Care este scopul unei articulații în U? Funcție și importanță

Scopul a articulație în U — prescurtare pentru articulație universală — este să transmite cuplul de rotație și mișcarea între doi arbori care nu sunt perfect aliniați . Acționează ca un cuplaj mecanic flexibil care acceptă nealinierea unghiulară, permițând puterii să curgă lin de la o componentă rotativă la alta chiar și atunci când arborii se întâlnesc într-un unghi și nu într-o linie dreaptă.

În termeni practici, o articulație în U face posibil ca arborele de transmisie al vehiculului să livreze puterea motorului roților chiar și atunci când suspensia se mișcă în sus și în jos și trenul de rulare își schimbă poziția. Fără aceasta, nepotrivirea rigidă dintre arbori ar cauza vibrații, legare mecanică sau defecțiune completă a sistemului de transmisie. Îmbinările în U se găsesc în automobile, camioane, echipamente agricole, mașini industriale și sisteme de propulsie marine.

Cum funcționează mecanic o articulație în U

O articulație în U constă dintr-o piesă centrală în formă de cruce - numită cruce sau păianjen - cu patru trunions (brațe) care se extind spre exterior la unghiuri de 90°. Fiecare trunion se potrivește într-o cupă de rulment, iar cele două perechi de cupe de rulment sunt montate în juguri atașate la cei doi arbori care se conectează. Această configurație creează două axe de pivotare în unghi drept unul față de celălalt, permițând rotației să treacă printr-un unghi.

O singură îmbinare în U poate găzdui în mod obișnuit nealinierea unghiulară a până la 15° până la 25° în funcție de proiectare, deși funcționarea la unghiuri mari crește stresul asupra rulmenților și provoacă variații de viteză în arborele de ieșire. Pentru a elimina această variație de viteză - cunoscută sub numele de fluctuație a vitezei - două articulații în U sunt de obicei utilizate în serie, cu un jug alunecat sau un rulment central între ele, o configurație numită un cardan dublu sau un arbore de transmisie din două piese.

Principiul comun cardan

Designul standard de îmbinare în U se numește formal o îmbinare Cardan, numit după matematicianul italian Gerolamo Cardano care a descris principiile sale în secolul al XVI-lea. Caracteristica sa cheie este că, în timp ce transferă cuplul în mod eficient, arborele de ieșire nu se rotește la o viteză perfect constantă în raport cu intrarea - viteza variază ciclic de două ori pe rotație. Această variație este minimă la unghiuri mici de operare (sub 3°), dar devine semnificativă și potențial dăunătoare deasupra 10° până la 15° .

Articulațiile cu viteză constantă (CV) ca alternativă

Acolo unde viteza de ieșire netedă este esențială la unghiuri de operare înalte – în special la arborii de punte ale roților din față – articulațiile CV înlocuiesc sau completează articulațiile în U. Îmbinările CV elimină fluctuația vitezei inerente îmbinărilor cardan, dar sunt mai complexe și mai costisitoare de fabricat. Îmbinările în U rămân preferate pentru aplicații grele în arbori de transmisie datorită rezistenței, simplității și ușurinței de înlocuire.

Funcțiile primare ale unei articulații în U într-un vehicul

Într-o transmisie auto, articulațiile în U servesc simultan mai multor scopuri mecanice interdependente:

• Transmiterea puterii peste unghiuri: Rolul principal - transferul cuplului motor de la transmisia prin arborele de transmisie la diferenţial, chiar dacă cursa suspensiei modifică unghiul dintre componente.
• Mișcarea suspensiei adaptate: Pe măsură ce puntea spate se deplasează în sus și în jos pe suprafața drumului, unghiul dintre arborele de transmisie și arborele pinionului diferenţial se modifică în mod constant. Articulația în U absoarbe această variație unghiulară fără a întrerupe fluxul de putere.
• Permiterea modificărilor de lungime în arborele de transmisie: Combinate cu un jug de alunecare, articulațiile în U permit arborelui de transmisie să își schimbe lungimea efectivă pe măsură ce suspensia se comprimă și se extinde, prevenind ca arborele să fie forțat să deplaseze.
• Reducerea stresului transmisiei: Prin furnizarea unui punct de cuplare flexibil, articulațiile în U împiedică transmiterea directă a sarcinilor de șoc rigid între transmisie și diferențial, prelungind durata de viață a ambelor componente.

