هدف از U-Joint چیست؟ عملکرد و اهمیت

هدف از الف U-joint — مخفف یونیورسال مفصل — به است گشتاور چرخشی و حرکت را بین دو شفت که کاملاً هم تراز نیستند منتقل می کند . این به عنوان یک جفت مکانیکی انعطاف‌پذیر عمل می‌کند که ناهماهنگی زاویه‌ای را در خود جای می‌دهد، و اجازه می‌دهد تا قدرت به آرامی از یک جزء چرخان به دیگری جریان یابد، حتی زمانی که شفت‌ها در یک زاویه به‌جای یک خط مستقیم به هم می‌رسند.

از نظر عملی، یک اتصال U این امکان را برای میل محرک خودرو فراهم می‌کند که نیروی موتور را به چرخ‌ها برساند، حتی زمانی که سیستم تعلیق بالا و پایین می‌رود و وضعیت پیشرانه تغییر می‌کند. بدون آن، عدم تطابق سفت و سخت بین شفت ها باعث لرزش، اتصال مکانیکی یا خرابی کامل پیشرانه می شود. اتصالات U در خودروها، کامیون ها، تجهیزات کشاورزی، ماشین آلات صنعتی و سیستم های محرک دریایی یافت می شود.

نحوه عملکرد مکانیکی U-Joint

یک مفصل U از یک قطعه مرکزی متقاطع - به نام صلیب یا عنکبوت - با چهار بازو (بازو) تشکیل شده است که با زاویه 90 درجه به سمت بیرون امتداد دارند. هر بند در یک فنجان یاتاقان قرار می گیرد و دو جفت فنجان یاتاقان در یوغ هایی که به دو شفت متصل هستند نصب می شوند. این پیکربندی دو محور محوری را در زوایای قائم نسبت به یکدیگر ایجاد می‌کند که چرخش را قادر می‌سازد از یک زاویه عبور کند.

یک U-joint منفرد معمولاً می تواند ناهماهنگی زاویه ای را در خود جای دهد تا 15 تا 25 درجه بسته به طراحی، اگرچه کار در زوایای بالا باعث افزایش تنش بر یاتاقان ها می شود و باعث تغییر سرعت در شفت خروجی می شود. برای حذف این تغییر سرعت - که به عنوان نوسان سرعت شناخته می شود - معمولاً از دو اتصال U به صورت سری با یک یوغ لغزش یا یاتاقان مرکزی بین آنها استفاده می شود، پیکربندی به نام میل محرک دوتایی یا دو تکه.

اصل مشترک کاردان

طراحی استاندارد u-joint به طور رسمی یک مفصل کاردان نامیده می شود که به افتخار ریاضیدان ایتالیایی جرولامو کاردانو که اصول آن را در قرن شانزدهم توصیف کرد، نامگذاری شده است. ویژگی کلیدی آن این است که در حالی که گشتاور را به طور موثر منتقل می کند، شفت خروجی با سرعتی کاملاً ثابت نسبت به ورودی نمی چرخد ​​- سرعت به صورت چرخه ای دو بار در هر دور تغییر می کند. این تغییر در زوایای عملیاتی کوچک (زیر 3 درجه) حداقل است، اما در بالا قابل توجه و بالقوه آسیب‌رسان می‌شود. 10 تا 15 درجه .

اتصالات با سرعت ثابت (CV) به عنوان یک جایگزین

در جاهایی که سرعت خروجی صاف در زوایای عملیاتی بالا ضروری است - به ویژه در محورهای محور چرخ های جلو - اتصالات CV جایگزین یا تکمیل کننده اتصالات u می شوند. اتصالات CV نوسانات سرعت ذاتی در اتصالات u-Cardan را از بین می برد، اما ساخت آنها پیچیده تر و گران تر است. اتصالات U به دلیل استحکام، سادگی و سهولت در تعویض، برای کاربردهای سنگین در محورهای محرک ترجیح داده می شوند.

توابع اولیه U-Joint در یک وسیله نقلیه

در یک پیشرانه خودرو، اتصالات u به طور همزمان چندین هدف مکانیکی مرتبط را انجام می دهند:

• انتقال نیرو در زوایا: نقش اصلی - انتقال گشتاور موتور از خروجی گیربکس از طریق میل محرک به دیفرانسیل، حتی زمانی که حرکت سیستم تعلیق زاویه بین اجزا را تغییر می دهد.
• تطبیق حرکت تعلیق: همانطور که اکسل عقب بر روی سطوح جاده به سمت بالا و پایین حرکت می کند، زاویه بین میل محرک و میل پینیون دیفرانسیل به طور مداوم تغییر می کند. U-joint این تغییرات زاویه ای را بدون وقفه در جریان برق جذب می کند.
• اجازه تغییر طول در میل محرک: در ترکیب با یک یوغ لغزشی، اتصالات U به میل محرک اجازه می دهد تا با فشرده شدن و امتداد یافتن سیستم تعلیق، طول موثر را تغییر دهد و از خارج شدن شفت با فشار از جای خود جلوگیری کند.
• کاهش استرس پیشرانه: با ایجاد یک نقطه اتصال انعطاف پذیر، اتصالات u از انتقال مستقیم بارهای شوک صلب بین گیربکس و دیفرانسیل جلوگیری می کند و عمر هر دو جزء را افزایش می دهد.

