วัตถุประสงค์ของ U-Joint คืออะไร? ฟังก์ชั่นและความสำคัญ

วัตถุประสงค์ของก คุณ-ร่วม — ย่อมาจาก universal joint — is to ส่งแรงบิดในการหมุนและการเคลื่อนที่ระหว่างเพลาทั้งสองที่ไม่อยู่ในแนวเดียวกันอย่างสมบูรณ์ . โดยทำหน้าที่เป็นข้อต่อทางกลที่ยืดหยุ่นซึ่งรองรับการวางแนวเชิงมุมที่คลาดเคลื่อน ช่วยให้กำลังไหลได้อย่างราบรื่นจากส่วนประกอบที่หมุนอยู่หนึ่งไปยังอีกส่วนประกอบหนึ่ง แม้ว่าเพลาจะบรรจบกันที่มุมแทนที่จะเป็นเส้นตรงก็ตาม

ในทางปฏิบัติ ข้อต่อยูทำให้เพลาขับของยานพาหนะส่งกำลังของเครื่องยนต์ไปยังล้อได้ แม้ว่าระบบกันสะเทือนจะเลื่อนขึ้นและลงและระบบขับเคลื่อนจะเปลี่ยนตำแหน่งก็ตาม หากไม่มีสิ่งนี้ ความไม่ตรงกันอย่างเข้มงวดระหว่างเพลาจะทำให้เกิดการสั่นสะเทือน การยึดเกาะทางกลไก หรือความล้มเหลวของระบบขับเคลื่อนโดยสมบูรณ์ ข้อต่อ U พบได้ในรถยนต์ รถบรรทุก อุปกรณ์การเกษตร เครื่องจักรอุตสาหกรรม และระบบขับเคลื่อนทางทะเล

U-Joint ทำงานอย่างไรโดยกลไก

ข้อต่อยูประกอบด้วยชิ้นส่วนตรงกลางรูปกากบาท - เรียกว่าไม้กางเขนหรือแมงมุม - โดยมีแหนบสี่อัน (แขน) ยื่นออกไปด้านนอกที่มุม 90° แต่ละแหนบจะพอดีกับถ้วยลูกปืน และถ้วยลูกปืนทั้งสองคู่จะติดตั้งอยู่ในแอกที่ติดอยู่กับเพลาทั้งสองที่เชื่อมต่อกัน การกำหนดค่านี้จะสร้างแกนหมุนสองแกนที่มุมฉากซึ่งกันและกัน ซึ่งช่วยให้การหมุนผ่านมุมหนึ่งได้

โดยทั่วไปแล้ว u-joint เดียวสามารถรองรับการวางแนวเชิงมุมของ สูงถึง 15° ถึง 25° ขึ้นอยู่กับการออกแบบ แม้ว่าการทำงานในมุมสูงจะเพิ่มความเครียดให้กับแบริ่งและทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความเร็วในเพลาเอาท์พุต เพื่อกำจัดการเปลี่ยนแปลงของความเร็วนี้ หรือที่เรียกว่าความผันผวนของความเร็ว โดยทั่วไปแล้ว ข้อต่อยูสองตัวจะถูกนำมาใช้เป็นอนุกรมโดยมีแอกสลิปหรือลูกปืนตรงกลางอยู่ระหว่างข้อต่อทั้งสอง การกำหนดค่าที่เรียกว่าเพลาขับแบบคาร์ดานคู่หรือเพลาขับแบบสองชิ้น

หลักการร่วมคาร์ดาน

การออกแบบข้อต่อ u มาตรฐานมีชื่ออย่างเป็นทางการว่าข้อต่อ Cardan ซึ่งตั้งชื่อตามนักคณิตศาสตร์ชาวอิตาลี Gerolamo Cardano ซึ่งบรรยายหลักการของมันในศตวรรษที่ 16 ลักษณะสำคัญคือในขณะที่ส่งแรงบิดอย่างมีประสิทธิภาพ เพลาเอาท์พุตจะไม่หมุนด้วยความเร็วคงที่อย่างสมบูรณ์เมื่อเทียบกับอินพุต — ความเร็วจะแปรผันเป็นวงรอบสองครั้งต่อการปฏิวัติ ความแปรผันนี้จะน้อยที่สุดที่มุมการทำงานเล็กๆ (ต่ำกว่า 3°) แต่จะมีนัยสำคัญและอาจสร้างความเสียหายด้านบนได้ 10° ถึง 15° .

