Ce sunt articulațiile U? Funcție, tipuri și înlocuire

Articulații în U , prescurtare pentru articulațiile universale, sunt cuplaje mecanice care conectează doi arbori rotativi într-un unghi, permițând cuplului să fie transmis fără probleme chiar și atunci când arborii nu sunt aliniați perfect. La majoritatea vehiculelor cu tracțiune spate și cu tracțiune integrală, articulațiile în U sunt veriga critică între transmisie, arborele de transmisie și puntea spate - ele se flexează și se rotesc simultan pentru a se adapta la mișcarea suspensiei, la schimbările de sarcină a vehiculului și la unghiurile transmisiei. Fără articulații în U funcționale, cuplul motorului nu poate ajunge la roți. O articulație uzată sau defectă nu este doar un inconvenient; la viteze de autostradă, o defecțiune catastrofală a articulației în U poate face ca arborele de transmisie să cadă pe șosea sau să pătrundă prin podea, creând un pericol grav pentru siguranță.

Cum funcționează articulațiile U: Mecanica explicată

O articulație universală rezolvă o problemă fundamentală de inginerie: cum transferați puterea de rotație între doi arbori care se întâlnesc într-un unghi - și unde acel unghi se schimbă constant pe măsură ce vehiculul se mișcă? O conexiune rigidă s-ar lega și s-ar rupe. Un cuplaj flexibil care se îndoaie pur și simplu ar pierde cuplul. Articulația în U face ambele: se îndoaie și se rotește în același timp.

Componentele unei îmbinări în U standard

O îmbinare în U convențională pentru automobile - din punct de vedere tehnic o articulație Cardan, numită după matematicianul italian din secolul al XVI-lea Gerolamo Cardano care i-a descris geometria - constă din patru componente principale:

• Crucea (sau păianjenul): O cruce de oțel cu patru brațe care formează punctul de pivotare al articulației. Fiecare braț este șlefuit cu precizie și întărit pentru a rezista la solicitări continue de torsiune.
• Cupe de rulment (capace de trunion): Patru carcase în formă de cupă – câte unul pe fiecare braț al crucii – pline cu rulmenți cu ace. Acestea permit fiecărui braț să se rotească liber în interiorul jugului.
• Rulmenti cu ace: Rulmenți mici cu role cilindrice în interiorul fiecărei cupe care reduc frecarea și distribuie sarcina pe suprafața rulmentului.
• Juguri: Conectorii cu furcă atașați la arborele de transmisie pe fiecare parte. Cupele de rulment se presează în urechile jugului, completând asamblarea. Cele două juguri sunt poziționate la 90 de grade unul de celălalt pe cruce.

Problema fluctuației vitezei și cum se rezolvă

O singură articulație Cardan U are o limitare inerentă: introduce o variație ciclică a vitezei în arborele de ieșire la unghiuri de peste 3–5 grade . Pe măsură ce articulația se rotește printr-o rotație completă, arborele de ieșire accelerează și decelerează de două ori pe rotație - un fenomen numit fluctuație de viteză sau eroare de viteză unghiulară. La un unghi de operare de 10 grade, acest lucru provoacă o vibrație vizibilă. La 20 de grade sau mai mult, devine severă.

Soluția de inginerie este de a folosi două articulații în U într-un arbore de transmisie, cu jugurile fazate (poziționate) corect, astfel încât fluctuația vitezei primei articulații o anulează pe cea a celei de-a doua. Acesta este motivul pentru care aproape toți arborii de transmisie auto au o articulație în U la fiecare capăt și nu doar una. Unghiurile de funcționare ale ambelor articulații trebuie să fie de aproximativ 1 grad unul față de celălalt pentru o anulare eficientă - un factor critic în timpul instalării arborelui de transmisie sau modificării suspensiei.

Unde sunt situate articulațiile U într-un vehicul

Articulațiile în U apar în mai multe locații de-a lungul sistemului de transmisie și a sistemului de direcție, în funcție de configurația de propulsie a vehiculului. Înțelegerea locațiilor lor ajută la identificarea sursei simptomelor atunci când apar probleme.

