Двигатель для привода вала

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Приводные валы

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«).

Источник

Приводные валы. Изучаем конструкцию

— двигатель — рядная четверка объемом в диапазоне 1.0-2.0, расположенная поперек;
— коробка передач присоединена к двигателю слева (по ходу движения автомобиля);
— на левое колесо идет короткий приводной вал, на правое — длинный.

Вот именно о приводных валах в таком конструктиве мы и поговорим поподробнее, поскольку аналогичную лекцию частенько приходится проводить устно, разъясняя владельцу обслуживаемого автомобиля суть производимых операций.

Рассматривать мы будем правый приводной вал, потому что он немного «сложнее». Ну и еще потому, что левого в распоряжении нашей редакции не оказалось.
Зато есть приведенные на фотографии два старых правых приводных вала, один из которых уже разделен на части.

Пойдем детально слева направо. В самой крайней левой части фото — внешний ШРУС (шарнир равных угловых скоростей). Из него торчит «палка» со шлицами, которая вставляется в ступицу автомобиля. Вот эта часть более крупно:

Шлицы сопрягаются с ответной частью ступицы, и передают вращение на колесо. На резьбовую часть снаружи накручивается ступичная гайка, фиксирующая ШРУС в ступице. Заодно она же фиксирует (прижимает) внешнюю и внутреннюю обоймы ступичного подшипника, но об этом как-нибудь в другой раз. Количество шлицов — важный параметр ШРУСа, так как бывает, что в зависимости от модели, поколения и т.д. — количество шлицов может отличаться. Стало быть, ШРУСы на казалось бы одну и ту же машину могут различаться. Этот параметр, как правило, указан в описании запчасти в интернет-магазинах, и на него надо обращать внимание при заказе.
Что касается специфики слесарных работ — настоятельно рекомендуется перед запихиванием ШРУСа в ступицы пройтись по шлицам стальной щеткой и щедро мазнуть их литолом. В противном случае через какое-то время шлицы закиснут в ступице, и придется выколачивать шрус с привлечением молотка.

Далее на корпусе ШРУСа видны зубцы. Вот они с другого ракурса:

Несмотря на весь свой брутальный вид — эта часть корпуса относится скорее к электронике, нежели к механике. В поворотном кулаке установлен датчик АБС, и когда эти зубцы проходят мимо датчика, на его выходе изменяется уровень сигнала. Опять же, это важный параметр ШРУСа — например, бывают комплектации автомобилей без АБС (правда, это уже скорее преданья старины глубокой), и там этих зубцов на корпусе нет. ШРУС без зубцов на корпусе запросто может подходить чисто механически, но АБС работать не будет. Кроме того, важно и количество этих зубцов. Как и количество шлицов, это указывается в описании детали. Если установить ШРУС с другим количеством зубцов — АБС будет работать некорректно. Раскроем эту тему чуть подробнее. Прохождение зубца мимо датчика — это прямоугольный импульс на сигнале с датчика. При создании системы АБС конструкторы, разумеется, знают количество зубцов на корпусе ШРУСа, и закладывают в программу, что именно 48 (например) импульсов соответствуют одному обороту колеса. Исходя из этого и рассчитывается скорость вращения колеса. Если поставить ШРУС с другим количеством зубцов — система АБС не будет об этом знать. Если окажется, например, 40 зубцов — получится, за один фактический оборот колеса система АБС примет 0,8 оборота. То есть, скорость вращения этого колеса будет отображаться в системе на 20% ниже фактической. В лучшем случае АБС выдаст ошибку и выключится. В худшем — начнет неадекватно отрабатывать. На этом, пожалуй, надо и закончить про зубцы. Разве что добавить, что в современных авто чаще всего уже отказываются от такой реализации, а вместо этого ставят магнитное кольцо с одной стороны ступичного подшипника, и датчик находится также возле подшипника. То есть, если машина с АБС — совсем необязательно, что внешние ШРУС должны быть с этим зубчатым кольцом.

