Принцип работы карданной передачи

Почему карданный вал не применяют вместо ШРУСов?

Казалось бы вполне логичный вопрос. Если карданный вал имеет такую способность к вращению даже при изменении угла валов относительно друг друга, то почему бы его не использовать в переднеприводных автомобиля?

Прежде чем ответить на этот вопрос, необходимо рассмотреть один из существенных недостатков такого вида передачи. Он заключается в несинхронности вращения одного их валов. Дело в том, что если, например, ведущий вал вращается с равномерной скоростью, то ведомый будет обязательно вращаться неравномерно. В автомобилях с передним приводом передача синхронного вращающего момента на ведущие передние колеса является самым главным, поэтому там используются более сложные аналоги кардана – ШРУСы.

Тем не менее, не смотря на этот недостаток, можно сделать вывод о том, что он легко устраняем, если установить на каждом валу специальные парные шарниры, которые сравняют синхронность вращения, пусть не до абсолютно, но хотя бы примерно равных размеров.

ШРУС же, является разновидностью кардана и имеет более сложную конструкцию и другой существенный недостаток – невозможность поворота колес более угла в 70 градусов. Шарнир же значительно выигрывает по сравнению с обычным карданом, но имеет и свои недостатки.

• Во-первых, «гранаты» имеют более низкий срок службы, чем кардан и очень часто выходят из строя.
• Во-вторых, надежность крепления шарнира и кардана – тут безусловно выигрывает именно кардан, так как имеет более толстую цельнометаллическую конструкцию.

В процессе работы на заднем приводе, кардан имеет свойство создавать определенные вибрации при движении на больших оборотах. Данные недостатки сокращаются путем применения сразу двух карданных валов. Увеличение количество передач приводит к плавности движения и при преодолении различных неровностей дорожного покрытия.

Все соединения карданного вала с коробкой передачей смазываются трансмиссионным маслом. В некоторых коробках передач такой вал вставляется прямо внутрь коробки, где и происходит смазка данного элемента.

Устройство карданного вала и принципы его работы

Карданный механизм стандартного типа может быть представлен в структуре авто двумя элементами:

• Передним карданным валом, который зачастую отходит по обе стороны от КПП и каждая его часть взаимодействует с полуосями (колёсами) напрямую;
• И задним карданным валом, который либо также соединяется с КПП напрямую, либо отходит непосредственно от передней части механизма через специальный распределитель (средний «кардан»). Задний карданный вал имеет существенное отличие от переднего, а именно – особую структуру, которая предполагает использование тонкостенной трубы, передающей вращение на полуоси посредством соединения с отмеченными ранее узлами. В случае с использованием переднего «кардана» подобный подход не требуется, так как приводные механизмы соединяются с колёсами напрямую.

Передний карданный вал

Задний карданный вал

Если с задним карданным валом всё предельно просто – он состоит из тонкостенной трубы, шарниров и соединителем с КПП, то вот с передним «карданом» ситуация обстоит слегка иначе. Данная часть механизма в типовом варианте имеет следующие конструкционные элементы:

• подвесной подшипник (реже и другие распределители крутящего момента);
• двойной шарнир, необходимый для передачи вращения полуосям;
• одной или нескольких скользящих вилок, распределяющих вращение между полуосями или осями после его получения от КПП;
• промежуточные уплотнители и защитные составляющие (сальники, прокладки и т.п.);
• крепежи деталей.

Рассматривая принцип работы любой части карданного вала максимально просто, стоит выделить три базовых этапа его работы:

1. Тонкостенная труба или скользящая вилка, соединенные с источником вращения (КПП) с одной стороны, получают от него это самое вращение;
2. Соединяясь с другой стороны с полуосями, данные элементы передают кручение непосредственно на колёса;
3. В процессе реализации двух предыдущих этапов возможно грамотное распределение крутящего момента между осями посредством использования некоторых подшипников, шарниров и подобных элементов устройства. Помимо этого, упомянутые шарниры в конструкции карданного вала используются для передачи вращения под углом. Наибольший эффект и КПД от подобного передачи вращения достигается в угловом диапазоне 0-20 градусов. Конечно, большинство «карданов» могут передавать вращение и при большем повороте колёс, но в этом плане они в любом случае будут уступать гранатам переднеприводных авто.

