Приводной вал -Drive shaft

Приводной вал с универсальными шарнирами на каждом конце и шлицем в центре
3D-анимация карданного вала в Z-образном расположении

Приводной вал , карданный вал , ведущий вал , хвостовой вал ( австралийский английский ), гребной вал ( карданный вал ) или карданный вал (после Джироламо Кардано ) — это компонент для передачи механической мощности , крутящего момента и вращения, обычно используемый для соединения других компонентов трансмиссия , которая не может быть соединена напрямую из-за расстояния или необходимости обеспечения относительного движения между ними.

Как носители крутящего момента, приводные валы подвергаются скручивающему и сдвиговому напряжению , эквивалентному разнице между входным крутящим моментом и нагрузкой. Поэтому они должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать нагрузку, избегая при этом слишком большого дополнительного веса, поскольку это, в свою очередь, увеличивает их инерцию .

Чтобы учесть изменения в выравнивании и расстоянии между ведущими и ведомыми компонентами, приводные валы часто включают один или несколько универсальных шарниров , кулачковых муфт или тряпичных соединений , а иногда и шлицевое соединение или призматическое соединение .

История

Термин « карданный вал » впервые появился в середине 19 века. В переиздании патента Стовера 1861 года на строгально-сопоставительный станок этот термин используется для обозначения вала с ременным приводом , которым машина приводится в движение. Этот термин не используется в его первоначальном патенте. Еще одно раннее использование этого термина встречается в переиздании патента 1861 года на косилку Уоткинса и Брайсона, запряженную лошадьми . Здесь этот термин относится к валу, передающему мощность от колес машины к зубчатой ​​передаче, которая приводит в действие режущий механизм.

В 1890-х годах этот термин стал использоваться в манере, более близкой к современному смыслу. В 1891 году, например, Бэттлс называл вал между трансмиссией и ведущими тележками 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 Бьюки использовал этот термин для описания вала, передающего мощность от колеса к ведомому механизму с помощью универсального шарнира в своей книге « Лошадиная сила» . В том же году Кларк описал свой морской велосипед, используя этот термин для обозначения вала с зубчатым приводом, передающего мощность через универсальный шарнир на гребной вал. Кромптон использовал этот термин для обозначения вала между трансмиссией своего автомобиля с паровым двигателем 1903 года и ведомой осью.

Новаторская автомобильная компания Autocar первой применила приводной вал в автомобиле с бензиновым двигателем. Построенный в 1901 году, этот автомобиль сегодня находится в коллекции Смитсоновского института.

Автомобильный приводной вал

Транспорт

В автомобиле может использоваться продольный вал для передачи мощности от двигателя/трансмиссии к другому концу транспортного средства, прежде чем она перейдет к колесам. Пара коротких приводных валов обычно используется для передачи мощности от центрального дифференциала , трансмиссии или коробки передач к колесам.

Двухсекционный карданный вал грузового автомобиля

Передний двигатель, задний привод

В автомобилях с передним расположением двигателя и задним приводом также требуется более длинный приводной вал для передачи мощности по длине автомобиля. Преобладают две формы: торсионная труба с одним универсальным шарниром и более распространенный привод Гочкиса с двумя или более шарнирами. Эта система стала известна как Système Panhard после того, как автомобильная компания Panhard et Levassor запатентовала ее.

