Что такое карданный вал
Кардан это механизм, передающий вращение от коробки передач на редуктор заднего моста. Задача усложняется тем, что эти два механизма расположены в разных плоскостях по отношению друг к другу. Карданами оснащаются все модели автомобилей, задние колеса которых являются ведущими.
Кардан трансмиссии устанавливается вдоль выхлопной системы автомобиля и выглядит в виде длинной балки, идущей от коробки передач до заднего моста. Он оснащен минимум двумя крестовыми шарнирами (по одной с каждой стороны), а в узлах с небольшим смещением осей – одним.
Подобная передача используется также в системе рулевого управления авто. Шарнир соединяет рулевую колонку с расположенным в другой плоскости рулевым механизмом.
В сельскохозяйственной технике такое устройство используется для подсоединения дополнительного оборудования к валу отбора мощностей трактора.
Из истории создания и применения кардана
Как большинству автомобилистов известно, карданным валом оснащаются только заднее- и полноприводные модели авто. Транспорту с передними ведущими колесами данная часть трансмиссии попросту не нужна. В этом случае крутящий момент передается непосредственно от коробки передач на передние колеса. Для этого в коробке передач имеется главная передача, а также дифференциал (о том, зачем он нужен в машине, и как работает, имеется отдельный подробный обзор ).
Впервые о принципе карданной передачи мир узнал от итальянского математика, инженера и врача Джироламо Кардано в 16-м веке. Устройство, названное в его честь, стали использовать на закате 19 века. Один из первых авторазработчиков, который воспользовался данной технологией, был Луи Рено.
Автомобили Renault, оснащенные карданной передачей, получили более эффективную трансмиссию. В ней были устранены провалы крутящего момента в процессе передачи его на задние колеса, когда транспорт попадал на нестабильную дорогу. Благодаря этой модификации трансмиссии машины стали более мягкие во время движения (без рывков).
На протяжении десятилетий модернизации транспортных средств принцип карданной передачи остался в первозданном виде. Что касается конструкции такой трансмиссии, то в зависимости от модели авто она может сильно отличаться от родственных аналогов.
Устройство карданного вала
Основные элементы наиболее популярной модификации устройства:
- Центральный вал (карданная труба, ось). Полая труба из металла. Цельнотянутая деталь. Конструктивный элемент, на который крепятся другие детали.
- Крестовина. Важна для реализации функции контроля углов переменного наклона и, соответственно, вращающихся элементов. Корректный диапазон углов переменного наклона — от 0 до 20 градусов. Это важно для того, чтобы вал не прерывал вращения. Качественные крестовины изготавливаются из легированной стали путём горячей штамповки.
- Приварная вилка. Соединительный элемент между промежуточным и основным валом. Играет роль компенсатора расстояния по высоте между валами. Значение приварной вилки особенно легко оценить на бездорожье. При подборе вилки для КВ (например, в случае замены) важно учитывать величину крестовины, посадочный диаметр трубы, максимальный угол шарнира и тип крепления.
- Фланец-вилка шарнира (фланец кардана). Фланец-вилка монтирована в области крепления вала к мосту. Состоит из фланца (плоского диска) и двух рогов, в которых сделаны отверстия под крестовину, для болтов. Вилка крепится к ответному фланцу на ведущих мостах или коробке передач. Наиболее перспективные — вилки–фланцы с 4-мя шлицевыми «пятками» в зонах установки болтов и шлицами на ответных фланцах. Такие решения — гарант качественного соединения узлов. При выборе фланца при замене детали важно учитывать диаметр отверстий и их количество, диаметр самого фланца.
- Шлицевое соединение. Ответственно за трансформацию рабочей длины при движении. Одна точка шлицевого соединения фиксируется на коробке передач, другая — на редукторе. Когда транспортное средство вынуждено преодолевать ухабы, ямы, то интервал между точками опоры возрастает, и благодаря шлицевому соединению кардан «растягивается».
