Карданной передачей автомобиля называется механизм, осуществляющий передачу крутящего момента между валами, которые пересекаются в центральной части карданной передачи автомобиля и отличаются возможностью взаимного углового перемещения. Активно применяется в разных сферах человеческой деятельности в случаях, когда соосность вращающихся элементов очень трудно обеспечить. Аналогичные функции способна также осуществлять зубчатая муфта.
Как правило, карданная передача автомобиля используется в автомобильной трансмиссии, а также рулевом управлении.
Карданная передача автомобиля может обеспечить соединение следующим элементам трансмиссии:
- Силовому агрегату и КПП;
- КПП и раздаточной коробке;
- КПП и главной передаче;
- Главной передаче и раздаточной коробке;
- Ведущим колесам и дифференциалу.
Карданный вал в автомобиле предназначен для передачи крутящего момента от КПП к ведущим мостам в случае полноприводной или классической компоновки. Также применяется в травмобезопасной рулевой колонке для соединения рулевого исполнительного механизма и рулевого вала.
Карданная передача автомобиля отличается одним значительным минусом – несинхронность валовых вращений (один из валов имеет равномерное вращение, другой – нет). Вращения начинают увеличиваться, если угол между ними возрастает. Это исключает возможность использования карданной передачи автомобиля в некоторых устройствах, например, в трансмиссии автомобилей с передним приводом (где основная проблема заключается в передаче крутящего момента на поворотные автомобильные колеса ). По большому счету данный недостаток может быть скомпенсирован применением на одном валу парных шарниров, которые находятся в повернутом на четверть оборота положении относительно друг друга. Однако там, где необходима синхронность, как правило, применяется ШРУС (шарнир равных угловых скоростей) – более сложная, но более совершенная конструкция аналогичного назначения.
По своей компоновке карданные передачи автомобиля подразделяются на закрытые и открытые.
Закрытый вариант карданной передачи автомобиля располагается внутри трубы, которая, в свою очередь, может восприниматься составляющей подвески автомобиля. В карданной передаче автомобиля данного типа используется только один шарнир, а неравномерное вращение карданного вала компенсируется за счет его упругости. Существуют конструкции, где функцию карданного вала осуществляет торсион (небольшой упругий вал); карданные шарниры здесь отсутствуют.
Открытый вариант карданной передачи автомобиля не располагает трубой, а реактивный момент воспринимается реактивными тягами или рессорами. В состав карданной передачи автомобиля должно входить не меньше двух шарниров, а также компенсирующее звено, так как дистанция между соединенными агрегатами во время движения изменяется. На автомобилях с длинной колесной базой используют карданную передачу автомобиля, которая состоит из двух валов. За счет этого исключается возможность совпадения максимальной угловой скорости вала с приемлемой. Уменьшение длины вала увеличивает его критическую частоту вращения, которая как минимум в 1.5 раза должна превышать максимально возможную во время эксплуатации. Конструкция карданной передачи автомобиля, оснащенной двумя валами, требует использование промежуточной опоры одного из двух валов, подшипник которой установлен на кузове или раме в эластичном кольце для компенсации осевого перемещения двигателя ( см. устройство двигателя автомобиля ).
Устройство карданной передачи
Карданная передача представляет собой ведущий и ведомый валы, которые соединены гибким шарниром. Гибкое шарнирное соединение позволяет беспрепятственно передавать вращение при некотором изменении угла между двумя валами. По типу шарнирного соединения существуют две разновидности карданных передач :
- устаревшие шарниры неравных угловых скоростей;
- более современные шарниры равных угловых скоростей.
Карданная передача, основанная на шарнирах неравных угловых скоростей, наиболее часто применяется для соединения выходного вала и ведущего моста в заднеприводных как легковых, так и грузовых автомобилях. Помимо этого, такие шарниры используют для подсоединения раздаточных коробок и прочего вспомогательного оборудования. Более совершенные в конструктивном плане шарниры равных угловых скоростей используются в современных передне- и полноприводных автомобилях. Посредством таких карданных передач осуществляется соединение ведущих колес машины с дифференциалом ведущего моста.