В зависимости от того, насколько грамотней, умней «кардан» распределяет вращение между полуосями, определяется сложность его конструкции. Тут действует крайне простой принцип – чем более сложные функции выполняет данный механизм, тем больших размеров, веса он будет. Отметим, что большинство карданных валов делают из высококачественной стали. Подобный подход позволяет не только добиться максимальной крепости узла, но и относительно небольших габаритов и массы, в отличие случая с использованием сплавов или замены стали на иные металлы.

?Неисправности карданных валов

Так как данный механизм находится в постоянном движении, и он испытывает большие нагрузки, то и неисправности с ним встречаются довольно часто. Вот самые распространенные из них.

На валу кардана появилось масло

Необходимо обратить внимание на сальники КПП. Их необходимо периодически менять из-за естественного износа

Эластичные уплотнители со временем теряют свои свойства и между валом и сальником появляются небольшие щели. Если течь появилась в районе скользящей вилки, нужно проверить состояние шлицев. Если на них есть шероховатости, то вилку необходимо заменить.

Удары во время нагрузок на кардан обусловлены люфтом на соединениях. Если свободный ход появился в крестовинах или в подшипнике подвесного крепления, то эти детали меняются на новые. Вибрация может появляться из-за ослабления болтового соединения. В случае частого возникновения такой проблемы, следует проверить, установлен ли между гайкой и креплением гровер. Эта шайба не дает гайке отвинчиваться при постоянной вибрации.

Скрипы при нажатии на педаль акселератора. Необходимо проверить шарниры. Из-за постоянного контакта с влагой и грязью, крестовина может выйти из строя. Если игнорировать скрипы, крестовина заклинит и шарнир сломается.

• Самая распространенная неисправность карданного вала – вибрации. Но прежде чем приступать к ремонту механизма, сначала следует проверить ходовую часть. Нарушенная балансировка колес тоже приводит к появлению вибрации на высоких скоростях. Если этот эффект исчезает при переключении да другую передачу, то кардан здесь не при чем. Вот по каким причинам может возникнуть вибрация в кардане:
  • неисправность балансировочных колец (коррозия или обрыв);
  • разрушение крестовин;
  • повреждения центрального или промежуточного вала (деформация трубы приводит к разбалансировке механизма);
  • неправильно собранные узлы механизма.
• Звон в трубе. За шлицевым соединением внутри трубы есть крышка, которая не дает смазке попадать внутрь вала. Чтобы исправить поломку, трубу разрезают, крышку приваривают на место, затем вал заваривают. Если после процедуры появился звон другого характера (как будто в полости вала находится камень), значит, после сварочных работ в ней осталась большая окалина. К звону может приводить обрыв свинцовой опоры. В этом случае проблема устраняется установкой нового кардана.
• Скрежет при включенной передаче. Возникает при контакте с кузовом авто или выхлопной системой.
• Звон самого кардана может появляться из-за поломки крепления грязевого отражателя (если он имеется). Он устанавливается на промежуточную опору для защиты подшипника от воды и грязи. Если он болтается, достаточно приварить его сваркой.

Кардан: зачем он нужен?

Итак, какие проблемы могут возникнуть, если мы захотели передать крутящий момент от двигателя к колёсам? На первый взгляд задача довольно простая, но давайте взглянем на неё внимательнее. Дело в том, что в отличие от двигателя и КПП колёса вместе с подвеской имеют определённый ход, а это значит, что просто жёстко связать эти узлы невозможно. Инженеры решили эту проблему при помощи карданной передачи.

Она позволяет передать вращение от агрегата к агрегату, которые расположены под разными углами, а также уравновешивать все их взаимные колебания без ущерба для передаваемой мощности. В этом и заключается назначение карданной передачи.

