Крестовины карданного вала для грузовиков и спецтехники

Крестовины карданных валов относятся к одним из самых простых, надежных и долговечных элементов автомобиля. Но в то же время при выборе этой детали необходимо знать, какие материалы применены при изготовлении, соответствуют ли они условиям длительной и безаварийной эксплуатации, а также соответствуют ли геометрические размеры изделия требуемым. Самой важной частью крестовины является подшипник. Заклинивание подшипника крестовины может привести к серьезным последствиям — поломке редуктора заднего моста, обрыву вилки шарнира и вала. В результате обрыва кардана автомобиль может даже перевернуться.

Основные требования успешной работы на благо автомобиля

При проектировании конструкции той или иной крестовины разработчик берет за основу максимальный передаваемый крутящий момент с учетом максимального момента двигателя, передаточного числа редуктора заднего моста и КПП. Конструкция шарниров учитывает также грузоподъемность, массу машины, размеры колес и т. д. В теории ресурс использования крестовины может достигать 500 тыс. км и более. Но это в теории…

Современная крестовина, предназначенная для гибкого соединения двигателя с ведущим мостом, представляет собой две взаимно перпендикулярные оси, опирающиеся на игольчатые подшипники, устанавливаемые в вилки карданного вала. Крестовины ведущих производителей изготавливаются из высоколегированной стали, специальная термообработка обеспечивает высокую твердость шипов. Если твердость рабочих поверхностей шипов крестовины недостаточна, то вскоре происходит их бринеллирование, т. е. появление вмятин от игл подшипника. Следствием этого является нарушение относительной параллельности опорных поверхностей карданного шарнира (шип — игла — чашка), и он быстро выходит из строя. Возможно и полное разрушение крестовины вследствие такого дефекта, а это грозит созданием аварийной ситуации на дороге.

Важным фактором нормальной работы шарнира является применение смазочных материалов, имеющих высокие антифрикционные и водоотталкивающие свойства, не изменяющиеся в течение всего срока службы узла. В крестовинах ведущих производителей пополнение запаса смазки в процессе эксплуатации не предусматривается. Для накопления и лучшего распределения смазки в чашках имеются особые полости. Внутри чашек и на торцах креста сделаны прорези и насечки.

В отечественных конструкциях и у некоторых иностранных производителей предусмотрена возможность пополнения и частичной замены смазки в подшипниковых узлах при помощи установленной на крестовине специальной пресс-масленки.

Уплотнение игольчатых подшипников на каждой чашке обеспечивается двумя сальниками. Один из них расположен в чашке подшипника, второй надет на шип крестовины. Необходимо, чтобы сальники, изготовленные из полимерных материалов, отличались высокой герметичностью и выдерживали высокотемпературные нагрузки.

Телами качения в подшипниках крестовины являются ролики (иглы) длиной до 25 мм. Иглы диаметром 1,5—2,5 мм используются в крестовинах легкового транспорта, а диаметром 3,5—4 мм — в крестовинах грузовиков. От размеров игл, твердости и прочности шипов креста и чашек подшипников зависит величина передаваемого крестовиной крутящего момента. Для передачи максимально крутящего момента при малых оборотах используются ролики небольшого диаметра, это увеличивает площадь опорной поверхности и позволяет выдерживать значительные ударные нагрузки. В высокооборотистых крестовинах диаметр игл больше, они обеспечивают лучшее качение, не склонны к перегреву, но не рассчитаны на передачу большого крутящего момента.

Проявление бринеллирования, выкрашивания шипа крестовины во многом зависит от длины игл и формы их концов. Лидеры производства игольчатых подшипников после определенных исследований отказались от игл с коническими концами и перешли на иглы, у которых концы сферические или плоские. Это повысило нагрузочную способность подшипника за счет увеличения рабочей длины иглы, а также уменьшило силу трения на торцах игл, что, в свою очередь, практически исключает возможность их перекоса. Значительное влияние на долговечность карданных шарниров оказывает точность изготовления самих игл. Недопустима разноразмерность игл в одном подшипнике. Строго должна соблюдаться и величина суммарного межигольчатого зазора.

