Кардан: устройство, принцип работы, виды и инструкция по замене

Что такое карданный вал и для чего он нужен?

Карданный вал (КВ) – это механическое устройство, передающее крутящий момент от раздаточной коробки или коробки передач на ведущие оси автомобиля. По сути, без этого полезного устройства, невозможно было бы создать полноприводный автомобиль.

Как было указано выше, впервые кардан применили на автомобилях марки Рено. Создателем транспортных средств являлся конструктор по имени Луи Рено. После установки передачи, получилось решить ряд важных задач:

1. Мягкая передача крутящего момента – изначально, механическое устройство позволило без проблем обеспечить передачу крутящего момента от коробки к задним колесам, при перемене углов между валами. На тот момент это было очень важное открытие, так как на неровной дороге, автомобиль подвергался сильнейшим вибрациям.
2. Плавность хода – первые машины не отличались плавностью хода, особенно по ухабам и неровностям. Мягкая передача крутящего момента, позволил максимально эффективно передавать тягу к заднему мосту, обеспечивая тем самым плавное движение.

Хотя с момента первых конструкций прошло много времени, сам механизм сильно изменился, его главные задачи не поменялись. Спустя почти столетие, механизм кардана усовершенствовали, и сегодня он зависит не только от типа авто, но и его предназначения.

Карданный вал (КВ) применяется не только при конструировании ходовой части авто. Конструкция настолько универсальная, что может применяться в различных сферах деятельности человека. Например, при конструировании рулевого привода с регулировкой.

Банальным примером конструкции является головка ручного инструмента, которая может поворачиваться под углом и позволяет крутить гайки и болты в труднодоступных местах. Любая механическая конструкция, где нужно передать крутящий момент под определенными углами, использует кардан, как наиболее удобное средство.

Устройство и принцип работы карданной передачи

Классическая карданная передача сильно изменилась и имеет отличительные черты. Принято выделять четыре основных элемента конструкции:

1. Центральная труба – или на техническом языке «центральный вал». Это конструкция полой трубы из крепкого металлического сплава.
2. Крестовины и наконечники – это специальное приспособление, изготовленное в виде креста, которое отвечает за контроль вращающихся элементов кардана. Простыми словами, крестовина контролирует углы переменного наклона, которые не должны быть в диапазоне от 0 до 20 градусов.
3. Вилка – это промежуточное соединение, между основным валом и промежуточным. Прямая функция — это компенсация расстояния по высоте межу валами, когда автомобиль передвигается по ухабам и ямам.
4. Промежуточный подшипник – это очень важный элемент конструкции, который поддерживает основной вал, при этом позволяет ему вращаться в необходимом направлении. В зависимости от типа кардана, промежуточных подшипников может быть два и более.

Это основные элементы устройства передачи. Конечно, кроме них существует много дополнительных механизмов – различные крепления, подвижные фланцы, уплотнители, защитные муфты и прочее.

Конструкция передачи не сложная. В большинстве случаев, механизм крепится при помощи шлицевого соединения к коробке передач (при этом неважно какой, автоматической или механической). Каждая коробка передач имеет на своем подвижном конце отверстия с внутренними креплениями. Механизм работы шлицов сконструировано таким образом, чтобы они могли смещаться при движении машины.

Дальше устанавливается подшипник КВ, который крепится к кузову автомобиля при помощи специального кронштейна. Он служит дополнительным креплением и исключает смещение механизма при нагрузках и езде. К вилке КВ крепится крестовина с игольчатыми или другими подшипниками. Эта конструкция позволяет правильно передавать крутящий момент при различных изгибах кардана.

Когда водитель включает передачу и нажимает на газ, крутящий момент переходит на скользящую вилку и дальше поступает через крестообразный шарнир к главной передачи и колесам. Наиболее продуктивными являются углы шарнира от 0 до 20 градусов. Если по причине неисправности, происходит отклонение, может начаться сильный износ всего механизма или поломка. Наглядно принцип работы показан на видео, ниже.

Достоинства карданной передачи

К  ним относятся:

1. Работа со значительными крутящими моментами.
2. Возможность соединения узлов трансмиссии, установленных на больших расстояниях между собой.
3. Реализация полного привода на авто.
4. Простота конструкции.
5. Устойчивость к нагрузкам.