Большинство этих автомобилей имеют сцепление и коробку передач (или трансмиссию), установленные непосредственно на двигателе, с приводным валом, ведущим к главной передаче на задней оси. Когда автомобиль неподвижен, приводной вал не вращается. Некоторые автомобили (как правило, спортивные автомобили, такие как Chevrolet Corvette C5 / C6 / C7 , Alfa Romeo Alfetta и Porsche 924/944/928 ), стремясь улучшить баланс веса между передней и задней частью, используют заднюю коробку передач . В некоторых моделях, отличных от Porsche, сцепление и трансмиссия размещаются в задней части автомобиля, а приводной вал - между ними и двигателем. В этом случае приводной вал непрерывно вращается вместе с двигателем, даже когда автомобиль стоит на месте и не включена передача. Однако у моделей Porsche 924/944/928 сцепление установлено на задней части двигателя в корпусе колокола, а приводной вал от выходного вала сцепления, расположенный внутри полой защитной торсионной трубки, передает мощность на заднюю коробку передач ( трансмиссия + дифференциал). Таким образом, карданный вал Porsche вращается только тогда, когда вращаются задние колеса, поскольку установленная на двигателе муфта может отделить вращение коленчатого вала двигателя от карданного вала. Таким образом, для Porsche, когда водитель использует сцепление при резком переключении передач вверх или вниз (механическая коробка передач), двигатель может свободно вращаться при нажатии водителем педали акселератора, поскольку при выключенном сцеплении инерция двигателя и маховика относительно мала и составляет не отягощенный дополнительной инерцией вращения карданного вала. Торсионная труба Porsche прочно закреплена как на корпусе колокола двигателя, так и на картере коробки передач, фиксируя длину и выравнивание между корпусом колокола и коробкой передач и значительно сводя к минимуму крутящий момент реакции заднего привода при повороте коробки передач в любой плоскости.

Приводной вал, соединяющий задний дифференциал с задним колесом, можно назвать полувалом. Название происходит от того факта, что два таких вала необходимы для образования одной задней оси .

Ранние автомобили часто использовали механизмы цепного или ременного привода , а не приводной вал. Некоторые использовали электрические генераторы и двигатели для передачи мощности на колеса.

Передний привод

В британском английском термин приводной вал ограничивается поперечным валом, который передает мощность на колеса, особенно на передние колеса. Вал, соединяющий коробку передач с задним дифференциалом, называется «карданный вал» или «карданный вал». Узел карданного вала состоит из карданного вала, шлицевого соединения и одного или нескольких универсальных шарниров. Там, где двигатель и оси отделены друг от друга, как на полноприводных и заднеприводных автомобилях, именно карданный вал служит для передачи движущей силы, создаваемой двигателем, на оси.

В автомобильной промышленности используются несколько различных типов приводных валов:

  • Цельный приводной вал
  • Приводной вал из двух частей
  • Приводной вал с проскальзыванием в трубе

Приводной вал с проскальзыванием в трубе — это новый тип, который повышает безопасность при столкновении. Его можно сжать для поглощения энергии в случае аварии, поэтому он также известен как «складной приводной вал».

Четыре колеса и полный привод

Они произошли от заднеприводной компоновки с передним расположением двигателя. Новая форма трансмиссии, называемая раздаточной коробкой, была размещена между трансмиссией и бортовыми передачами обеих осей. Это разделяло привод на две оси и могло также включать редукторы, кулачковую муфту или дифференциал. Использовались как минимум два приводных вала, по одному от раздаточной коробки к каждой оси. В некоторых более крупных автомобилях раздаточная коробка устанавливалась по центру и сама приводилась в движение коротким приводным валом. В автомобилях размером с Land Rover приводной вал к передней оси заметно короче и более круто сочленен, чем задний вал, что усложняет инженерную задачу создания надежного приводного вала и может потребовать более сложной формы. универсального шарнира.

Современные легкие автомобили с полным приводом (особенно Audi или Fiat Panda ) могут использовать систему, которая больше напоминает переднеприводную компоновку. Трансмиссия и главная передача передней оси объединены в одном корпусе рядом с двигателем, а один приводной вал проходит по всей длине автомобиля к задней оси. Это предпочтительная конструкция, когда крутящий момент смещен на передние колеса, чтобы обеспечить управляемость, подобную легковой, или когда производитель хочет производить как полноприводные, так и переднеприводные автомобили со многими общими компонентами.

