Kardaninė pavara automobiliuose su vidaus degimo varikliais

Važiuodami automobiliu dažnai net nepagalvojame, kokie sudėtingi procesai vyksta variklio skyriuje ir transmisijoje. Variklyje degalai paverčiami mechanine jėga, kuri turi būti perduodama į ratus. Pirmoji detalė, skirta jėgos perdavimui, yra pavarų dėžė, o po to reduktorius. Nuo čia prasideda kardaninių velenų naudojimas.

Kardaninė pavara, dar žinoma kaip varantysis velenas, yra vienas svarbiausių automobilio jėgos pavaros komponentų. Jos užduotis - perduoti sukimo momentą iš variklio ir transmisijos į ratus, kad automobilis būtų varomas. Kardaninė pavara skirta perduoti sukamąjį judesį tam tikru kampu iš vieno mechanizmo į kitą. Šių mechanizmų tarpusavio padėtis gali keistis važiavimo metu.

Kas yra kardaninė pavara ir jos pagrindiniai komponentai?

Kardaninė pavara, dažnai vadinama tiesiog kardanu, yra mechaninė sistema, skirta perduoti sukimo momentą tarp variklio (arba pavarų dėžės/paskirstymo dėžės) ir varančiojo tilto (diferencialo), ypač kai šie mazgai nėra tiesiogiai sujungti vienoje ašyje arba kai tarp jų yra santykinis judėjimas, pavyzdžiui, dėl pakabos darbo.

Kardaninis velenas yra metalinė ašis, kurios galuose yra lanksčios jungtys. Jos reikalingos tam, kad sujungimo taškai galėtų tarpusavyje judėti, nepažeidžiant veleno ir netrikdant jo sukimosi.

Pagrindiniai kardaninės pavaros elementai automobilyje paprastai yra:

Kardaninis velenas (arba velenai)

Tai dažniausiai tuščiaviduris plieninis, aliumininis ar net kompozitinis (pvz., anglies pluošto) vamzdis, perduodantis pagrindinį sukimo momentą. Jo konstrukcija turi būti pakankamai tvirta, kad atlaikytų dideles sukimo apkrovas, ir pakankamai standi, kad neišlinktų veikiant išcentrinėms jėgoms esant dideliems sukimosi greičiams. Dažnai naudojami tuščiaviduriai velenai siekiant sumažinti svorį ir inerciją. Ilgesnėse sistemose (pvz., sunkvežimiuose ar ilgos bazės automobiliuose) gali būti naudojami keli sujungti velenai su tarpine atrama.

Kardaninės jungtys (šarnyrai)

Tai svarbiausi elementai, leidžiantys perduoti sukimo momentą kampu. Dažniausiai naudojamos:

• Kryžminės jungtys (Hooke'o jungtys): Tai klasikinis ir paprasčiausias tipas, sudarytas iš dviejų šakių, sujungtų kryžme su guoliais. Pagrindinis jų trūkumas - perduodamo sukimosi greičio netolygumas, kai kampas tarp velenų yra didesnis nei nulis. Siekiant kompensuoti šį netolygumą, sistemoje dažniausiai naudojamos dvi tokios jungtys.
• Dvigubos kardaninės jungtys: Tai iš esmės dvi kryžminės jungtys, sujungtos trumpu tarpiniu velenu. Ši konstrukcija leidžia kompensuoti greičio netolygumus vienoje jungtyje ir užtikrinti tolygesnį sukimo momento perdavimą esant didesniems kampams.
• Pastovaus kampinio greičio jungtys (CV jungtys): Nors dažniau siejamos su priekinių ratų pavara, tam tikrose kardaninių velenų konstrukcijose gali būti naudojamos ir CV jungtys, kurios užtikrina visiškai tolygų sukimosi greičio perdavimą nepriklausomai nuo kampo.

Išbėgęs tepalas iš lanksčių jungčių - jeigu šalia rato matote tepaluotą vietą, galimai jis išbėgo iš pusašio lanksčios jungties.

