Классификация карданных передач и требования к ним

Устройство автомобиля для чайников

Коробка передач через картер сцепления связана с двигателем и по отношению к кузову автомобиля занимает определенное неподвижное положение. Задний же мост, в котором смонтирована главная передача, подвешен к раме или кузову автомобиля при помощи листовых рессор или пружин. При прогибе рессор задний мост изменяет свое положение, поэтому соединять коробку передач и задний мост между собой жестко нельзя. Для передачи крутящего момента от ведомого вала коробки передач ведущему валу главной передачи под изменяющемся углом и служит карданная передача.

Карданная передача у большинства легковых автомобилей состоит из одной тонкостенной стальной трубы и двух шарниров- карданов.

Одни из карданов соединен с трубой при помощи шлицев, что позволяет карданному валу несколько изменять при движении автомобиля свою длину.

Устройство кардана и принцип работы карданной передачи показаны на рис. 36. На крестовину кардана ставят проушинами две вилки: одна является частью трубы карданного вала, другая частью фланца. После этого в проушинах размещают игольчатые подшипники в обоймах. Они охватывают шейки крестовины и закрепляются в проушинах стальными стопорными кольцами. При наличии таких карданов передача способна передавать вращение под различными, изменяющимися при движении автомобиля углами.

Такая передача из-за большой длины карданного вала часто вибрирует. Кроме того, пол кузова некоторых легковых автомобилей имеет арку для карданного вала, а это создает неудобства для пассажиров. Поэтому на легковые автомобили стали ставить карданную передачу с укороченным карданным валом. Коробка же передач осталась на своем месте. Получился разрыв между ведомым валом коробки передач и передним фланцем карданной передачи. Для компенсации этого разрыва нужен был дополнительный вал.

Так появился у карданной передачи промежуточный вал, передний конец которого при помощи кардана связан с ведомым валом коробки передач, а задний конец — с передним концом карданного вала при помощи шлицевого соединения и кардана. При этом задний конец проходит через шариковый подшипник опоры — кронштейна, жестко закрепленного снаружи на днище кузова. Пол кузова стал более ровным, возможности появления вибраций карданной передачи уменьшились.

Неисправности в карданной передаче заключаются в ослаблении затяжки болтов крепления фланцев карданов, в износе деталей карданов и, в частности, подшипников, из шлицевого соединения карданного вала. Эти неисправности вызывают «шум» и даже стук при работе карданной передачи, и их надо устранять, так как это опасно для движения автомобиля.

Игольчатые подшипники смазывают автотракторным трансмиссионным маслом при помощи шприца, используя отдельные масленки, установленные на крестовинах карданов. Шлицевое соединение карданных валов смазывают солидолом через пресс-масленку. Сроки смазки указываются в инструкции по эксплуатации автомобиля.

‹ Коробка передач: автомат или механика, робот или вариатор? Вверх Принцип работы главной передачи ›

Преимущества и недостатки

Главным преимуществом кардана, является его способность выдерживать предельные нагрузки и передавать крутящий момент. Его конструкция позволяет исключить почти все вибрации автомобиля передвигающегося по неровностям, не говоря уже о хорошей трассе.

Конечно, КВ обладает и рядом минусов. К основным недостаткам можно отнести:

1. Большая масса – прибавляет лишние килограммы автомобилю, снижая его скоростные характеристики.
2. Громоздкость – карданный вал габаритная механическая конструкция, для которой приходится создавать отдельное пространство под днищем транспортного средства, что влияет на клиренс.

Дополнительные элементы

Помимо этого, в конструкцию входит карданный подшипник подвесного типа. Он играет роль вспомогательного опорного элемента для вала. Подшипник предотвращает вращение детали и обеспечивает ее нахождение в требуемом положении при помощи кронштейна, покрытого смазкой и дополненного уплотняющими элементами, который крепится на кузовной части. Количество конструкционных элементов вала определяет число подшипников.

Карданный шарнир головок необходим, в первую очередь, для обеспечения качественного соединения ведущего моста и коленвала. Гибкость и прочность связи становятся наиболее актуальными при смещении моста в процессе движения авто.

