Крутний момент, що розвивається двигуном автомобіля, повинен передаватися через коробку передач та диференціал на ведучі колеса, для чого в автомобілях використовуються приводні вали. При русі автомобіля його колеса постійно переміщуються вгору-вниз, а передні керовані колеса ще й повертаються вправо-вліво, що не дозволяє застосовувати жорстке з'єднання приводних валів з іншими агрегатами автомобіля. Якщо двигун розташований спереду, а ведучі колеса - задні, то в якості приводного використовується вал з карданними шарнірами (карданний вал).

Завдання приводного валу - ефективно передавати крутний момент від одного агрегату до іншого, незалежно від того, розташовані вони співвісно або зі зміщенням відносно один одного.

Приводний вал повинен працювати в широкому діапазоні частоти обертання і при цьому забезпечувати можливість досить великих взаємних переміщень елементів, що з'єднуються, у всіх площинах. Розмаїття вимог до шарнірів приводних валів призвело до появи різних варіантів приводу.

Історія

Всерйоз про трансмісію замислилися творці перших автомобілів. Спочатку загальноприйнятим був привід на задні колеса, оскільки вирішити проблеми переднього приводу не вдавалося. У випадку передніх ведучих коліс крутний момент повинен рівномірно передаватися не тільки при лінійному зміщенні колеса вгору-вниз, але і при повороті колеса з боку в бік.

Для заднього приводу передача крутного моменту від двигуна до заднього мосту була реалізована за допомогою поздовжнього валу з карданними шарнірами. Такий підхід до вирішення проблеми був простішим, адже кути відхилення таких шарнірів невеликі та не впливають на ходові якості автомобіля.

Винахід карданного шарніру сягає XVI століття; авторами вважаються італієць Джероламо Кардано та англієць Роберт Гук.

У середині XVI століття Кардано створив кільцевий шарнір, у якому корабельний компас залишався у горизонтальному положенні, незважаючи на морську хитавицю.

В 1664 році Роберт Гук підтвердив патентом, що його кільцевий шарнір здатний з'єднати кінці двох неспіввісних валів, розташованих під кутом один до одного.

Терміни «каранний шарнір» або «шарнір Гука» і сьогодні нагадують про цих двох авторів давнього винаходу.

З появою переднього приводу карданні шарніри використовувалися і там, але у зв'язку з підвищенням вимог до керованості та динаміки автомобіля пошук більш оптимальної передачі крутного моменту привів до появи шарнірів рівних кутових швидкостей (ШРКШ).

На сучасних легкових автомобілях карданний шарнір застосовується лише на поздовжньому карданному валу приводу задніх ведучих коліс, хоча і тут поступово здає свої позиції.

На вантажних автомобілях карданний шарнір, як і раніше, використовується на поздовжньому карданному валу приводу задніх коліс, а також у вигляді здвоєного карданного шарніра - на поперечних приводних валах.

У грудні 1926 року французькі інженери П'єр Фенай та Жан-Альбер Грегуар отримали патент на винайдений ними шарнір Tracta. Цей шарнір складався з чотирьох деталей, з'єднаних ковзними напрямними. Щоб не розпадатися, він мав постійно перебувати всередині півсфери.

Шарнір виготовлявся на звичайних універсальних верстатах і міг використовуватися для передачі великого крутного моменту тому під час Другої світової війни їм оснащувалися багато французьких, англійських і американських повнопривідних автомобілів.

Для шарніра Tracta вперше було використано визначення «гомокінетичний» (від грецького homos - однаковий і kine - рухатися), яке й досі використовується для позначення шарнірів рівних кутових швидкостей. Сам шарнір сьогодні вже не застосовується.

Як і в Європі, в Америці теж намагалися вирішити проблему синхронного обертання, і 4 травня 1923 Карл Вайсс запатентував розроблений ним варіант такого шарніра.

Цей шарнір виготовлявся з 1934 року, але його масовий серійний випуск розпочався лише після Другої світової війни. До середини 80-х років минулого століття він застосовувався на автомобілях Mercedes-Benz.

У той час, як шарнір Вайсса допускав відхилення не більше ніж на 20° та застосовувався на автомобілях із заднім приводом, шарнір Tracta міг працювати вже під кутом до 50°.

У сучасному автомобілебудуванні шарнір Вайсса, не в останню чергу через свою велику питому масу, практично не застосовується.

