U-Joints چیست؟ عملکرد، انواع و جایگزینی

مفاصل U که مخفف اتصالات یونیورسال است، کوپلینگ های مکانیکی هستند که دو شفت دوار را در یک زاویه به هم متصل می کنند و اجازه می دهند گشتاور به آرامی حتی زمانی که محورها کاملاً تراز نیستند منتقل شود. در اکثر خودروهای دیفرانسیل عقب و چهار چرخ متحرک، اتصالات u پیوند حیاتی بین گیربکس، میل محرک و محور عقب هستند - آنها به طور همزمان خم می شوند و می چرخند تا حرکت تعلیق، تغییرات بار خودرو و زوایای خط محرک را تطبیق دهند. بدون اتصالات u عملکرد، گشتاور موتور نمی تواند به چرخ ها برسد. فرسوده شدن یا شکستگی U-joint فقط یک ناراحتی نیست. در سرعت های بزرگراه، خرابی فاجعه بار اتصال U می تواند باعث سقوط میل محرک به جاده یا ضربه زدن به کف شود و خطر ایمنی جدی ایجاد کند.

نحوه کار U-Joints: مکانیک توضیح داده شده است

یک اتصال جهانی یک مشکل اساسی مهندسی را حل می کند: چگونه می توان قدرت چرخشی را بین دو شفت که در یک زاویه به هم می رسند انتقال داد - و جایی که این زاویه به طور مداوم با حرکت وسیله نقلیه تغییر می کند؟ یک اتصال سفت و سخت متصل می شود و می شکند. یک کوپلینگ انعطاف پذیر که به سادگی خم می شود، گشتاور خود را از دست می دهد. U-joint هر دو را انجام می دهد: همزمان خم می شود و می چرخد.

اجزای یک U-Joint استاندارد

یک U-joint معمولی خودرو - از لحاظ فنی یک اتصال Cardan، که به نام ریاضیدان ایتالیایی قرن شانزدهم جرولامو کاردانو که هندسه آن را توصیف کرد، نامگذاری شده است - از چهار جزء اصلی تشکیل شده است:

• صلیب (یا عنکبوت): یک صلیب فولادی چهار بازو که نقطه محوری اتصال را تشکیل می دهد. هر بازو با دقت آسیاب شده و برای مقاومت در برابر فشار پیچشی مداوم سخت شده است.
• لیوان های بلبرینگ (درپوش های ترونیون): چهار محفظه فنجانی - یکی در هر بازوی صلیب - پر شده با بلبرینگ های سوزنی. آنها به هر بازو اجازه می دهند آزادانه در داخل یوغ بچرخند.
• بلبرینگ سوزنی: رولبرینگ های استوانه ای کوچک در داخل هر فنجان که اصطکاک را کاهش می دهد و بار را در سطح یاتاقان توزیع می کند.
• یوغ: کانکتورهای دوشاخه ای که از هر طرف به میل محرک متصل می شوند. فنجان های بلبرینگ به گوش های یوغ فشار می آورند و مونتاژ را کامل می کنند. دو یوغ با فاصله 90 درجه روی صلیب قرار گرفته اند.

مشکل نوسان سرعت و نحوه حل آن

یک مفصل Cardan U یک محدودیت ذاتی دارد: این یک تغییر چرخه ای سرعت در شفت خروجی در زوایای بالاتر از 3-5 درجه معرفی می کند . همانطور که اتصال در طول یک دور کامل می چرخد، شفت خروجی دو بار در هر دور شتاب و کاهش می یابد - پدیده ای به نام نوسان سرعت یا خطای سرعت زاویه ای. در زاویه عملکرد 10 درجه، این باعث ایجاد لرزش قابل توجهی می شود. در 20 درجه یا بیشتر، شدید می شود.