Требования, предъявляемые к устройству карданных передач:

• 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.

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.

Преимущества и недостатки карданных передач

Основными преимуществами в работе карданных валов является их способность выдерживать большие нагрузки, что особенно важно для автомобилей с большой массой. Неслучайно все автомобили в кузове лимузин и стретч имеют задний привод

При весе в несколько тонн и мощном двигателе передача крутящего момента карданным валом — наиболее надежный способ.

Карданный вал самосвала БелАЗ весит 105 килограммов. Спортивный кардан для BMW из карбона — 1,8 килограмма

Основной недостаток — собственный вес кардана, увеличивающий общую массу автомобиля. Необходимость наличия в полу кузова специального тоннеля под кардан уменьшает объем салона, повышает уровень шума и вибраций. Кроме того, карданный вал — достаточно дорогая и сложная деталь.

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.

Преимущества и недостатки

Несмотря на объективную необходимость использования карданной передачи в автомобиле, этот механизм обладает сильными и слабыми сторонами.

Начнём с положительных качеств. Их перечень достаточно обширный, потому стоит остановиться на самых основных.

• надёжность и долговечность. Во многом эти качества приобретены за счёт способности кардана выдерживать серьёзные нагрузки. Это преимущество особенно актуально для тяжеловесных машин, а также автомобилей, которые часто вынуждены ездить по неровным дорогам и пересечённой местности;
• ремонтопригодность. Важным достоинством КВ является тот факт, что в процессе ремонта можно менять отдельные компоненты. Нет необходимости осуществлять замену всего узла, что значительно снижает расходы на ремонт автотранспортного средства;
• лучшая чувствительность руля. Активно проявляется на заднеприводных автомобилях, где используется карданный вал. Привод практически никак не зависит от кардана, а потому передняя ось сосредоточена на управлении, а задняя на толкании автомобиля;
• хороший разгон. Узел позволяет загружать задние колёса, но одновременно с этим разгружать передние. Это способствует снижению вероятности такого явления как пробуксовка на машине;
• контроль заноса задней оси. Если возникает занос задней оси, справиться с ним удаётся намного проще за счёт применения карданной передачи;
• длительный срок службы. Элемент действительно надёжный, а его конструкция обеспечивает продолжительную эксплуатацию;
• возможность восстановления. Даже когда КВ сильно изнашивается или сталкивается с серьёзными поломками, его реально восстановить. Хотя в определённых случаях для этого требуется наличие специального оборудования.

Но и недостатки в карданных валах также присутствуют

И на них порой стоит обращать внимание

Если говорить о слабых сторонах КВ, то здесь стоит выделить такие моменты:

1. Главным недостатком считается тот факт, что валы вращаются не синхронно при увеличении угла между ними. Но в действительности такой минус не особо актуален для машин с задним и полным приводом. Недостаток проявляется в основном применительно к переднеприводным транспортным средствам. В связи с этим кардан обычно заменяют более сложным устройством с аналогичным назначением. Речь идёт о конструкции под названием ШРУС или же шарнире равных угловых скоростей.
2. Ещё одним минусом считается внушительный вес конструкции. Большая масса негативно влияет на динамику транспортного средства и способствует увеличению расхода топлива.
3. Чтобы установить в машине карданный вал, требуется предусмотреть наличие специального тоннеля. Это негативно отражается на комфорте в салоне транспортного средства, поскольку посередине машины проходит порой довольно внушительный бугорок.
4. Карданные валы способны создавать дополнительный шум и вибрацию.

Несмотря на имеющиеся недостатки, некоторые из них достаточно условные, и не могут считаться полноценными минусами карданного вала. Плюс производители активно работают над усовершенствованием конструкции, что позволяет избавляться от некоторых недочётов, а также исправлять ошибки предыдущих версий карданных передач.

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.

Карданный вал

Любой полноприодный или заднеприводный автомобиль имеет данный элемент. Ведь без неё, невозможно было бы передать крутящий момент на заднюю ось.

Карданный вал – важнейшая деталь, которая включена в состав трансмиссии автомобиля. Данный механизм передает вращение от коробки передач к редуктору заднего моста. С полной уверенностью карданный вал можно назвать промежуточным звеном или же опорой автомобиля.

