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. 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.

Автор: Николай Днепров, Источник.