راه حل مهندسی این است که از دو اتصال U در یک میل محرک استفاده کنید، با یوک ها به صورت مرحله ای (موقعیت) به طوری که نوسانات سرعت اتصال اول خنثی شود. به همین دلیل است که تقریباً تمام میل‌های محرک خودرو در هر انتها یک اتصال U دارند نه فقط یک. زوایای عملکرد هر دو اتصال باید تقریباً 1 درجه از یکدیگر باشد تا لغو مؤثر باشد - یک عامل مهم در هنگام نصب میل درایو یا اصلاح سیستم تعلیق.

جایی که U-Joint ها در یک وسیله نقلیه قرار دارند

اتصالات U در چندین مکان در سرتاسر پیشرانه و سیستم فرمان، بسته به پیکربندی درایو خودرو، ظاهر می‌شوند. درک مکان آنها به مشخص کردن منبع علائم در هنگام بروز مشکلات کمک می کند.

خودروهای دیفرانسیل جلو معمولاً از اتصالات U سنتی در میل محرک استفاده نمی کنند - آنها به جای آن از اتصالات CV (سرعت ثابت) استفاده می کنند که زوایای عملکرد بالاتر را بدون نوسان سرعت کنترل می کنند. با این حال، بسیاری از خودروهای FWD هنوز از اتصالات U کوچک در میل فرمان استفاده می کنند.

انواع U-Joints: همه یکسان ایجاد نمی شوند

چندین طرح متمایز U-joint وجود دارد که هر کدام برای زوایای عملیاتی مختلف، بارهای گشتاور و الزامات کاربردی بهینه شده اند. دانستن تفاوت ها هنگام تعویض یا ارتقاء اجزای خط درایو کمک می کند.

کاردان (صلیب و بلبرینگ) U-Joint

رایج ترین نوع U-joint در کاربردهای خودرو. ساده، ارزان، و در طیف وسیعی از اندازه ها موجود است. اتصالات استاندارد Cardan خودرو در زوایای حدود 15 تا 18 درجه به طور موثر عمل می کنند. ، اگرچه بهترین کار این است که برای عمر طولانی و عملکرد روان، زاویه عملکرد میل محرک را زیر 3 تا 6 درجه نگه دارید. آنها نیاز به روغن کاری دوره ای دارند (نسخه های قابل روغن کاری) یا واحدهای آب بندی شده برای مادام العمر هستند.

دو کاردان (CV) U-Joint

یک اتصال کاردان دوگانه شامل دو اتصال کاردان استاندارد است که توسط یک سوکت و مجموعه توپ وسط به هم متصل می شوند. این طراحی خروجی سرعت ثابت واقعی را تولید می کند - با حذف نوسان سرعت ذاتی در یک اتصال کاردان - در زوایای 35 تا 40 درجه. اتصالات دابل کاردان به صورت استاندارد در میل محرک جلوی بسیاری از کامیون‌ها و شاسی‌بلندهای 4WD وجود دارد از جمله فورد F-150، Ram 1500 و Toyota 4Runner که زوایای عملکرد اکسل جلو به دلیل حرکت فرمان و تعلیق زیاد است.

Rzeppa CV Joint

Rzeppa از نظر فنی یک اتصال با سرعت ثابت به جای U-joint سنتی، اتصال استاندارد در محورهای محور چرخ‌های جلو و خودروهای تعلیق عقب مستقل است. از شش توپ فولادی در یک قفس برای انتقال گشتاور در زوایای تا 47 درجه بدون نوسان سرعت استفاده می کند. در حالی که در استفاده رایج U-joint نامیده نمی شود، همان نقش را در پیشرانه های FWD و IRS ایفا می کند.

U-Joints به سبک اسپایسر و غیر روغنی (در بسته).

در دسته کاردان، اتصالات u بر اساس طراحی روانکاری بیشتر تقسیم می شوند. اتصالات U قابل روغن کاری (با اتصالات zerk) در صورت سرویس مناسب به میزان قابل توجهی دوام بیشتری دارند. - معمولاً هر 5000 تا 10000 مایل یا در هر تعویض روغن. اتصالات u مهر و موم شده (غیرقابل چربی) از قبل با گریس بسته بندی شده اند و تا زمانی که فرسوده نشوند نیازی به تعمیر و نگهداری ندارند، معمولاً در 50000 تا 100000 مایل در شرایط عادی.