Ключевым элементом механизма выступает так называемый карданный шарнир, он то и есть тем самым хитроумным инженерным решением, позволяющим нам с Вами наслаждаться поездками на автомобилях.

Нужно сказать, что карданы используются в различных узлах машины. В основном, конечно же, встретить их можно в трансмиссии, но кроме этого данный тип передачи актуален для системы рулевого управления.

Процесс снятия и замены изделия

Ниже описана последовательность действий при замене привода переднего моста на автомашинах УАЗ Патриот.

1. Установите автомобиль на эстакаду или подъемник, предварительно поставив под колеса противооткатные упоры.
2. Отметьте мелом или зубилом положение карданного вала и фланцев раздаточного редуктора и переднего моста. Метки позволят продолжить эксплуатацию автомашины со старым приводом.
3. Очистите болты крепления привода к фланцам. Для облегчения снятия изделия нанесите на соединения жидкость WD40.
4. Открутите точки крепления. Если отвернуть болты не удается, обрежьте металлические элементы дисковой пилой. Для крепления кардана спереди и сзади используется по 4 болта с гайками, элементы отворачиваются с помощью 2 гаечных ключей на 14 и 17 мм.
5. Выньте изношенный привод и установите на штатное место новую деталь. При монтаже рекомендуется использовать новые болты, на резьбу которых нанесен специальный герметик, не допускающий отворачивания элементов в процессе эксплуатации.
6. Новый привод требует балансировки, которая выполняется в условиях сервисной станции. Эксплуатировать автомобиль с деталями, не прошедшими балансировку, запрещено, т.к. усиливается вибрация и есть риск разрушения элементов трансмиссии.

Шарнир равных угловых скоростей

Полуоси, независимо оттого, где они применяются, в переднеприводном автомобиле или в автомобиле с приводом на задние колеса с независимой подвеской, представляют собой карданные валы в миниатюре

Важное различие заключается в том, что они короче, и в том, что внешние концы перемещаются с колесами, которые они приводят в движение, а углы, под которыми они передают крутящий момент, больше. Вес является важным фактором, потому что, валы образуют часть «неподрессоренной массы», которая влияет на плавность хода и устойчивость

Одновременно полуоси должны быть по возможности небольшими, потому что они должны проходить через подвеску и оставлять место для других компонентов, таких, как тормозной механизм и привод, которые образуют часть колесного узла. Поэтому полуоси могут быть трубчатыми, но более часто сплошными, из-за того, что это дает возможность сделать их тоньше и дешевле.

Однако конструкция самого вала не настолько важна, насколько важна конструкция шарниров на каждом конце вала. Основная задача любого карданного шарнира — передавать крутящий момент при изменяющихся углах между валами. Чтобы не допустить вибраций, шарнир должен обеспечивать постоянное равенство угловых скоростей соединяемых валов. Конструкция шарнира должна обеспечивать равенство угловых скоростей, работать при больших углах между валами, компенсировать продольные перемещения и иметь минимальное трение.

Наиболее распространенным шарниром в приводных валах является универсальный карданный шарнир неравных угловых скоростей, который хорошо работает в различных конструкциях. В альтернативных конструкциях могут использоваться эластичные материалы, резиновые «бублики» или диски из прочного пластика. Но все эти конструкции обладают одним недостатком: если два соединенных шарниром вала вращаются под углом и ведущий вал вращается с постоянной скоростью, скорость ведомого вала будет изменяться при каждом обороте вала, то увеличиваться относительно ведущего, то уменьшаться.

Что такое ШРУС?

Увеличение угла между валами увеличивает разницу в угловых скоростях

Это свойство может не приниматься во внимание, если углы между валами небольшие или они вращаются медленно, но понятно, что они не могут применяться в приводе к передним ведущим и управляемым колесам. Колеса должны вращаться с постоянной скоростью, а не с вибрацией, то быстрее, то медленнее, причем изменяясь сотни раз в минуту

Таким образом, шарнир ведущей полуоси в переднем приводе должен обеспечивать равенство угловых скоростей ведущего и ведомого валов привода — следовательно, нужен шарнир равных угловых скоростей (ШРУС).