Обе вилки, крестовина и шлицевое соединение образуют так называемый шарнирный узел. Его основная задача — передача крутящего момента с изменяющимся углом.
Исключение! На некоторых внедорожниках вместо крестовины можно встретить карданы с ШРУС. В этом случае шлицевое соединение отсутствует.
Устройство ряда КВ включает эластичную муфту. Она помогает сгладить колебания крутящего момента и компенсировать осевые, угловые отклонения.
Подшипники
Если же речь идёт не только о карданном вале, но и карданной передаче в целом, рассматривая устройство, нужно не забывать про подшипники. Для поддержания карданного вала в технически корректном положении на нем установлен подвесной металлический подшипник с металлической обоймой и резиновой подушкой.
Именно подвесной подшипник принимает на себя нагрузку (осевую, радиальную), обеспечивает вращение, качение. Это один из наиболее нагруженных элементов трансмиссии, поэтому требует регулярного технического обслуживания.
Промежуточный подшипник выполняет функцию поддержки основного вала, обеспечивает ему возможность вращаться в необходимом направлении. Наиболее лучшими демпфирующими свойствами обладают подшипники в виде кольца, сделанного из эластомера.
Виды карданных валов
Тип карданной передачи зависит от назначения. Компоновка разрабатывается на стадии проектирования. Выбор, зачем нужен карданный вал конкретной конструкции определяется техническими характеристиками автомобиля. В некоторых случаях необходим монтаж многовального механизма с несколькими шарнирами.
Асинхронные
Шарнир, обеспечивающий изменение угла в двух плоскостях, называют асинхронным, поскольку в нём теоретически невозможно получить равенство мгновенных угловых скоростей и крутящих моментов при любых углах поворота вала.
Причём чем больше угол наклона в шарнире, тем этот неприятный эффект сильнее проявляется в виде вибраций при движении.
Некоторая компенсация неравномерности обеспечивается использованием двух крестовин, по одной на каждом конце вала, развёрнутых относительно друг друга на 90 градусов. Но полностью устранить проблему это не позволяет, поскольку параллельность осей входного и выходного хвостовиков (фланцев) соблюсти невозможно.
Синхронные
Синхронный шарнир иначе называется шарниром равных угловых скоростей (ШРУС). Они обычно имеют конструкцию в виде нескольких шариков, перемещающихся между внутренней и наружной обоймами шарнира по точно рассчитанной траектории, обеспечивающей равенство момента и плавность работы при больших углах.
Такая передача работает без вибраций, но обходится значительно дороже, являясь узлом точной механики.
Гибкая и жесткая полукарданная передача
Иногда целесообразно не использовать крестовину или ШРУС, поскольку угол отклонения оси незначителен, а применить эластичную резиновую муфту, компенсирующую отклонение за счёт внутреннего перемещения слоёв.
Помимо дешевизны такой шарнир отличается бесшумностью работы, сглаживанием крутильных колебаний и не требует смазки. Поэтому муфты можно встретить даже на дорогих автомобилях, где фактор цены не так важен.
Особенности функционирования
Главная особенность, которая является и недостатком этого шарнира, — неравномерная циклическая передача вращения. То есть, из-за имеющегося угла между валами ведомая часть привода переменно то обгоняет, то отстает от ведущей. Из-за этой особенности шарнир и называется «неравных угловых скоростей». Поэтому в переднем приводе валы с таким устройством не используются.
Особенность принципа работы карданной передачи учитывается конструкцией. Чтобы частично компенсировать неравномерную передачу, в устройстве привода используется одновременно два и больше шарнира. Также на легковых авто нередко можно встретить и полукарданный упругий элемент.
Чтобы имеющиеся карданы компенсировали цикличную неравномерную передачу, их еще необходимо правильно разместить относительно друг друга. Для этого шарниры располагают синхронно, а не со смещением между собой. То есть, внутренние вилки, установленные на трубчатом валу, и внешние, соединяемые фланцами с осями узлов, установлены в одной плоскости.