Slankioji mova

Kadangi atstumas tarp pavarų dėžės ir galinio tilto gali nežymiai kisti dėl pakabos darbo ar kėbulo deformacijų, kardaniniame velene dažnai integruojama slankioji mova (paprastai išdrožinė jungtis). Ji leidžia velenui šiek tiek pailgėti arba sutrumpėti, kompensuodama šiuos atstumo pokyčius.

Tarpinė atrama (pakabinamas guolis)

Kai kardaninis velenas yra ilgas ir sudarytas iš dviejų ar daugiau dalių, naudojama tarpinė atrama su guoliu. Ji prilaiko veleną viduryje, neleidžia jam pernelyg išlinkti ir sumažina vibracijų tikimybę, ypač važiuojant dideliu greičiu. Šis guolis paprastai montuojamas elastingame guminiame elemente, kad slopintų vibracijas.

Kaip kardaninė pavara veikia automobilio kontekste?

Kai automobilis juda, vyksta šie procesai: variklis sukuria sukimo momentą. Pavarų dėžė perduoda galią diferencialui. Diferencialas paskirsto galią varantiems ratams. Kardaniniai velenai perduoda galią iš diferencialo į ratus. Varančiojo veleno viduje esančios jungtys leidžia ratams suktis ir judėti aukštyn bei žemyn, užtikrinant sklandų važiavimą net ir nelygiu keliu.

Klasikinėje galiniais ratais varomo automobilio (RWD) schemoje variklis ir pavarų dėžė yra sumontuoti priekyje, o varantieji ratai - gale. Kardaninis velenas jungia pavarų dėžės išėjimo veleną su galinio tilto diferencialu. Kadangi galinis tiltas juda aukštyn ir žemyn kartu su pakaba, o pavarų dėžė yra standžiai pritvirtinta prie kėbulo ar rėmo, kampas tarp pavarų dėžės išėjimo veleno ir diferencialo įėjimo veleno nuolat kinta.

Visais ratais varomose transporto priemonėse (AWD/4WD) paprastai yra paskirstymo dėžė, kuri paskirsto sukimo momentą tarp priekinės ir galinės ašių. Tokiu atveju dažnai naudojami du kardaniniai velenai: vienas jungia paskirstymo dėžę su galiniu diferencialu, o kitas - su priekiniu diferencialu.

Svarbus aspektas yra kardaninio veleno balansavimas. Kadangi velenas sukasi labai dideliu greičiu, net menkiausias disbalansas gali sukelti stiprias vibracijas. Todėl kardaniniai velenai gamykloje yra kruopščiai balansuojami, panašiai kaip ratai, pridedant mažus svarelius.

Kitas kritinis parametras yra veleno kritinis greitis. Tai sukimosi greitis, kuriam esant veleno natūralusis svyravimo dažnis sutampa su sukimosi dažniu, sukeldamas rezonansą. Siekiant išvengti šio reiškinio, inžinieriai projektuoja velenus taip, kad jų kritinis greitis būtų gerokai didesnis už maksimalų galimą darbinį greitį.

Kardaninių velenų tipai, priklausomai nuo automobilio pavaros sistemos

1. Priekiniais ratais varomi automobiliai (FWD): Kiekvienas priekinis ratas turi savo varomąjį veleną.
2. Galiniais ratais varomi automobiliai (RWD): Naudoja ilgą centrinį kardaninį veleną, kuris jungia transmisiją su galiniu diferencialu.
3. Keturiais ratais varomi automobiliai (AWD / 4x4): Naudoja ir centrinį varomąjį veleną, ir keturis mažesnius varomuosius velenus ratams.