ข้อต่อความเร็วคงที่ (CV) เป็นทางเลือก

ในกรณีที่ความเร็วเอาต์พุตที่ราบรื่นเป็นสิ่งสำคัญที่มุมการทำงานสูง โดยเฉพาะในเพลาเพลาขับเคลื่อนล้อหน้า ข้อต่อ CV จะเข้ามาแทนที่หรือเสริมข้อต่อ u ข้อต่อ CV ช่วยลดความผันผวนของความเร็วที่มีอยู่ในข้อต่อ Cardan u แต่มีความซับซ้อนและมีราคาแพงกว่าในการผลิต ข้อต่อ U ยังคงเป็นที่ต้องการสำหรับการใช้งานหนักในเพลาขับ เนื่องจากมีความแข็งแรง ความเรียบง่าย และเปลี่ยนได้ง่าย

หน้าที่หลักของ U-Joint ในยานพาหนะ

ในระบบขับเคลื่อนของยานยนต์ ข้อต่อยูทำหน้าที่ด้านกลไกที่สัมพันธ์กันหลายอย่างพร้อมกัน:

• การส่งกำลังข้ามมุม: บทบาทหลัก — การถ่ายโอนแรงบิดของเครื่องยนต์จากระบบส่งกำลังผ่านเพลาขับไปยังเฟืองท้าย แม้ว่าการเคลื่อนที่ของระบบกันสะเทือนจะเปลี่ยนมุมระหว่างส่วนประกอบต่างๆ
• รองรับการเคลื่อนไหวของระบบกันสะเทือน: ขณะที่เพลาล้อหลังเคลื่อนขึ้นและลงบนพื้นผิวถนน มุมระหว่างเพลาขับและเพลาเฟืองท้ายจะเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ข้อต่อยูดูดซับการเปลี่ยนแปลงเชิงมุมนี้โดยไม่รบกวนการไหลของพลังงาน
• อนุญาตให้เปลี่ยนความยาวในเพลาขับ: เมื่อใช้ร่วมกับสลิปแอก ข้อต่อยูจะทำให้เพลาขับเปลี่ยนความยาวที่มีประสิทธิภาพในขณะที่ระบบกันสะเทือนบีบอัดและขยายออก เพื่อป้องกันไม่ให้เพลาถูกบังคับออกจากตำแหน่ง
• การลดความเครียดของระบบขับเคลื่อน: ด้วยการจัดให้มีจุดคัปปลิ้งที่ยืดหยุ่น ข้อต่อ u จะป้องกันไม่ให้โหลดแรงกระแทกแบบแข็งส่งโดยตรงระหว่างระบบส่งกำลังและเฟืองท้าย ซึ่งช่วยยืดอายุของส่วนประกอบทั้งสอง

ตำแหน่งที่พบข้อต่อ U ในการใช้งานที่แตกต่างกัน

ข้อต่อ U ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงเพลาขับของรถโดยสารเท่านั้น ปรากฏขึ้นทั่วทั้งระบบกลไกต่างๆ ทุกที่ที่การเคลื่อนที่แบบหมุนต้องข้ามช่องว่างเชิงมุม:

ประเภท U-Joint และวัตถุประสงค์เฉพาะ

การออกแบบข้อต่อ U ที่แตกต่างกันมีไว้เพื่อตอบสนองความต้องการที่แตกต่างกันในแง่ของมุมการทำงาน ความจุแรงบิด ความเร็ว และความราบรื่นในการส่งกำลัง:

U-Joint Cardan เดี่ยว

ประเภทที่พบบ่อยที่สุด เรียบง่าย แข็งแกร่ง และราคาไม่แพง ใช้ในเพลาขับขับเคลื่อนล้อหลังส่วนใหญ่ เหมาะที่สุดสำหรับมุมการทำงานด้านล่าง 10° . โดยทั่วไปแล้วเพลาขับของรถยนต์นั่งส่วนบุคคลและรถบรรทุกขนาดเล็กจะทำงานระหว่างกัน 1° และ 7° ที่ข้อต่อยูภายใต้ระดับความสูงปกติ

Double Cardan (ข้อต่อ CV U)

ข้อต่อ Cardan สองอันติดตั้งเป็นอนุกรมโดยมีช่องเสียบตรงกลางระหว่างข้อต่อเหล่านั้น การจัดเรียงนี้จะยกเลิกความผันผวนของความเร็วของข้อต่อแต่ละข้อ ทำให้เกิดเอาต์พุตที่มีความเร็วคงที่อย่างราบรื่น นิยมใช้ในเพลาขับหน้าของรถบรรทุก 4WD และในการใช้งานเพลาหน้า ซึ่งมุมบังคับเลี้ยวทำให้เกิดมุมการทำงานที่กว้าง — บางครั้งก็เกิน 20° ถึง 30° .

Spicer / Dana U-Joints (งานหนัก)

ข้อต่อ Cardan สำหรับงานหนักตั้งชื่อตามแบรนด์ Dana Spicer ซึ่งได้รับการออกแบบมาเพื่อการใช้งานที่มีแรงบิดสูงในรถบรรทุก รถประจำทาง และรถออฟโรด พวกเขาใช้ถ้วยแบริ่งที่ใหญ่ขึ้นและรองแหนบที่หนาขึ้นเพื่อรองรับแรงบิดที่อาจทำลายข้อต่อตัวยูของรถโดยสารมาตรฐาน ข้อต่อ Spicer สำหรับงานหนักที่ได้รับการจัดอันดับสำหรับรถบรรทุกคลาส 8 อาจรองรับแรงบิดที่เกินได้ 10,000 ปอนด์-ฟุต .

ข้อต่อ U-Joint

ข้อต่อตัวยูที่เล็กกว่าและแม่นยำซึ่งใช้ในคอพวงมาลัย สิ่งเหล่านี้ทำงานที่แรงบิดต่ำมากเมื่อเทียบกับข้อต่อของระบบขับเคลื่อน แต่ต้องให้การเคลื่อนไหวที่ราบรื่นและไม่มีฟันเฟืองเพื่อให้การตอบสนองของพวงมาลัยแม่นยำ ข้อต่อตัวยูที่สึกหรอจะทำให้พวงมาลัยหลวมหรืออึดอัดอย่างเห็นได้ชัด

สัญญาณว่า U-Joint ล้มเหลว

เนื่องจากข้อต่อยูเป็นส่วนประกอบที่สึกหรอ — โดยเฉพาะในยานพาหนะที่ทำงานในมุมที่สูงขึ้นหรือบรรทุกของหนัก — การจดจำอาการของความล้มเหลวตั้งแต่เนิ่นๆ จะช่วยป้องกันความเสียหายของระบบขับเคลื่อนที่รุนแรงยิ่งขึ้น ข้อต่อยูที่ชำรุดอาจทำให้เพลาขับแยกออกจากตัวรถโดยสิ้นเชิง ซึ่งเป็นอันตรายต่อความปลอดภัยอย่างมาก

• มีเสียงกรุ๊งกริ๊งหรือเสียงดังเวลาเปลี่ยนเกียร์: ข้อต่อตัวยูที่สึกหรอจะทำให้เกิดเสียงดังกึกก้องเมื่อระบบขับเคลื่อนเปลี่ยนจากการเร่งความเร็วเป็นการชะลอตัว หรือเมื่อเปลี่ยนจากการขับเคลื่อนเป็นการถอยหลัง สาเหตุนี้เกิดจากการเล่นมากเกินไปในถ้วยลูกปืน
• การสั่นสะเทือนที่ความเร็วทางหลวง: ข้อต่อตัวยูที่มีตลับลูกปืนสึกหรอหรือยึดแน่นจะทำให้เกิดความไม่สมดุลในเพลาขับที่กำลังหมุน ทำให้เกิดการสั่นสะเทือนที่โดยทั่วไปจะแย่ลงกว่านั้น 45 ถึง 55 ไมล์ต่อชั่วโมง .
• การรับสารภาพระหว่างการเคลื่อนไหวด้วยความเร็วต่ำ: ตลับลูกปืนข้อต่อตัวยูที่แห้งหรือสึกกร่อนซึ่งสูญเสียการหล่อลื่นจะส่งเสียงดังเอี๊ยดเป็นจังหวะในขณะที่เพลาขับหมุน ซึ่งมักจะได้ยินเสียงมากที่สุดในการซ้อมรบในลานจอดรถ
• สนิมหรือการสึกหรอที่มองเห็นได้บนไม้กางเขนและฝาครอบแบริ่ง: ในระหว่างการตรวจสอบด้วยสายตา คราบสนิมรอบคลิปยึดฝาครอบแบริ่งหรือร่องการสึกหรอที่มองเห็นได้ในตัวรองแหนบบ่งชี้ว่าข้อต่อตัวยูจำเป็นต้องเปลี่ยนทันที
• น้ำมันเกียร์รั่วบริเวณซีลด้านหลัง: ข้อต่อ U ที่ล้มเหลวอาจทำให้ซีลเพลาเอาท์พุตของระบบเกียร์เสียหายได้โดยการสร้างแรงสั่นสะเทือนและการโหลดในแนวรัศมี ทำให้เกิดการรั่วไหลของของไหลที่อาจเข้าใจผิดว่าเป็นปัญหาของซีลมากกว่าปัญหาข้อต่อตัว U