Но вместе с тем, кардан повышает металлоемкость трансмиссии и требует значительного пространства для установки, что сказывается на полезном объеме салона. Карданы с шарнирами неравных угловых скоростей не требуют технического обслуживания и при этом обладают значительным ресурсом.

Несмотря на использование в конструкции подшипников, в процессе эксплуатации проводить их смазку не нужно, поскольку сам шарнир – необслуживаемый, а заложенного производителем смазочного материала хватает на весь срок службы. Кардан является неремонтируемым узлом. При изгибе кардан требует полной замены. Обусловлено это тем, что при изготовлении узел балансируется. Изгибы же приводят к разбалансировке, что повышает вибрации и нагрузки в КПП и главной передаче и ускоряет износ шарниров.

Шарниры также не ремонтируются, поэтому при появлении повышенной вибрации со стороны кардана, сторонних звуков (хрустов, щелчков) выполняется замена составных элементов шарнира. Обычно замене подлежат крестовина и ее подшипники, но при сильной выработке проушин меняется узел в сборе.

Из чего состоит карданный вал?

Хотя, на первый взгляд, карданный вал кажется простым элементом, труба да и труба, но в действительности его устройство немного сложнее. Давайте познакомимся с этим вопросом ближе. Состоит герой нашей сегодняшней статьи из таких элементов:

• подвесной подшипник;
• вилка скользящая;
• крепления;
• сам карданный вал;
• крестовина;
• уплотнители.

Привести все существующие типы карданных валов к какому-нибудь одному знаменателю очень трудно. Дело в том, что эти устройства используются в огромном количестве разнообразной техники и, как следствие могут иметь различное исполнение. К примеру, карданный вал может быть составлен из нескольких секций, а может быть и односекционный (такое обычно встречается у спорткаров).

Во втором случае конструкция элементарна – это просто стальная труба, оба конца которой венчают крестовины карданного вала и наконечники. Если секций больше одной, то и крестовин также становится больше – они нужны для сопряжения вращающихся под разными углами валов.

Ещё одна важная деталь конструкции — подвесной подшипник карданного вала. Он является опорой для всей конструкции и удерживает её на месте, не мешая вращаться. Подшипник закреплён к кузову машины, и в зависимости от количества секций кардана этих деталей может быть несколько. В целом же кардан является достаточно надёжным узлом автомобиля. Его создавали с учётом высоких нагрузок и он, как правило, отлично справляется со своей задачей.

К недостаткам этого узла относят достаточно большой вес и габариты, помимо этого в заднеприводных и полноприводных авто из-за своего расположения под днищем он «съедает» часть полезного пространства салона. Вот так, коллеги-автолюбители, мы кратко прошлись по основным вопросам, связанным с карданным валом автомобиля.

Классификация карданов

В конструкции современных авто используется несколько видов карданных валов. Они могут отличаться не только от производителя, но и типа автомобиля. На некоторых одинаковых моделях могут устанавливать разные типы передач.

В зависимости от конструкции карданные передачи могут быть:

1. Одновальные – более мощный тип, часто устанавливают на полноприводные или заднеприводные автомобили. Такой механизм позволяет максимально быстро передать крутящий момент на колеса.
2. Многовальные — это более сложный, но хрупкий механизм, который присутствует на большинстве легковых переднеприводных авто. Дополнительно к основному валу, добавляется промежуточный (где и нужен подшипник).

По количеству опор валов бывают следующие виды:

1. Двухопорные – не имеют подвесного подшипника, крепится на грузовые автомобили или полноприводные транспортные средства.
2. Трехопорные – имеют один подшипник, который соединяет промежуточный вал и основной. Применяется для большинства автомобилей.
3. Четырехопорные – имеют несколько промежуточных валов, соединенных двумя подшипниками. Редкая разновидность, устанавливается на некоторых джипах марки Lexus и Chrysler.

По особенностям конструкции можно выделить следующие модели:

1. С шарниром НУС (неравных угловых скоростей) – стандартная схема, устанавливаемая на большинстве авто с задним приводом колес.
2. ШРУС – современная карданная передача, которая сохраняет равность угловых скоростей.
3. Упругие полукарданные шарниры.
4. Жесткие полукарданные шарниры.

На большинство современных переднеприводных авто, устанавливается кардан типа ШРУС. Он более удобен и менее подвержен вибрациям, что имеет важное значение для легковых машин. Однако, такая система и более сложная, она не дешевая в обслуживании и при неправильном уходе может легко сломаться.