علائم هشدار دهنده از کار افتادن مفصل U

مفاصل U به تدریج فرسوده می شوند، اما علائم نارسایی آنها معمولاً پس از شروع آنها غیر قابل کتمان است. گرفتن زودهنگام آنها از آسیب های گران تر به خط محرکه جلوگیری می کند و از خطر ایمنی ناشی از خرابی ناگهانی میل درایو جلوگیری می کند.

شایع ترین علائم

• صدای تق تق یا صدای تق تق در هنگام تعویض دنده یا تغییر جهت: یکی از اولین و قابل اعتمادترین شاخص ها. وقتی بار درایو معکوس می‌شود، شلی در مفصل فرسوده ایجاد می‌شود - مشخصه زمانی که از یک درایو به عقب می‌روید، یا هنگام شتاب گرفتن از یک توقف.
• لرزشی که با سرعت خودرو افزایش می یابد: فرسوده شدن اتصال U باعث می شود که میل محرک از تعادل خارج شود. ارتعاش معمولاً در حدود 45-55 مایل در ساعت شروع می شود و بالاتر از 60 مایل در ساعت تشدید می شود. ممکن است مانند صدای غرش از روی زمین، صندلی یا شیفتر احساس شود.
• صدای جیر جیر در سرعت های پایین: یاتاقان های سوزنی خشک - ناشی از یک اتصال روغنی نادیده گرفته شده یا یک مهر و موم شکست خورده در یک واحد مهر و موم شده - صدای جیر ریتمیکی را ایجاد می کنند که با سرعت خودرو مطابقت دارد. این آخرین هشدار مفصل قبل از نارسایی فیزیکی است.
• زنگ زدگی یا حرکت قابل مشاهده در مفصل: بازرسی فیزیکی که لکه‌زدگی در اطراف فنجان‌های بلبرینگ را نشان می‌دهد، یا هرگونه بازی جانبی در هنگام تکان دادن میل محرک با دست، نشان‌دهنده یک اتصال U است که نیاز به تعویض فوری دارد.
• نشت مایع گیربکس در مهر و موم عقب: یک اتصال U به شدت فرسوده می تواند باعث شود که میل درایو به قدری لرزش شدیدی داشته باشد که به مهر و موم شفت خروجی گیربکس آسیب برساند و منجر به نشت مایع مستقل از خود مفصل شود.

چگونه یک U-Joint را با دست آزمایش کنیم

1. در حالی که وسیله نقلیه به طور ایمن روی پایه جک بلند شده است و گیربکس در حالت خنثی است، میل محرک را در نزدیکی هر یک از U-joint ها به زیر فشار دهید و آن را بگیرید.
2. سعی کنید میل محرک را بچرخانید در حالی که شفت مجاور را ثابت نگه داشته اید. هر گونه بازی چرخشی (لوک یا شلی) که در مفصل احساس شود نشان دهنده فرسودگی بلبرینگ سوزنی و یک مفصل U است که نیاز به تعویض دارد.
3. به صورت بصری از نظر لکه زنگ (تغییر رنگ نارنجی یا قرمز در اطراف لبه های فنجان یاتاقان) بررسی کنید که نشان دهنده خرابی مهر و موم و از بین رفتن روغن کاری است.
4. هر گونه حرکت پهلو به پهلو را در ضربدر بررسی کنید - این نشان می دهد که فنجان های یاتاقان در یغ شل شده اند، نشانه ای از سایش پیشرفته که نیاز به توجه فوری دارد.

جایگزینی U-Joint: هزینه، سختی و زمان انجام کار

تعویض اتصالات u یکی از در دسترس‌ترین تعمیرات پیشرانه برای دارندگان خودروهای شیب‌دار مکانیکی است، اما نیازمند ابزارهای خاص و توجه دقیق به مشخصات فاز و گشتاور میل محرک است.

