Задвижващ вал: дефиниция, видове и приложение (карданен вал)

Задвижващ вал (кардан): дефиниция, видове, конструкция и приложения в автомобили и машини — практическо ръководство за ефективен пренос на въртящ момент.

Задвижващият вал, задвижващият вал, задвижващият вал, валът на витлото или валът на Кардан е част от машината, която отвежда енергията от двигателя или двигателя до място, където може да се извърши полезна работа.

Повечето двигатели или мотори създават мощност като въртящ момент, като карат нещо да се върти. Това може да стане от двигател с вътрешно горене (като в автомобила), вода, задвижваща водно колело, или газ или вода, преминаващи през турбина. Тази въртяща се мощност се нарича въртящ момент. Товарът, който се върти, създава напрежение на усукване и срязване. Задвижващите валове трябва да са достатъчно здрави, за да поемат това напрежение. Лекият задвижващ вал ще пренася по-ефективно мощността към товара, така че трябва да има баланс между здравина и тегло.

Какво представлява задвижващият вал?

Задвижващият вал е механичен елемент, предназначен да предава въртящ момент и мощност между две точки, които могат да бъдат на разстояние или да имат относително произволно разположение. При автомобилите често това е карданен вал, който свързва скоростната кутия с диференциала; при кораби това е валът на витлото, който предава въртенето към витлото; в индустрията — вал, който задвижва помпи, компресори или работни машини.

Видове задвижващи валове

• Твърд или цилиндричен вал — прост солиден вал, обикновено използван при фиксирано подравняване и кратки разстояния.
• Празен (hollow) вал — по-лек при същата якост, използван за намаляване на масата и инерцията.
• Телескопичен/слип-вал — позволява осово удължаване и свиване, използва се при подвижни връзки (напр. задвижване между подвижни рамена).
• Вал със шлици (splined shaft) — предава въртящ момент чрез шлици, позволява осово приплъзване без загуба на въртене.
• Карданен вал (с универсални шарнири) — за предаване на въртене при ъглова некоаксиалност; често комбиниран с U- или CV-шарнири.
• Вал с постоянно-скоростни съединения (CV-joints) — осигуряват равномерно въртене при променлив ъгъл и употреба в предни и задвижващи оси.
• Специални материали — въглеродни влакна и сплави за високо-ефективни приложения, където важат теглото и намалена инерция.

Конструкция, материали и важни характеристики

Материалите са най-често стомана или легирана стомана (напр. 30CrMo, 4140), а за леки приложения се използват алуминиеви сплави или композитни материали (въглеродни влакна). Основни конструктивни параметри:

• Диаметър и дебелина — определят якостта при усукване и устойчивостта на огъване.
• Баланс — динамичното уравновесяване е критично за избягване на вибрации и преждевременно износване при високи скорости.
• Критична скорост — честотата/оборотите при които валът резонира; дизайна трябва да държи работните обороти под критичната скорост или да подсигури достатъчно твърдост.
• Шарнири и съединения — U-образни универсални шарнири, CV-та, фланци и шлицовите връзки осигуряват гъвкавост и надеждност.
• Лубрикация и уплътнения — шарнирите и шлицовете изискват смазване и периодична поддръжка за дълъг живот.

Приложения

• Автомобилна индустрия — карданни валове, задвижващи валове между трансмисия и диференциал, полуоски и CV-осигуряващи системи за предно и задвижващо колело.
• Морска техника — вал на витлото, предаващ въртенето от двигателя към витлото през уплътнения и лагери.
• Индустриални машини — задвижване на помпи, редуктори, конвейери и въртящи се работни органи.
• Селскостопанска техника — PTO (power take-off) валове, които пренасят мощност към прикачен инвентар.
• Турбини и генератори — тръбни валове и връзки за предаване на въртящ момент между ротора и генератора или помпите.

Проектиране и експлоатация

При проектирането се оценяват максимален въртящ момент, обороти, дължина и работни температури. Важни мерки за надеждност:

• правилно балансиране преди монтаж;
• избор на подходящи шарнири за ъглови измествания (U-joint за малки/редки ъгли, CV за постоянна скорост при по-големи ъгли);
• редовна смазка и инспекция за луфтове, корозия и пукнатини;
• защитни кожуси или ограждения при валове на работни места за предотвратяване на наранявания.

Поддръжка и безопасност

Редовната проверка включва наблюдение за вибрации, нехарактерен шум, изтичане на смазка и люфт в съчлените. Повреден вал може да причини сериозни щети или аварии; при установяване на деформации или пукнатини валът трябва да бъде ремонтиран или заменен. При работа с открити въртящи се валове винаги използвайте защитни ограждения и следвайте указанията за безопасност.