Виды карданных передач, назначение, особенности

Итак, как уже было сказано, карданные передачи нужны для передачи крутящего момента. При этом нужно учитывать, что угол между двумя валами (ведущий и ведомый вал) может меняться в процессе работы. Именно по этой причине использовано подобное карданное соединение. При помощи карданной передачи в трансмиссии могут быть соединены: ДВС и КПП, КПП и главная передача, раздаточная коробка (раздатка) и главная передача, дифференциал и ведущие колеса автомобиля.

В основе карданной передачи лежит карданный шарнир. Такой шарнир может отличаться по конструкции, благодаря чему карданные передачи делятся на:

• Карданная передача, где использован шарнир неравных угловых скоростей;
• Передача с шарниром равных угловых скоростей;
• Передача, где используется полукарданный упругий шарнир;
• Передача с жестким полукарданным шарниром;

 Например, данное соединение может представлять собой упругую муфту. Муфта является предварительно сжатым шестигранным упругим элементом, при этом с обеих сторон закреплены фланцы как ведущего вала, так и ведомого.

Карданная передача с шарниром неравных угловых скоростей

Данный тип передачи можно обнаружить на автомобилях с задним приводом или полноприводных авто. Устройство такой передачи следующее: на карданных валах расположены шарниры неравных угловых скоростей. На концах передачи имеются соединительные элементы. По необходимости используется соединительная опора. Шарнир объединяет пару вилок, крестовину и фиксирующие устройства. В проушинах вилок установлены игольчатые подшипники, в которых вращается крестовина.

Подшипники нельзя отремонтировать или обслужить. Масло в них заливается при установке. Особенностью шарнира является то, что он передает неравный крутящий момент. Дополнительный вал периодически обгоняет и отстает от основного вала. Для компенсации этого недостатка в передаче используется несколько шарниров. Вилки противоположных шарниров располагают в одной плоскости.

В зависимости от того, на какое расстояние необходимо передать крутящий момент, в карданной передача используют один или два вала. При числе валов, равном двух, один из них называется промежуточным, второй — задним. Для фиксации валов устанавливается промежуточная опора, крепящаяся к кузову авто. С другими элементами автомобиля карданная передача соединяется при помощи фланцев, муфт  и других соединительных элементов.

Можно с уверенностью говорить, что шарниры неравных угловых скоростей имеют малую надежность и относительно небольшой срок службы. В современных условиях используют карданные передачи с шарнирами равных угловых скоростей.

Карданная передача с шарниром равных угловых скоростей

Данный тип передачи широко используется в автомобилях с передним приводом. При помощи неё соединяется дифференциал и ступица ведущего колеса. Передача имеет два шарнира – внутренний и внешний, соединенных валом. ШРУСы часто применяются и в автомобилях с задним приводом, в полноприводных авто. Дело в том, что шарниры равных угловых скоростей более современны и практичны, к тому же, уровень шума от них значительно ниже, чем от ШНУС.

Самым распространенным из существующих является шарнир равных угловых скоростей шарикового типа. ШРУС передает крутящий момент от ведущего до ведомого вала. Угловая скорость передачи крутящего момента постоянная. Она не зависит от угла наклона валов. ШРУС, или как его называют в народе «граната» представляет из себя сферический корпус, в котором расположена обойма. Между ними вращаются шарики. Они движутся по специальным канавкам.

В результате, крутящий момент равномерно передается от ведущего вала к ведомому при условиях изменения угла. Сепаратор удерживает шарики в нужном положении. «Граната» защищается от воздействия внешней среды «пыльником» — защитным кожухом. Обязательным условием долгого срока службы ШРУСов является наличие в них смазки. А наличие смазки, в свою очередь, обеспечивается герметичностью самого шарнира.

Отдельно стоит сказать о безопасности ШРУСов. Если в «гранате» слышится треск или шум, то её незамедлительно нужно менять. Эксплуатация автомобиля с неисправным ШРУСом предельно опасна. Попросту говоря, может отвалиться колесо. Причиной же, по которой карданный вал приходит в негодность, чаще всего является неправильный выбор скорости и плохое дорожное покрытие.

Карданная передача с полукарданным упругим шарниром

Упругий полукарданный шарнир способствует передаче крутящего момента между валами, расположенными под небольшим углом. Происходит это, благодаря деформации упругого звена.

