что такое карданный вал в автомобиле

Издается с 2007 года

Карданная передача – конструкция, пережившая века

Исследователи истории механики считают, что автором этого изобретения, относящегося к середине XVI века, является Джироламо Кардано.

О каком изобретении идет речь – становится ясно любому, даже отдаленно знакомому с техникой человеку, хотя Кардано при жизни имел большую известность как врач, выдающийся математик, известный философ. В 1898 году Рено первым использовал вал, названный «карданным», т. к. вал с торцов имел крестовые карданные шарниры. В 1903 году Спайсер усовершенствовал конструкцию, применив шлицевую втулку для компенсации колебаний линейных размеров. До настоящего времени более совершенной, принципиально отличающейся конструкции по передаче крутящего момента, не предложил никто.

Карданная передача – в чем «эксклюзив»?

Специфика работы автомобильной трансмиссии в том, что отдельные ее части могут несколько изменять свое взаимоположение. Двигатель совершает колебательные движения под действием реактивного момента неуравновешенных сил инерции. Ведущие мосты, связанные с несущей системой через подвеску, перемешаются под действием возмущающих сил, вызываемых дефектами дороги. Кузов и рама также имеют некоторую степень свободы, в них возникают упругие деформации под влиянием внешнего воздействия. Таким образом, оси валов агрегатов, передающие крутящий момент от двигателя к ведущим колесам, могут смещаться относительно друг друга, может изменяться и линейное расстояние между агрегатами. Передачей крутящего момента, с учетом несовпадения осей валов и изменяющегося их взаимоположения, обеспечивают т. н. карданные шарниры. Валы, соединяющие карданные шарниры, являются карданными валами. Система, состоящая из одного или нескольких карданных валов и карданных шарниров, называется карданной передачей. Для компенсации колебания расстояний между агрегатами трансмиссии в карданной передаче используются запатентованные еще Спайсером подвижные в осевом направлении муфты.

Карданные передачи различных транспортных средств идентичны и отличаются, в основном, габаритными размерами и формой отдельных элементов.

Особенностью работы быстровращающихся валов, а карданные валы относятся к таковым, является возникновение дополнительных нагрузок, вызываемых центробежными силами, величина которых пропорциональна квадрату частоты вращения. Из этого следует, что влияние этих сил тем больше, чем выше дисбаланс вала. Центробежные силы при высоких оборотах стремятся изогнуть вал, увеличивая дополнительно его несбалансированность. Жесткость вала на изгиб до определенной частоты вращения компенсирует центробежную силу, но при т. н. критической частоте центробежная сила «побеждает», и прогиб вала теоретически должен увеличиваться до выхода вала из строя. Но, благодаря особой конструкции карданного вала, а также тому, что в опорах вала присутствуют силы трения, поломки вала, как правило, не происходит. Но при работе вала на критических оборотах «взлетает» уровень динамических нагрузок в трансмиссии, возникает вибрация, которая, передаваясь через опоры карданного вала, «разбивает» несущую систему автомобиля.

Изгибная жесткость прямо пропорциональна моменту инерции сечения вала и обратно пропорциональна его длине. Это означает, что для обеспечения высокой изгибной жесткости карданного вала делать их следует из тонкостенных труб большого диаметра и достаточно короткими.

Исходя из этого, для повышения жесткости вместо одного вала стали применять несколько, но более коротких. Так, в полноприводном 3-осном Урале-4320 установлено 4 карданных вала: основной, соединяющий КПП и раздаточную коробку, и три карданных вала, передающих крутящий момент на передний, средний и задний мосты соответственно. Для выдерживания условий жесткости такие валы соединены с рамой или кузовом промежуточными опорами, которые состоят из шарикового подшипника и упругодемпфирующего элемента. Опоры являются очень нагруженным элементом конструкции, они воспринимают два вида радиальных нагрузок. Во-первых, на опору действие оказывают центробежные силы, вызванные дисбалансом карданных валов, а во-вторых, воздействует изгибающий момент, появляющийся при передаче карданными шарнирами крутящего момента под углом. Воспринимая на себя эти нагрузки, опора тем самым не позволяет им действовать на кузов автомобиля.

Для снижения вибраций валы в процессе изготовления балансируют. Эта операция проводится в заводских условиях на специальных автоматизированных балансировочных станках, где на концах трубы карданного вала, как можно ближе к самой опоре, привариваются точечной сваркой пластины определенной массы и в определенных местах, исходя из потребностей балансировки.

Но устранить пульсацию крутящего момента в трансмиссии довольно сложно, поэтому постоянно ведутся поиски путей снижения крутильных колебаний.