Kardaninės pavaros privalumai

Nors automobilių technologijos nuolat tobulėja, kardaninė pavara išlieka populiari dėl tam tikrų privalumų:

• Gebėjimas perduoti didelį sukimo momentą: Kardaninės pavaros yra labai tvirtos ir gali patikimai perduoti didžiulį sukimo momentą, ypač galinguose automobiliuose, visureigiuose ir komerciniame transporte.
• Patikimumas ir ilgaamžiškumas: Tinkamai suprojektuota, pagaminta ir prižiūrima kardaninė pavara yra gana patikimas mazgas.
• Santykinai aukštas mechaninis efektyvumas: Tiesiogiai perduodant sukimo momentą per veleną, mechaniniai nuostoliai yra palyginti nedideli.
• Galimybė realizuoti klasikinę komponuotę (RWD): Kardaninė pavara yra būtina norint įgyvendinti klasikinę automobilio komponuotę su varikliu priekyje ir varančiaisiais galiniais ratais, kas pagerina valdymo savybes.
• Remonto galimybės: Daugelyje klasikinių konstrukcijų susidėvėjusias kryžmes ar tarpinės atramos guolius galima pakeisti atskirai.

Kardaninės pavaros trūkumai

Nepaisant privalumų, kardaninė pavara turi ir reikšmingų trūkumų:

• Svoris ir dydis: Kardaninis velenas, jungtys ir diferencialas sudaro nemažą papildomą masę, kuri neigiamai veikia degalų sąnaudas ir efektyvumą. Be to, reikalinga erdvė po automobilio dugnu, kas mažina vietą salone.
• Vibracijos ir triukšmas: Vibracijas gali sukelti netolygus sukimosi greitis kryžminėse jungtyse, veleno disbalansas, susidėvėję guoliai ar netinkami darbiniai kampai.
• Efektyvumo nuostoliai: Trintis jungčių guoliuose paverčia dalį energijos šiluma, o ilgesnė galios perdavimo grandinė RWD/AWD automobiliuose sukelia daugiau energijos nuostolių.
• Sudėtingesnė konstrukcija ir surinkimas: Visa sistema reikalauja daugiau komponentų ir sudėtingesnio surinkimo.
• Priežiūros poreikis: Nors modernios pavaros dažnai reklamuojamos kaip nereikalaujančios priežiūros, realybėje jungtys ir guoliai vis tiek dėvisi.
• Pažeidžiamumas: Kadangi kardaninis velenas yra po automobilio dugnu, jis yra labiau pažeidžiamas važiuojant blogais keliais ar bekele.

Dažniausi kardaninio veleno gedimai ir simptomai

Nors kardaninis velenas iš pirmo žvilgsnio atrodo paprasta detalė, tiek pakabinamas guolis, tiek lanksčios jungtys bei kryžmės laikui bėgant susidėvi ir skleidžia ženklus, kad laikas remontui. Žinant, kokia yra kardaninio veleno paskirtis, pasidaro aišku, kodėl šios detalės gedimai yra tokie dažni ir reikšmingi.

Dažniausi kardaninių veleno elementų gedimai ir jų simptomai:

• Vibracija: Dažniausiai pasitaikanti problema su pagrindiniais kardaniniais velenais yra vibracija, kuri ypatingai jaučiama įsibėgėjant, ypač važiuojant dideliu greičiu. Tai gali reikšti pavaros veleno disbalansą arba pažeidimą.
• Spragsėjimas arba traškėjimas sukant: Dažnai rodo išorinio CV jungties susidėvėjimą.
• Išbėgęs tepalas iš lanksčių jungčių: Jeigu šalia rato matote tepaluotą vietą, tai gali būti plyšusi guma, dengianti jungtį, ir tepalo nuotėkis. Jungtis greitai susidėvės.
• Trūkčiojimai automobilio galios perdavimo sistemoje: CV sąnario lūžio arba vidinės sąnario problemos požymis.
• Metalinis triukšmas greitėjant: Gali rodyti atsilaisvinusius ar sulaužytus sąnarius. Jei girdite neįprastą barškėjimą, bildėjimą ar spargsėjimą garsų greitėjant bei lėtėjant, tai gali reikšti, kad kryžminė jungtis susidėvėjusi.