جایی که U-Joints در برنامه های مختلف یافت می شود

اتصالات U به میل محرک خودروهای سواری محدود نمی شود. هر جا که حرکت چرخشی باید از یک شکاف زاویه ای عبور کند در طیف وسیعی از سیستم های مکانیکی ظاهر می شوند:

انواع U-Joint و اهداف خاص آنها

طرح‌های مختلف U-joint برای برآورده کردن خواسته‌های مختلف از نظر زاویه عملکرد، ظرفیت گشتاور، سرعت و روان بودن توان وجود دارد:

تک کاردان U-Joint

رایج ترین نوع. ساده، قوی و ارزان. در اکثر میل‌های محرک دیفرانسیل عقب استفاده می‌شود. بهترین مناسب برای زوایای عملکرد در زیر 10 درجه . میل‌های محرک استاندارد خودروهای سواری و کامیون‌های سبک معمولاً بین آنها کار می‌کنند 1 درجه و 7 درجه در مفصل u تحت ارتفاع سواری معمولی.

کاردان دوبل (CV U-Joint)

دو اتصال کاردان به صورت سری با یک سوکت مرکزی بین آنها نصب شده است. این آرایش نوسانات سرعت هر مفصل را لغو می کند و خروجی با سرعت ثابت صاف را ایجاد می کند. معمولاً در محورهای جلوی کامیون‌های 4WD و در برنامه‌های محور جلو که زاویه فرمان زوایای عملیاتی بزرگی ایجاد می‌کند - گاهی اوقات بیش از آن استفاده می‌شود. 20 تا 30 درجه .

Spicer / Dana U-Joints (Heavy-Duty)

نام تجاری دانا اسپایسر، این اتصالات کاردان سنگین هستند که برای کاربردهای گشتاور بالا در کامیون‌ها، اتوبوس‌ها و وسایل نقلیه خارج از جاده طراحی شده‌اند. آن‌ها از فنجان‌های یاتاقان بزرگ‌تر و قلاب‌های ضخیم‌تر برای کنترل بارهای گشتاور استفاده می‌کنند که باعث از بین رفتن اتصالات استاندارد خودروی سواری می‌شود. یک اتصال اسپایسر سنگین برای کامیون کلاس 8 ممکن است ظرفیت های گشتاوری بیش از حد را تحمل کند. 10000 پوند فوت .

فرمان U-Joints

اتصالات U کوچکتر و دقیق تر مورد استفاده در ستون های فرمان. اینها در مقایسه با مفاصل پیشرانه با گشتاور بسیار کم کار می کنند، اما باید حرکت صاف و بدون برگشت را ارائه دهند تا بازخورد فرمان دقیق باشد. فرسوده شدن اتصالات U فرمان باعث ایجاد حس شل بودن یا بهم خوردن فرمان می شود.

نشانه هایی که نشان می دهد یک مفصل U-Joint در حال شکست است

از آنجایی که اتصالات u اجزای سایش هستند - به ویژه در خودروهایی که در زوایای بالاتر کار می کنند یا بارهای سنگین را حمل می کنند - تشخیص زودهنگام علائم خرابی از آسیب جدی تر به پیشرانه جلوگیری می کند. خرابی اتصال U می تواند باعث جدا شدن کامل میل درایو از خودرو شود که این یک خطر ایمنی قابل توجه است.

• صدای تق تق یا کوبیدن هنگام تعویض دنده: هنگامی که پیشرانه از شتاب به کاهش سرعت می‌رود یا هنگام تعویض از حالت درایو به عقب، یک اتصال u فرسوده، یک کلنگ مشخص ایجاد می‌کند. این به دلیل بازی بیش از حد در فنجان های بلبرینگ ایجاد می شود.
• لرزش در سرعت بزرگراه: یک اتصال U با یاتاقان‌های فرسوده یا مسدود شده، عدم تعادل در میل محرک چرخان ایجاد می‌کند و ارتعاشی ایجاد می‌کند که معمولاً در بالا بدتر می‌شود. 45 تا 55 مایل در ساعت .
• جیرجیر در حین حرکت با سرعت کم: یاتاقان های U-joint خشک یا خورده که روغن کاری خود را از دست داده اند با چرخش میل محرک به طور ریتمیک جیغ می زنند که اغلب در مانورهای پارکینگ قابل شنیدن است.
• زنگ زدگی یا سایش قابل مشاهده روی صلیب و کلاهک بلبرینگ: در طی بازرسی بصری، زنگ زدگی در اطراف گیره های نگهدارنده کلاهک یاتاقان یا شیارهای سایشی قابل مشاهده در گیره ها نشان دهنده یک اتصال U است که نیاز به تعویض فوری دارد.
• نشت مایع گیربکس نزدیک درزگیر عقب: خرابی اتصال u می تواند با ایجاد ارتعاش و بارگذاری شعاعی به مهر و موم محور خروجی گیربکس آسیب برساند و باعث نشت مایع شود که ممکن است به جای مشکل اتصال u با مشکل آب بندی اشتباه گرفته شود.

