Крутящий момент, развиваемый двигателем автомобиля, должен передаваться через коробку передач и дифференциал на ведущие колеса, для чего в автомобилях используются приводные валы. При движении автомобиля колеса постоянно перемещаются вверх-вниз, а управляемые передние колеса еще и поворачиваются вправо-влево, что не позволяет применять жесткое соединение приводных валов с другими агрегатами автомобиля. Если двигатель расположен спереди, а ведущие колеса — задние, то в качестве приводного используется вал с карданными шарнирами (карданный вал).
Задача приводного вала — эффективно передавать крутящий момент от одного агрегата к другому, независимо от того, расположены они соосно или со смещением относительно друг друга.
Приводной вал должен работать в широком диапазоне частоты вращения и при этом обеспечивать возможность достаточно больших взаимных перемещений соединяемых элементов во всех плоскостях. Разнообразие требований к шарнирам приводных валов привело к появлению самых разных вариантов привода.
История создания приводных валов
Всерьез о трансмиссии задумались создатели первых автомобилей. Сначала общепринятым был привод на задние колеса, так как решить проблемы переднего привода не удавалось. В случае передних ведущих колес крутящий момент должен равномерно передаваться не только при линейном смещении колеса вверх-вниз, но и при повороте колеса из стороны в сторону.
Для заднего привода передача крутящего момента от двигателя к заднему мосту была реализована с помощью продольного вала с карданными шарнирами. Такой подход к решению проблемы был более простым, ведь углы отклонения таких шарниров небольшие и не влияют на ходовые качества автомобиля.
Изобретение карданного шарнира восходит к XVI столетию; авторами считаются итальянец Джероламо Кардано и англичанин Роберт Гук.
В середине XVI века Кардано создал кольцевой шарнир, в котором корабельный компас оставался в горизонтальном положении, несмотря на морскую качку.
В 1664 году Роберт Гук подтвердил патентом, что его кольцевой шарнир способен соединить концы двух несоосных валов, расположенных под углом друг к другу (рис. 2 «Универсальный шарнир Роберта Гука«).
Термины «карданный шарнир» или «шарнир Гука» и сегодня напоминают об этих двух авторах давнего изобретения.
С появлением переднего привода карданные шарниры использовались и там, но в связи с повышением требований к управляемости и динамике автомобиля поиск более оптимальной передачи крутящего момента привел к появлению шарниров равных угловых скоростей (ШРУС).
На современных легковых автомобилях карданный шарнир применяется только на продольном карданном валу привода задних ведущих колес, хотя и здесь постепенно сдает свои позиции. Различия между карданным шарниром и ШРУСом объясняются в следующих главах.
На грузовых автомобилях карданный шарнир по-прежнему используется на продольном карданном валу привода задних колес, а также в виде сдвоенного карданного шарнира — на поперечных приводных валах.
В декабре 1926 года французские инженеры Пьер Фенай и Жан-Альбер Грегуар получили патент на изобретенный ими шарнир Tracta. Этот шарнир состоял из четырех деталей, соединенных скользящими направляющими. Чтобы не распадаться, он должен был постоянно находиться внутри полусферы.
Шарнир изготавливался на обычных универсальных станках и мог использоваться для передачи большого крутящего момента, поэтому во время Второй мировой войны им оснащались многие французские, английские и американские полноприводные автомобили.
Для шарнира Tracta (рис. 3 «Деталировочный чертеж шарнира Tracta») впервые было использовано определение «гомокинетический», которое и по сей день используется для обозначения шарниров равных угловых скоростей. Сам шарнир сегодня уже не применяется.
Как и в Европе, в Америке тоже пытались решить проблему синхронного вращения, и 4 мая 1923 года Карл Вайсс запатентовал разработанный им вариант такого шарнира (рис. 4 «Чертеж к патенту шарнира Вайсса«).
Этот шарнир изготавливался с 1934 года, но его массовый серийный выпуск начался только после Второй мировой войны. До середины 80-х годов прошлого века он применялся на автомобилях Mercedes-Benz.
В то время, как шарнир Вайсса допускал отклонение не более чем на 20° и применялся на автомобилях с задним приводом, шарнир Tracta мог работать уже под углом до 50°.
В современном автомобилестроении шарнир Вайсса, не в последнюю очередь из-за своей большой удельной массы, практически не применяется.
Самый распространенный в настоящее время ШРУС основан на патенте, который получил инженер Ford Альфред Ганс Рцеппа в июне 1933 года (рис. 5 «Чертеж к патенту шарнира Рцеппа«).
Для достижения современного технического уровня потребовалось много исследовательской работы. Главную роль в этом сыграли английская фирма Hardy Spicer и основанная в 1948 году немецкая компания по производству шарниров Lohr&Bulmkamp.