Историческая справка

После 1930 года появилось несколько конструкций ШРУС, особые улучшения конструкции были разработаны специалистами по трансмиссиям компании GKN. Первый производитель серийных автомобилей с передним приводом использовал «сдвоенные» карданные шарниры неравных угловых скоростей, что дало возможность решить проблему. Большинство шарниров равных угловых скоростей соединяют два вала через «сепаратор», в котором находятся шарики или ролики, которые перемещаются в канавках, выполненных на концах обоих валов. Вместо циклического изменения скорости ведомого вала, циклические движения совершают шарики или ролики, а ведомый вал вращается с той же скоростью, что и ведущий. Можно также обеспечить осевое перемещение шариков или роликов в корпусе шарнира, для компенсации изменения длины такой передачи. В полуосях, приводящих в движение передние колеса, таким выполняется внутренний шарнир, потому что ему не нужно работать под такими большими углами, как наружному.

Нагрузки на ШРУС

Нагрузки на ШРУС увеличиваются при увеличении угла между валами, и если им приходится работать долгое время под большими углами, это может уменьшить их долговечность и точность работы. Однако при очень больших углах работают только наружные шарниры в переднем приводе, а время их работы в таком положении не очень большое, потому что это происходит, только когда колеса вывернуты до упора. ШРУСы в основном обладают очень высокой долговечностью, если обеспечена адекватная смазка шарнира.

Иногда не обращают внимания на эластичные защитные чехлы ШРУСа, хотя они защищают шарниры от попадания в них грязи и пыли, а это существенно влияет на долговечность шарнира. Как уже упоминалось, ШРУСы сейчас широко используются в карданных передачах заднеприводных автомобилей. На самом деле инженеры по современным трансмиссиям, сталкиваясь с проблемой шума и вибраций, обычно заменяют обычные карданы на ШРУС.

Изобретение карданного вала и начало его применения на автомобилях

Свое название карданный вал получил в честь итальянского медика и математика Джироламо Кардано. Он описал принцип работы шарнирного механизма, соединяющего два вращающихся в одну сторону вала. Некоторые историки утверждают, что похожий механизм предлагал еще Леонардо да Винчи. Интересно, что на авторство изобретения на авторство изобретения вместе с Кардано претендовал также англичанин Роберт Хук, но патент он получил позже.

В современных карданных валах внедорожников подвижное соединение чаще всего заменяют ШРУСами на обеих концах вала. Валы такой конструкции применены в Chevrolet Niva

В 1898 году Луи Рено одним из первых использовал карданный вал в автомобиле. Простота и эффективность привода способствовали тому, что в начале ХХ века карданные валы стали практически безальтернативным средством привода. На сегодняшний день деталь остается крайне распространенной и используется во всех типах транспортных средств — от мотоциклов Harley Davidson до карьерных самосвалов БелАЗ.

Нарушения работоспособности

Главным нарушением в работе карданной конструкции представляется разбалансировка. Данная проблема возникает в результате несоответствия нормам и неверной фиксации зазоров в крестовинах во время установки механизма. Сами производители часто не следят за правильной фиксацией зазоров. Сначала появляется дисбаланс, который проявляется в виде вибрации, передающейся на шаровую и ощущаемой при переключении скорости на рычаге коробки передач. Затем, начинается процесс стремительного изнашивания запчастей конструкции и шаровой в том числе. В итоге, повышается вероятность потери автомобилем равновесия и возникновения серьезной аварийной ситуации. Поэтому не стоит пренебрегать правилами, следует своевременно проводить осмотр и по необходимости ремонт изношенных запчастей.
Появление стука в деталях коробки передач в момент начала езды, при быстром увеличении скорости или смены передачи. Такое может происходить при:уменьшении прочности соединений на резьбе крепежных запчастей фланцев и соединяющей муфты карданной передачи;
наличии сверхдопустимого зазора в шлицевой части или в подшипниках крестовины
Большее внимание нужно уделять крестовине, ее сальнику и наличию смазки, так как именно крестовина может стать основным источником скрежета, требует более частой замены – каждые 10 000 км. Реже чем крестовина, но все таки часто, портится подвесной подшипник и его сальник или появляется зазор в карданном шарнире;
срезание шлицов
Происходит это таким образом: начинает растягиваться цепь в раздатке и образовывается люфт. Из-за люфта цепь перескакивает по зубьям шестеренкой раздатки, что на разной скорости создает мощные ударные нагрузки на шлицы переднего кардана и раздатки. При такой неисправности из-под машины слышны громкие металлические шумы. Даже на оригинальной детали с пробегом 250 000 км высока вероятность того, что шлицы срежутся, и у вала не будет полного входа в раздатку. Т.к. в момент сокращения и растяжения кузова автомобиля при езде карданный вал то входит глубоко в раздатку, то выходит из раздатки. В принципе, избавиться от этой проблемы на пару лет можно, заменив старый кардан на новый, но с шлицевым соединением большей длины. Однако главная причина заключается в растянутой цепи раздатки. Поэтому рекомендуется заменить карданный механизм вместе с цепью

А в случае, если потребуется ремонт или замена раздатки, важно учитывать все характеристики фланца на раздатке (размеры и число шлицевых соединений, внешний диаметр и диаметр по глубине шлицов).

Сильное дребезжание и колебания машины при езде так же могут возникать по причине:

• недопустимого изгиба валов;
• неправильной фиксации и не соблюдения монтажных меток;
• выхода из строя центральной втулки фланца промежуточной муфты или вторичного кольца вала трансмиссии;
• поломки подвесной опоры кардана;
• слабого присоединения поперечной опоры на резьбе;
• сверхдопустимого зазора в игольчатых подшипниках крестовины;
• ослабления соединяющей гайки вилки коробки передач;
• отсутствия смазки в шлицах.

Требования, предъявляемые к устройству карданных передач

Фрикционные диски АКПП- Устройство и принцип работы • возможность передачи крутящего момента под большим углом (до 45°);

• передача крутящего момента не должна сопровождаться большими дополнительными динамическими нагрузками в трансмиссии;

• при любых условиях эксплуатации должен обеспечиваться высокий КПД передачи.

Карданные шарниры можно разделить:

• по кинематике на синхронные (равные угловые скорости) и асинхронные (неравные угловые скорости);• по конструкции на полные, полу карданные — жесткие (угол до 2°) и упругие (угол до 12°).

Конструкция карданной передачи ЗИЛ включает в себя:

• промежуточный полый карданный вал, на одном конце которого приварена вилка, на другом — шлицевая втулка;

• скользящую шлицевую вилку;

• карданный вал, на концах которого приварены вилки карданных шарниров;

• три карданных шарнира неравных угловых скоростей, состоящих из двух вилок и крестовины с четырьмя шипами под игольчатые подшипники крепления с вилками;

• промежуточную опору, состоящую из кронштейна опоры, полушки опоры, скобы крепления подушки, шарикоподшипника с гайкой крепления.

Расположение карданных передач на автомобилях:

а — легковом; б — грузовом; — фуэовых повышенной проходимости;1 — коробка передач; 2, 4 и 9 и 11— карданные 3 и 10 — задние ведущие мосты; 5 — промежуточная опора; 6 — раздаточная коробка; 8 — передний ведущий мост.

Трансмиссия автомобиля с полным приводом состоит их нескольких карданных передач с карданными шарнирами неравных угловых скоростей, также существуют карданные передачи с карданными шарнирами равных угловых скоростей, которые установлены в приводе управляемых ведущих колес.

Общее устройство карданной передачи:

Давайте с вами рассмотрим устройство основных частей карданной передачи.