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ КАРДАННОЙ ПЕРЕДАЧИ
Особенностью такого шарнира является неравномерность вращения. При изменении угла положения ведущего вала относительно ведомого, последний в определенных точках ускоряется или замедляется, то есть возрастает или снижается угловая скорость. Причем с увеличением угла скорость опережения или отставания ведомого вала от ведущего повышается, поэтому такая передача вращения носит циклический характер. Значительный угол (более 20 град.) между валами повышает нагрузку на составные элементы шарнира, что может привести к поломке.
Принцип работы карданного шарнира рассмотрим на примере, когда ведущий вал расположен строго горизонтально, а ведомый – под углом вниз (стандартное положение кардана). Начальное положение внутренней вилки шарнира – тоже горизонтальное. При передаче вращения из-за положения под углом, часть вилки, идущая вниз ускоряется относительно ведущего вала. Максимальное опережение достигается в нижней точке.
Одновременно, часть вилки ведомого вала, при вращении начавшая движение вверх, замедляется и отстает по скорости вращения от ведущего. Максимальное отставание – в самой верхней точке.
Из-за этих особенностей работы шарнира неравных угловых скоростей, вращение передается неравномерно.
Для снижения неравномерности скоростей вращения и нагрузки в конструкции карданной передачи применяется по два шарнира – на концах пустотелого вала. Причем для максимального сглаживания внутренние вилки расположены в одной плоскости.
За счет использования двух шарниров уменьшаются углы положения валов и, соответственно, и неравномерность скоростей вращения.
Из-за неравномерности вращения между валами карданная передача не используется в конструкции трансмиссии переднеприводных автомобилей. На таких моделях шарнир неравных угловых скоростей заменен на ШРУС, у которого передача осуществляется равномерно независимо от угла между валами.
ДОСТОИНСТВА
К достоинствам карданной передачи относятся:
- Работа со значительными крутящими моментами.
- Возможность соединения узлов трансмиссии, установленных на больших расстояниях между собой.
- Реализация полного привода на авто.
- Простота конструкции.
- Устойчивость к нагрузкам.
Но вместе с тем, кардан повышает металлоемкость трансмиссии и требует значительного пространства для установки, что сказывается на полезном объеме салона.
Карданы с шарнирами неравных угловых скоростей не требуют технического обслуживания и при этом обладают значительным ресурсом Несмотря на использование в конструкции подшипников, в процессе эксплуатации проводить их смазку не нужно, поскольку сам шарнир – необслуживаемый, а заложенного производителем смазочного материала хватает на весь срок службы.
Кардан является неремонтируемым узлом. При изгибе кардан требует полной замены. Обусловлено это тем, что при изготовлении узел балансируется. Изгибы же приводят к разбалансировке, что повышает вибрации и нагрузки в КПП и главной передаче и ускоряет износ шарниров.
Шарниры также не ремонтируются, поэтому при появлении повышенной вибрации со стороны кардана, сторонних звуков (хрустов, щелчков) выполняется замена составных элементов шарнира. Обычно замене подлежат крестовина и ее подшипники, но при сильной выработке проушин меняется узел в сборе.
Типы карданных передач
Главную роль в карданной передаче выполняет карданный шарнир, в зависимости от конструкции которого выделяют такие типы карданных передач:
- передача с шарниром равных угловых скоростей;
- передача с шарниром неравных угловых скоростей;
- передача с полу карданным упругим шарниром;
- передача с полу карданным жестким шарниром.
По количеству валов карданные передачи могут быть: одновальные, двухвальные и многовальные, а по количеству шарниров — одношарнирные, двухшарнирные и многошарнирные.
Эксплуатация и возможные неисправности карданной передачи
Бережная эксплуатация автомобиля позволяет шарнирам карданного вала и шаровым шарнирам передних валов сохранить свою работоспособность надолго, как минимум до 100 тысяч побега. Что касается труб, то при отсутствии механических повреждений их можно использовать долгие годы без замены, в противном же случае изогнутый механизм стоит просто заменить новым. Следует уделять внимание состоянию чехлов шарниров и заменять их при любом повреждении, уберегая тем самым шарниры.
Сокращение работоспособности шарниров могут спровоцировать резкие разгоны, пробуксовка в грязи, неправильный выбор скоростей, долгие поездки по снежным и грунтовым дорогам с глубокими колеями.