Vehiculele cu tracțiune față nu folosesc de obicei articulații tradiționale în U în arborele de transmisie - în schimb folosesc articulații CV (viteză constantă), care se ocupă de unghiuri de operare mai mari fără fluctuații de viteză. Cu toate acestea, multe vehicule FWD încă folosesc mici articulații în U în arborele de direcție.

Tipuri de articulații în U: Nu toate sunt create egale

Există mai multe modele distincte de îmbinare în U, fiecare optimizat pentru diferite unghiuri de operare, sarcini de cuplu și cerințe de aplicare. Cunoașterea diferențelor ajută la înlocuirea sau actualizarea componentelor transmisiei.

Articulație în U cardan (în cruce și lagăr).

Cel mai comun tip de îmbinare în U în aplicațiile auto. Simplu, ieftin și disponibil într-o gamă largă de dimensiuni. Îmbinările în U cardan standard pentru automobile funcționează eficient la unghiuri de până la aproximativ 15-18 grade , deși cea mai bună practică este să mențineți unghiurile de funcționare ale arborelui de transmisie sub 3–6 grade pentru o durată lungă de viață și o funcționare lină. Acestea necesită lubrifiere periodică (versiuni cu ungere) sau sunt unități sigilate pe viață.

Articulație U Cardan dublu (CV).

O articulație cardană dublă constă din două articulații cardan standard conectate printr-o mufă de centrare și un ansamblu cu bilă. Acest design produce o ieșire cu o viteză constantă reală - eliminând fluctuația vitezei inerente unei singure articulații cardanice - la unghiuri de până la 35-40 de grade. Îmbinările cardanelor duble sunt standard pe arborii de transmisie din față a multor camioane și SUV-uri cu tracțiune integrală , inclusiv Ford F-150, Ram 1500 și Toyota 4Runner, unde unghiurile de operare ale punții din față sunt mari datorită mișcării direcției și suspensiei.

Rzeppa CV Joint

Din punct de vedere tehnic, o articulație cu viteză constantă, mai degrabă decât o articulație tradițională în U, Rzeppa este articulația standard pe arborii punților cu tracțiune față și vehiculele independente cu suspensie spate. Folosește șase bile de oțel într-o cușcă pentru a transmite cuplul la unghiuri de până la 47 de grade fără fluctuații de viteză. Deși nu este numit un u-joint în uzul obișnuit, ocupă același rol în trenurile de propulsie FWD și IRS.

Articulații în U în stil Spicer și neunsabile (sigilate).

În cadrul categoriei Cardan, îmbinările în U sunt împărțite în continuare în funcție de tipul de lubrifiere. Articulațiile în U unseabile (cu un racord Zerk) durează semnificativ mai mult atunci când sunt întreținute corespunzător - de obicei la fiecare 5.000–10.000 de mile sau la fiecare schimbare de ulei. Îmbinările în U etanșate (negresabile) vin pre-ambalate cu unsoare și nu necesită întreținere până când se uzează, de obicei la 50.000–100.000 de mile în condiții normale.

Semne de avertizare ale unei articulații U defect

Articulațiile în U se uzează treptat, dar simptomele lor de eșec sunt de obicei inconfundabile odată ce încep. Prinderea lor devreme previne deteriorarea mai costisitoare a liniei de transmisie și evită riscul de siguranță al unei defecțiuni bruște a arborelui de transmisie.

Cele mai frecvente simptome

• Zgomot de ciocănit la schimbarea vitezelor sau la schimbarea direcției: Unul dintre cei mai timpurii și mai fiabili indicatori. Tulburarea apare pe măsură ce slăbiciunea articulației uzate este preluată atunci când sarcina de antrenare se inversează - caracteristică atunci când treceți de la deplasare la marșarier sau la accelerare de la oprire.
• Vibrația care crește cu viteza vehiculului: O articulație în U uzată face ca arborele de transmisie să se rotească dezechilibrat. Vibrația începe de obicei la 45-55 mph și se intensifică peste 60 mph. Se poate simți ca un zgomot prin podea, scaun sau schimbător.
• Zgomot scârțâit la viteze mici: Rulmenții cu ace uscați - dintr-o îmbinare gresabilă neglijată sau dintr-o etanșare defectată pe o unitate etanșă - produc un scârțâit ritmic care se potrivește cu viteza vehiculului. Acesta este ultimul avertisment al articulației înainte de defecțiunea fizică.
• Rugina vizibilă sau mișcare în îmbinare: O inspecție fizică care arată pete de rugină în jurul cupelor rulmentului sau orice joc lateral atunci când arborele de transmisie este balansat cu mâna, indică o articulație în U care necesită înlocuire imediată.
• Scurgere de lichid de transmisie la etanșarea din spate: O articulație în U uzată sever poate face ca arborele de transmisie să vibreze suficient de violent pentru a deteriora etanșarea arborelui de ieșire al transmisiei, rezultând o scurgere de lichid independentă de îmbinarea în sine.