Исследования и разработки

Автомобильная промышленность также использует карданные валы на испытательных заводах. На стенде для испытаний двигателей приводной вал используется для передачи определенной скорости или крутящего момента от двигателя внутреннего сгорания к динамометру . «Защита вала» используется в месте соединения вала для защиты от контакта с приводным валом и для обнаружения поломки вала. На испытательном стенде трансмиссии приводной вал соединяет первичный двигатель с трансмиссией.

Симптомы неисправного карданного вала

Автомобильный приводной вал обычно может прослужить около 120 000 километров. Однако, если транспортное средство испытывает какие-либо из перечисленных ниже признаков, водители должны как можно скорее проверить его у механика.

  • Щелчки или скрип: водитель может слышать щелчки, скрипы или скрежет, исходящие из-под автомобиля во время движения. Хотя все это может быть из-за неисправных подшипников или втулок, из-за которых приводной вал не может работать должным образом и начинает издавать много странных шумов.
  • Стук: водитель может слышать шум, особенно при повороте автомобиля, ускорении или даже включении заднего хода.
  • Вибрация. Ранним и распространенным признаком неисправности приводного вала является сильная вибрация, исходящая из-под автомобиля. Изношенные муфты, карданные шарниры или подшипники вызывают чрезмерную вибрацию приводного вала.
  • Проблемы с поворотом: Проблемы с поворотом автомобиля как на медленных, так и на высоких скоростях являются еще одним важным признаком неисправности приводного вала.

Карданный вал стояночного тормоза

Стояночный тормоз с карданным валом воздействует на приводной вал, а не на колеса. Эти тормоза обычно используются на небольших грузовиках. Тормоза этого типа часто выходят из строя и приводили к инцидентам, когда грузовик съезжал со склона, что приводило к выдаче предупреждений о безопасности. Тяжелые автомобили с этим типом стояночного тормоза обычно имеют храповую рукоятку, аналогичную автомобильному ручному тормозу или стояночному тормозу , в отличие от кнопки или рычага пневматического тормоза .

Факторы риска для водителей включают парковку на крутом склоне с большой нагрузкой, недостаточное усилие торможения, изменение нагрузки или баланса нагрузки при парковке на склоне или парковку, при которой одна сторона автомобиля может скользить. Использование противооткатных колодок на колесах является одним из способов предотвращения движения автомобиля по склону.

Приводные валы мотоциклов

Открытый карданный вал на первом мотоцикле BMW R32 .

Приводные валы использовались в мотоциклах еще до Первой мировой войны, например, в бельгийском мотоцикле FN 1903 года и мотоцикле Stuart Turner Stellar 1912 года. В качестве альтернативы цепным и ременным приводам приводные валы долговечны, чисты и относительно просты в обслуживании . бесплатная эксплуатация. Недостатком карданного вала на мотоцикле является то , что для поворота мощности на 90° от вала к заднему колесу необходима косозубая передача , спирально-коническая передача или аналогичная, теряя при этом часть мощности.

BMW производит мотоциклы с карданным приводом с 1923 года; и Moto Guzzi производят V- образные твины с карданным приводом с 1960-х годов. Британская компания Triumph и крупные японские бренды Honda , Suzuki , Kawasaki и Yamaha производили мотоциклы с карданным приводом.

Мотороллеры Lambretta типа A до типа LD имеют привод от вала, скутер NSU Prima также имеет привод от вала.

Мотоциклетные двигатели, расположенные таким образом, что коленчатый вал расположен продольно и параллельно раме , часто используются для мотоциклов с приводом от вала. Для этого требуется только один поворот на 90 ° в передаче мощности, а не два. Велосипеды Moto Guzzi и BMW, а также серии Triumph Rocket III и Honda ST используют эту компоновку двигателя.

Мотоциклы с приводом от вала подвержены эффекту вала , когда шасси поднимается при подаче мощности. Этому эффекту, противоположному тому, что демонстрируют мотоциклы с цепным приводом, противодействуют такие системы, как Paralever от BMW, CARC от Moto Guzzi и Tetra Lever от Kawasaki .

