Изобретение и применение кардана

Карданный вал или первое применение похожего на карданное соединение произошло в Китае более 2000 лет назад. Китайцы изобрели то, что мы называем «подвеска», устройство, состоящее из ряда переплетенных колец, которое позволило свечу поместить в центр, чтобы она оставалась в вертикальном положении независимо от положения. Позднее подвески стали использоваться для удержания компаса горизонтально в мореплавании.

Первый карданный вал

В 1545 году итальянский математик Джероламо Кардано предположил, что подвеска может использоваться для передачи вращательного движения через угловое соединение, которое было превращено уже позднее в карданный вал. В то время карданный вал был применен в карете императора Священной Римской империи для ровной езды.
Через три столетия с появлением автомобилей карданный вал стали применять в автомобильной и машиностроительной отраслях.

С виду карданное соединение не кажется таким сложным. Однако оказывается, что любое изменение местоположения частей вала относительно друг друга изменяет ось вращения и это приводит к неизбежной перемене характеристик уравновешенности. Произойдет неминуемая разбалансировка кардана. Таким образом — видимость простоты и ремонтопригодности в малоприспособленных условиях, на практике, остается лишь видимостью. Поэтому неизбежен ремонт карданных валов в профессиональных условиях.

Универсальность карданного соединения состоит в возможности передавать силу через переменный угол, именно окончательный диск коробки передач соединяется во многих полноприводных транспортных средствах через карданный вал. Обычно карданное соединение валов состоит из трубчатых секций из нескольких частей. Двухсекционный механизм поддерживается в середине точки на резиновом подшипнике.

Вал должен быть крепким, чтобы противостоять вращательным движениям крутящего момента, устойчивым к потрясениям при кручении, не прогибаться под собственным весом. Если центр тяжести не совпадает с осью вала происходит вибрации.
Трубчатые секции вала используют потому что они имеют небольшой вес и обеспечивают большую устойчивость к рассогласованию.

Универсальность кардана

Маленькие автомобили и короткие фургоны и грузовики включают один карданный вал с шарниром скольжения на переднем конце. Автомобили с длинной колесной базой требуют больший по длине кардан, который может провисать и крутиться в определенных условиях эксплуатации. В результате резонансных вибраций кузов транспортного средства может вибрировать.

Так как кардан часто вращается с высокой скоростью он должен быть строго сбалансирован.

Карданы сложных дорожных транспортных средств достаточно длинные и в целом работают на высокой скорости, поэтому возможен резонанс на определенной критической скорости. Это производит изгиб напряжений в материале, который находится выше напряжения сдвига, вызванного крутящим моментом. В то время как критическая скорость увеличивается с уменьшением массы вала, увеличивает момент инерции сечения. Тенденция кружиться уменьшается, если сделать кардан трубчатым и идеально сбалансированным. Критическая скорость вала изменяется непосредственно как диаметр трубки и обратно как квадрат длины. Таким образом, диаметр выбирается побольше, чтобы держать критическую скорость, а длина короче.

Валы, свыше 1,5 м длины между крестовинами могут вызвать проблемы дисбаланса. Длина вала сводят к минимуму, используя крестовины для многосекционности. Именно крутящий момент от одного вала к другому когда их оси наклонены друг к другу на некоторый угол передается через крестовины. Труба вала обычно изготавливается из плоского листа толщиной 0,25 мм, биение и сбалансированность в пределах 0.00018 кг/м. Это держит центр массы почти по центру продольной оси минимальным. Выбирается так, что расчетная критическая скорость на 60 процентов выше, чем может достичь авто при максимальной мощности.