Теперь возвращаемся обратно к механике. Сам внешний ШРУС имеет классическую конструкцию — 6 шариков, сепаратор и прочие детали, неизменные со времен каноничной «девятки» жигулей:

Он надевается на вал, и фиксируется внутри стопорным кольцом. Это чаще всего существенно затрудняет его демонтаж, и латунный/медный молоток при его снятии — наш лучший друг. Колотить железным молотком (без выколотки из мягкого металла или дерева) можно, только если сразу известно, что он подлежит замене. На конструкции самого ШРУС заострять внимание не будем, скажем только, что он фиксируется на приводном валу жестко и не имеет возможности перемещаться в продольном направлении.
Также скажем, что смазка в ШРУСах крайне чувствительна к влаге. При малейшей негерметичности пыльника она начинает вбирать в себя эту самую влагу, превращаясь из смазки в некоторое подобие абразива, который крайне негативно влияет на продолжительность жизни узла. Так что обнаруженный рваный пыльник ШРУС — повод к немедленной его замене. Иногда это помогает сохранить жизнь ШРУСу. Хотя чаще всего уже нет.
Неисправности этого ШРУСа обычно проявляются в виде хруста при движении с вывернутыми колесами. А при большом износе — и на прямолинейном движении.

На этом закончим про внешний ШРУС и пойдем дальше вправо (если по самому первому фото). Дальше идет сам по себе вал — он не представляет собой ничего интересного, просто железная палка. Ну, не просто, конечно — как минимум, это прямая палка, обеспечивающая отсутствие биений, и т.п. — но в целом там нет ничего интересного с точки зрения механика.
А вот после вала идет внутренний ШРУС, и на нем мы остановимся поподробнее. Вот как он выглядит, будучи уже разделенным на две части:

Итак, про его особенности. Во-первых, в его конструкции принципиально нет шариков. Внутренний ШРУС имеет конструкцию, которая называется «трипод» или «трипоид». Называют как придется, а официально утвержденной терминологии найти не удалось.
С одной стороны у такой конструкции — три (отсюда, собственно, и «трипод») шипа с надетыми на них игольчатыми подшипниками. Эта деталь надета на шлицы вала и зафиксирована стопорным кольцом:

С другой стороны идет так называемый «стакан», куда трипод и вставляется:

Такая конструкция заложена не просто так. Вообще, она обеспечивает меньшие углы поворота, чем шариковый ШРУС, примененный снаружи. Но возле коробки передач такой необходимости и нет — большие углы нужны на поворачивающемся колесе. Зато трипоидный ШРУС дает возможность изменения общей длины вала, а такая возможность необходима для независимой подвески — ведь длина вала изменяется в зависимости от того, выше или ниже находится колесо машины (грубо говоря, от степени сжатости пружины подвески).
Вот для демонстрации последовательно три фотографии — прямое положение, положение под углом, и положение под углом с «выдвинутым» триподом. Последнее примерно соответствует его позиции с вывешенным колесом:

Забавной особенностью трипоидного ШРУС является то, что его две половинки никак не фиксируются относительно друг друга. То есть, снятый приводной вал, например, будет держаться только за счет пыльника. Впрочем, ничего страшного в этом нет — конструкция подвески такова, что в собранном и исправном виде она не дает валу перемещений больше допустимых пределов.

Еще один аспект — смазка для внутренних ШРУС. Она отличается от той, что применяется для внешних ШРУСов. Даже на вид — смазка внутренних ШРУС по консистенции (да и по цвету) напоминает мёд, а для внешних — скорее, похожа на графитку. Вообще, эти смазки — предмет множественных обсуждений в интернетах, но нигде нет достоверной информации. Чаще всего все сводится к ряду сообщений вида «заложил в трипод смазку от внешнего ШРУС, 5 тысяч километров — полет нормальный». Более долгих отчетов о тестировании не встречается. Не исключено, что потому что потом автор сильно раскаивается в своем решении не заморачиваться, и покупает новый внутренний ШРУС.В общем, настоятельно рекомендуется шерстить каталоги на предмет смазки под конкретную марку и модель, и закладывать именно ее. Наше личное предположение — разная вязкость смазок обусловлена разницей в размерах элементов. Во внешнем ШРУС самый мелкий элемент — шарик диаметром в районе одного сантиметра. А в триподе — иголка толщиной в миллиметр-два. И вязкая смазка внешнего ШРУС просто «не залезет» между иголками и обоймой подшипника.