Unde se găsesc îmbinări în U în diferite aplicații

Îmbinările în U nu se limitează la arborii de transmisie al autoturismelor. Ele apar într-o gamă largă de sisteme mecanice oriunde mișcarea de rotație trebuie să traverseze un spațiu unghiular:

Tipuri de îmbinări în U și scopurile lor specifice

Există diferite modele de îmbinare în U pentru a satisface diferite cerințe în ceea ce privește unghiul de operare, capacitatea de cuplu, viteza și netezimea livrării de putere:

Articulație U Cardan unic

Cel mai comun tip. Simplu, puternic și ieftin. Folosit în majoritatea arborilor de transmisie cu tracțiune spate. Cel mai potrivit pentru unghiuri de operare sub 10° . Arborele de transmisie standard pentru autoturisme și camioane ușoare funcționează de obicei între 1° și 7° la articulația în U sub înălțimea normală de rulare.

Cardan dublu (articulație U CV)

Două articulații cardanice montate în serie cu o mufă de centrare între ele. Acest aranjament anulează fluctuația vitezei fiecărei îmbinări individuale, producând o ieșire lină cu viteză constantă. Folosit în mod obișnuit în arborii de transmisie din față a camioanelor cu tracțiune integrală și în aplicațiile cu puntea față, unde unghiul de virare creează unghiuri de operare mari — uneori depășind 20° până la 30° .

Spicer / Dana U-Joints (Heavy Duty)

Denumite după marca Dana Spicer, acestea sunt îmbinări cardan de mare rezistență concepute pentru aplicații cu cuplu ridicat în camioane, autobuze și vehicule de teren. Ei folosesc cupe de rulment mai mari și trunions mai groși pentru a face față sarcinilor de cuplu care ar distruge articulațiile uzuale standard ale autoturismelor. O îmbinare Spicer de mare rezistență, evaluată pentru un camion de clasa 8, poate suporta capacități de cuplu care depășesc 10.000 lb-ft .

Articulații în U de direcție

Articulații în U mai mici, de precizie, utilizate în coloanele de direcție. Acestea funcționează la un cuplu foarte scăzut în comparație cu articulațiile transmisiei, dar trebuie să ofere o mișcare lină, fără joc, astfel încât feedback-ul de direcție să fie precis. Articulațiile uzate ale direcției provoacă o senzație vizibilă de slăbire sau zgomot de direcție.

Semne că o articulație în U eșuează

Deoarece articulațiile în formă de U sunt componente de uzură - în special în vehiculele care funcționează la unghiuri mai mari sau care transportă sarcini grele - recunoașterea timpurie a simptomelor de defecțiune previne deteriorarea mai gravă a sistemului de propulsie. O articulație în U defectă poate determina separarea completă a arborelui de transmisie de vehicul, ceea ce reprezintă un pericol semnificativ pentru siguranță.

• Sunet de zgomot sau bătăi la schimbarea vitezelor: O articulație în U uzată va produce un zgomot distinct atunci când trenul de transmisie trece de la accelerație la decelerare sau la trecerea de la tracțiune la marșarier. Acest lucru este cauzat de jocul excesiv în cupele rulmentului.
• Vibrații la viteza pe autostradă: O îmbinare în U cu rulmenți uzați sau blocați creează un dezechilibru în arborele de transmisie rotativ, producând o vibrație care de obicei se înrăutățește deasupra 45 până la 55 mph .
• Scârțâit în timpul mișcării cu viteză mică: Rulmenții uscați sau corodați care și-au pierdut lubrifierea vor scârțâi ritmic pe măsură ce arborele de transmisie se rotește, adesea cel mai audibil la manevrele din parcare.
• Rugina sau uzura vizibilă pe cruce și capace de rulment: În timpul inspecției vizuale, petele de rugină în jurul clemelor de reținere a capacului rulmentului sau canelurile vizibile de uzură din trunions indică o îmbinare în U care necesită înlocuire imediată.
• Scurgere de lichid de transmisie în apropierea etanșării din spate: O articulație în U defectă poate deteriora etanșarea arborelui de ieșire al transmisiei prin crearea de vibrații și încărcare radială, provocând o scurgere de lichid care poate fi confundată cu o problemă de etanșare, mai degrabă decât cu o problemă cu articulația în U.