Карданный шарнир неравных угловых скоростей состоит из двух вилок 1, соединенных крестовиной 3. Одна вилка имеет фланец, а другая приварена к трубе карданного вала или выполнена с шлицевым наконечником 6 для соединения с карданным валом. Шипы крестовины устанавливаются в проушины обеих вилок на игольчатых подшипниках 7. Подшипники размещаются в корпусе 2 и удерживаются в проушине вилки с помощью крышки, которая крепится к вилке двумя болтами, со стопорами. В отдельных случаях подшипники закрепляются в вилках. Чтобы в подшипник не попадала грязь и пыль, в нем имеется сальник. С помощью масленки полость крестовины наполняется смазкой, которая в итоге смазывает подшипники. Шлицевое соединение 6 смазывается с помощью масленки 5.

Максимальный угол между осями валов не должен превышать 20°. Это связано с тем, что работа при больших углах значительно снижает КПД использования карданных передач.

Карданные валы выполняются трубчатыми, из стальных цельнотянутых или сварных труб. К трубам привариваются вилки карданных шарниров, шлицевые втулки или наконечники. После сборки карданного вала с карданными шарнирами проводят динамическую балансировку для уменьшения поперечных нагрузок, которые действую на карданный вал. Чтобы устранить дисбаланс к карданному валу приваривают балансировочные пластины.

Карданный шарнир равных угловых скоростей состоит из двух вилок, пяти шариков, штифта, стопорной шпильки. Ведущая вилка изготавливается цельно с полуосью 6, а ведомая вилка цельно с приводным валом 23 колеса. В каждой вилке 3 и 4 имеются четыре канавки, в которых устанавливаются четыре ведущих шарика 7, через которые 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.

Устройство 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 валы и вилки изготавливаются из углеродистой, а крестовины — из хромистой и хромоникелевой сталей. Для смазывания карданных передач применяется трансмиссионное масло — нигрол.

Возможные неисправности «кардана»

Как стало ясно, «кардан» — устройство относительно простое в своей организации. Несмотря на это, довольно-таки примитивная конструкция сказывается на надёжности узла, которая, честно говоря, могла бы быть и повыше. Так, в отличие от ШРУСов на переднеприводных авто или обгонных муфт, дифференциалов на полноприводных агрегатах, «карданные» машины имеют лишь несколько основных составляющих трансмиссии:

• Передний карданный вал – вращает передние полуоси;
• Средний карданный вал – обеспечивает передачу вращения от КПП на все оси и полуоси автомобиля (передний и задние колёса);
• Задний карданный вал – имеется на полноприводных автомобилях и вращает, соответственно, задние полуоси.

Именно из-за нарушений в синхронности работы основных частей механизма случается большинство поломок «кардана». Помимо этого, сами составные элементы выполняют ряд важнейших и сложных функций, например:

1. Передают крутящий момент на оси и полуоси;
2. Поддерживают друг друга в конструкции автомобиля;
3. Служат опорой для иных частей трансмиссии.

Отметим, что при правильном обслуживании и эксплуатации в надёжности «кардан» ничем не уступает ШРУСам или иным распределителям крутящего момента. Однако зачастую карданные агрегаты эксплуатируются неправильно, поэтому и их поломки случаются нередко. Основные неисправности механизма представлены, так скажем, «золотой тройкой». Если быть точнее, то речь идёт о следующих проблемах:

Деформация некоторых частей «кардана», происходящая из-за наезда автомобиля на высокие препятствия или сбоев в его работе;
Рассинхронизация переднего, среднего и заднего валов, являющаяся следствием долгой, не обязательно неправильной эксплуатации карданного механизма;
Износ составных частей механизма. Чаще всего страдают шарниры, подшипники и сальники «кардана»

Дабы не допустить более серьёзных неисправностей из-за износа подобных деталей, крайне важно каждые 60-80 000 километров пробега проверять карданный вал на дефекты и при наличии устранять таковые.

Это интересно: Устройство и принцип работы соленоидов АКПП

Большинство карданных механизмов имеют довольно-таки внушительный ресурс – 400-500 000 километров пробега. Естественно, добиться полной отдачи от устройства получится лишь в том случае, если соблюдать правила его обслуживания и эксплуатации.