О неисправности карданной передачи можно узнать по появившимся посторонним звукам или рывкам автомобиля при движении. Существует несколько причин потери работоспособности карданной передачей, и среди них такие:
- износ карданных шарниров;
- деформация карданных валов;
- повреждение или износ сальников;
- повреждение защитного чехла шарнира;
- износ подшипников;
- ослабление соединительных механизмов.
Данные неисправности очень легко устранить, заменив поврежденные детали или подтянув крепежные детали.
Полный привод подразумевает, что к каждому колесу подведен крутящий момент. Причем так, чтобы колесо могло двигаться и поворачиваться относительно кузова
Собственно, вращает колеса привод. Когда на экране приборной панели вашего внедорожника возникает анимированная картинка распределения тяги по осям и колесам, она в точности повторяет реальную систему валов под его днищем. Эти валы – толстые металлические прутки или трубы с шарнирами по концам. Шарнир позволяет передавать вращение под углом: колеса вместе с подвеской ходят вверх-вниз, а передние еще и поворачиваются на приличный угол.
ПЕРВЫЕ ОКОВЫ
Сперва в мире приводов царили кожаные ремни, такие же, какие использовались в станках. При тогдашних небольших скоростях и смешной мощности моторов это еще годилось, но как только скорости выросли, популярными стали роликовые цепи с подвижными звеньями, как у мотоциклов. Трансмиссия в задней части машины заканчивалась обычным мостом, жестко закрепленным на раме. Вместо колес к его концам крепились ведущие звездочки, а к подвешенным на рессорах колесам – ведомые. На пару задних колес приходилось два моста – ведущий и подвесочный, а свободное провисание цепей обеспечивало некоторую подвижность последнего. О приводе с их помощью передних поворотных колес не могло быть и речи.
От этой схемы быстро отказались ввиду громоздкости и ненадежности и начали придумывать более совершенные.
ОТКУДА РЫВКИ?
Под неравной угловой скоростью понимают вращение, при котором колесо непрерывно ускоряется и замедляется каждую четверть своего оборота. Помимо неприятных воздействий на рулевое управление и подвеску (рывки), работа с неравной угловой скоростью чревата быстрым износом всей трансмиссии. Неравномерность вращения карданной передачи тем больше, чем больше угол между осями ее валов. При этом ведущая часть шарнира вращается равномерно.
КАРДАНО И ЛЕОНАРДО
Подумать только, принцип карданной передачи был подробно описан Джироламо Кардано в XVI веке, а впервые его упоминал еще Леонардо да Винчи! Но одно дело придумать, и совсем другое – воплотить в металле.
Первые карданные валы поселились на автомобилях уже в первое десятилетие ХХ века. Из всех применяемых сегодня подвижных передач карданная – самая простая. Четыре игольчатых подшипника да крестовина. Ее простота компенсируется одним важным недостатком: малыми рабочими углами. До 12 градусов она еще крутится более-менее плавно. Выше – с рывками. Мало кто знает, что и совсем без угловой разницы кардану работать вредно: неподвижные иголки подшипников проделывают в опорных пальцах крестовин канавки, лишая соединение подвижности. Поэтому обычно карданам задают небольшой (1,5–2°) рабочий угол.
Кардан годится для привода малоподвижных задних колес, но как быть с передними, где углы поворота зачастую приближаются к 30 градусам?
В переднем мосту всем хорошо знакомого Jeep долгие годы жили сдвоенные карданные крестовины. Гениальное по простоте решение – разделить рабочий угол пополам между двумя шарнирами – имеет два заметных недостатка: громоздкость конструкции и все те же рывки при максимально вывернутом руле. Требовалось придумать что-то кардинально новое.
ПАРРАЛЛЕЛИ НЕ СХОДЯТСЯ
В обычных карданных валах привода мостов применяют две крестовины, ушки которых на одном валу расположены в одной плоскости. Сами валы располагают по возможности так, чтобы оси выходного вала раздаточной коробки (или коробки передач) и ось ведущего вала заднего редуктора были параллельны. Одинаковые, но разнонаправленные углы наклона крестовин такого карданного вала способствуют компенсации угловых пульсаций. Одна из причин появления независимых задних подвесок в том, что их редуктор почти не перемещается относительно остальной трансмиссии. Углы карданных шарниров в таком случае неизменны и минимальны.