Kardaninio veleno priežiūra ir remontas

Varančiųjų velenų remontas gali būti brangus ir sudėtingas. Paprastesnės užduotys, pavyzdžiui, kardano šarnyrinės jungties pakeitimas, yra palyginti nebrangūs. Tačiau jei pats kardaninis velenas yra smarkiai pažeistas arba išbalansuotas, jį gali tekti keisti visą, o tai kainuoja brangiau ir reikalauja daugiau laiko. Remonto sudėtingumas priklauso nuo konkrečios problemos.

Kiekvienos techninės priežiūros metu patikrinkite guminius dangtelius, nes jie daro didžiausią įtaką kardaninio veleno tarnavimo laikui. Nevairuokite su sulūžusiu CV šarnyru, nes jis greitai susidėvės. Jei jungtis skleidžia triukšmą, ją paprastai reikia pakeisti. Jei pats velenas yra sulenktas, jį reikia pakeisti.

Kardaninį veleną galima pakeisti: iš dalies (tik išorinis arba vidinis sąnarys) arba kaip visumą (naujas arba atnaujintas kardaninis velenas). Daugelis automobilių gamintojų, tokių kaip BMW, „Mercedes“, „Audi“, rekomenduoja keisti visą kardaninį veleną, o ne jungtį, kad būtų užtikrintas balansas ir patikimumas.

Įlinkęs kardaninis velenas tiesinamas stende. Jo mušimas negali būti didesnis, negu leistinas pagal technines sąlygas. Nudilę išoriniai šlicai remontuojami aplydant ir vėliau mechaniškai apdirbant arba šlicinis antgalis pakeičiamas nauju. Nudilus tarpinio kardaninio veleno įvorės šliciniams grioveliams ir iškišoms, įvorė pakeičiama nauja. Norint pašalinti dalį su defektais, suvirinimo siūlė nupjaunama tekinimo staklėmis. Privirinus naują šlicinę įvorę, tikrinamas kardaninio veleno mušimas ir, jei reikia, tiesinama.

Kardaninių šarnyrų kryžmių pagrindiniai defektai yra: nudilę pirštai, išdilę arba apgadinti sriegiai skylėse, skirtose tepalinei ir apsauginiam vožtuvui. Kardaninio veleno šakutės su nudilusiu šliciniu antgaliu remontuojama, aplydant mechanizuotais būdais, vėliau mechaniškai apdirbant iki nominalinių matmenų.

Specifiniai aspektai ir technologinės variacijos

• Medžiagos: Dauguma kardaninių velenų gaminami iš plieno, tačiau siekiant sumažinti svorį ir padidinti kritinį greitį, naudojamas ir aliuminis bei anglies pluoštas (labai lengvas, tvirtas ir gerai slopinantis vibracijas, bet brangus).
• Dviejų dalių velenai: Siekiant išvengti kritinio greičio problemų ilgiems velenams, jie dažnai gaminami iš dviejų trumpesnių dalių, sujungtų slankiojančia mova ir prilaikomų tarpine atrama.
• Sukimo momento slopintuvai: Kartais į kardaninę pavarą integruojami specialūs guminiai ar elastomeriniai elementai, kurie slopina sukimo momento pulsacijas, kylančias iš variklio ar transmisijos.
• Torque Tube (Sukimo momento vamzdis): Tai alternatyvi konstrukcija, kur kardaninis velenas sukasi standžiame vamzdyje, jungiančiame pavarų dėžę su galiniu tiltu. Šis vamzdis ne tik apsaugo veleną, bet ir perima reaktyvines jėgas, kylančias perduodant sukimo momentą.

Kardaninės pavaros vieta šiandien ir ateityje

Šiuolaikinėje automobilių pramonėje, ypač lengvųjų automobilių segmente, dominuoja priekinių ratų pavara (FWD) dėl savo kompaktiškumo, mažesnio svorio, geresnio erdvės išnaudojimo salone ir mažesnių gamybos kaštų. Daugumoje mažų, vidutinių ir net dalies didesnių automobilių kardaninės pavaros nebenaudojamos.

