Карданная передача: дешево и сердито

Вопрос авторства, конечно, интересный, но имя китайского изобретателя, который когда-то придумал подставку под компас, дабы тот всегда находился в горизонтальном положении, в веках не сохранилось, так что кардан карданом назвали в честь математика и философа Джироламо Кардано. Действительно, итальянский Ренессанс дал миру не только великих художников, но и талантливых механиков с даром провидения.

В 1898 году Луи Рено наконец запатентовал карданный вал и поставил его в автомобиль, однако у этой конструкции, которая уже включала в себя два необходимых для нормальной работы карданных шарнира, еще отсутствовала одна очень важная составляющая, и в 1903 году американец Клэренс Спайсер ее добавил. Речь идет о компенсирующем устройстве линейного перемещения – шлицевом вале и соответствующей втулке. С этого момента карданная передача стала значительно долговечнее, а фамилия «Спайсер» – именем нарицательным.

Собственно говоря, с того времени сам принцип работы карданной передачи не изменился, она просто стала обрастать необходимыми дополнениями, путем проб и ошибок выяснилось, какие подшипники будут работать лучше всего, определялись необходимые характеристики смазки, максимальный и минимальный угол передачи момента – в общем, шел рабочий процесс. Ну а позже появились новые материалы, новые технологии, новые скорости и величины крутящих моментов, так что конструкция эта за более чем сто лет модернизировалась многократно.

Итак, как же кардан передает крутящий момент и почему он так популярен? Шарниры, установленные в кардане, имеют название «шарниры неравных угловых скоростей», а это значит, что в зависимости от угла передачи момента скорости ведущего и ведомого валов не равны. Возникает пульсация момента, которая бы очень плохо сказалась на равномерности движения транспортного средства и силовой передаче в целом, кабы не одно «но». Если использовать два одинаковых шарнира, лежащих в одной плоскости, то никакой пульсации и неравномерного движения не будет, оные компенсируются.

А популярность кардана обусловлена его относительной дешевизной, необходимыми и достаточными характеристиками в определенных видах передач, доступностью обслуживания, легкостью замены и умеренным весом. «Карданной передачей» можно назвать и вал с двумя ШРУСами, такие схемы, как известно, тоже активно используются, но они дороже и прихотливей.  

А теперь немного подробнее о процессе работы, разных модификациях данных передач и их обслуживании.

По типу карданная передача может быть открытой и закрытой, наверняка все сталкивались с обоими вариантами. Закрытая передача работает в более щадящих условиях, поскольку дорожная грязь и абразив не попадают в шарнирные соединения. Самый очевидный пример – неразрезной мост грузовика или профессионального внедорожника.

Карданные передачи открытого типа трудятся обычно в более экстремальных условиях, передают больший момент и, как правило, на более значительное расстояние: коробка – задний мост, коробка – «раздатка» – передний – задний мост. На многоосных грузовиках карданная передача может быть вообще очень длинной, что вынуждает производителей применять дополнительные опоры и шарниры.

Компенсирующее звено – шлицевой вал и втулка – предназначено, дабы нейтрализовать изменения расстояния между соединенными узлами автомобиля. Для кардана существует еще такое понятие, как критическая угловая скорость вала, при которой передача может разрушиться. Поэтому на длиннобазных автомобилях и применяют несколько карданов – чем вал короче, тем критическая скорость выше. Соответственно, от промежуточных опор никуда не деться, более того, для компенсации осевых перемещений подшипник устанавливается в опору через эластичное резиновое кольцо. По нынешним временам запас прочности по критической скорости не должен быть меньше, чем 1,5.

В современном мире темпы жизни высоки, так что теперь приходится балансировать карданные передачи, дабы избежать вибраций, – это делается на заводе приваркой грузиков определенной массы в нужных местах. Для уменьшения инерционности сами валы обычно изготавливаются сваркой из высокопрочного стального тонкостенного листа. Естественно, толщина листа и прочность рассчитываются, исходя из соответствующих целей. Но сейчас уже вовсю применяются заменители стали, часто более прочные и легкие. Композитные карданы стоят пока довольно дорого, но иногда имеет смысл применять именно их – например, на суперкарах вроде Corvette или Ferrari. На Nissan GTR их, кстати, целых два, причем оба длинные, поскольку для улучшения развесовки (платформа Premium Midship) коробка и «раздатка» у этого автомобиля стоят сзади, так что первый карбоновый кардан идет от мотора к заднему мосту, а второй от «раздатки» к переднему. Дороговато, но в премиуме свои законы.