При множестве положительных уникальных свойств карданные передачи имеют ограничения в углах передачи крутящего момента. Оптимальные рабочие углы, при которых обеспечивается наиболее высокий коэффициент полезного действия (КПД), находятся в пределах от 0 до 20°, а в некоторых конструкциях вообще только до 12°. Если угол больше предельного, то значительно возрастает нагрузка на шарниры, в валах кардана при движении возникают опасные пульсирующие нагрузки, частично компенсирующиеся за счет упругости самих валов. В тех случаях, когда требуется работа со значительными отклонениями валов от общей оси, например в приводе ведущих и одновременно управляемых колес, применяют шарниры равных угловых скоростей, или ШРУСы. Основными их преимуществами перед карданным соединением являются снижение потерь энергии и меньший износ при малых углах поворота осей. В автомобилях применяется только один тип ШРУСов, так называемые шариковые ШРУСы, хотя существуют и другие конструкции ШРУСов, например сухарикового или двойного карданного типа. Первооткрывателем данного вида шарнирного соединения считается немецкий изобретатель Альфред Рцеппа, запатентовавший конструкцию сначала в 1927 году, а затем, усовершенствованную, в 1936 году. Но огромными недостатками ШРУСов являются крайняя чувствительность к загрязнению и постоянная потребность в смазке, которая снижает трение между валами и шариками. При загрязнении ШРУС очень быстро изнашивается и разрушается. Поэтому в комплект большинства ШРУСов входят пыльники, наличие которых является обязательным условием эффективной эксплуатации шарнира.

Из истории вопроса

День, который у нас ассоциируется с веселым весенним праздником, с 1904 года считается днем основания компании Spicer Universal Joint Manufacturing Company (Компания Спайсера по производству крестовин). Сейчас это американская компания Dana corporation, известная всему миру торговыми марками WIX, Raybestos, Spaicer, Clevite, Beck/Arnley. А 1 апреля 1904 года компания Кларенса Спейсера первой в мире начала серийно производить крестовины карданных валов. С годами совершенствовались технология обработки металлов, механика крепления фланцев и крестовин, появились сверхпрочные полимеры, другие композитные материалы. Но конструкция шарнира остается неизменной уже более 100 лет.

Вал с крестовыми шарнирами впервые был установлен Луисом Рено на автомобиль собственной конструкции в 1898 году. До этого передачу крутящего момента от двигателя к колесам пытались передать, используя и ременную, и цепную передачу, пробовали применить даже шатунный привод, как в локомотивах. Но Спайсер запатентовал свою конструкцию, дополнив соединение, установленное на Renault, шлицевым узлом. Это позволило решить проблему изменения линейных размеров вала передачи в процессе движения. Карданный вал Спайсера имел непревзойденные для своего времени характеристики.

Вообще же, в основе крестового шарнира лежит конструкция узла трения, применяемая до сих пор. Роберт Гук, гениальный английский изобретатель, сделавший за свою жизнь более 500 разносторонних открытий, предложил в 1644 году универсальный шарнир, так и называемый до сих пор — «шарнир Гука».

Название же свое карданный вал получил в честь очень талантливого итальянского ученого-энциклопедиста Джеронимо Кардано, жившего в конце ХVI века, которому приписывают изобретение оригинального крепления корабельного компаса, позволявшего при любом крене судна оставлять компас в горизонтальном положении.

Кто в мире главный по крестовинам?

Безусловным лидером отрасли является компания GKN (Guest, Keen and Nettlefolds). Эта одна из старейших фирм в Европе образовалась еще в 1902 году. Сегодня Группе GKN принадлежат 40 заводов, которые находятся в 30 странах мира и располагаются по признаку территориальной близости к производителям автомобилей. Ежегодно GKN производит 60 млн шарниров, а карданы, крестовины и ШРУСы GKN занимают 40% мирового рынка карданных валов. Крестовины и ШРУСы, выпускаемые концерном, известны на отечественном рынке под маркой Lobro. На европейском вторичном рынке запчастей концерн предлагает приводные валы, ШРУСы и другие автозапчасти под торговой маркой Spidan.

Научные программы GKN успешно решают злободневные проблемы карданных соединений. Так, с ноября 2009 года на все карданные валы GKN Walterscheid существенно увеличены интервалы технического обслуживания, в среднем на различные модели около 200 моточасов, а это существенное снижение затрат на техобслуживание. Достижение явилось следствием применения улучшенных крестовин, использования закаленных фасонных труб. Смазка, используемая в шарнирных соединениях Lobro, является пожизненной и в поддерживающем регламенте не нуждается.

