Weiss. Licence granted to the Bendix Corp.
1926 - Pierre Fennaile’s 'homokinetic’ joint.
1927 - Six-ball fixed joint with 45° articulation angle by Alfred H. Rzeppa. 1934 with offset steering of the balls. First joint with concentric meridian tracks.
1928 - First Hookers joint with needle bearings for the crosses by Clarence Winfred Spicer. Bipode joint by Richard Bussien.
1933 - Ball joint with track-offset by Bernard K. Stuber.
1935 - Tripode joint by J.W. Kittredge, 1937 by Edmund B. Anderson. 1938 - Plunging ball joint according to the offset principle by Robert Suczek.
1946 - Birfield-fixed joint with elliptical tracks, 1955 plunging joint, both by William Cull
1951 - Driveshaft with separated Hooke's joint and middle sections by Borg-Warner.
1953 - Wide angle fixed joint (betta = 45°) by Kurt Schroeter, 1971 by H. Geisthoff, Heinrich Welschof and H. Grosse-Entrop.
1959 - AC fixed joint by William Cull for British Motor Corp, produced by Hardy-Spicer.
1960 - Lobro-fixed joint with semicircular tracks by Erich Aucktor/Walter Willimek, Tripode plunging joint

Universal Joints and Driveshafts: Analysis, Design, Applications, Авторы: Hans-Christoph Seherr-Thoss,J.A. Tipper,S.J. Hill,Friedrich Schmelz,Erich Aucktor

Hardy Spicer

Hardy Spicer and Co

1903 E. J. Hardy and Co was formed to import motor parts from France.
1912 Private company.
1926 Name changed to Hardy, Spicer and Co.
1937 Manufacturers of propeller shafts and flexible discs."Bound Brook" Oil-less Bearings. "Compo" Oil-retaining Bearings. "Genuine Hardy" Flexible Couplings. "Hardy Spicer" Universal Joints.
1937 In move to broaden its markets outside the automotive one, purchased Phosphor Bronze Co Ltd.
1938 Invested in their own forging plant which was developed under separate subsidiary Forgings and Presswork (Birmingham) Ltd[4]. New company formed Birfield Industries for purpose of acquiring Hardy Spicer and Co and the undertaking and assets of Laycock Engineering Co .
c. 1939 Salisbury Transmission Co Ltd was formed as a subsidiary to make hypoid rear axles for motor cars but production was delayed by start of WWII; the Salisbury Axle was made by Spicer Corporation in USA which would be valuable experience when production started which was expected after WWII.
1942 Bound Brook Bearings formed as a private company subsidiary of Hardy Spicer and Co.
1945 Advert. needle bearings. propeller shafts. (Hardy Spicer and Co a Birfield Company)
1947 Advert. A Birfield company.
1952 Name changed.
1961 Manufacturers of cardan shafts, universal joints and constant velocity joints for motor and agricultural trades. 2,500 employees.
1963 Motor Show exhibitor. Universal joints and flexible couplings
1900-1940s Sometime in this period they were makers of transmission systems. (of Birch Street, Witton)

Universal Joints
Пьер Фенай,
На полпути к полному приводу. Человек, который придумал ШРУС
(TRACTA) Аньер, Франция, 1926-1934
GKN
http://constructionmanuals.tpub.com/14273/css/14273_202.htm
International Harvester 140 & 160 4x4.Front axle. Eaton (just like the rear). Originally had leather boots (like a modern CV boot) protecting the knuckle. Uses the same complete "chunk" as the rear axle. Uses a Bendix-Weiss CV Joint.
AUTOMOTIVE CLUTCHES, TRANSMISSIONS, ANDTRANSAXLES
Шарнир равных угловых скоростей - Constant-velocity joint
http://grabcad.com/library/three-component-universal-joint-snap-on
http://en.wikipedia.org/wiki/Locking_hubs
http://hondamotor.ru/board/index.php?showtopic=68314
http://www.gkn.com/aboutus/ourheritage/Pages/The-drive-to-automotive.aspx
Арифметика ШРУСов
http://grabcad.com/library/tag/hooke
Рождение армейского внедорожника
http://issuu.com/maks_media/docs/autocomponents__11_2013
http://it.wikipedia.org/wiki/DKW_F2
http://www.lightauto.com/fwd3.html
http://www.lightauto.com/fwd2.html
http://www.bmwblog.com/2010/04/06/editorial-a-brief-history-of-front-wheel-drive/

Внедорожные траспортные средства
(Land Locomotion – Mechanical Vehicle Mobility LL-MVM)
Cайт информационный, некоммерческий.
(На странице "commerc" размещены ссылки на отечественные коммерческие сайты)
Сайт постоянно редактируется. Замечания можно отправлять на E-mail: nesterovich@offroadvehicle.ru
Home