Приводной вал , карданный вал , ведущий вал , хвостовой вал ( австралийский вариант английского языка ), карданный вал ( проп-вал ) или карданный вал (в честь Джироламо Кардано ) — 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 обеспечения относительного движения между ними.
Как носители крутящего момента, приводные валы подвергаются кручению и сдвиговому напряжению , эквивалентному разнице между входным крутящим моментом и нагрузкой. Поэтому они должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать напряжение, избегая при этом слишком большого дополнительного веса, поскольку это, в свою очередь, увеличит их инерцию .
Для обеспечения возможности изменения выравнивания и расстояния между ведущими и ведомыми компонентами приводные валы часто включают в себя один или несколько универсальных шарниров , кулачковых муфт или шарнирных соединений , а иногда и шлицевое соединение или призматическое соединение .
Термин «приводной вал» впервые появился в середине 19 века. В переизданном патенте Стовера 1861 года на строгально-соответствующую машину этот термин используется для обозначения ременного вала, с помощью которого приводится в движение машина. [1] В его оригинальном патенте этот термин не используется. [2] Другое раннее использование термина встречается в переизданном патенте 1861 года на конную косилку Уоткинса и Брайсона . [3] 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 значении, более приближенном к современному. Например, в 1891 году Баттлз называл вал между трансмиссией и ведущими тележками своего локомотива Climax приводным валом, [4] а Стиллман называл вал, соединяющий коленчатый вал с задней осью своего велосипеда с приводом от вала, приводным валом. [5] В 1899 году Бьюки использовал этот термин для описания вала, передающего мощность от колеса к ведомому механизму с помощью универсального шарнира в своей книге Horse-Power . [6] В том же году Кларк описал свой Marine Velocipede, используя этот термин для обозначения вала с зубчатым приводом, передающего мощность через универсальный шарнир к валу гребного винта. [7] Кромптон использовал этот термин для обозначения вала между трансмиссией своего парового транспортного средства 1903 года и ведомой осью. [8]
Компания-пионер автомобильной промышленности Autocar была первой, кто использовал приводной вал в автомобиле с бензиновым двигателем. [9] Построенный в 1901 году, сегодня этот автомобиль находится в коллекции Смитсоновского института. [10]
Автомобиль может использовать продольный вал для передачи мощности от двигателя/трансмиссии на другой конец транспортного средства, прежде чем она пойдет на колеса. Пара коротких приводных валов обычно используется для передачи мощности от центрального дифференциала , трансмиссии или трансмиссии в блоке с ведущим мостом к колесам.
В автомобилях с передним расположением двигателя и задним приводом также требуется более длинный приводной вал для передачи мощности по всей длине автомобиля. Доминируют две формы: торсионная трубка с одним универсальным шарниром и более распространенный привод Hotchkiss с двумя или более шарнирами. Эта система стала известна как Système Panhard в честь автомобильной компании Panhard et Levassor, которая ее запатентовала.
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 (обычно 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 трансмиссию . В некоторых моделях, отличных от Porsche, это помещает сцепление и трансмиссию в заднюю часть автомобиля, а приводной вал — между ними и двигателем. В этом случае приводной вал непрерывно вращается вместе с двигателем, даже когда автомобиль неподвижен и выключен. Однако модели Porsche 924/944/928 имеют сцепление, установленное на задней части двигателя в колоколе, а приводной вал от выхода сцепления, расположенный внутри полой защитной крутящей трубы, передает мощность на заднюю трансмиссию (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. Таким образом, для Porsche, когда водитель использует сцепление при быстром переключении вверх или вниз (механическая коробка передач), двигатель может свободно набирать обороты при нажатии водителем педали акселератора, поскольку при выключенном сцеплении инерция двигателя и маховика относительно мала и не обременена дополнительной инерцией вращения карданного вала. Крутящая трубка Porsche прочно закреплена как на картере двигателя, так и на картере трансмиссии, фиксируя длину и выравнивание между картером колокола и трансмиссией и значительно минимизируя реактивный момент привода заднего колеса от скручивания трансмиссии в любой плоскости.
Приводной вал, соединяющий задний дифференциал с задним колесом, можно назвать полуосью. Название происходит от того факта, что для формирования одной задней оси требуются два таких вала .
Ранние автомобили часто использовали цепной или ременной привод вместо приводного вала. Некоторые использовали электрические генераторы и двигатели для передачи мощности на колеса.
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 «карданным валом» или «пропеллерным валом». Узел карданного вала состоит из карданного вала, скользящего шарнира 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:
Приводной вал slip-in-tube — это новый тип, который повышает безопасность при столкновении. Он может сжиматься для поглощения энергии в случае столкновения, поэтому его также называют «разборным приводным валом».
Они произошли от компоновки с передним расположением двигателя и задним приводом. Новая форма трансмиссии, называемая раздаточной коробкой, была размещена между трансмиссией и конечными передачами на обеих осях. Это разделяло привод на две оси и могло также включать редукторы, кулачковую муфту или дифференциал. Использовалось по крайней мере два приводных вала, по одному от раздаточной коробки на каждую ось. В некоторых более крупных транспортных средствах раздаточная коробка была установлена по центру и сама приводилась в движение коротким приводным валом. В транспортных средствах размером с Land Rover приводной вал на переднюю ось заметно короче и более круто сочленен, чем задний вал, что делает более сложной инженерной проблемой создание надежного приводного вала, и что может включать более сложную форму универсального шарнира.