Союз иголок. Нет шарнира проще крестовины кардана.
Но азбучный конструктив влечет за собой эксплуатационные тонкости.
Четыре игольчатых подшипника нуждаются в смазке –
заложенной на заводе или периодически пополняемой в процессе езды
Бок о бок. Двойная крестовина позволяет поделить вредный угол
поровну между половинами шарнира.
Грубоватое решение «в лоб» вышло эффективным и
вполне бюджетным, но громоздким
МИР СКОЛЬЗЯЩИХ ШАРИКОВ
Впервые передать вращение с равной угловой скоростью и заменить карданные подшипники подвижными шариками догадался немецкий изобретатель Карл Вайсс в начале 1920-х. Его изобретение, самый первый ШРУС, представляло собой две вилки на концах двух валов, в парных канавках которых перекатывались четыре шарика. Пятый шарик в центре служил шарниром, относительно которого наклонялись валы. Некоторое время спустя патент Вайсса купила компания американского изобретателя и промышленника Винсента Гуго Бендикса, и до сих пор ШРУСы Бендикса – Вайсса мы можем видеть, например, в переднем мосту УАЗа.
Эта конструкция хорошо подходит для передач солидного момента в тяжелых внедорожных машинах, но все же имеет низкий ресурс и заметные потери при больших углах по причине малой суммарной поверхности касания (одновременно работают только два шарика). Путь совершенствования угловых шарниров стал очевидным: увеличение количества соприкасающихся деталей.
Знакомый Бендикс. Конструкция шарнира, хорошо известная владельцам
УАЗов и доброй половины прочих внедорожников.
Проста, технологична и недорога. Одна беда – только два шарика
одновременно передают вращение, отчего мала рабочая поверхность
БОЛЬШЕ – ЛУЧШЕ
В 1936 году изобретателю Альфреду Рцеппу удалось добиться небывалой равномерности угловой скорости валов. Слагаемые успеха – шесть шариков вместо четырех, сферическая форма шарнира и длинные направляющие канавки. Чаще всего именно этот шарнир сегодня мы называем ШРУСом – шарниром равных угловых скоростей. Строго говоря, и в шарнире Рцеппа есть едва заметные рывочки, но они столь малы, что даже при огромном по меркам приводов рабочем угле в 40 градусов ими можно пренебречь. Однако эти шарниры завоевывали мир довольно медленно: изготовление сложных пространственных деталей – внутренней и внешней обойм, сепаратора с отверстиями, точных сферических сопряжений – требовало точнейшего оборудования и качественных материалов. Но именно ШРУСы «Рцеппа» и их разнообразные потомки («Бирфильды» и GKN) нынче правят бал в системах полного привода. Привычная нам «граната» в приводе – это она, рцепповская шестишариковая муфта.
ПРОКЛЯТЬЕ КАРДАНА
С проблемой неравной угловой скорости хорошо знакомы владельцы Lada 4×4 и Chevrolet Niva. Карданное сочленение между коробкой передач и раздаточной коробкой старой версии трансмиссии вкупе с воздействием двух карданов привода мостов – источник самой неприятной вибрации внедорожника. Один из хороших рецептов против вибраций – жесткое крепление агрегатов трансмиссии друг к другу – в Ниве проигнорировали, получив неистребимый источник разнообразных трансмиссионных рывков. Менее технологичный, но следующий «золотому правилу» УАЗ получил моноблочную трансмиссию без промежуточных карданов и спокойную, без пульсаций, трансмиссию.
Сфера в сфере. Основа изобретения Рцеппа –
скользящие друг в друге сферические поверхности.
Для их изготовления необходимо весьма точное оборудование
В СТОРОНУ И НАЗАД
Но не только ШРУС «Рцеппа» крутит колеса на внедорожной технике. Конструкция с ажурными деталями высокой точности выигрывает в компактности, но имеет ограничения по величине крутящего момента. Говоря проще, она хорошо подходит для внедорожников и кроссоверов, но слишком дорога и ненадежна для использования в тяжелых военных и специальных машинах. Для них важны простота и дешевизна, а рывки в трансмиссии – дело второстепенное.