Полукарданный упругий элемент конструктивно очень схож с шарниром неравных угловых скоростей. У него также имеются две вилки, но соединены в единую конструкцию они при помощи эластичной (резиновой) вставки. Бывают конструкции и с фланцевым соединением.
Несмотря на свой недостаток, карданы достаточно широко используются. И способствует этому высокая надежность шарнира и неприхотливость к условиям работы. Это позволяет карданную передачу оставлять открытой, без каких-либо защитных элементов.
В целом, карданная передача может отработать очень длительный срок без какого-либо обслуживания. Выход из строя шарнира может вызвать только попадание внутрь подшипников загрязняющих веществ из-за поврежденных сальников. И то, к поломке это сразу не приведет. Кардан станет негодным для использования только при значительном износе игольчатых тел качения подшипников. Сам шарнир является неремонтируемым и при износе он просто заменяется.
Основные неполадки кардана
В карданной передаче изнашивается при работе всё, кроме валов. Как крестовины, так и ШРУС, подобны по своему строению подшипникам качения, поэтому ход износа очень похож.
Это усталостные явления в материале тел качения, истирание канавок, коррозия. Шарниры требовательны к смазке, что не всегда удаётся обеспечить на долгий срок службы.
Аналогично страдают и шлицевые соединения. Эластичные муфты выходят из строя по мере старения материала, усталостного или от времени.
Утечка масла
Для смазки шарниров используется специальный консистентный материал. Обычно для ШРУСов, подшипников игольчатого типа, шлицевого соединения используется индивидуальная смазка, которая обладает нужными характеристиками.
Чтобы в полость трущихся или вращающихся элементов не попадала грязь, они защищаются пыльниками, а также сальниками. Но в случае деталей, расположенных под днищем машины, такая защита лишь временная. Причина в том, что защитные чехлы постоянно находятся в зоне активного агрессивного воздействия влаги, пыли, а в зимний период еще и химических реактивов, которыми посыпается дорога.
Если автомобиль часто передвигается по пересеченной местности, то дополнительно есть риск повредить такую защиту камнем или веткой. В результате повреждения агрессивная среда начинает воздействовать на вращающиеся и продольно перемещающиеся детали. Так как в процессе движения транспортного средства карданный вал постоянно вращается, то смазка в нем нагревается, и по мере износа сальников может вытекать, что со временем приведет к поломке этой части трансмиссии.
Вибрация при разгоне и стуки в КПП
Это первый признак, по которому определяется неисправность карданного вала. При незначительном износе вращающихся элементов по кузову распространяются по кузову, в результате чего в машине во время езды стоит неприятный гул. Правда, для некоторых моделей авто этот акустический эффект – вполне естественный фактор, по которому определяется наличие карданного вала в трансмиссии. Особенно это касается некоторых старых отечественных автомобилей.
Скрип во время ускорения
По скрипу, который появляется в момент ускорения транспортного средства, определяется износ крестовин. Причем этот звук не исчезает, а наоборот усиливается в процессе разгона машины.
Скрип в этой детали издают ролики игольчатого подшипника. Так как они меньше всего защищены от агрессивного воздействия влаги, со временем подшипник теряет смазку, и иголки начинают ржаветь. Когда авто разгоняется, они сильно нагреваются, расширяются, начинают вибрировать и издавать сильный скрип.
Из-за высокого крутящего момента крестовина испытывает большие нагрузки. А обороты коленвала не синхронны скорости вращения колес машины. Поэтому скрип может появляться независимо от скорости транспортного средства.
Проблемы с подвесным подшипником
Как мы узнали из подтемы, касающейся устройства карданного вала, подвесной подшипник это обычный подшипник с круглыми роликами, заключенными в розетку. Чтобы устройство не выходило из строя из-за постоянного воздействия пыли, влаги и грязи, ролики защищены пластиковыми крышками, а внутри находится густая смазка. Сам подшипник закреплен под днищем автомобиля, а через центральную часть проходит труба кардана.