Cum să testați o articulație în U manual

1. Cu vehiculul ridicat în siguranță pe suporturi de cric și transmisia în poziție neutră, ajungeți sub și prindeți arborele de transmisie lângă fiecare articulație în U.
2. Încercați să rotiți arborele de transmisie în timp ce țineți arborele adiacent staționar. Orice joc de rotație (cunk sau slăbire) simțit în articulație indică rulmenți cu ace uzați și o articulație în U care necesită înlocuire.
3. Inspectați vizual pentru pete de rugină (decolorare portocalie sau roșiatică în jurul marginilor cupei lagărului), ceea ce indică o etanșare defectuoasă și pierderea lubrifierii.
4. Verificați orice mișcare laterală în cruce - aceasta indică că paharele rulmentului sunt slăbite în jug, un semn de uzură avansată care necesită o atenție imediată.

Înlocuirea articulațiilor U: cost, dificultate și când să faceți bricolaj

Înlocuirea articulațiilor în U este una dintre cele mai accesibile reparații ale trenului de transmisie pentru proprietarii de vehicule cu înclinare mecanică, dar necesită unelte specifice și o atenție deosebită fazării arborelui de transmisie și specificațiilor cuplului.

Costuri tipice de înlocuire a articulațiilor U

Înlocuire DIY U-Joint: de ce aveți nevoie

• Presă în U sau menghină de banc cu mufe: Cupele de rulment trebuie să fie presate din jug - nu pot fi scoase în siguranță cu un ciocan și un pumn, fără a risca deteriorarea jugului. O unealtă de presare cu îmbinări în U costă 20-50 USD la magazinele de piese auto.
• Clești cu inele elastice: Majoritatea îmbinărilor în U ale autovehiculelor sunt reținute în jug de inele de fixare interne (circlips) care trebuie îndepărtate înainte ca cupele rulmenților să poată fi presate afară.
• cheie dinamometrică: Șuruburile flanșei arborelui de transmisie necesită de obicei 55–95 ft-lbs, în funcție de vehicul; cuplul insuficient sau excesiv poate cauza vibrații sau defectarea șuruburilor.
• Vopseaua sau marcajele înainte de îndepărtare: Marcați orientarea arborelui de transmisie în raport cu flanșa diferențială înainte de deșuruburi - reasamblarea defazată va provoca vibrații imediate chiar și cu articulații în U noi.

Când să înlocuiți ambele articulații în U, nu doar unul

Cea mai bună practică din industrie este înlocuirea simultană a ambelor articulații în U ale arborelui de transmisie ori de câte ori una se defectează. Ambele articulații experimentează kilometraj identic, temperaturi de funcționare și cicluri de stres — dacă unul s-a uzat, celălalt se află de obicei la câteva mii de mile de eșec. Costul suplimentar al pieselor pentru cea de-a doua îmbinare (15-60 USD) este minim în comparație cu costul forței de muncă al unei a doua vizite de reparații.

U-Joint vs CV Joint: înțelegerea diferențelor

Aceste două tipuri de îmbinări sunt adesea confundate, deoarece îndeplinesc aceeași funcție de bază - transmiterea cuplului între arbori înclinați - dar funcționează diferit și apar în diferite aplicații ale vehiculelor.

Sfat practic de diagnosticare: dacă auziți un zgomot când comutați între deplasare și marșarier, suspectați o articulație U . Dacă auziți un clic sau un zgomot de pocnire în special în timpul virajelor cu viteză redusă (volanul este întors aproape de blocarea maximă), suspectați o articulație homocină.