Морские приводные валы

На судне с механическим двигателем приводной вал или гребной вал обычно соединяет гребной винт снаружи судна с приводным механизмом внутри, проходя по крайней мере через одно уплотнение вала или сальниковую коробку в месте пересечения с корпусом . Тяга, осевая сила, создаваемая гребным винтом, передается на судно упорным блоком или упорным подшипником, который на всех лодках, кроме самых маленьких, встроен в главный двигатель или коробку передач. Валы могут быть изготовлены из нержавеющей стали или композитных материалов в зависимости от того, на какой тип корабля их будут устанавливать.

Часть трансмиссии, которая соединяется непосредственно с гребным винтом, известна как хвостовой вал.

Валы привода локомотивов

Задний карданный вал, коленчатый вал и передний карданный вал паровоза Шай .

Локомотивы Shay , Climax и Heisler , представленные в конце 19 века, использовали гусиные приводы для передачи мощности от установленного в центре многоцилиндрового двигателя к каждому из грузовиков, поддерживающих двигатель. На каждом из этих паровозов с редуктором один конец каждого приводного вала был соединен с ведомой тележкой через универсальный шарнир , а другой конец приводился в действие коленчатым валом , трансмиссией или другой тележкой через второй универсальный шарнир. Привод пиноли также может скользить в продольном направлении, эффективно изменяя свою длину. Это необходимо для того, чтобы тележки могли вращаться при прохождении поворота.

Карданные валы используются в некоторых тепловозах (в основном дизель-гидравлических, таких как British Rail Class 52 ) и некоторых электровозах (например , British Rail Class 91 ). Они также широко используются в дизельных двигателях .

Карданные валы в велосипедах

Приводной вал служил альтернативой цепному приводу в велосипедах в прошлом веке, но так и не стал очень популярным. Велосипед с приводом от вала (или «Акатен» от одного из первых производителей) имеет несколько преимуществ и недостатков:

Преимущества

  • Система привода меньше подвержена заклиниванию.
  • Гонщик не может испачкаться от смазки для цепи или получить травму из-за «укуса цепи», когда одежда или часть тела застревают между незащищенной цепью и звездочкой.
  • Меньшее техническое обслуживание, чем у цепной системы, когда приводной вал заключен в трубу.
  • Более стабильная производительность. Dynamic Bicycles утверждает, что велосипед с приводным валом может обеспечить эффективность 94%, тогда как велосипед с цепным приводом может обеспечить эффективность от 75 до 97% в зависимости от условий.

Недостатки

  • Система приводного вала весит больше, чем цепная система, обычно на 0,5–1 кг (1–2 фунта) тяжелее.
  • Многие из преимуществ, о которых заявляют сторонники приводного вала, могут быть достигнуты на велосипеде с цепным приводом, например, покрытие цепи и звездочек .
  • Использование облегченных шестерен переключателя с большим числом передаточных чисел невозможно, хотя можно использовать ступичные шестерни .
  • В некоторых конструкциях снятие колеса может быть затруднено (например, для некоторых велосипедов с цепным приводом и ступичной передачей).

Карданные валы

Приводные валы являются одним из способов передачи мощности от двигателя и механизма отбора мощности на установленное на транспортном средстве вспомогательное оборудование, такое как воздушный компрессор . Карданные валы используются, когда рядом с двигателем недостаточно места для дополнительного оборудования; вал перекрывает зазор между ВОМ двигателя и аксессуаром, позволяя устанавливать аксессуар в любом месте автомобиля.

Производство карданных валов

В настоящее время существуют новые возможности для процесса производства карданных валов. Производственный процесс намотки нити набирает популярность для создания композитных приводных валов. Несколько компаний в автомобильной промышленности стремятся применить эти знания для своего крупносерийного производственного процесса.

Смотрите также

Рекомендации