Использование конструкционных материалов меньшей плотности существенно упрощает проблему повышения критической частоты вращения карданной передачи. Сегодня ведутся и в России, и за рубежом перспективные разработки использования неметаллических композиционных материалов с полимерной матрицей и стеклянными, углеродными и другими волокнами в качестве материала карданных валов будущего. Есть положительные результаты, но пока цена композитных карданов очень высока.

В большинстве автомобильных конструкций, как писалось выше, частью карданной передачи являются подвижные шлицевые муфты, причем они являются очень нагруженными элементами трансмиссии. Износ деталей муфты в большой степени определяется профилем дорог, по которым движется автомобиль. Причем, износ шлицов увеличивается тем сильнее, чем больший крутящий момент передает трансмиссия.

Долговечность подвижной шлицевой муфты может быть обеспечена только при условии ее эффективной смазки и надежной защиты от внешней среды. Повышение износостойкости возможно за счет нанесения на поверхность шлицев специальных покрытий. Наиболее распространенным способом является фосфатирование, которое не только снижает коэффициент трения и защищает от коррозии, но и, самое главное, предотвращает образование микротрещин. Фосфатирование создает довольно пористое покрытие, хорошо удерживающее смазку.

Для улучшения эксплуатационных свойств шлицевые валы также подвергают нитрированию. Это тепловая обработка поверхности вала, имеющая целью изменение структурного строения материала поверхности. В результате увеличивается прочность вала, значительно расширяется спектр воспринимаемых изгибающих вибраций.

Для уменьшения усилий осевого перемещения используют неметаллические покрытия, например, полиамид. С 2002 года КАМАЗ покрывает полиамидом 11 (Rilsan) часть шлицевых валов карданов КамАЗа. Испытания показали, что если обычный вал передает крутящий момент не более 11,760 Нм, то обработанный Rilsan – 19,870 Нм. Покрытие имеет хорошие антифрикционные свойства, износостойкость, снижает уровень шума. Покрытие шлицов Rilsan не требует внесения в узел конструктивных изменений. В некоторой степени покрытие служит демпфером колебаний.

Отечественная наука, в свою очередь, разработала композитные покрытия на основе алифатических полиамидов. Разработанные составы триботехнических покрытий на основе полиамида 6 существенно превосходят покрытия импортных аналогов, того же полиамида 11 (Rilsan), причем цена российского покрытия значительно ниже.

Техобслуживание, диагностика…

Основное обслуживание карданной передачи заключается в периодической проверке наличия смазки в скользящем шлицевом соединении, карданных шарнирах, а также в подшипниках опор. Контролировать необходимо, прежде всего, возникновение повышенной вибрации и движение рывками.

Первоочередной операцией, относящейся к обслуживанию карданных валов и соединений, которая должна производиться своими силами, является регулярная очистка узла от грязи. Это необходимо, прежде всего, для проверки и подтяжки всех доступных соединений деталей карданной передачи, а также для визуального осмотра на наличие следов ударов, трещин, других видимых дефектов. Даже минимальное ослабление крепления фланцев карданного соединения может вызвать усиленную вибрацию, которая, в конечном итоге, может «срезать» крепёж. Кстати, важно, чтобы крепёжные детали были одной массы, т. к. разность в весе может повлиять на дисбаланс. Кроме того, прилипшие массивные куски грязи могут повлиять на вибрацию карданного вала.

Шлицевое соединение имеет специальную полость, в которой постоянно должна находиться смазка, в отечественной технике используется Литол 24. Смазка защищена от вытекания сальником, а весь узел от попадания грязи – мягким кожухом. Состояние этих уплотнительных и защитных элементов контролируется при каждом осмотре передачи, в случае необходимости – меняется.

Смазка в работе крестовины не менее важна, чем смазка в работе шлицевого подвижного соединения. В крестовинах прежних лет имелись маслёнки для периодического смазывания, такие типы крестовин сохранились, пожалуй, в ГАЗелях и еще некоторых видах техники. В основном же, сегодня при сборке карданных валов в узел «шип – игольчатый подшипник» закладывается смазка, в отечественной технике рекомендуется консистентная № 158. В дальнейшем в процессе эксплуатации узел дополнительно не смазывается. Удерживается смазка на своем «рабочем месте» благодаря сальникам, их два. Один, самоподвижный двухкромочный радиальный, стоит в стакане-корпусе игольчатого подшипника, второй, торцевой, также двухкромочный, находится на шипе крестовины. Качество смазки и уплотнений должно обеспечить надежную работу узла в течение, как минимум, межремонтного периода. Очевидно, что если сальник крестовины изношен, то смазка «покинет» узел, и он очень быстро выйдет из строя, поэтому состояние сальников необходимо регулярно контролировать и при износе сразу же менять.

