Что такое карданный вал в автомобиле и для чего он нужен
Содержание:
Все про карданный вал: устройство, диагностика, ремонт
Рассматриваем общие положения о функциях карданного вала, а также его компоненты и диагностику неисправностей
Что такое карданный вал
Карданный вал (он же просто «кардан») — это узел, предназначенный для передачи крутящего момента между элементами трансмиссии. Глобально можно выделить два компоновочных местоположения карданного вала для легковых автомобилей. Первое: между коробкой передач и дифференциалом задней оси. Это классическая компоновка «двигатель спереди, задние ведущие колеса». Типичный представитель — заднеприводный седан BMW или Mercedes-Benz. Вторая схема предполагает нахождение кардана между раздаточной коробкой и дифференциалами передней и задней оси. Используется на внедорожниках, имеющих раздаточную коробку — например, Toyota Land Cruiser, Mitsubishi Pajero, УАЗ «Патриот» и подобных. На переднеприводных автомобилях карданного вала нет.
Виды карданных валов
По принципиальному устройству карданные передачи можно разделить на несколько основных типов.
Кардан с шарнирами неравных угловых скоростей (ШНУС). Более известен как кардан с крестовинами. Несмотря на моральное устаревание, до сих пор является наиболее массовым типом карданной передачи в автомобильном транспорте. Основные достоинства заключаются в слабой восприимчивости главных сопрягающих элементов (вилок и крестовин) к пыли, грязи и механическим воздействиям в сложных дорожных условия. Именно ввиду общей выносливости данный тип карданной передачи до сих пор безальтернативен на тяжелой технике. Серьезным недостатком карданного вала на крестовинах является неравномерность вращения. Как видно из названия, скорость вращения такого кардана нелинейна: за один оборот ведущей вилки, ведомая вилка дважды ускоряется и замедляется. Такая особенность определяет относительно небольшой средний угол комфортной работы крестовинного карданного вала: порядка 15-18 градусов. В противном случае узел будет испытывать повышенную нагрузку, что приведет, помимо дискомфорта от вибраций, к резкому снижению ресурса.
Кардан с шарнирами равных угловых скоростей (ШРУС). Более современная и технически выгодная схема сопряжения деталей в карданной передаче. Вместо вилок и крестовин применяется шариковый шарнир — наподобие того, что давно прижился в приводных валах управляемых колес. В отличие от своего более старого «родственника»-крестовины, шарнир равных угловых скоростей обеспечивает синхронное вращение ведущего и ведомого валов. При этом максимально допустимый рабочий угол, по сравнению с классическим карданным валом на крестовинах, ощутимо выше: до 50 градусов. В минусы можно записать уязвимость резинового пыльника, защищающего подвижное сочленение ШРУСа. Впрочем, в современных качественных решениях данная проблема по большей части устранена. Вместо открытой «гармошки»-пыльника все чаще применяется герметичная резинометаллическая обойма, обрамляющая шарнир. С одной стороны, она предохраняет ШРУС от воздействия воды и абразива, а с другой, куда более устойчива к механическим воздействиям, чем обычный конусный резиновый пыльник. В качестве второго аргумента в пользу классики можно привести фактор неравномерности распределения нагрузки внутри шарикового шарнира, в отличие от крестовины. Что формирует сферу применения ШРУСовых карданов как более «гражданскую».
Полукарданный шарнир с муфтой, он же муфта «Гуибо» (Guibo). Такой тип можно считать неким гибридом между классическими карданными передачами и демпферами. Если коротко, то основной особенностью является отсутствие жесткой связи между ведущим и ведомым валом. Их соединяет прочная эластичная муфта — посредник в передаче крутящего момента. Эта же муфта выполняет функцию демпфера крутильных колебаний и компенсатора осевых перемещений ведомого вала. Полукарданная шарнирная передача в автомобилях применяется относительно редко — сказывается невысокая универсальность узла. Прежде всего, ограниченность применения обоснована очень малым углом работы: менее 10 градусов. Поэтому, валы, соединенные эластичными муфтами, часто используются как прямые или почти прямые промежуточные звенья-удлинители, снижающие вибрационную и акустическую нагрузку в трансмиссии.
Жесткий полукарданный шарнир. Например, зубчатая муфта. Допустимые углы работы практически отсутствуют (до 2 градусов), как и ход осевых перемещений. Так же как и муфта Guibo, является скорее соединительно-промежуточным звеном, нежели полноценным узлом для передачи момента под углами. В автомобилестроении применяется крайне редко.
Устройство карданного вала
Опустим подробное описание экзотики типа «Гуибо» или жестких полукарданов, и остановимся на двух видах карданных передач, составляющих абсолютное большинство среди серийно применяемых.
Общее устройство кардана на крестовинах
- Вилки-фланцы. Самые крайние детали карданного вала. Одной стороной (фланцами) крепятся к агрегатам, между которыми передается момент. Другой стороной (вилками) соединены с крестовинами.
