Что такое карданный механизм?
Карданный механизм, также известный как кардан, карданный или универсальный шарнир, — это устройство, предназначенное для передачи вращательного момента между валами, оси которых расположены под переменным углом друг к другу. Его основная задача — обеспечить работу соединённых агрегатов даже при изменяющемся взаимном положении.
Карданная передача и её роль в автомобиле
Когда два карданных механизма соединяются последовательно, образуется карданная передача. В автомобильной технике она играет ключевую роль, передавая вращение от ведущего вала (например, от коробки передач) к ведомому (например, к редуктору ведущего моста), которые часто находятся не на одной прямой.
Области применения в автомобиле разнообразны: соединение двигателя с коробкой передач (угол до 5°), коробки передач с раздаточной коробкой (также до 5°), коробки передач с главной передачей (угол может достигать 15°). Кроме того, карданы используются в рулевом приводе и для привода лебёдок.
Устройство карданного вала
Карданный вал — это ключевой элемент трансмиссии задне- и полноприводных автомобилей. Он позволяет передавать крутящий момент между агрегатами, чьи оси не совпадают и могут менять своё положение как по высоте, так и по горизонтали.
Типичная конструкция включает:
- Сам вал (изготавливается из трубы или цельного прутка).
- Один или два карданных шарнира (крестовины).
- Скользящую вилку с шлицевым соединением для компенсации изменения длины.
- Фланец-вилки, уплотнения и крепёжные элементы.
Шлицевое соединение критически важно, так как позволяет валу «удлиняться» или «укорачиваться» при работе подвески автомобиля. Для снижения вибраций длинные валы могут делиться на секции с промежуточными опорами.
Принцип работы и компенсация неравномерности
Одиночный карданный шарнир (шарнир Гука) передаёт вращение неравномерно: скорость ведомого вала pulsирует. Для устранения этого эффекта в карданной передаче используют два шарнира. Вилки на валу устанавливаются в одной плоскости, что заставляет пульсации от двух шарниров компенсировать друг друга, обеспечивая в итоге равномерное вращение на выходе.
Для компенсации изменяющегося расстояния между агрегатами (например, из-за хода подвески) используется осевая компенсация — то самое скользящее шлицевое соединение.
Дисбаланс: причины, последствия и устранение
Одной из главных проблем карданных валов является дисбаланс, который проявляется в виде вибраций, меняющихся с увеличением скорости. Это не просто неприятно, но и опасно:
- Для техники: Повышенные нагрузки на шарниры и трансмиссию, ослабление креплений, ускоренный износ и риск аварии.
- Для человека: Длительное воздействие вибраций вызывает повышенную утомляемость, раздражительность и может способствовать развитию профессиональных заболеваний.
Причины дисбаланса: погрешности производства, неоднородность материала, неточная сборка, появление зазоров в процессе эксплуатации, деформации или повреждения вала.
Устранение: Дисбаланс устраняется динамической балансировкой на специальных стендах. Для коррекции используют балансировочные пластины, прокладки под крышки подшипников крестовины или удаление металла с балансировочных бобышек на вилках. Производители также применяют демпфирующие элементы (резино-металлические муфты, эластичные винты) для гашения вибраций.
Типы карданных механизмов
- Жёсткий (шарнир Гука): Передача вращения осуществляется за счёт подвижного соединения жёстких звеньев (вилок и крестовины). Максимальный угол между валами может достигать 38°. Именно этот тип наиболее распространён.
- Упругий: Вращение передаётся за счёт деформации специальных эластичных элементов (например, из резины). Применяется для небольших углов (3–5°) и служит для гашения вибраций и толчков.
История и общее применение
Название механизм получил в честь итальянского математика и инженера Джероламо Кардано, который описал принцип подвеса, сохраняющего ориентацию тела независимо от поворотов опоры. Простейшая реализация — шарнир Гука.
Карданные механизмы нашли широчайшее применение не только в автомобилестроении, но и в авиации, станкостроении, сельскохозяйственной технике — везде, где необходимо передать вращение между валами, меняющими своё взаимное положение в процессе работы.