Особое внимание уделяется посадке крестовин в подшипниках, а подшипников – в вилках. Необходимо проверять наличие люфта в подшипниках. Для проверки нужно попытаться провернуть относительно друг друга вилки карданного шарнира. Люфт может ощущаться при резком повороте вала вручную газовым ключом. Более точные данные о величине люфтов позволяет получить отечественный прибор КИ 4833. Люфт недопустим. Если он появляется, крестовину следует менять.

Важным пунктом диагностики неисправностей карданной передачи является определение биения карданного и шлицевого валов. Биение определяется с помощью прибора КИ 8902А, для замеров необходимо произвести с автомобилем ряд специальных манипуляций. Но сегодня уже существует оборудование, например, переносной прибор Vibroport 41 немецкой компании Schenck, позволяющий определить величину вибрации тел вращения непосредственно при вращении вала на машине, да еще и изобразить результаты измерений в графическом виде.

Карданный вал характеризуется такими повреждениями как скручивание, изгиб вала, погнутость щёк вилки. Скручивание на угол более 3°, так же как и наличие значительных вмятин, требует замены вала.

Практика показывает, что в основном дефекты карданной передачи появляются тогда, когда нарушаются правила эксплуатации техники. Например, чаще всего, преждевременный выход из строя крестовин связан с «перегрузами». Крестовины чувствительны к повышенным контактным напряжениям, на поверхности шипов, в первую очередь, остаются следы от игл подшипников, работающих с повышенной нагрузкой. Наличие дефектов на шипах, т. н. бринеллирование, значительно убыстряет общий износ крестовины и выход из строя. «Перегруз» отрицательно сказывается и на шлицевом соединении, подвергая его дополнительным изгибающим нагрузкам.

Большое значение для кардана имеет манера езды: вмятины кардана, погнутость щёк – всё это следствие «специфической эксплуатации»…и ремонт

Одной из причин появления вибрации может явиться кустарный ремонт карданного вала. При разборке-сборке вала молотком деформируются посадочные места стаканов крестовин, не убираются люфты в сочленениях, не соблюдается первоначальное взаимное положение валов при сборке.

Профессиональный ремонт карданных валов грузовых машин и спецтехники постепенно выделяется в отдельную область деятельности автосервиса. Современные автопроизводители рекомендуют не заниматься самостоятельным ремонтом карданных валов, а осуществлять, при наличии явных дефектов, замену карданного вала в сборе. Но отечественный автосервис вполне успешно справляется с проблемами ремонта в условиях специализированных предприятий. Для качественного ремонта необходимо оборудование, оснастка, запчасти. Так, несложная, казалось бы, операция по замене крестовины, может обернуться большими проблемами, если выполняет ее неподготовленный человек. Крестовина должна стоять точно по оси вала, смещение в ту или иную сторону на 0,2-0,3 мм проявляется в таком биении карданного вала, которого вполне хватает для выхода из строя редуктора заднего моста и хвостовика КПП. В условиях СТО ремонтник имеет возможность скрупулезно подобрать стопорные кольца необходимой толщины, зафиксировать совпадение осей вала и крестовины, что достаточно проблематично делать «на коленке».

А если обнаружен износ шлицевого вала. В этом случае можно приобрести новый, но можно и восстановить старый. Рынок сегодня предлагает любые отдельные компоненты карданной передачи. При ремонте в условиях СТО можно срезать на токарном станке изношенную часть шлицевого вала, а затем, используя базу, оставшуюся от срезанной части, установить и приварить новый шлицевой участок вала. Экономия средств от такого ремонта очень существенная.

Подобным образом можно поменять и вышедшую из строя карданную вилку. Вырезав на токарном станке старую, используя тот же вал, в него вваривается новая вилка. Важно, чтобы все элементы отремонтированной конструкции были строго на одной оси.

Какой бы элемент не ремонтировался в карданной передаче, конечным пунктом «программы» является балансировка. Сегодня имеется оборудование, способное уравновешивать карданные передачи в сборе, имитируя крепление конструкции на автомобиле. Такое оборудование производят компании Schenck, Hofmann и др. С их помощью балансируются валы длиной до 4 м в диапазоне рабочих частот от 100 до 6 тыс. мин-1. Карданный вал балансируется привариванием на вал балансировочных пластин, смещением крестовин путем установки компенсаторов, иногда токарной обработкой технологических приливов на фланцах. Специалисты утверждают, что от того, насколько хорошо отбалансирован карданный вал, зависит ресурс всех элементов карданной передачи.

Так что приобретать ли новую карданную передачу либо восстанавливать старую – каждый владелец решает для себя сам.