Производители переднеприводных машин, не желая выплачивать компаниям-владельцам патентов «Бендикс-Вайсс» и «Рцеппа» деньги, разработали упрощенные конструкции. Например, шарнир «Тракта» – сочетание кулачков и втулок, соединенных скользящими деталями с большими шлифованными поверхностями. Похожее устройство имеет отечественный кулачково-дисковый шарнир, который успешно применяется на полноприводных КАМАЗах, КРАЗах и УРАЛах. Большие габаритные размеры и огромная поверхность трения таких шарниров не страшна на крупной технике с высоким крутящим моментом мотора, а ограниченный ресурс деталей компенсируется их дешевизной и простотой замены.
Хитрый Томсон. Поместив одну крестовину внутрь другой,
инженер Томсон выиграл в размерах, но потерял в прочности.
Обратите внимание на сложную систему делительных рычажков.
Другой эрзац-шарнир носит хитрое название «трипод». Тут все просто: три торчащих в разные стороны оси на конце привода несут по ролику со сферической поверхностью. Ролики входят в три выреза внешней обоймы. Система проста и надежна, но плохо уживается с большими углами. Тем не менее трипод часто используют в качестве внутренних шарниров спереди. Причина все та же – относительная простота и дешевизна.
Трипод. Несложная конструкция с роликами и пазами во внешней обойме.
Не боится зазоров, но не любит больших углов.
Часто работает в качестве внутреннего шарнира привода передних колес
Трансмиссия полноприводной колесной машины включает в себя несколько карданных передач с карданными шарнирами неравных угловых скоростей, а также карданные передачи с карданными шарнирами равных угловых скоростей, которые устанавливаются в приводе управляемых ведущих колес.
Рассмотрим устройство основных частей карданных передач. Карданный шарнир неравных угловых скоростей состоит из двух вилок — 1 и соединенных крестовиной 3. Одна из вилок иногда имеет фланец, а другая приварена к трубе карданного вала или имеет шлицевой наконечник 6 (или втулку) для соединения с карданным валом. Шипы крестовины устанавливаются в проушины обеих вилок на игольчатых подшипниках 7. Каждый подшипник размещается в корпусе 2 и удерживается в проушине вилки крышкой, которая присоединена к вилке двумя болтами, стопорящимися усиками шайбы. В отдельных случаях подшипники закрепляются в вилках стопорными кольцами. Для удержания смазки в подшипнике и защиты его от попадания воды и грязи имеется резиновый самоподжимной сальник. Внутренняя полость крестовины через масленку заполняется смазкой, поступающей к подшипникам. В крестовине обычно имеется предохранительный клапан, защищающий сальник от повреждения под действием давления нагнетаемой в крестовину смазки. Шлицевое соединение 6 смазывается с помощью масленки 5.
Максимальный угол между осями валов, соединенных карданными шарнирами неравных угловых скоростей, обычно не превышает 20°, так как при больших углах значительно снижается КПД карданных передач. Если угол между осями валов изменяется в пределах 0 …2%, то шипы крестовины деформируются иглами подшипников, и карданный шарнир быстро разрушается.
Рис. Детали карданного шарнира неравных угловых скоростей
В трансмиссиях быстроходных гусеничных машин часто применяются карданные передачи с карданными шарнирами типа зубчатых муфт, допускающими передачу вращающего момента между валами, оси которых пересекаются под углом до 1,5… 2°.
Карданные валы выполняют, как правило, трубчатыми, для чего применяют специальные стальные цельнотянутые или сварные трубы. К трубам приваривают вилки карданных шарниров, шлицевые втулки или наконечники. Для уменьшения поперечных нагрузок, действующих на карданный вал, осуществляют его динамическую балансировку в сборе с карданными шарнирами. Дисбаланс устраняют приваркой к карданному валу балансировочных пластин, а иногда установкой балансировочных пластин под крышки подшипников карданных шарниров. Взаимное положение деталей шлицевого соединения после сборки и балансировки карданной передачи на заводе обычно отмечается специальными метками.