هزینه های معمول تعویض U-Joint

جایگزینی DIY U-Joint: آنچه شما نیاز دارید

• پرس مفصل U یا گیره نیمکتی با سوکت: فنجان های یاتاقان باید از یغ فشار داده شوند - آنها را نمی توان بدون خطر آسیب یوغ با چکش و پانچ به طور ایمن بیرون آورد. یک ابزار پرس u-joint در فروشگاه های قطعات خودرو 20 تا 50 دلار قیمت دارد.
• انبردست حلقه ای: بیشتر اتصالات U خودرو توسط حلقه‌های گیره داخلی (دایره‌ها) در یوغ نگه داشته می‌شوند که باید قبل از فشار دادن فنجان‌های یاتاقان برداشته شوند.
• آچار گشتاور: پیچ‌های فلنج میل محرک معمولاً بسته به خودرو به ۵۵ تا ۹۵ فوت پوند نیاز دارند. گشتاور کمتر یا بیش از حد می تواند باعث لرزش یا خرابی پیچ شود.
• قبل از برداشتن علائم را رنگ کنید یا بنویسید: قبل از باز کردن پیچ و مهره، جهت میل درایو را نسبت به فلنج دیفرانسیل علامت بزنید - مونتاژ مجدد خارج از فاز حتی با اتصالات u جدید باعث لرزش فوری می شود.

زمان تعویض هر دو مفصل U، نه فقط یکی

بهترین روش صنعت این است که هر زمان که یکی از آنها از کار افتاد، هر دو اتصال U میل محرک را به طور همزمان تعویض کنید. هر دو مفصل مسافت پیموده شده، دمای عملیاتی و چرخه استرس یکسان را تجربه می کنند - اگر یکی فرسوده شده باشد، دیگری معمولاً در فاصله چند هزار مایلی شکست است. هزینه قطعات افزایشی اتصال دوم (15 تا 60 دلار) در مقایسه با هزینه کار یک بازدید تعمیر دوم حداقل است.

U-Joint در مقابل CV Joint: درک تفاوت

این دو نوع اتصال اغلب با هم اشتباه گرفته می شوند، زیرا عملکرد اصلی یکسانی را انجام می دهند - انتقال گشتاور بین محورهای زاویه دار - اما متفاوت عمل می کنند و در کاربردهای مختلف خودرو ظاهر می شوند.

نکته عملی تشخیصی: اگر هنگام جابجایی بین درایو و دنده عقب، صدای تند شنیدید، مشکوک به U-joint باشید . اگر به طور خاص در حین پیچ‌های با سرعت پایین (فرمان نزدیک به قفل کامل چرخیده است)، صدای کلیک یا ترکیدن شنیدید، به یک اتصال CV مشکوک شوید.

مفاصل U چقدر دوام دارند و چه چیزی بر طول عمر آنها تأثیر می گذارد

عمر سرویس U-joint بر اساس استفاده از وسیله نقلیه، شیوه های روغن کاری و محیط کار بسیار متفاوت است. در شرایط عادی بزرگراه، اتصالات U مهر و موم شده با کیفیت معمولاً 75000 تا 150000 مایل دوام می آورند. . واحدهای روغن‌کاری که طبق برنامه نگهداری می‌شوند می‌توانند عمر خودرو را دوام بیاورند. با این حال، چندین عامل به طور چشمگیری این طول عمر را کوتاه می کند.