Найпоширеніший нині ШРКШ заснований на патенті, який отримав інженер Ford Альфред Ганс Рцеппа у червні 1933 року.

Для досягнення сучасного технічного рівня знадобилося багато дослідницької роботи. Головну роль у цьому відіграли англійська фірма Hardy Spicer і заснована в 1948 німецька компанія з виробництва шарнірів Lóhr & Brómkamp.

На базі шарніра Рцеппа, який не допускав осьового зміщення, ці дві фірми розробили універсальний ШРКШ із можливістю поздовжнього переміщення деталей.

Системи приводу

Більшість легкових автомобілів, що випускаються сьогодні, оснащується приводними валами з шарнірами рівних кутових швидкостей.

При передньому приводі ведучими є передні колеса.

На приводних валах з боку колеса застосовуються жорсткі ШРКШ (без можливості поздовжнього переміщення деталей), а з боку коробки передач - універсальні (з можливістю поздовжнього переміщення). Передні колеса - керовані, тому кут повороту в шарнірі з боку колеса повинен досягати приблизно 50°.

Через поперечне розташування двигуна і пов'язану з цим асиметрію в моторному відсіку приводні вали можуть бути різної довжини.

При задньому приводі ведучими є задні колеса.

На приводних валах як з боку колеса, так і з боку головної передачі застосовуються універсальні ШРКШ, оскільки в цьому випадку шарнір - на відміну від переднього приводу - повинен компенсувати тільки зміну довжини валів через хід підвіски вгору-вниз.

При повному приводі ведучими є усі колеса.

Шарніри приводних валів застосовуються так само, як на описаних вище передньому і задньому приводах. Крутний момент від силового агрегату на задні або (при розташованому ззаду двигуні) на передні колеса передається за допомогою поздовжнього валу.

Загальні теоретичні засади

Окрім передачі зусилля завданням приводних валів є і рівномірна передача крутного моменту на ведучі колеса.

Кутова швидкість

Приводні вали лише з одним шарніром обертаються нерівномірно.

Якщо два вали з'єднати простим карданним шарніром під певним кутом β і обертати вал I з постійною кутовою швидкістю ω₁, то вал II буде обертатися з нерівномірною кутовою швидкістю ω₂.

Ця нерівномірність, часто звана похибкою карданного шарніра, виявляється у синусоїдальному коливанні кутової швидкості валу II, як показано на графіку циклу обертання 360°.

При 0°, 180° і 360° вилка шарніра на валу I розташована горизонтально і має меншу кутову швидкість, ніж у вертикальних положеннях 90° і 270°.

Таке прискорення та уповільнення хрестовини шарніра відповідно змінює і кутову швидкість валу II.

Оскільки вирішенню цієї проблеми сприяють кутове та паралельне зміщення валів (за рахунок конструктивно обумовленого розташування елементів трансмісії та достатньо еластичних опор), карданні вали автомобіля завжди оснащуються двома шарнірами. Це дозволяє компенсувати нерівномірність обертання валу.

Максимальний кут у шарнірі

Максимальний кут відхилення від горизонталі β показує, під яким кутом може працювати шарнір, відповідаючи вимогам щодо рівномірності передачі крутного моменту і довговічності. В автомобільній техніці максимальний кут у шарнірі може становити більше 50°.

Схеми розташування карданних валів

Неминуче виникаючу нерівномірність обертання можна компенсувати послідовним розміщенням двох шарнірів на одному валу.

При цьому розрізняють два варіанти їхнього розташування: Z-схема та W-схема.

Z-схема або Z-вигин являє собою найбільш поширений варіант застосування карданного валу. У цьому випадку вигин відбувається лише в одній площині.

Для абсолютно синхронного обертання ведучого і веденого валів, з'єднаних карданним валом, вилки шарнірів цього загального валу повинні бути в одній площині, а кути в шарнірах повинні бути однакові.

Ще одним способом уникнути небажаних коливань частоти обертання між валами І та ІІ є W-схема їх розташування.

І в цьому випадку кути в карданних шарнірах повинні бути однаковими, а їх вилки – знаходитися в одній площині.

Загальне правило для Z-схеми і W-схеми полягає в тому, що карданний вал і кінці ведучого і веденого валів, що ним з'єднуються, повинні лежати в одній вертикальній площині.

Щоб уникнути небажаних коливань частоти обертання валу під час використання W-схеми, кут бокового зміщення повинен бути мінімальним.