Введение
Механический компонент для передачи крутящего момента и вращения
Двигательный вал, приводной вал, карданный вал, хвостовой вал (австралийский английский), винтовой вал (пропеллерный вал) или вал Кардано (в честь Джироламо Кардано) – это компонент для передачи механической мощности, крутящего момента и вращения, обычно используемый для соединения других компонентов трансмиссии, которые не могут быть соединены напрямую из-за расстояния или необходимости допускать относительное движение между ними. Как элементы, передающие крутящий момент, приводные валы подвергаются торсионным и сдвиговым напряжениям, эквивалентным разнице между входным крутящим моментом и нагрузкой. Поэтому они должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать эти напряжения, избегая при этом излишнего веса, поскольку это, в свою очередь, увеличивает их инерцию. Для компенсации изменений в выравнивании и расстоянии между ведущим и ведомым компонентами, приводные валы часто оснащаются одним или несколькими карданными шарнирами, муфтами челюстного типа, шарнирами с резиновыми вставками, а иногда и шлицевыми или призматическими соединениями.
История
Термин "приводной вал" впервые появился в середине XIX века. В переиздании патента Стовера 1861 года на строгально-сопрягальный станок термин используется для обозначения вала, приводимого в движение ремнем, посредством которого приводится в движение сам станок. В его оригинальном патенте этот термин не использовался. Еще одно раннее упоминание термина встречается в переиздании патента 1861 года на конную косилку Уоткинса и Брайсона. Здесь термин относится к валу, передающему мощность от колес машины к зубчатой передаче, приводящей в действие режущий механизм. В 1890-х годах термин начал использоваться в значении, более близком к современному. Например, в 1891 году Батлс называл вал между трансмиссией и ведущими колесами своего локомотива Climax приводным валом, а Стиллман называл вал, соединяющий коленчатый вал с задней осью своего велосипеда с приводом от вала, приводным валом. В 1899 году Буки использовал этот термин для описания вала, передающего мощность от колеса к приводимому механизму через карданное соединение в его работе "Конская сила". В том же году Кларк описал свой "Морской велоципед", используя этот термин для обозначения зубчатого вала, передающего мощность через карданное соединение к гребному валу. Кромптон использовал этот термин для обозначения вала между трансмиссией своего парового моторного транспортного средства 1903 года и ведущей осью. Пионерская автомобильная компания Autocar первой использовала приводной вал в автомобиле с бензиновым двигателем. Построенный в 1901 году, этот автомобиль сегодня находится в коллекции Смитсоновского института.
Транспортные средства
Автомобиль может использовать продольный карданный вал для передачи мощности от двигателя/трансмиссии к противоположному концу автомобиля, прежде чем она поступит к колесам. Обычно для передачи мощности от центрального дифференциала, трансмиссии или трансаксала к колесам используются пара коротких бортовых валов.