Компенсирующее соединение карданной передачи обычно выполняют в виде шлицевого соединения, допускающего осевое перемещение деталей карданной передачи и состоящего из шлицевого наконечника, который входит в шлицевую втулку карданной передачи. Смазку вводят в шлицевое соединение из масленки или при сборке закладывают смазку, которую заменяют после длительного пробега ТС. Для защиты шлицевого соединения от вытекания смазки и загрязнения обычно устанавливают сальник и чехол.
При большой длине карданных валов в карданных передачах обычно применяют промежуточные опоры. Промежуточная опора, как правило, представляет собой прикрепленный болтами к поперечине рамы кронштейн, в котором установлен в резиновом упругом кольце шариковый подшипник, закрытый с обеих сторон крышками с сальниками и устройством для его смазывания. Наличие упругого резинового кольца позволяет компенсировать неточности сборки и перекосы подшипника, возможные при деформациях рамы ТС.
Карданный шарнир равных угловых скоростей шарикового типа с делительными канавками состоит из двух вилок, пяти шариков, штифта и стопорной шпильки. Ведущая вилка изготавливается как единое целое с полуосью 6, а ведомая вилка — с приводным валом 23 колеса. В каждой вилке 3 и 4 (рис. а) выполнено по четыре канавки, в них устанавливаются четыре ведущих (боковых) шарика 7, через которые и передается вращение от одной вилки к другой. При любом угле между валами боковые шарики в канавках вилок находятся в плоскости, делящей этот угол пополам, благодаря чему вращение от ведущего вала к ведомому передается равномерно. Центральный (пятый) шарик 2 помещается между торцами вилок и обеспечивает их центрирование. Для возможности установки ведущих шариков в канавки вилок центральный шарик имеет лыску с отверстием, которым он при сборке карданного шарнира устанавливается против вставляемого бокового шарика. После сборки карданного шарнира центральный шарик фиксируется в определенном положении штифтом 6, закрепляемым стопорной шпилькой 5 в отверстии ведомой вилки.
Рис. Детали карданных шарниров равных угловых скоростей:
а — шариковый; б — кулачковый; 1 — ведущие (боковые) шарики; 2 — центральный шарик; 3, 4, 7, 11 — вилки; 5 — шпилька; 6 — штифт; 8, 10 — кулачки; 9 — диск
Карданные шарниры такой конструкции могут работать при углах между валами до 30…35°. Их недостатками являются необходимость точной фиксации валов в осевом направлении, а также высокие давления на контактных поверхностях, что снижает их долговечность и ограничивает применение таких карданных шарниров на полноприводных колесных машинах большой грузоподъемности. На них в приводе управляемых ведущих колес устанавливают карданные шарниры равных угловых скоростей шарикового типа с делительным рычажком или кулачковые, а также сдвоенные карданные шарниры неравных угловых скоростей.
На рисунке б показано устройство кулачкового карданного шарнира равных угловых скоростей, устанавливаемого в приводе управляемых ведущих колес автомобилей КамАЗ, «Урал» и др.
В вилках 7 и 11, связанных с валами (полуосями) привода колеса, могут поворачиваться кулачки 8 и 10, которые шарнирно соединяются между собой диском 9, входящим в их вырезы (пазы). При передаче вращения, когда валы привода расположены под углом (поворот управляемых колес), каждый из кулачков 8 и 10 поворачивается одновременно относительно вилки и реи диска. Оси отверстий вилок лежат в одной плоскости и совпадают со средней плоскостью диска 9. Эти оси расположены на равных расстояниях от точки пересечения осей валов и всегда перпендикулярны валам, поэтому точка их пересечения при любом положении вилок располагается в биссекторной плоскости. Вал внутренней вилки 11 шлицами соединяется с полуосевой шестерней дифференциала, а вал наружной вилки 7 — со ступицей колеса.
Кулачковые карданные шарниры могут работать при углах поворота до 50°. Благодаря большой контактной поверхности деталей, через которые передаются усилия, кулачковый карданный шарнир имеет небольшие размеры. Их основной недостаток — более низкий, чем у карданных шарниров, КПД и как следствие сильный нагрев при работе.
Карданные валы и вилки изготавливаются из углеродистой, а крестовины — из хромистой и хромоникелевой сталей. Для смазывания карданных передач применяется трансмиссионное масло (нигрол).