- Крестовины. Представляют собой буквально металлические крестовины, на четырех концах которых находятся игольчатые подшипники. Подшипники вставлены в соответствующие отверстия в вилках: одна пара подшипников каждой крестовины вставлена в вилку-фланец, вторая пара — в вилку трубы кардана.
- Труба карданного вала. Всегда состоит из двух частей, имеющих осевую свободу перемещения относительно друг друга за счет шлицов. Это необходимо для компенсации изменения расстояния между агрегатами в процессе работы. Например, при езде по неровной поверхности расстояние между фланцами раздаточной коробки и моста постоянно варьируется за счет перемещений моста на подвеске. На конце каждой части трубы кардана есть вилка.
Общее устройство кардана на ШРУСах
Конструктив ШРУСового карданного вала практически идентичен обычному колесному приводу ШРУС.
- Внешние корпуса шарниров. Они играют роль вилок-фланцев у своего классического собрата и жестко крепятся к хвостовикам ведущего и ведомого агрегатов. В одном из корпусов внутренняя часть шарнира имеет осевую свободу перемещения — это аналог шлицевого соединения кардана на крестовинах.
- Сепаратор с шариками и обойма. Все вместе это составляет подвижный шарнир. Здесь можно провести аналогию с крестовинами классического кардана.
- Труба. Внутренняя часть кардана. Так как изменение общей длины вала реализовано за счет подвижности в одном из корпусов ШРУСов, труба выполнена единым жестким элементом.
Неисправности карданного вала
Стоит сказать несколько слов об основных признаках неисправностей карданного вала и их причинах.
Вибрация. Причинами вибраций кардана может быть следующее.
- Разбалансировка карданного вала. Типичное следствие ремонта узла или его переборки без последующей балансировки на стенде.
- Износ крестовин, деталей шарнира или шлицевого соединения.
- Подклинивание ввиду отсутствия смазки в парах трения. Актуально как для крестовин/шарниров, так и для шлицевых сочленений трубы.
Щелкающие звуки. Часто схожи с обычным ударом металлом по металлу (по сути, так и есть).
Этому способствуют следующие факторы.
- Износ крестовин, шарниров или шлицов вала. Здесь все так же, как и в случае с вибрацией. Не исключено совмещение ударов с вибрациями на ходу.
- Самораскручивание болтов крепления фланцев карданов к узлам трансмиссии.
Также износ деталей карданной передачи может проявляться в виде всевозможных скрипящих и воющих звуков. Стоит помнить, что в последнем случае причиной звуков со стороны кардана может быть не сам вал, а его подвесной подшипник (если он есть).
Как проверить состояние карданного вала — рекомендации экспертов
Как самостоятельно определить, что требуется ремонт или замена?
Роман Тимашов, директор по сервису «Автодом Алтуфьево»:
«Самостоятельно определить исправность карданного вала возможно. Что может послужить триггером к проверке — при старте автомобиля слышны щелкающие звуки. С ростом скорости увеличивается характерный подшипниковый шум (виноват подвесной подшипник). При движении по трассе появляется вибрация по кузову всего автомобиля. Если один из признаков присутствует, рекомендуется осмотреть автомобиль на подъемнике. Что смотрим: соединения на предмет трещин, разрывов, следов износа. Проверяем люфт в крестовинах. Оцениваем сальники на наличие утечек, масла, смазки. Переводим автомобиль в нейтраль и прокручиваем вал, оценивая плавность вращения.»
Есть ли возможность починить карданный вал вместо замены его целиком?
Вадим Стрельбицкий, директор департамента механического ремонта «Авилон KIA»:
«Да, в большинстве случаев полная замена конструкции не требуется. Если говорить о возможных ремонтных ситуациях, то специалисты сервисного центра могут, например, заменить крестовину карданного вала (если проблема заключается в ней), провести ремонт сальников и соединений (устранив, таким образом, утечку смазки или износ), отбалансировать карданный вал (если при осмотре были выявлены вибрации) и т.д. Но в ряде случаев повреждения в механизме могут быть слишком серьезными, и тогда потребуется полная замена карданного вала».
Можно ли временно снять карданный вал на полноприводном автомобиле и ездить без него (до замены узла на новый)?
Вадим Стрельбицкий:
«Да, иногда технически это возможно сделать в случае с полноприводными моделями. Однако я не рекомендую ездить без карданного вала, т.к. данный механизм (тем более — его отсутствие) напрямую влияет на безопасность движения. Если такое решение все же было принято, в этой ситуации необходимо учесть следующие моменты.
Во-первых, автовладелец должен проявлять осторожность, так как отсутствие карданного вала способно влиять на баланс и стабильность автомобиля. Что особенно критично, если он эксплуатируется на высоких скоростях и на неровной поверхности. Во-вторых, отсутствие карданного вала может негативно повлиять на техническое состояние трансмиссии и других компонентов».
В некоторых случаях владелец может самостоятельно диагностировать и даже устранить неисправность путем замены изношенных деталей. Однако после ремонта любой степени сложности карданный вал в сборе крайне желательно сдать на балансировку в специализированный сервисный центр.