В качестве примера можно привести упругую муфту Гуибо. Это шестигранный сжатый упругий элемент. К нему крепятся фланцы ведущего и ведомого валов и передается крутящий момент.

Эксплуатация и возможные неисправности карданной передачи

Бережная эксплуатация автомобиля позволяет шарнирам карданного вала и шаровым шарнирам передних валов сохранить свою работоспособность надолго, как минимум до 100 тысяч побега. Что касается труб, то при отсутствии механических повреждений их можно использовать долгие годы без замены, в противном же случае изогнутый механизм стоит просто заменить новым. Следует уделять внимание состоянию чехлов шарниров и заменять их при любом повреждении, уберегая тем самым шарниры.

Сокращение работоспособности шарниров могут спровоцировать резкие разгоны, пробуксовка в грязи, неправильный выбор скоростей, долгие поездки по снежным и грунтовым дорогам с глубокими колеями. Проблема может возникать как у всего устройства, так и только у отдельных его узлов, деталей:

• Поломка приварной вилки. Возникает из-за изначального неправильного монтажа крестовины, повреждения посадочных отверстий под эту деталь, разрушения вилки.
• Поломка фланец-вилки. Возникает из-за износа, появления сколов, трещин или повреждения болтов крепления.
• Выход из строя подшипника. Чаще – из-за естественного износа, ошибках монтажа, постоянного соприкосновения подшипника с пылью, стиля вождения, основанного на постоянном жестком переключении передач.
• Деформация, погнутость КВ. На основании осмотра мастер принимает решение, можно решить проблему сугубо механическим восстановлением или требуется замена ряда элементов.
• Вибрация карданного вала. Чаще всего это «ответная реакция» на некорректную центровку деталей, увеличение зазоров между деталями при эксплуатации транспортного средства в тяжелых условиях эксплуатации, некорректного ремонта (непрофессионально выполненных сварочных работ).
• Кардан начинает «звенеть». Причины могут быть разные. Если повреждена опора, лучший вариант – заменить кардан, если расслабился защитный пыльник  – достаточно провести ремонт методом сварки. Самый простой вариант: проблема с крышкой шлицов – достаточно просто заменить на новую.

Данные неисправности очень легко устранить, заменив поврежденные детали или подтянув крепежные детали.

Определение основных неисправностей

Как и у многих компонентов автомобиля, повреждения карданного узла происходит вследствие неправильного или неосторожного использования. Водители обычно того не замечают или пренебрегают своевременным ремонтом, который обошелся  бы намного дешевле замены запчасти или капитальных ремонтных работ. Обычное  правило – пока не разрушается, об этом не нужно беспокоиться. Между тем, кардана – одна из самых загруженных частей в любой машине. Неисправности могут возникнуть без надлежащего обслуживания, водитель будет проинформирован по таким симптомам, как:

• вибрации;
• тремор;
• гудение;
• урчание;
• стук из-под автомобиля при трогании с места;
• различные неопознанные звуки.

Снятие и установка карданного вала

Операции по восстановлению, ремонту авто сопряжены с их демонтажем и, напротив, установкой на трансмиссию.
Главное, при снятии КВ требуется соблюдать строгий порядок действий:

• Открутите болты и гайки отвести фланец кардана от редуктора.
• Опустите фланец вниз.
• Открутите болты крепления.
• Отведите кардан от КПП.
• Открутите болты крепления подшипника.

  При установке КВ процедуры выполняйте в обратном порядке. Соблюдение этой схемы позволит избежать ошибок.

Обслуживание карданного вала

Традиционная схема обслуживания базируется на трёх операциях:

• Проверка состояния вала (см. выше).
• Замена неисправных деталей (именно замена, восстановление при наличии люфтов и трещин – неграмотное решение проблемы).
• Смазка шлицевого соединения. При подборе смазки обращайте внимание на нагрузку сваривания (ответственная за противозадирные свойства). Дорогостоящие продукты ориентированы на нагрузку сваривания до 3920 Ньютонов. Для шлицев на КВ на тяжёлом грузовом транспорте их применение только приветствуется. Для легковых же автомобилей достаточно смазки для низконагруженных шлицев. Переплата за продукт здесь нецелесообразна.

У некоторых автомобилей смазывать также нужно подшипники крестовин КВ. Но транспорта, нуждающегося в такой процедуре, не очень много. Это транспортные средства с КВ с тавотницей (пресс-масленкой). Пример КВ с пресс-масленкой представлен на рисунке ниже.