Передний двигатель, задний привод
В переднемоторных, заднеприводных автомобилях также требуется более длинный карданный вал для передачи мощности по всей длине автомобиля. Преобладают две конструкции: крутящий момент с одним карданным шарниром и более распространенный привод Hotchkiss с двумя или более шарнирами. Эта система получила название Système Panhard по имени автомобильной компании Panhard et Levassor, которая ее запатентовала. В большинстве этих автомобилей сцепление и коробка передач (или трансмиссия) установлены непосредственно на двигателе, а карданный вал ведет к главной передаче на задней оси. Когда автомобиль неподвижен, карданный вал не вращается. Некоторые автомобили (обычно спортивные, такие как Chevrolet Corvette C5/C6/C7, Alfa Romeo Alfetta и Porsche 924/944/928), стремясь к улучшению развесовки между передней и задней осями, используют задний трансаксель. В некоторых моделях, не относящихся к Porsche, сцепление и трансмиссия располагаются сзади автомобиля, а карданный вал – между ними и двигателем. В этом случае карданный вал вращается непрерывно вместе с двигателем, даже когда автомобиль стоит на месте и не включена передача. Однако в моделях Porsche 924/944/928 сцепление установлено на задней части двигателя в корпусе колокола, а карданный вал от выхода сцепления, расположенный внутри полой защитной трубы крутящего момента, передает мощность на задний трансаксель (трансмиссия + дифференциал). Таким образом, карданный вал Porsche вращается только тогда, когда вращаются задние колеса, поскольку сцепление, установленное на двигателе, может разъединить вращение коленчатого вала двигателя и карданного вала. Следовательно, для Porsche, когда водитель использует сцепление при быстром переключении передач (в ручной коробке передач), двигатель может свободно набирать обороты при нажатии на педаль акселератора, поскольку при выжатом сцеплении инерция двигателя и маховика относительно невелика и не утяжелена дополнительной вращательной инерцией карданного вала. Крутящая труба Porsche прочно закреплена как к корпусу колокола двигателя, так и к корпусу трансакселя, фиксируя длину и выравнивание между ними и значительно уменьшая реактивный крутящий момент задних колес, который может вызывать скручивание трансакселя в любой плоскости. Карданный вал, соединяющий задний дифференциал с задним колесом, может называться полуосью. Это название происходит от того, что для формирования одной задней оси требуются две такие оси. Ранние автомобили часто использовали цепные или ременные передачи вместо карданного вала. Некоторые использовали электрические генераторы и двигатели для передачи мощности на колеса.
Двигатель на четыре колеса и на все четыре колеса
Они произошли от компоновки с передним расположением двигателя и задним приводом. Новая конструкция трансмиссии, называемая раздаточной коробкой, размещалась между коробкой передач и главными передачами на обеих осях. Это разделяло привод на две оси и могло также включать понижающие передачи, муфту прямого включения или дифференциал. Использовалось как минимум два карданных вала, по одному от раздаточной коробки к каждой оси. В некоторых более крупных автомобилях раздаточная коробка монтировалась центрально и приводилась в движение коротким карданным валом. В автомобилях размером с Land Rover карданный вал передней оси заметно короче и имеет более крутой угол наклона, чем задний, что создает более сложную инженерную задачу при создании надежного карданного вала и может потребовать использования более сложной конструкции карданного шарнира. Современные легковые автомобили с полным приводом (например, Audi или Fiat Panda) могут использовать систему, которая больше напоминает компоновку с передним приводом. Коробка передач и главная передача передней оси объединены в один корпус рядом с двигателем, а один карданный вал проходит вдоль всей длины автомобиля к задней оси. Это предпочтительная конструкция, когда крутящий момент смещен на передние колеса для обеспечения управляемости, близкой к легковой, или когда производитель хочет выпускать как автомобили с полным, так и с передним приводом с большим количеством общих компонентов.
Симптомы неисправности привода
Автомобильный приводной вал обычно служит около 120 000 километров. Однако, если у автомобиля проявляются какие-либо из перечисленных ниже признаков, водителю следует как можно скорее обратиться для проверки. Щелчки или скрип: Водитель может слышать щелчки, скрип или скрежет, доносящиеся из-под автомобиля во время движения. Стуки: Водитель может слышать эти звуки, особенно при повороте, ускорении или включении задней передачи. Вибрация: Интенсивная вибрация, доносящаяся из-под автомобиля, – ранний и распространенный симптом неисправности приводного вала. Изношенные крестовины, шарниры или подшипники вызывают чрезмерную вибрацию приводного вала. Проблемы с управлением: Трудности с управлением автомобилем как на низкой, так и на высокой скорости – еще один важный признак неисправного приводного вала.
Парковые тормоза с карданными валами
Парковочный тормоз с карданным валом действует на приводной вал, а не на колеса. Такие тормоза обычно используются на небольших грузовиках. Этот тип тормоза склонен к отказам и приводил к случаям, когда грузовик самопроизвольно трогался с места на склоне, что приводило к выпуску предупреждений о безопасности. Тяжелые транспортные средства, оснащенные таким парковочным тормозом, как правило, имеют рычаг, аналогичный ручному тормозу или парковочному тормозу легкового автомобиля, а не кнопку или рычаг пневматического тормоза. Факторы риска для водителей включают парковку на крутом склоне при полной загрузке, недостаточное усилие при применении тормоза, изменение нагрузки или перераспределение нагрузки во время стоянки на склоне, или парковку на поверхности, где одна сторона транспортного средства может соскользнуть. Использование противооткатных упоров под колеса – один из способов предотвратить скатывание транспортного средства со склона.