عواملی که سایش U-Joint را تسریع می کنند

• فواصل روغن کاری نادیده گرفته شده: شایع ترین علت نارسایی زودرس مفصل U. یک اتصال روغنی که حتی برای چند هزار مایل خشک می شود، تماس فلز به فلز را در بلبرینگ های سوزنی ایجاد می کند که باعث سایش سریع می شود. اکثر سازندگان توصیه می کنند هر 5000 مایل یا در هر تعویض روغن، روغن کاری را روغن کاری کنید.
• زوایای عملیاتی بیش از حد: بالابرهای تعلیق در کامیون های 4WD یک مقصر رایج هستند. بلند کردن یک کامیون 3 تا 4 اینچ بدون افزودن کیت سقوط میل درایو یا حذف کننده لغزش می تواند زوایای میل درایو را به 8 تا 12 درجه افزایش دهد - بسیار بالاتر از محدوده بهینه - و عمر اتصال U را 40 تا 60٪ کاهش می دهد.
• استفاده در خارج از جاده و گشتاور بالا: شتاب سخت، یدک‌کشی و مفصل‌بندی خارج از جاده، همگی اوج بارهای گشتاور را بر روی مفاصل u تحمیل می‌کنند که بسیار بیشتر از کروز در بزرگراه در حالت ثابت است. کامیون هایی که به طور منظم برای بکسل استفاده می شوند ممکن است فواصل تعویض مفصل U را بین 30000 تا 50000 مایل ببینند.
• مصرف آب و آلودگی: رانندگی در آب یا گل و لای عمیق می تواند روان کننده را حتی از مفاصل u که به خوبی مهر و موم شده اند را پاک کند. وسایل نقلیه خارج از جاده باید پس از هر عبور آب قابل توجهی، مفاصل u آنها را بررسی و (در صورت وجود) روغن کاری کنند.
• قطعات تعویضی با کیفیت پایین: اتصالات ارزان قیمت از برندهای ناشناخته اغلب از فولاد نرم تری در فنجان های متقاطع و سوزنی نازک تر استفاده می کنند.

U-Joints Beyond Automotive: Industrial and Other Applications

در حالی که بیشتر مردم در خودروها و کامیون‌ها با اتصالات u مواجه می‌شوند، این کوپلینگ‌ها در طیف قابل توجهی از سیستم‌های مکانیکی در هر جایی که نیروی چرخشی باید بین شفت‌های نامرتب منتقل شود ظاهر می‌شوند.

• تجهیزات کشاورزی: شفت‌های PTO (برگ‌سازی نیرو) که تراکتورها را به وسایلی مانند مورس، تیلر و بیلر متصل می‌کنند، از اتصالات U با کارایی سنگین استفاده می‌کنند که دارای گشتاور بالا و تغییر زاویه ثابت هستند. اتصالات U کشاورزی معمولاً بسیار بزرگتر از واحدهای خودرو هستند - اندازه های متقاطع 1¾ تا 2 اینچ در مقابل محدوده ¾"-1⅜" بیشتر اتصالات خودرو رایج است.
• ماشین آلات صنعتی: کارخانه‌های نورد، کارخانه‌های کاغذ، ماشین‌های چاپ و تجهیزات بسته‌بندی از اتصالات بزرگ صنعتی U (که کوپلینگ‌های جهانی نیز نامیده می‌شوند) برای انتقال نیرو بین اجزای دستگاه استفاده می‌کنند که نمی‌توانند کاملاً هم‌تراز شوند. اتصالات U صنعتی ممکن است برای میلیون ها اینچ پوند گشتاور رتبه بندی شوند.
• کاربردهای دریایی: موتورهای قایق درونی از اتصالات u در میل محرک استفاده می کنند که گیربکس را به شفت پروانه متصل می کند - محیطی چالش برانگیز با توجه به اثرات خورنده آب و زوایای متغیر ایجاد شده توسط شیب محور پروانه.
• هوافضا: اتصالات U کوچک در اتصالات کنترل هواپیما، سیستم های محرک و شفت های محرک لوازم جانبی که در آن انتقال زاویه ای فشرده و قابل اعتماد مورد نیاز است ظاهر می شود.
• پزشکی و رباتیک: اتصالات U مینیاتوری (به اندازه 2 تا 3 میلی متر) در ابزارهای جراحی، پایانه های روباتیک و سیستم های موقعیت یابی دوربین استفاده می شود که در آن ها انتقال حرکت زاویه ای دقیق و کم اصطکاک در یک بسته بسیار کوچک مورد نیاز است.