В заключение, задвижващите валове са критични елементи в преноса на механична енергия. Добре проектираният и поддържан вал осигурява ефективно и безопасно предаване на мощността при много различни приложения — от автомобили до индустриални инсталации и морски плавателни съдове.

Автомобили

Повечето автомобили днес използват задвижващи валове, за да предават мощността от двигателя към колелата. Повечето автомобили, произвеждани днес, са с предно предаване (предните колела имат силата да движат автомобила). В този случай задвижващите валове се намират между полуоската и всяко от предните колела.

При автомобилите със задвижване на задните колела между диференциала и всяко задно колело има задвижващи валове. Освен това има и задвижващ вал, който минава по цялата дължина на автомобила, от трансмисията отпред до диференциала отзад - на британски английски това не се нарича задвижващ вал, а пропелерен вал или пропелерен вал, а задвижващите валове могат да се наричат полувалове (тъй като са два, които правят една ос).

В автомобилите се използват различни видове задвижващи валове:

• 1 брой задвижващ вал
• Задвижващ вал от 2 части
• Плъзгане в задвижващия вал на тръбата

Плъзгащият се в тръбата задвижващ вал е нов тип, който помага за абсорбиране на енергията при катастрофа, като предпазва хората в автомобила или камиона. Той е известен също като сгъваем задвижващ вал.

Двоен вал на витлото на камион

Задвижващи валове за мотоциклети

Задвижващите валове се използват в мотоциклетите почти откакто има мотоциклети. Много мотоциклети използват по-просто задвижване с верига или ремък, но задвижващите валове се нуждаят от по-малко грижи и имат дълъг живот. Проблемът при използването на задвижващи валове при мотоциклетите е, че за да се обърне мощността на 90° от вала към задното колело, е необходима предавка, като при това се губи част от мощността.

FN (Fabrique Nationale), Белгия, 1913 г., четири цилиндъра и задвижване на вала

Трактори

При селскостопанските трактори се използва вид задвижващ вал, наречен вал за отвеждане на мощност или карданен вал. Това е вал, който излиза от задната част на трактора. Той може да бъде свързан към всяко селскостопанско оборудване, което се нуждае от захранване от двигателя на трактора, като например преса за сено или резачка за царевица. Това позволява тракторът да се използва за много различни цели, а селскостопанското оборудване не се нуждае от собствен двигател, което спестява пари.

Стар трактор John Deere с карданен вал под защитен капак

Задвижващи валове при велосипеди

Задвижващият вал може да се използва и във велосипед вместо верижно задвижване. Те са използвани през миналия век, въпреки че така и не стават много популярни. Когато се използва във велосипед, задвижващият вал има няколко предимства и недостатъци:

Предимства

• По-малко вероятно е задвижващата система да се заклещи или счупи - често срещан проблем при велосипедите с верижно задвижване.
• Не се замърсява ездачът и няма "захапване на веригата" за дрехите.
• По-малко внимание е необходимо, отколкото при верижна система, когато задвижващият вал е затворен в тръба, което е общоприетото схващане.
• По-постоянна работа. Dynamic Bicycles твърди, че велосипед със задвижващ вал постоянно осигурява 94% ефективност, докато велосипед с верижно задвижване може да осигури 75-97% ефективност в зависимост от състоянието.
• По-голямо пространство над земята (клиренс) за преодоляване на неравности или препятствия по пътя
• За компаниите за отдаване на велосипеди под наем вероятността да бъде откраднат велосипед със задвижващ вал е по-малка, тъй като той очевидно изглежда различно. Този тип велосипеди се използват в няколко големи града в Европа, където има мащабни проекти за отдаване на велосипеди под наем или споделяне.

Недостатъци

• Системата със задвижващ вал тежи повече от верижната система, обикновено с 1-2 килограма повече.
• В най-доброто си състояние веригата осигурява по-голяма ефективност
• Покриването на веригата и зъбните колела с метален или пластмасов капак решава някои проблеми с веригите.
• Използването на леки зъбни колела с голям брой предавки е невъзможно, въпреки че могат да се използват главини.
• Свалянето на колелото може да е трудно за изпълнение

 

Велосипед със задвижване от вал.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява задвижващият вал?

В: Как се създава мощността в двигателите или моторите?

В: Какви са някои примери за източници на въртяща се мощност?

В: Какво е напрежение на усукване и на срязване?

В: Защо задвижващите валове трябва да са здрави?

В: Какъв е балансът, който трябва да се постигне при проектирането на задвижващите валове?

Въпрос: Как лекият задвижващ вал влияе върху ефективността на предаване на мощността?

Търсене по буква