Современные легковые автомобили с полным приводом (в частности, Audi или Fiat Panda ) могут использовать систему, которая больше напоминает переднеприводную компоновку. Трансмиссия и главная передача для передней оси объединены в одном корпусе рядом с двигателем, а один приводной вал проходит по всей длине автомобиля к задней оси. Это предпочтительная конструкция, где крутящий момент смещен к передним колесам, чтобы обеспечить управляемость, подобную легковому автомобилю, или где производитель хочет выпускать как полноприводные, так и переднеприводные автомобили со многими общими компонентами.
В автомобильной промышленности приводные валы также используются на испытательных заводах.
На стенде для испытания 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 неисправности вала.
На испытательном стенде трансмиссии приводной вал соединяет первичный двигатель с трансмиссией.
Автомобильный приводной вал обычно может прослужить около 120 000 километров. Однако, если транспортное средство испытывает какие-либо из нижеперечисленных признаков, водители должны проверить его как можно скорее. [11]
Стояночный тормоз карданного вала работает на приводном валу, а не на колесах. [12] Эти тормоза обычно используются на небольших грузовиках. Этот тип тормоза склонен к отказам и приводил к инцидентам, когда грузовик выходил из строя на склоне, что приводило к выдаче предупреждений об опасности. [13] Тяжелые транспортные средства, которые имеют этот тип стояночного тормоза, обычно имеют храповую ручку, похожую на ручной тормоз автомобиля или стояночный тормоз , в отличие от кнопки или рычага воздушного тормоза .
Факторы риска для водителей включают парковку на крутом склоне при большой загрузке, недостаточное нажатие на тормоз, изменение нагрузки или баланса нагрузки при парковке на склоне или парковку, когда одна сторона автомобиля может соскользнуть. Использование упоров на колесах является одним из способов предотвращения движения автомобиля на склоне.
Приводные валы использовались на мотоциклах еще до Первой мировой войны, например, на бельгийском мотоцикле FN 1903 года и мотоцикле Stuart Turner Stellar 1912 года. В качестве альтернативы цепным и ременным приводам приводные валы обеспечивают долговечную, чистую и относительно не требующую обслуживания работу. Недостатком приводного вала на мотоцикле является то, что для поворота мощности на 90° от вала к заднему колесу требуется косозубая передача , спирально-коническая передача или что-то подобное, что приводит к потере мощности.
BMW выпускает мотоциклы с приводом вала с 1923 года; а Moto Guzzi выпускает V-образные твины с приводом вала с 1960-х годов. Британская компания Triumph и основные японские бренды Honda , Suzuki , Kawasaki и Yamaha выпускают мотоциклы с приводом вала.
Мотороллер Lambretta типа A до типа LD имеет карданный привод [14], скутер NSU Prima также имеет карданный привод [15]
Мотоциклетные двигатели, расположенные таким образом, что коленчатый вал расположен продольно и параллельно раме , часто используются для мотоциклов с приводом от вала. Это требует только одного поворота на 90° в передаче мощности, а не двух. Мотоциклы от Moto Guzzi и BMW, а также Triumph Rocket III и Honda ST series используют эту компоновку двигателя.
Мотоциклы с карданным приводом подвержены эффекту вала , когда шасси поднимается при приложении мощности. Этот эффект, противоположный эффекту мотоциклов с цепным приводом, нейтрализуется такими системами, как BMW Paralever , Moto Guzzi CARC и Kawasaki Tetra Lever .
На судне с механическим приводом 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 , где он пересекает корпус . Тяга, осевая сила, создаваемая гребным винтом, передается на судно упорным блоком или упорным подшипником, который на всех судах, кроме самых маленьких, встроен в главный двигатель или коробку передач. Валы могут быть изготовлены из нержавеющей стали [16] или композитных [17] материалов в зависимости от того, на каком судне они будут установлены.
Часть трансмиссии, которая напрямую соединяется с пропеллером, называется хвостовым валом. [18]
Локомотивы Shay , Climax и Heisler , все представленные в конце 19-го века, использовали приводы пинольных шестерен для соединения мощности от центрально установленного многоцилиндрового двигателя к каждой из тележек, поддерживающих двигатель. На каждом из этих паровозов с редуктором один конец каждого приводного вала был соединен с ведомой тележкой через универсальный шарнир , в то время как другой конец приводился в действие коленчатым валом , трансмиссией или другой тележкой через второй универсальный шарнир. Привод пинольных шестерен также имеет возможность скользить в продольном направлении, эффективно изменяя свою длину. Это необходимо для того, чтобы тележки могли вращаться при прохождении кривой.
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 моторвагонных поездах .
Приводной вал служил альтернативой цепному приводу в велосипедах в течение прошлого столетия, так и не став очень популярным. Велосипед с приводом от вала (или «Acatène», по названию раннего производителя) имеет несколько преимуществ и недостатков:
Приводные валы являются одним из методов передачи мощности от двигателя и PTO к вспомогательному оборудованию, установленному на транспортном средстве, такому как воздушный компрессор . Приводные валы используются, когда рядом с двигателем недостаточно места для дополнительного аксессуара; вал перекрывает зазор между PTO двигателя и аксессуаром, позволяя устанавливать аксессуар в другом месте на транспортном средстве. [19]
В настоящее время существуют новые возможности для процесса производства приводных валов. Процесс производства намотки нити набирает популярность для создания композитных приводных валов. Несколько компаний в автомобильной промышленности стремятся использовать эти знания для своего процесса производства больших объемов. [ необходима цитата ]