تعمیر و نگهداری و تعویض U-Joint

بسیاری از اتصالات u-joint مدرن آب بندی شده و نیازی به تعمیر و نگهداری ندارند، اما وسایل نقلیه مجهز به U-joint های قابل روغن کاری (که با اتصالات گریس یا اتصالات zerk بر روی متقاطع مشخص می شوند) باید در فواصل زمانی منظم – معمولاً هر بار روغن کاری شوند. 5000 تا 10000 مایل یا همانطور که در دفترچه راهنمای خودرو مشخص شده است. گریس کردن، روان کننده تازه را وارد بلبرینگ های سوزنی داخل هر کلاهک می کند، آلاینده ها را جابجا می کند و از سایش فلز روی فلز که منجر به خرابی زودرس می شود، جلوگیری می کند.

فواصل تعویض

هیچ فاصله مسافت پیموده شده جهانی برای تعویض مفصل U وجود ندارد زیرا طول عمر به طور قابل توجهی با شرایط عملیاتی متفاوت است. یک اتصال U که به خوبی نگهداری می شود در یک ماشین سواری کم استفاده ممکن است تا پایان عمر وسیله نقلیه دوام بیاورد - 150000 مایل یا بیشتر . اتصال U در کامیونی با بارهای سنگین که برای بکسل یا رانندگی خارج از جاده استفاده می شود ممکن است فرسوده شود. 50000 تا 80000 مایل . بازرسی منظم در هر تعویض روغن قابل اطمینان ترین روش نگهداری است.

هزینه تعویض

یک قطعه U-joint جایگزین معمولاً بین قیمت تمام می شود 20 و 100 دلار برای اکثر وسایل نقلیه مسافربری برای فشار دادن مفصل قدیمی و نصب اتصال جدید، کار کنید 75 تا 200 دلار در یک فروشگاه معمولی، بسته به پیچیدگی میل محرک و اینکه آیا شفت باید برداشته و متعادل شود. اتصالات U-کامیون های سنگین می تواند هزینه بسیار بیشتری داشته باشد - 150 تا 500 دلار برای هر مفصل بسته به سری و کاربرد

چرا U-Joint جزء مهمی از پیشرانه باقی می ماند؟

علیرغم استفاده روزافزون از اتصالات CV در سیستم‌های دیفرانسیل جلو و تمام چرخ متحرک، کاردان u-joint سنتی در کامیون‌های دیفرانسیل عقب، خودروهای تجاری، تجهیزات کشاورزی و ماشین‌آلات صنعتی غالب است. مزایای آن ساده است:

• ظرفیت گشتاور بالا نسبت به اندازه و وزن، آن را برای کامیون ها و تجهیزات سنگین که در آن بکسل یا حمل بار باعث ایجاد بارهای شدید پیشرانه می شود، ایده آل است.
• قابلیت تعویض میدان - بر خلاف بسیاری از مجموعه‌های اتصال CV که به تجهیزات تخصصی یا تعویض محور کامل نیاز دارند، می‌توان یک U-joint را با ابزارهای دستی اولیه در میدان جایگزین کرد.
• هزینه کمتر نسبت به اتصالات CV معادل در رتبه های گشتاور معادل، که در عملیات ناوگان تجاری که در آن هزینه قطعات در صدها وسیله نقلیه چند برابر می شود، اهمیت قابل توجهی دارد.
• دوام ثابت شده در طول بیش از یک قرن توسعه مکانیکی، با یک حالت خرابی کاملاً درک شده که با بازرسی معمول قابل پیش بینی و مدیریت است.

U-joint یک مشکل اساسی مهندسی را حل می کند - نحوه انتقال قدرت چرخشی بین دو شفت که نمی توانند در یک راستا کامل نگه داشته شوند - و این کار را با ظرافت مکانیکی انجام می دهد که از زمان پذیرش گسترده آن در اوایل قرن بیستم تغییر چندانی نکرده است.