Tačiau kardaninė pavara išlieka aktuali ir plačiai naudojama:

• Komerciniame transporte: Sunkvežimiuose, autobusuose, pikapuose, kur reikalingas didelis patikimumas, galimybė perduoti didelį sukimo momentą ir dažnai naudojama galinių ratų arba visų ratų pavara.
• Visureigiuose (SUV): Ypač rėminės konstrukcijos arba didesnio pravažumo modeliuose, kur reikalinga tvirta ir patikima AWD/4WD sistema.
• Galinguose ir sportiškuose automobiliuose: Daugelyje aukštos klasės sedanų, kupė ir sportinių automobilių.

Žinomų automobilių markių ir kardaninio veleno ypatybės

• BMW: Stiprūs centriniai kardaniniai velenai, dažna problema - laisvumas tarp jungčių.
• Audi Quattro: Keli kardaniniai velenai; reikalingi ypač aukštos kokybės CV šarnyrai.
• Volkswagen ir Skoda: Priekinių ratų pavaros modeliuose dažnai susidėvi išoriniai CV šarnyrai.
• Mercedes-Benz RWD: Ilgi aliuminio centriniai kardaniniai velenai su labai patvariomis universaliomis jungtimis.

K. Spaiserio indėlis į kardaninės pavaros tobulinimą

K. Spaiseris, gimęs 1874 metais, išgarsėjo savo indėliu į automobilių inžineriją. Studijų metu Kornelio universitete jis susipažino su pirmųjų, dar netobulų, automobilių konstrukcija ir nusprendė ją tobulinti. Ypač prastai jis įvertino tuo metu įprastą grandininę galinių varančiųjų ratų pavarą, kuri buvo purvina, išsitampanti ir reikalavo nuolatinio tepimo.

Kardaninė pavara, pirmą kartą panaudota Luji Reno automobilyje 1898 metais, irgi buvo netobula. Joje naudojamą šarnyrą XVI amžiuje išrado italas Džeromas Kardanas, o praktiškai pritaikė po poros šimtų metų anglas Robertas Hukas. Tačiau savo tuometiniame pavidale ir Huko šarnyras netiko naudoti automobiliuose - jis buvo atviras, todėl lengvai užsiteršdavo, jo detalių vidinė trintis buvo pernelyg didelė, ir šarnyras buvo neilgaamžis.

K. Spaiseris, susidomėjęs šio šarnyro galimybėmis, ryžosi jį patobulinti ir pritaikyti vis labiau plintančiuose automobiliuose. 1902 metais K. Spaiseris užpatentuoja savo pirmąjį universalų šarnyrą su hermetizuotu tepalu užpildytu korpusu. 1905 metų gegužės 25 dieną jis įkuria „Spicer universal joint manufacturing company“, kur pradeda savo konstrukcijos šarnyrų ir kardaninių velenų automobilių transmisijoms gamybą. Jo šarnyrai su rutulio formos uždarais korpusais nebijo purvo ir dulkių, lengvai išardomi ir aptarnaujami.

Vėliau K. Spaiseris išsprendžia ir patikimo šarnyrų sandarinimo nuo drėgmės problemą, o kardaniniai velenai pradedami gaminti iš dviejų dalių su šliciniu teleskopiniu sujungimu. Vienas po kito „gimsta“ nauji šarnyrų tipai - dvigubi, galintys pasisukti net 45 laipsnių kampu, su slydimo ir su adatiniais guoliais ir dar kitokie universalūs šarnyrai. Jie dirba tyliai, tarnauja 4-5 kartus ilgiau ir yra itin patikimi.

Per savo, kaip konstruktoriaus, veiklos periodą, trukusį beveik pusę amžiaus, jis oficialiai užregistravo ir gavo patentus daugiau kaip 40 išradimų, kurie turėjo daug įtakos tobulinant automobilio transmisijos, stabdžių sistemos, važiuoklės elementus ir charakteristikas. 1946 metais mirusiojo kompanjonas Č. Dana pavadino koncerną „Dana Corporation“, tačiau korporacijos įmonėse gaminami automobilių komponentai iki šiol žymimi registruotu „Spicer“ ženklu.

tags: #kuriuose #automobiliuose #su #vidus #degimo #varikliais