Морские приводы
На самоходном судне вал двигателя, или винтовой вал, обычно соединяет гребной винт снаружи судна с приводным механизмом внутри, проходя через как минимум одно уплотнение вала или набивную коробку в месте пересечения с корпусом. Тяга, осевая сила, создаваемая гребным винтом, передается на судно через упорный блок или упорный подшипник, который, за исключением самых маленьких судов, встроен в главный двигатель или редуктор. Валы могут быть изготовлены из нержавеющей стали или композитных материалов в зависимости от типа судна, на которое они устанавливаются. Участок трансмиссии, который непосредственно соединяется с гребным винтом, называется хвостовым валом.
Двигательные валы локомотивов
Локомотивы Shay, Climax и Heisler, все представленные в конце XIX века, использовали шлицевые приводы для передачи мощности от центрально расположенного многоцилиндрового двигателя к каждой тележке, поддерживающей двигатель. На каждом из этих зубчатых паровозов один конец каждого приводного вала соединялся с ведущей тележкой через карданный шарнир, а другой конец приводился в движение коленчатым валом, трансмиссией или другой тележкой через второй карданный шарнир. Шлицевой привод также способен перемещаться вдоль своей оси, эффективно изменяя свою длину. Это необходимо для обеспечения возможности поворота тележек при прохождении кривых. Карданные валы используются в некоторых дизельных локомотивах (в основном дизель-гидравлических, таких как British Rail Class 52) и некоторых электрических локомотивах (например, British Rail Class 91). Они также широко применяются в дизельных моторвагонных составах.
Двигательные валы в велосипедах
Двигательный вал на протяжении последнего столетия служил альтернативой цепному приводу в велосипедах, но так и не получил широкого распространения. Велосипед с вальным приводом (или "Acatène", от имени одного из первых производителей) имеет ряд преимуществ и недостатков:
Преимущества
Система привода реже заклинивает. Велосипедист не испачкается смазкой цепи и не получит травму от "захвата цепью", когда одежда или часть тела попадет между незащищенной цепью и звездочкой. Обслуживание требуется реже, чем для цепной передачи, особенно если приводной вал заключен в кожух. Более стабильная работа. Компания Dynamic Bicycles заявляет, что велосипед с приводным валом может обеспечивать эффективность 94%, в то время как велосипед с цепным приводом – от 75 до 97% в зависимости от состояния.
Недостатки
Система карданного вала весит больше, чем цепная передача, и обычно тяжелее. Многие преимущества, которые приводятся сторонниками карданного вала, можно реализовать и на велосипеде с цепным приводом, например, закрытие цепи и звёздочек кожухом. Использование лёгких переключателей скоростей с большим диапазоном передач невозможно, хотя можно использовать планетарные передачи в втулке. Демонтаж колеса может быть затруднён в некоторых конструкциях (как и на некоторых велосипедах с цепным приводом и планетарными передачами).
Двигательные валы КВП
Приводные валы – один из способов передачи мощности от двигателя и отбора мощности (PTO) к установленному на транспортном средстве вспомогательному оборудованию, такому как воздушный компрессор. Приводные валы используются, когда рядом с двигателем недостаточно места для размещения дополнительного оборудования; вал преодолевает расстояние между отбором мощности двигателя и оборудованием, позволяя установить оборудование в другом месте на транспортном средстве.
Производство приводной валы
В настоящее время появились новые возможности для производства карданных валов. Технология намотки волокна набирает популярность при создании композитных карданных валов. Ряд компаний в автомобильной промышленности рассматривают возможность внедрения этой технологии в крупносерийное производство.