Карданный механизм — механизм для передачи вращения между валами, которые устанавливаются под переменным углом друг к другу. Также употребимо название кардан, карданный или универсальный шарнир.
Карданная передача представляет собой устройство, состоящее из последовательного объединения двух карданных механизмов. В автомобиле карданная передача выполняет функцию передачи вращательного движения от ведущего вала к ведомому, которые устанавливаются под углом относительно друг друга.
Используется для соединения коробки передач и двигателя под углом, достигающим 5°, для сочетания коробки передач с раздаточной коробкой под утлом, также достигающим 5°, коробкой передач с главной передачей под углом, достигающим 15°, также применяется для соединения в рулевом приводе, при приводе лебедок.
Карданный вал-приспособление, включаемое в заднеприводной и полноприводной автомобиль, созданное для передачи крутящего момента от одного устройства к другому, при этом оси валов устройств не совпадают и могут работать в непрерывных модифицирующихся межосевых расстояниях в различных горизонтальных и вертикальных плоскостях. Например, между коробкой переключения передач, либо раздаточной коробкой и валом редуктора ведущего моста.
В состав входят карданный вал с двумя карданами, в редких случаях с одним, скользящая вилка, две крестовины, или шарниры, две фланец-вилки, уплотнения, приспособления для крепления. Для производства валов используется труба, для сплошных применяют пруток, одна сторона вала оснащается привариваемой неподвижной вилкой шарнира, вторая сторона обеспечивается шлицевой втулкой, на которую насаживается мобильная скользящая вилка с шарниром.
Шлицевое соединение предназначено для трансформации рабочей длины в результате работы подвески. Карданная передача может выполняться из нескольких частей, имеющих промежуточные подвесные опоры. Используется такой вариант в связи с тем, что большая скорость вращения, благодаря распределенному относительно длины остаточного дисбаланса, приводит длинные валы к изгибанию. Четко отбалансированный по определенной скорости вал на других скоростях может создать значительную вибрацию. Шарниры представляют собой сочетание вилок, фланцев вилок, крестовины, имеющей игольчатые подшипники, крепежных приспособлений.
Карданная передача создает передачу крутящего момента с пульсацией угловой скорости, поэтому для исключения эффекта такого вида вилки с двух сторон вала устанавливают в одной плоскости, и это действие производится в момент сборки карданного вала. Карданные шарниры в таком положении вносят противофазные пульсации угловой скорости, компенсируя вибрации относительно друг друга.
В случае сочетания при помощи карданного вала таких механизмов, у которых угол соединения и расстояние способны варьироваться, например главная передача и коробка передач, вводится осевая компенсация, представляющая собой скользящее шлицевое соединение, разработанное с учетом возможного модифицирования длины вала в установленных рамках.
Размер угла между валами обуславливает карданную передачу, в которой используются жесткие или упругие полукарданы, полные карданы неравных угловых скоростей. Самыми распространенными считаются полные карданы, оснащенные такими главными деталями, как две вилки, крестовина, игольчатые подшипники, уплотняющие приспособления, опоры для цапф крестовин. Коэффициент полезного действия одного кардана составляет 0,985—0,99.
Карданный вал может обладать дисбалансом, признаками для установления дисбаланса являются усиленные вибрации, способные в результате различных частот вращения снижаться и увеличиваться. Если вибрации изменяются при движении на различных скоростях, то дисбаланс присутствует. Дисбаланс создает дополнительные нагрузки на шарниры и детали трансмиссии, связанные с карданной передачей, ослабляются крепления, приводя к более быстрому выходу из строя машины и к аварийным ситуациям.
На организм человека дисбаланс также влияет не лучшим образом: человек становится раздражительным, появляется быстрая утомляемость, что приводит к различным заболеваниям. Дисбаланс может возникать в результате недостаточной точности при производстве отдельных частей карданной передачи; при изготовлении из неоднородного материала с различными плотностями; при неточном общем центрировании взаимозависимых деталей; в случае появления зазоров при соединении деталей и агрегатов, а также при смещении осей в результате установки; при деформации валов в результате термического и механического воздействия и при получении повреждений в период эксплуатации.
Уровень дисбаланса карданных валов зависит от динамической балансировки, осуществляемой при помощи специальных стендов. Для устранения дисбаланса используются балансировочные пластины, фиксируемые на трубе, балансировочные прокладки, устанавливаемые под стопорные крышки подшипников крестовины, также применяется удаление металла со специальных бобышек, находящихся на вилках фланцев. Балансировка осуществляется, главным образом, при сборе с шарнирами. Дисбаланс зависит от зазоров, полученных при составлении шлицевого соединения и крестовины.
Для устранения вибрации некоторые производители автомобилей внедряют эластичные винты, демпферные резино-металлические муфты и подвесные опоры, что позволяет увеличить срок службы карданов. Если вращение обеспечивается в результате подвижного объединения звеньев, то это жесткий карданный механизм, если же в результате упругих характеристик специальных элементов — упругий карданный механизм.
Механизм получил название в честь Дж. Кардано, который разработал подвес для сохранения постоянного положения тела, опора которого совершает различные повороты. Простой жесткий карданный механизм — шарнир Гука, оси вращения I, II, III, IV этого шарнира пересекаются под углом — в неподвижной точке центра сферы. В случае, если угол пересечения находится в пределах от 0 до 90°, шарниры попарно очерчивают окружность равносильного радиуса в плоскостях, которые перпендикулярны осям I и II, что позволяет создавать передачу вращения с переменным углом. Механизм такого типа характеризуется неравномерностью скорости вращения ведомого вала, в результате постоянной скорости ведущего вала. Скорость ведомого вала увеличивается с повышением угла а в том случае когда он равняется 90°, передача вращения при помощи карданного механизма делается невозможной.
Двойной карданный механизм используется для необходимости создания равномерного вращения ведомого вала, при этом углы перемещения равны, вилки на валу размещены в одной плоскости. Жесткий карданный механизм может соответствовать углу наклона валов, максимально достигающих 38°.
Упругий карданный механизм используется для угла наклона валов в 3— 5°, при этом гибкие компоненты изготавливаются из крепкого эластичного вещества. В случае, когда двойной карданный механизм неприменим, применяется кардан, разработанный на делении угла между валами с помощью биссекторной плоскости.
Карданный механизм получил широкое распространение в разнообразных устройствах, например в летательных аппаратах, в станках, в автомобилях, сельскохозяйственных машинах, т. е. в том случае, когда работа основана на необходимом перемещении взаимного месторасположения валов, направленных на передачу вращательного движения.