Карданный вал

Принцип работы

Карданный вал имеет  в своем составе несколько частей:

1. Подвесной подшипник (опора);
2. Крестовину кардана;
3. Двойной шарнир:
4. Скользящую вилку;
5. Шлицевое соединение;
6. Промежуточные уплотнители;
7. Различные крепления;

В некоторых случаях карданная передача имеет эластичную муфту и специальную защиту.

Схема карданного вала

Как мы поняли карданный вал это сборный механизм, состоящий из ряда частей. Он является опорой автомобиля и можно сказать движущей силой. Длина и конструкция карданного вала зависят от типа и модели автомобиля.

Зачастую автомобиль имеет несколько карданов, передний и задний. И лишь немного автомобилей имеют в своей конструкции лишь один.

Кардан изготавливается из полой металлической трубы, для экономии и снижения веса автомашины. На его концах устанавливаются шарнирные элементы, которые и позволяют вращаться относительно друг друга под определенны углом и успешно передавать крутящий момент. Шарнирные механизмы реализовываются на основе крестовин.

Подвесной подшипник служит как бы фиксатором карданного вала в пространстве под автомобилем, но в то же время он свободно позволяет кардану вращаться вокруг своей оси и выполнять свою функцию.

Крайне важно при проведении любых ремонтных процессов, правильно собирать кардан и устанавливать на автомобиль. Так как карданный агрегат является с технической точки зрения достаточно сложным элементом

Поэтому лучше доверить эту работу профессионалам.

Классификация

Далее мы рассмотрим классификацию карданных передач, которые можно классифицировать по нескольким признакам:

• Тип;
• Назначение;
• Наличие компенсирующего устройства (подвижной шлицевой муфту, удлиняющей кардан при определенных условиях);

По назначению этот элемент можно классифицировать на два разряда:

• Основной – применяется как опора приводов ведущих колёс (то есть передает крутящий момент на ведущую ось);
• Вспомогательный – применяется для вспомогательных механизмов, таких как лебедки, насосы или подъемники;

Тип кардана определяется по его конструкции и расположению:

• Закрытый тип – когда кардан установлен внутри одно из элементов автомобиля;
• Открытый тип – когда он установлен вне зависимости от других элементов;

Принцип работы

Преимущества и недостатки карданных передач

Давайте рассмотрим плюсы и минусы использования карданных передач, и почему в переднеприводных автомобилях нет карданного вала.

Как это было сказано выше, карданный вал используется в заднеприводных и полноприводных автомобилях, и пока не придумано другого более простого и надёжного способа передать крутящий момент на задние колёса. К преимуществам можно отнести:

• Надёжность передачи крутящего момента;
• Хорошую ремонтопригодность;
• Взаимозаменяемость запчастей;

К минусам можно отнести:

• Карданный вал повышает вес автомобиля.
• Уменьшение габаритов салона, так как внутри автомобиля появляется так называемый туннель по центру.
• При неисправностях, снижается комфорт езды на автомобиле, из-за вибраций и появления различного стука;

Что касается использования карданной передачи на переднеприводных автомобилях, то он попросту там не нужен. Ведь передавать крутящий момент на задние колёса не нужно, а передняя ось находится в непосредственной близости к двигателю и КПП.

Какие карданные валы лучше и надёжнее?

С уверенностью однозначно ответить на этот вопрос крайне сложно, ведь всё зависит от многих фактором. В нашей практике мы можем выделить карданные валы, изготовленные из европейских и японских запчастей. Качество их исполнения, прочность стали и надёжность у них просто на высоте. К примеру наша компания изготавливает карданы только из сертифицированных европейских запчастей, что даёт возможность проехать с карданом вплоть до 1 млн. километров пробега без единой поломки.

Немецкие карданные валы

К плохим и ненадёжным карданам же зачастую относят карданы из китайских и турецких запчастей. Как правило, там используются более тонкие трубы, запчасти из менее качественной стали. Поэтому их надёжность и ресурсоемкость крайне ограничена.

Если вам нужен новый карданный вал с гарантией от производителя, то обращайтесь в нашу компанию.

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.