Чтобы вибрации от вращающейся трубы не передавались на кузов, между наружной обоймой и крепежным кронштейном подшипника установлена резиновая муфта. Она выполняет функцию демпфера, минимизирующего акустический эффект в процессе работы карданной передачи.
Хотя подшипник закрыт, и в нем закачана смазка, которую никак невозможно добавить или заменить (она заполняется на заводе в процессе изготовления детали), полость между розетками не имеет герметичную защиту. По этой причине со временем, в каких бы условиях ни эксплуатировался автомобиль, внутрь подшипника попадает пыль и влага. Из-за этого происходит выработка между роликами и нагруженной частью розетки.
От недостатка смазки (она постепенно стареет и вымывается) на роликах подшипника может появляться ржавчина. Со временем шарик, сильно поврежденный коррозией, рассыпается, из-за чего внутри подшипника появляется большое количество посторонних твердых частиц, разрушающих другие элементы детали.
Обычно при такой поломке подшипника появляется вой и гул. Данный элемент требует замены. Под воздействием влаги и агрессивных химических веществ резиновая муфта стареет, теряет свою упругость, и впоследствии из-за постоянных вибраций рассыпается. В этом случае водитель будет слышать отчетливые сильные стуки, передающиеся на корпус. Ездить с такой поломкой не стоит. Даже если водитель готов мириться с сильным шумом в салоне, из-за большого смещения карданный вал может сильно пострадать. Причем невозможно предугадать, какая из его частей сломается первой.
Проверка состояния карданного вала
Даже, если авто эксплуатируется в неэкстремальных условиях (езда по городским дорогам), проверка состояния карданного вала нужна каждые 5 тысяч километров. При езде по грунтовым дорогам проверка рекомендуема еще чаще: каждые 3 тысячи км. К спецтехнике предъявляются свои требования. Всё зависит от того, на каких объектах она используется. Наибольшее внимание при проверке уделяется крестовине, которая может начать перекатываться, заедать, а также подвесному подшипнику. Появление люфтов после определенного пробега – вполне закономерное явление.
Очень уязвимо и шлицевое соединение. Прежде всего, потому что это движущийся механизм, который постоянно встречается с динамическими нагрузками.
Проверку деталей рекомендуется проводить в следующем порядке:
- Соединительные элементы (гайки, шайбы) подшипников, муфт, фланцевых вилок. Важно, чтобы не только все соединения были на месте, но и моменты затяжки соответствовали требованиям условий эксплуатации.
- Муфты в момент кручения вала. Недопустимо присутствие на муфтах трещин, а тем более разрывов. Если такая проблема есть, менять деталь нужно в срочном порядке.
- Шлицевое соединение в момент вращения вала. Здесь важно понять, нет ли люфтов. Чтобы оценка состояния шлицевого состояния была максимально достоверной, вращение производить целесообразно в обе стороны.
- Шарниры. Здесь недостаточно просто визуального осмотра. Нужно разместить между вилками отвертку и основательно прокачать. Неприятный момент – это опять-таки нахождение люфта. В этом случае придётся ставить новую крестовину.
- Подшипники. Принципиальное значение имеет, как происходит проверка. Важны навыки. Для того, чтобы не упустить люфт, одной рукой нужно держать КВ, другой дёргают его в разные стороны.
А вот в случае, если есть подозрение на дисбаланс КВ, не обойтись без диагностики узла на балансировочном стенде. Особенно без такой проверки не обойтись, если во время езды чувствуются постоянные вибрации, а при переключении передач регулярно возникает неприятный скрежет.
Демонтаж и установка карданного вала
Определить точное время, когда нужно менять кардан, могут только специалисты. Явные признаки неисправности – значительные механические повреждения, дефекты соединений, деформации. Для демонтажа кардана необходимо поставить машину на эстакаду или над смотровой ямой.
Порядок снятия кардана:
- Открутить болты, соединяющие фланцы моста и кардана.
- Вал опустится вниз. Нужно заранее подготовить для него опору.
- Снять крепления резиновой муфты.
- Выдвинуть кардан из КПП.