Întreținerea și înlocuirea îmbinării în U

Multe îmbinări în U moderne sunt etanșate și nu necesită întreținere, dar vehiculele echipate cu îmbinări în U care se pot unsa (identificate printr-un racord de grăsare sau un fiting zero pe cruce) ar trebui lubrifiate la intervale regulate - de obicei la fiecare 5.000 până la 10.000 de mile sau conform specificațiilor în manualul de service al vehiculului. Ungerea forțează lubrifiantul proaspăt în rulmenții cu ace din interiorul fiecărui capac, înlocuind contaminanții și prevenind uzura metal pe metal care duce la defecțiuni premature.

Intervalele de înlocuire

Nu există un interval de kilometraj universal pentru înlocuirea articulației în U, deoarece durata de viață variază semnificativ în funcție de condițiile de funcționare. O îmbinare în U bine întreținută pe o mașină de pasageri puțin folosită poate dura întreaga viață a vehiculului — 150.000 de mile sau mai mult . O articulație în formă de U de pe un camion cu încărcătură puternică utilizată pentru remorcare sau pentru conducerea în teren se poate uza în 50.000 până la 80.000 de mile . Inspecția regulată la fiecare schimb de ulei este cea mai fiabilă abordare de întreținere.

Costul de înlocuire

O piesă de schimb în U costă de obicei între 20 $ și 100 $ pentru majoritatea vehiculelor de pasageri. Muncă pentru a presă îmbinarea veche și a instala cea nouă adaugă 75 USD până la 200 USD la un magazin obișnuit, în funcție de complexitatea arborelui de transmisie și dacă arborele trebuie îndepărtat și echilibrat. Îmbinările în U pentru camioane grele pot costa mult mai mult — 150 $ până la 500 $ per îmbinare in functie de serie si aplicatie.

De ce articulația în U rămâne o componentă critică a sistemului de propulsie

În ciuda utilizării tot mai mari a articulațiilor CV în sistemele cu tracțiune față și cu tracțiune integrală, articulația tradițională Cardan rămâne dominantă în camioanele cu tracțiune spate, vehiculele comerciale, echipamentele agricole și mașinile industriale. Avantajele sale sunt simple:

• Capacitate mare de cuplu în raport cu dimensiunea și greutatea, făcându-l ideal pentru camioane și echipamente grele unde remorcarea sau transportul generează sarcini extreme ale trenului de rulare.
• Înlocuirea câmpului — o articulație în formă de U poate fi înlocuită cu unelte de mână de bază pe teren, spre deosebire de multe ansambluri de articulație homocină care necesită echipamente specializate sau înlocuirea completă a arborelui axului.
• Cost mai mic decât articulațiile CV echivalente la cuplu echivalent, ceea ce contează în mod semnificativ în operațiunile de flote comerciale unde costurile componentelor se multiplică pe sute de vehicule.
• Durabilitate dovedita de-a lungul a peste un secol de dezvoltare mecanică, cu un mod de eroare bine înțeles, care este previzibil și gestionabil cu inspecția de rutină.

Îmbinarea în formă de U rezolvă o problemă fundamentală de inginerie - cum se transmite puterea de rotație între doi arbori care nu pot fi ținute într-o aliniere perfectă - și face acest lucru cu o eleganță mecanică care s-a schimbat puțin de la adoptarea sa pe scară largă la începutul secolului al XX-lea.