Длительную работу без технического обслуживания, связанного с необходимостью повторной смазки шарнира, замены чашек или стопорных колец, гарантирует и еще один производитель — шведская компания SKF, крупнейший производитель подшипников в мире. У SKF 80 заводов в 22 странах мира. В компании работают 39000 человек. Совокупный годовой оборот всех подразделений компании составляет порядка 3,5 млрд американских долларов.

Компания GMB — также один из крупнейших производителей запчастей. Кроме головного офиса и заводов в Японии, фирма имеет представительства в Англии, Германии, заводы в США, Корее, Индии. Крестовины GMB отличает оптимальное соотношение цены и качества. Кроме автосборочных конвейеров и вторичного рынка, запчасти у GMB покупают японские Jtekt, Koyo Machine Industries, Kyowa Kogyo, K. S. Sanoyas Co., Yamada Manufacturing, Central Automotive, TMY Corporation, европейские GKN Group, Dana Group, Neapco, Weasler, Clark, Delphi и другие производители автокомплектующих. Компания Toyo Seiko Co., Ltd является крупнейшим в Японии производителем крестовин для рынка запчастей. Основанная в 1982 году, компания производит около 180 тысяч единиц продукции в месяц. Крестовины компании реализуются по всему миру. Наибольшие объемы продаж приходятся на Средний Восток, Австралию, Южную Америку, Южную Азию. Продукция Toyo продается на российском рынке уже не один год и за это время зарекомендовала себя как очень надежная и долговечная.

Завод по производству подшипников и карданных валов FKL Temerin, входящий в сербскую компанию FKL, хорошо знают в Европе, в Южной Америке, даже в Африке. Компания начала деятельность в 1961 году, и в течение 49 лет освоила широкий ассортимент продукции. Великолепного качества крестовины FKL успешно применяются на автотехнике Mercedes , Iveco, Volvo. Неплохо себя зарекомендовала на нашем рынке турецкая фирма Tirsan Kardan. Качество продукции высокое, цены приемлемые. В настоящее время крестовины массово используются «Группой ГАЗ» в новой ГАЗели-Бизнес.

А что же отечественный автопром?

С 1959 года Гродненский завод «Автозапчасть», а сейчас ОАО «Белкард», занимается выпуском карданных валов. Номенклатура охватывает практически весь отечественный парк грузовиков, тягачей, автобусов, поставляются карданные шарниры к изделиям Амкодора. Завод серийно выпускает свыше 600 различных карданных передач и валов. С 2000 года «Белкард» наладил выпуск карданных валов с противоизносными полимерными шайбами в подшипниках крестовин и полимерным покрытием втулки. При производстве всех крестовин применяется технология закалки шипов токами высокой частоты. Предприятие «УниверсалКарданДеталь» с 2005 года освоило выпуск всего модельного ряда крестовин от ВАЗа до БелАЗа г/п 55 т.

С 2006 года компания «Вилюй Инвест» изготавливает, получив сертификат качества, крестовины для грузовых автомобилей ЗИЛ, «Урал», КамАЗ, МАЗ, ГАЗ, ГАЗель, УАЗ. Каждое изделие комплектуется паспортом качества и данными испытательного центра завода в Челябинске. Кроме того, компания успешно поставляет крестовины карданного вала для импортной техники: TATRA, TATA, JCB, Iveco EuroCargo, Iveco, DAF, MAN, BAW FENIX, HOWO и другие.

ОАО «Аксакайкардандеталь» освоило с началом нового века производство крестовин, сертифицированных Госстандартом России. Модификаций пока немного, модельный ряд охватывает в основном сельскохозяйственные машины, а из грузового транспорта — КАМАЗ. С 2002 года работает завод «Прогресс» в Херсоне, на Украине. Производятся крестовины на ГАЗели, ГАЗ-53А, КамАЗы, КрАЗы, ЗИЛы.

Как видим, список производителей, выпускающих крестовины для грузового и спецтранспорта, невелик. Основная часть этих предприятий начала свою активную деятельность уже в ХХI веке. Будем надеяться, что только разразившийся кризис снизил темпы развития отечественного предпринимателя. Поживем — увидим.