На базе шарнира Рцеппа, который не допускал осевого смещения, эти две фирмы разработали универсальный ШРУС с возможностью продольного перемещения деталей.
Системы привода
Большая часть выпускаемых сегодня легковых автомобилей оснащается приводными залами с шарнирами равных угловых скоростей. 
Отдельные схемы привода ведущих колес показаны с гомокинетическими (от греческого homos = одинаковый и kine = двигаться) шарнирами (рис. 6 «Схемы привода ведущих коле»).
При переднем приводе ведущими являются передние колеса. На приводных валах со стороны колеса применяются жесткие ШРУСы (без возможности продольного перемещения деталей), а со стороны коробки передач — универсальные (с возможностью продольного перемещения). Передние колеса — управляемые, поэтому угол поворота в шарнире со стороны колеса должен достигать примерно 50°.
Из-за поперечного расположения двигателя и связанной с этим асимметрии в моторном отсеке приводные валы могут быть разной длины.
При заднем приводе ведущими являются задние колеса. На приводных валах как со стороны колеса, так и со стороны коробки передач применяются универсальные ШРУСы, поскольку в этом случае шарнир — в отличие от переднего привода — должен компенсировать только изменение длины валов из-за хода подвески вверх-вниз.
При полном приводе ведущими являются все колеса. Шарниры приводных валов применяются точно так же, как на описанных выше переднем и заднем приводах. Крутящий момент от силового агрегата на задние или (при расположенном сзади двигателе) на передние колеса передается с помощью продольного вала.
Частота вращения валов в этом случае может достигать 6000 об/мин, поэтому продольные валы оснащаются высокооборотными шарнирами. Далее отдельные типы шарниров рассматриваются более подробно.
Общие показатели для приводных валов
Наряду с передачей усилия задачей приводных валов является и равномерная передача крутящего момента на ведущие колеса.
Угловая скорость
Приводные валы только с одним шарниром вращаются неравномерно.
Если два вала соединить простым карданным шарниром под определенным углом и вращать вал I с постоянной угловой скоростью ω1 то вал II будет вращаться с неравномерной угловой скоростью ω2 (рис. 7 «Приводные валы с одним шарниром«).
Эта неравномерность, часто называемая погрешностью карданного шарнира, выражается в синусоидальном колебании угловой скорости вала II, как показано на графике цикла вращения 360° (рис. 8 «Изменение угловой скорости в зависимости от положения карданного шарнира«).
При 0°, 180° и 360° вилка шарнира на валу I расположена горизонтально и обладает меньшей угловой скоростью, чем в вертикальных положениях 90° и 270°.
Такое ускорение и замедление крестовины шарнира соответственно изменяет и угловую скорость вала II.
Поскольку решению этой проблемы способствуют угловое и параллельное смещение валов (за счет конструктивно обусловленного расположения элементов трансмиссии и достаточно эластичных опор), карданные валы автомобиля всегда оснащаются двумя шарнирами. Это позволяет компенсировать неравномерности вращения вала.
Максимальный угол в шарнире
Максимальный угол отклонения от горизонтали (рис. 9 «Угол в шарнире«) показывает, под каким углом может работать шарнир, соответствуя требованиям по равномерности передачи крутящего момента и долговечности.
В автомобильной технике максимальный угол в шарнире может составлять более 50°.
Схемы расположения карданных валов
Неизбежно возникающую неравномерность вращения можно компенсировать последовательным размещением двух шарниров на одном валу.
При этом различают два варианта их расположения: Z-схема и W-схема.
Z-схема
Z-схема или Z-изгиб представляет собой наиболее распространенный вариант применения карданного вала. В этом случае изгиб происходит только в одной плоскости (рис. 10 «Z-схема«).
Для абсолютно синхронного вращения ведущего и ведомого валов, соединенных карданным валом, вилки шарниров этого общего вала должны находиться в одной плоскости, а углы в шарнирах должны быть одинаковы.
W-схема
Еще одним способом избежать нежелательных колебаний частоты вращения между валами I и II является W-схема их расположения (рис. 11 «W-схема«).
И в этом случае углы в карданных шарнирах должны быть одинаковыми, а их вилки — находиться в одной плоскости.
Общее правило для Z-схемы и W-схемы заключается в том, что карданный вал и соединяемые им концы ведущего и ведомого валов должны лежать в одной вертикальной плоскости.
В случае бокового смещения при использовании Z-схемы достаточно, чтобы пространственный угол оставался минимальным.
Чтобы избежать нежелательных колебаний частоты вращения вала при использовании W-схемы, угол смещения необходимо высчитать заранее (рис. 12 «Боковое смещение«).
РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:
