Wat is het doel van een U-gewricht? Functie en belang

Het doel van een u-gewricht – afkorting van kruiskoppeling – is to rotatiekoppel en beweging overbrengen tussen twee assen die niet perfect zijn uitgelijnd . Het fungeert als een flexibele mechanische koppeling die hoekafwijkingen opvangt, waardoor de kracht soepel van het ene roterende onderdeel naar het andere kan stromen, zelfs wanneer de assen elkaar onder een hoek ontmoeten in plaats van in een rechte lijn.

In de praktijk maakt een u-gewricht het mogelijk dat de aandrijfas van een voertuig motorvermogen aan de wielen levert, zelfs als de ophanging op en neer beweegt en de aandrijflijn van positie verandert. Zonder dit zou de rigide mismatch tussen de assen trillingen, mechanische binding of volledige uitval van de aandrijflijn veroorzaken. U-verbindingen worden aangetroffen in auto's, vrachtwagens, landbouwmachines, industriële machines en aandrijfsystemen voor schepen.

Hoe een U-gewricht mechanisch werkt

Een u-verbinding bestaat uit een kruisvormig centraal stuk – het kruis of de spin genoemd – met vier tappen (armen) die zich onder hoeken van 90° naar buiten uitstrekken. Elke tap past in een lagerbeker, en de twee paar lagerschalen zijn gemonteerd in jukken die zijn bevestigd aan de twee assen die met elkaar zijn verbonden. Deze configuratie creëert twee draaiassen die haaks op elkaar staan, waardoor rotatie onder een hoek mogelijk is.

Een enkele u-verbinding kan doorgaans een verkeerde hoekuitlijning opvangen tot 15° tot 25° afhankelijk van het ontwerp, hoewel het werken onder grote hoeken de spanning op de lagers verhoogt en snelheidsvariaties in de uitgaande as veroorzaakt. Om deze snelheidsvariatie - ook wel snelheidsfluctuatie genoemd - te elimineren, worden doorgaans twee u-verbindingen in serie gebruikt met daartussen een slipjuk of middenlager, een configuratie die een dubbele cardan- of tweedelige aandrijfas wordt genoemd.

Het cardangewrichtprincipe

Het standaard u-gewrichtsontwerp wordt formeel een Cardan-gewricht genoemd, genoemd naar de Italiaanse wiskundige Gerolamo Cardano die de principes ervan in de 16e eeuw beschreef. Het belangrijkste kenmerk is dat, hoewel het koppel effectief wordt overgedragen, de uitgaande as niet met een perfect constante snelheid roteert ten opzichte van de invoer; de snelheid varieert cyclisch twee keer per omwenteling. Deze variatie is minimaal bij kleine bedieningshoeken (minder dan 3°), maar wordt daarboven aanzienlijk en mogelijk schadelijk 10° tot 15° .

Constant Velocity (CV) gewrichten als alternatief

Waar een soepele uitvoersnelheid essentieel is bij hoge werkhoeken – vooral bij assen met voorwielaandrijving – vervangen of vullen homokineten de kruiskoppelingen aan. CV-verbindingen elimineren de snelheidsschommelingen die inherent zijn aan cardan-u-verbindingen, maar zijn complexer en duurder om te vervaardigen. U-verbindingen blijven de voorkeur genieten voor zware toepassingen in aandrijfassen vanwege hun sterkte, eenvoud en gemak van vervanging.

Primaire functies van een U-gewricht in een voertuig

In een aandrijflijn voor auto's dienen u-verbindingen tegelijkertijd verschillende onderling verbonden mechanische doeleinden:

• Krachtoverbrenging over hoeken: De belangrijkste rol is het overbrengen van het motorkoppel van de transmissie via de aandrijfas naar het differentieel, zelfs als de veerweg de hoek tussen de componenten verandert.
• Opvangbeweging opvangen: Terwijl de achteras over het wegdek op en neer beweegt, verandert de hoek tussen de aandrijfas en de rondselas van het differentieel voortdurend. Het u-gewricht absorbeert deze hoekvariatie zonder de krachtstroom te onderbreken.
• Lengteveranderingen in de aandrijfas toestaan: In combinatie met een slipjuk zorgen u-verbindingen ervoor dat de aandrijfas van effectieve lengte kan veranderen naarmate de ophanging wordt samengedrukt en uitgeschoven, waardoor wordt voorkomen dat de as uit zijn plaats wordt gedrukt.
• Vermindering van de belasting van de aandrijflijn: Door een flexibel koppelpunt te bieden, voorkomen u-verbindingen dat stijve schokbelastingen rechtstreeks tussen de transmissie en het differentieel worden overgedragen, waardoor de levensduur van beide componenten wordt verlengd.

Waar U-verbindingen in verschillende toepassingen voorkomen

U-verbindingen zijn niet beperkt tot aandrijfassen van personenauto's. Ze komen voor in een breed scala aan mechanische systemen waar rotatiebewegingen een hoekopening moeten overbruggen:

U-gewrichtstypen en hun specifieke doeleinden

Er bestaan verschillende u-gewrichtsontwerpen om te voldoen aan verschillende eisen op het gebied van werkhoek, koppelcapaciteit, snelheid en soepele vermogensafgifte:

Enkel cardan U-gewricht

Het meest voorkomende type. Simpel, sterk en goedkoop. Wordt gebruikt in de meeste aandrijfassen met achterwielaandrijving. Meest geschikt voor gebruik onder hoeken 10° . Standaard aandrijfassen voor personenauto's en lichte vrachtwagens werken doorgaans tussen 1° en 7° bij het u-gewricht onder normale rijhoogte.