Cât durează articulațiile în U și ce afectează durata lor de viață

Durata de viață a îmbinării în U variază enorm în funcție de utilizarea vehiculului, practicile de lubrifiere și mediul de operare. În condiții normale de autostradă, îmbinările în U sigilate de calitate durează de obicei 75.000-150.000 de mile . Unitățile de unsoare menținute conform programului pot dura întreaga viață a vehiculului. Cu toate acestea, mai mulți factori scurtează dramatic această durată de viață.

Factori care accelerează uzura articulațiilor în U

• Intervalele de ungere neglijate: Cea mai frecventă cauză a eșecului prematur al articulației U. O îmbinare unsabilă care se usucă chiar și pentru câteva mii de mile dezvoltă contact metal-metal în rulmenții cu ace, ceea ce provoacă uzură rapidă. Majoritatea producătorilor recomandă ungerea la fiecare 5.000 de mile sau la fiecare schimbare de ulei.
• Unghiuri de operare excesive: Ascensoarele cu suspensie pe camioanele cu 4x4 sunt un vinovat comun. Ridicarea unui camion cu 3–4 inci fără a adăuga un kit de cădere a arborelui de transmisie sau un eliminator al jugului de alunecare poate crește unghiurile arborelui de transmisie la 8–12 grade – cu mult peste intervalul optim – reducând durata de viață a articulației în U cu 40–60%.
• Utilizare off-road și cu cuplu mare: Accelerația puternică, remorcarea și articulația off-road impun toate sarcinile de vârf asupra articulațiilor în formă de U care depășesc cu mult viteza de croazieră pe autostradă la starea constantă. Camioanele utilizate în mod regulat pentru remorcare pot vedea intervale de înlocuire a articulațiilor în U de până la 30.000–50.000 de mile.
• Ingestia de apă și contaminare: Conducerea prin apă adâncă sau noroi poate elimina lubrifiantul chiar și din îmbinările în U bine sigilate. Vehiculele de teren ar trebui să aibă articulațiile în U inspectate și unse (dacă este cazul) după fiecare traversare semnificativă a apei.
• Piese de schimb de calitate scăzută: Îmbinările în U bugetare de la mărci necunoscute folosesc adesea oțel mai moale în cruce și cupe mai subțiri ale rulmentului cu ace.

U-Joints Beyond Automotive: aplicații industriale și alte aplicații

În timp ce majoritatea oamenilor întâlnesc articulații în U în contextul mașinilor și camioanelor, aceste cuplaje apar într-o gamă remarcabilă de sisteme mecanice oriunde puterea de rotație trebuie transmisă între arbori nealiniați.

• Utilaje agricole: Arborele PTO (priza de putere) care conectează tractoarele la unelte precum mașinile de tuns, motocultoarele și presele de balotat utilizează articulații în U rezistente, evaluate pentru cuplu mare și schimbare unghiulară constantă. Îmbinările agricole în U sunt de obicei mult mai mari decât unitățile auto - dimensiunile transversale de 1¾" până la 2" sunt comune față de gama de ¾"–1⅜" a majorității îmbinărilor auto.
• Mașini industriale: Laminoarele, fabricile de hârtie, presele de tipar și echipamentele de ambalare folosesc îmbinări industriale mari (numite și cuplaje universale) pentru a transmite puterea între componentele mașinii care nu pot fi aliniate perfect. Îmbinările industriale în U pot fi evaluate pentru milioane de inchi-lire de cuplu.
• Aplicații marine: Motoarele de la bordul bărcii folosesc articulații în U în arborele de transmisie care conectează transmisia la arborele elicei - un mediu provocator având în vedere efectele corozive ale apei și unghiurile variabile create de înclinarea arborelui elicei.
• Aerospațial: Articole în U mici apar în legăturile de control a aeronavei, sistemele de acţionare și arborii de transmisie accesorii unde este necesară o transmisie unghiulară compactă, fiabilă.
• Medical și robotică: Articulațiile în U miniaturale (de până la 2–3 mm) sunt utilizate în instrumente chirurgicale, dispozitive robotice terminale și sisteme de poziționare a camerelor unde este necesară o transmisie precisă, cu frecare redusă, a mișcării unghiulare într-un pachet foarte mic.