А если заложить неправильную смазку — есть риск ушатать дорогостоящий узел. Проявляется его износ обычно или вибрациями на скорости, или лязганьем при резком сбросе/наборе газа. Далеко не на все машины есть внутренний ШРУС как отдельный узел. Например, на Peugeot 206 (вал от которого мы сейчас и рассматриваем), стакан ШРУСа конструктивно неотделим от вала, поэтому заказывать при его износе придется вал в сборе. В отдельных запчастях зато есть пыльник этого ШРУС, и на его конструктивную особенность тоже стоит обратить внимание. Она заключается в наличии специальных утолщений под выемки в «стакане»:

Что ж, приступим к дальнейшему движению по приводному валу. Дальше у нас — подвесной подшипник:

Он без особых затей напрессован на вал. С одной стороны его внутренняя обойма упирается в прилив на корпусе ШРУС, а с другой — зафиксирована стопорным кольцом, которое точно так же напрессовывается. Этот подшипник тоже изнашивается, и начинает издавать гул или хрустеть — иногда при движении на скоростях выше определенной, иногда — на режимах интенсивного разгона. Стоимость его невелика, но для замены надо точно так же целиком снимать вал.

Кстати, подвесной подшипник как раз присутствует далеко не везде. Он есть, например, в Peugeot/Citroen, Renault и Ford. Но его нет в Mitsubishi Lancer 9, и еще в ряде автомобилей. На последних — внутренний ШРУС стоит прямо возле выхода из коробки передач, и сам вал — одна очень длинная «палка» (в отличие от рассматриваемого, где «палки» две и коротких). Скорее всего, введение конструкции с подвесным подшипником — это решение для того, чтобы выровнять длину между ШРУСами на левом и правом валах. Возможно, это помогает победить увод автомобиля в сторону при интенсивном разгоне — проблема, обусловленная как раз разницей длин правого и левого вала. К сожалению, мы не располагаем информацией, однозначно подтверждающей или опровергающей данное предположение.

И вот, наконец, добрались до конца, до той части вала, которая вставляется в коробку. Вот она:

Тут тоже все просто. Шлицы, через которые передается вращение, и утолщение — именно оно прилегает к сальнику, предотвращая утечку масла из коробки передач. Уточним сразу, что рассматриваем мы вал от автомобиля с МКПП. На автомобиле с классическим автоматом или вариатором конструктив немного другой, так как там масло в коробке находится под давлением, и часто из коробки торчит уже «сухая» часть со шлицами. Так, например, сделано на коробке DP0 на Renault Megane.

Ну и в заключение — словесное описание процедуры снятия приводного вала:
— слить масло из МКПП;
— скинуть колесо;
— открутить ступичную гайку;
— отсоединить шаровую опору от поворотного кулака (это даст поворотному кулаку достаточную степень свободы, чтобы внешний ШРУС вышел из ступицы);
— если есть — освободить подвесной подшипник;
— снять вал.

Эта, хоть и не очень сложная процедура, занимает минимум полчаса — при условии отсутствия засад, как таковых — приржавевших или ломающихся болтов, и т.д.
По-хорошему, если хочется гарантированно обойтись без вынужденных задержек, крайне желательно иметь в хозяйстве новые:
— ступичную гайку (по сервис-мануалу она одноразовая);
— гайку (и болт, если он конструктивно есть) шаровой опоры.

Также перед снятием обязательно надо ознакомиться, помимо основной проблемы:
— с состоянием сальника вала в коробке передач;
— с состоянием пыльников ШРУС.

И если что-то из описанного вызывает подозрения — сменить за один заход, что позволить несколько сэкономить на работах.
А если пробег уже большой и масло в коробке давно не менялось — это как раз отличный повод его обновить.

На этом, пожалуй, и все. На сегодня наша команда чумазых просветителей прощается с вами и отправляется на поиск новых тем для рассказа.

Источник