- Демонтировать крепление подвесного подшипника.
После этого можно заняться ремонтом, обслуживанием кардана. Перед установкой нового необходимо проверить работоспособность всех компонентов. Монтаж выполняется в обратном порядке.
Важно своевременно проводить обслуживание и диагностику карданной передачи. Это поможет минимизировать появление поломок, неисправностей.
Обслуживание кардана
Крестовины в некоторых валах предусматривают смену смазки через пресс-маслёнки. Для нагнетания используется шприц, нагнетающий смазку под давлением.
Сама смазка должна быть именно предназначенной для крестовин, универсальные составы здесь работают плохо. То же касается и смазывания шлицевых соединений.
Операции обслуживания лучше проводить после каждого попадания в тяжёлые дорожные условия, когда на шарнир попадает жидкая грязь и вода. Шприцевать шарнир надо до начала выхода из-под сальников всех четырёх чашек чистой нагнетаемой смазки.
Последствия неправильной работы кардана
Как мы уже обратили внимание, неполадки с карданом в первую очередь распознаются по усиливающемуся шуму и приличным вибрациям, поступающим на кузов во время движения транспорта.
Если водитель отличается железными нервами и неимоверным спокойствием, то игнорирование вибраций и сильного шума по причине изношенного карданного вала обязательно приведет к неприятным последствиям. Самое страшное, что может произойти, это обрыв вала во время движения. Особенно это опасно, и всегда приводит к авариям, когда вал обрывается в передней части машины.
Если признаки неполадок кардана появились во время движения, водителю как можно скорее нужно снизить скорость и остановить транспортное средство. Обозначив место остановки машины, необходимо провести визуальную диагностику авто. вот на что необходимо обратить внимание:
- На все болтовые соединения;
- На состояние подвесного подшипника, особенно на его резиновый демпфер;
- На состояние фланцев;
- На крестовины;
- На крышки подшипников.
Не рекомендуется разбирать вал самостоятельно ни на дороге (чтобы заменить сломавшуюся деталь), ни в гаражных условиях, если у автовладельца нет соответствующих навыков. Ремонт кардана всегда должен сопровождаться его балансировкой, что в условиях дорожного ремонта невозможно сделать.
По этим причинам за состоянием данной части трансмиссии нужно следить. Плановый технический осмотр и при необходимости ремонт – залог исправной и безопасной работы любой системы авто и его агрегатов, в том числе и карданного вала.
Где еще применяются валы карданного типа
Для чего нужен карданный вал, кроме соединения КПП с мостом и колесами? В реальности сфера применения шарниров НУС достаточно велика. Их применяют для создания регулируемых рулевых колонок, где необходимо передать крутящий момент от руля к колесам. Также крестовидные соединения используют в наборах инструментов. Они позволяют работать с болтами, не находящимися на прямой линии с удлинителем ключа.
Сегодня карданные шарниры, несмотря на широкое применение во многих областях промышленности, считаются устаревшими. Все большее развитие получают ШРУСЫ, а крестовины и вилки медленно уходят в прошлое.
Перспективы развития системы карданной передачи
Классический ШНУС имеет некоторые технологические недостатки. Скорость вращения его валов изменяется в процессе движения. При этом ведомый вал может ускоряться и замедляться при стабильной скорости ведущего вала. Это приводит к ускоренному износу механизма, а также создает лишнюю нагрузку на задний мост. Также работа шарнира сопровождается вибрацией.
Назначение карданной передачи может выполнять вал, оборудованный ШРУСами (передним и задним). Подобные системы уже сегодня применяются на некоторых внедорожниках. Также ШРУСом может быть оборудована карданная передача автомобиля ВАЗ-2107 и другой «классики». В продаже имеются ремонтные комплекты.
Использование шарнира равных угловых скоростей позволяет ликвидировать недостатки, свойственные классической крестовине. Скорость вращения вала выравнивается, исчезает вибрация, КВ не требует балансировки после ремонта, до 17° увеличивается угол передачи крутящего момента.