การบำรุงรักษาและการเปลี่ยนข้อต่อ U

ข้อต่อยูสมัยใหม่จำนวนมากถูกปิดผนึกและไม่จำเป็นต้องบำรุงรักษา แต่ยานพาหนะที่มีข้อต่อยูที่ทาน้ำมันได้ (ระบุได้จากข้อต่อจาระบีหรือข้อต่อแบบซีกบนไม้กางเขน) ควรได้รับการหล่อลื่นตามช่วงเวลาปกติ — โดยทั่วไปทุกๆ 5,000 ถึง 10,000 ไมล์ หรือตามที่ระบุไว้ในคู่มือซ่อมบำรุงรถยนต์ การอัดจาระบีจะบังคับให้สารหล่อลื่นใหม่เข้าไปในตลับลูกปืนเข็มที่อยู่ภายในฝาแต่ละอัน แทนที่สิ่งปนเปื้อนและป้องกันการสึกหรอของโลหะบนโลหะที่นำไปสู่ความล้มเหลวก่อนเวลาอันควร

ช่วงเวลาทดแทน

ไม่มีช่วงระยะทางสากลสำหรับการเปลี่ยนข้อต่อ U เนื่องจากอายุการใช้งานจะแตกต่างกันไปอย่างมากตามสภาพการใช้งาน ข้อต่อตัวยูที่ได้รับการดูแลอย่างดีบนรถโดยสารที่ใช้งานน้อยอาจมีอายุการใช้งานของยานพาหนะ — 150,000 ไมล์ขึ้นไป . ข้อต่อตัวยูบนรถบรรทุกที่บรรทุกหนักซึ่งใช้สำหรับลากจูงหรือขับรถออฟโรดอาจเสื่อมสภาพได้ 50,000 ถึง 80,000 ไมล์ . การตรวจสอบอย่างสม่ำเสมอทุกครั้งที่เปลี่ยนถ่ายน้ำมันเครื่องเป็นวิธีการบำรุงรักษาที่เชื่อถือได้มากที่สุด

ค่าทดแทน

โดยทั่วไปแล้วการเปลี่ยนชิ้นส่วนข้อต่อ u จะมีค่าใช้จ่ายระหว่าง $20 และ $100 สำหรับรถโดยสารส่วนใหญ่ รื้อข้อต่อเก่าออกแล้วติดตั้งข้อต่อใหม่เพิ่ม $75 ถึง $200 ที่ร้านค้าทั่วไป ขึ้นอยู่กับความซับซ้อนของเพลาขับ และต้องถอดและปรับเพลาหรือไม่ ข้อต่อยูของรถบรรทุกหนักมีราคาสูงกว่ามาก — $150 ถึง $500 ต่อข้อต่อ ขึ้นอยู่กับซีรีย์และการใช้งาน

เหตุใด U-Joint ยังคงเป็นส่วนประกอบของระบบขับเคลื่อนที่สำคัญ

แม้จะมีการใช้ข้อต่อ CV ในระบบขับเคลื่อนล้อหน้าและระบบขับเคลื่อนสี่ล้อเพิ่มมากขึ้น แต่ข้อต่อ Cardan u แบบดั้งเดิมยังคงโดดเด่นในรถบรรทุกขับเคลื่อนล้อหลัง ยานพาหนะเพื่อการพาณิชย์ อุปกรณ์การเกษตร และเครื่องจักรอุตสาหกรรม ข้อดีของมันตรงไปตรงมา:

• กำลังแรงบิดสูง เมื่อเทียบกับขนาดและน้ำหนัก ทำให้เหมาะสำหรับรถบรรทุกและอุปกรณ์หนักที่มีการลากจูงหรือการลากจูงทำให้เกิดภาระในระบบขับเคลื่อนที่รุนแรง
• ความสามารถในการทดแทนสนาม — ข้อต่อ U สามารถแทนที่ได้ด้วยเครื่องมือช่างพื้นฐานในภาคสนาม ซึ่งแตกต่างจากข้อต่อ CV หลายๆ ชิ้นที่ต้องใช้อุปกรณ์พิเศษหรือการเปลี่ยนเพลาทั้งเพลา
• ต้นทุนที่ต่ำกว่า กว่าข้อต่อ CV ที่เท่ากันที่อัตราแรงบิดที่เท่ากัน ซึ่งมีความสำคัญอย่างมากในการดำเนินงานของยานพาหนะเชิงพาณิชย์ ซึ่งต้นทุนส่วนประกอบจะทวีคูณในยานพาหนะหลายร้อยคัน
• ความทนทานที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว ตลอดระยะเวลากว่าศตวรรษของการพัฒนาทางกลไก พร้อมด้วยโหมดความล้มเหลวที่เข้าใจกันดี ซึ่งสามารถคาดการณ์และจัดการได้ด้วยการตรวจสอบตามปกติ

u-joint แก้ปัญหาทางวิศวกรรมขั้นพื้นฐาน — วิธีส่งกำลังการหมุนระหว่างเพลาสองอันที่ไม่สามารถจัดตำแหน่งได้อย่างสมบูรณ์แบบ — และทำเช่นนั้นด้วยความสง่างามทางกลที่เปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยนับตั้งแต่มีการใช้อย่างแพร่หลายในต้นศตวรรษที่ 20