По ходу пьесы, в процессе роста скоростей и момента, конструкция шлифовалась. Когда-то в крестовинах кардана применялись подшипники скольжения, но позже их ликвидировали из-за высоких потерь на трение. Попробовали, разумеется, подшипники качения всех типов и в результате остановились на игольчатых, как наиболее соответствующих типу устройства. Именно они сейчас и устанавливаются в современные крестовины. Интересен один нюанс, связанный с углом жесткой карданной передачи, которую мы сейчас и рассматриваем: оптимальные результаты она выдает на угле до 15–20 градусов. Естественно, в процессе передвижения, особенно неравномерном и по плохим дорогам, значение этого угла постоянно меняется, однако конструкторам приходится учитывать один момент – при угле в 2 градуса и менее крестовины склонны к очень быстрому износу, поскольку их обоймы разрушаются иглами. Это явление получило название «бринеллирование».

Естественно, вопрос снижения трения всегда стоял очень остро, что уж говорить о временах нынешних – «экологических». Сейчас в моде необслуживаемые крестовины, с заложенной в подшипниковые узлы смазкой на весь срок службы, однако ряд производителей пользуется олдскульными методами, поскольку в этом случае карданное соединение способно пережить сам автомобиль – нужно лишь не забывать оный обслуживать. Существуют точки смазки на технологической карте к автомобилю (обычно это тяжелые внедорожники вроде Chevrolet Tahoe или Toyota Land Cruiser) и периодичность ее обновления. Для доморощенных спецов стоит отдельно отметить – смазка специальная, никакого литола, солидола и тому подобного. Процесс осуществляется через пресс-масленки, и если для крестовин необходимо заполнить весь доступный смазочный объем (давить на поршень шприца, пока не польется обратно), то со шлицевыми соединениями необходимо быть осторожнее и использовать лишь предписанный объем. И еще: для крестовин и шлицов смазки разные, важно не перепутать.

Необслуживаемые шарниры ходят хуже по ряду причин, то, что смазка стареет и теряет свои свойства, ясно и ежику, но есть и еще одна важная причина – при тяжелых условиях эксплуатации, когда узел разогревается, необходим обратный клапан, настроенный на определенное давление, и таковой у смазываемых крестовин есть. Собственно, поэтому обслуживаемые крестовины до сих пор в деле, когда речь идет о сложных условиях и высоких крутящих моментах.

Но шарниры неравных угловых скоростей – это еще не весь кардан, очень сильно нагруженная деталь передачи – шлицевое соединение, компенсирующее осевые перемещения в процессе работы узла. Ее износ ведет к ударным нагрузкам, в результате которых страдает весь узел в целом, так что в процессе эволюции карданных соединений эта деталь модернизировалась также многократно.  

Потихоньку поверхности шлицевых соединений начали фосфатировать, в результате чего удалось снизить коэффициент трения, нейтрализовать коррозию и предотвратить образование микротрещин. Позже, дабы упрочнить поверхности, стали менять их поверхностную структуру – эта технология получила название «нитрирование». Наконец, в 2002 году в России появился неметаллический материал на основе полиамида под названием Rilsan. КАМАЗ, например, покрывает им часть карданных валов уже с момента изобретения. В результате использования «Рилсана» появляется возможность передавать более высокий крутящий момент, повышаются износостойкость и антифрикционные свойства. Причем, что интересно, для использования «Рилсана» нет необходимости вносить изменения в конструкцию.

Наш рассказ будет не совсем полным, если не вспомнить еще об одном элементе карданной передачи, который повсеместно используется в составе жестких карданов. Речь идет об упругой муфте Гуибо. На легковой технике она применяется практически везде – автолюбители должны помнить ее еще по вазовской «классике». Так что же это такое? Это шестигранная резиновая муфта с завулканизированными металлическими втулками. Сам резиновый элемент предварительно сжат, так как резина лучше работает на сжатие, чем на растяжение, соответственно, при передаче момента предварительное сжатие снижает уровень возможного растяжения. Зачем этот элемент? Он хорошо нейтрализует ударные нагрузки в трансмиссии за счет демпфирующего резинового элемента, что крайне важно для комфортности езды и срока службы силовой передачи в целом. За счет упругости муфта также компенсирует небольшие осевые смещения, передает момент на угол до 8 градусов и является необслуживаемой. Очень удобно. Проще поменять недорогую резинометаллическую деталь, нежели кардан в целом или редуктор заднего моста.

В общем, кардан – очень важный узел трансмиссии задне- и полноприводных автомобилей, если его и можно чем-то заменить, то только электротягой. А это значит – разрушить механическую связь между передней и задней осью. Сие возможно лишь на электрокарах, гибридах или автомобилях с системами Plug-in-Hybrid, которых в России крайне мало. Ну а пока первую скрипку в качестве силового агрегата играет привычный ДВС, карданная передача незаменима.