Dubbele Cardan (CV-U-gewricht)

Twee in serie gemonteerde cardanverbindingen met daartussen een centreerbus. Deze opstelling elimineert de snelheidsfluctuaties van elk afzonderlijk gewricht, waardoor een soepele uitvoer met constante snelheid ontstaat. Vaak gebruikt in de voorste aandrijfassen van 4WD-vrachtwagens en in voorastoepassingen waarbij de stuurhoek grote operationele hoeken creëert - soms groter dan 20° tot 30° .

Spicer / Dana U-gewrichten (zwaar uitgevoerd)

Dit zijn cardanverbindingen voor zwaar gebruik, vernoemd naar het merk Dana Spicer, ontworpen voor toepassingen met een hoog koppel in vrachtwagens, bussen en terreinvoertuigen. Ze gebruiken grotere lagercups en dikkere tappen om koppelbelastingen aan te kunnen die standaard u-verbindingen van personenauto's zouden vernietigen. Een Spicer-koppeling voor zwaar gebruik, geschikt voor een vrachtwagen van klasse 8, kan een hoger koppel aan 10.000 lb-ft .

Stuur U-gewrichten

Kleinere, nauwkeurige u-verbindingen die worden gebruikt in stuurkolommen. Deze werken met een zeer laag koppel in vergelijking met aandrijflijnverbindingen, maar moeten een soepele beweging zonder speling bieden, zodat de stuurfeedback accuraat is. Versleten stuurverbindingen veroorzaken een merkbaar los of rammelend stuurgevoel.

Tekenen dat een U-gewricht faalt

Omdat u-gewrichten slijtageonderdelen zijn, vooral in voertuigen die onder hogere hoeken rijden of zware lasten dragen, voorkomt het vroegtijdig herkennen van storingssymptomen ernstiger schade aan de aandrijflijn. Een defecte kruiskoppeling kan ervoor zorgen dat de aandrijfas volledig loskomt van het voertuig, wat een aanzienlijk veiligheidsrisico vormt.

• Kloppend of bonzend geluid bij het schakelen: Een versleten u-gewricht zal een duidelijke klap veroorzaken wanneer de aandrijflijn overgaat van acceleratie naar vertraging of bij het overschakelen van rijden naar achteruit. Dit wordt veroorzaakt door overmatige speling in de lagercups.
• Trillingen op snelwegsnelheid: Een u-gewricht met versleten of vastgelopen lagers zorgt voor een onbalans in de roterende aandrijfas, waardoor een trilling ontstaat die doorgaans erger wordt 45 tot 55 km/uur .
• Piepen tijdens beweging op lage snelheid: Droge of gecorrodeerde u-gewrichtslagers die hun smering hebben verloren, zullen ritmisch piepen terwijl de aandrijfas draait, wat vaak het meest hoorbaar is tijdens manoeuvres op parkeerterreinen.
• Roest of zichtbare slijtage aan kruis en lagerkappen: Tijdens visuele inspectie duiden roestvlekken rond de borgclips van de lagerkap of zichtbare slijtagegroeven in de tappen op een u-verbinding die onmiddellijk moet worden vervangen.
• Transmissievloeistoflekkage nabij de achterste afdichting: Een defecte u-verbinding kan de uitgaande asafdichting van de transmissie beschadigen door trillingen en radiale belasting te veroorzaken, waardoor een vloeistoflek ontstaat dat kan worden aangezien voor een afdichtingsprobleem in plaats van voor een u-verbindingsprobleem.

Onderhoud en vervanging van U-gewrichten

Veel moderne kruiskoppelingen zijn afgedicht en behoeven geen onderhoud, maar voertuigen die zijn uitgerust met smeerbare kruiskoppelingen (te herkennen aan een smeernippel of smeernippel op het kruis) moeten regelmatig worden gesmeerd – doorgaans elke 5.000 tot 10.000 mijl of zoals gespecificeerd in de servicehandleiding van het voertuig. Door het smeren wordt vers smeermiddel in de naaldlagers in elke dop geperst, waardoor verontreinigingen worden verplaatst en metaal-op-metaal-slijtage wordt voorkomen die tot vroegtijdig falen leidt.

Vervangingsintervallen

Er is geen universeel kilometerinterval voor het vervangen van u-gewrichten, omdat de levensduur aanzienlijk varieert afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden. Een goed onderhouden kruiskoppeling op een licht gebruikte personenauto kan de hele levensduur van het voertuig meegaan — 150.000 kilometer of meer . Een kruiskoppeling op een zwaarbeladen vrachtwagen die wordt gebruikt voor slepen of off-road rijden, kan verslijten 50.000 tot 80.000 kilometer . Regelmatige inspectie bij elke olieverversing is de meest betrouwbare onderhoudsaanpak.

Vervangingskosten

Een vervangend u-gewrichtsonderdeel kost doorgaans tussen de $ 20 en $ 100 voor de meeste personenauto's. Arbeid om de oude verbinding eruit te drukken en de nieuwe te installeren $ 75 tot $ 200 bij een typische winkel, afhankelijk van de complexiteit van de aandrijfas en of de as moet worden verwijderd en uitgebalanceerd. U-verbindingen voor zware vrachtwagens kunnen aanzienlijk duurder zijn - $ 150 tot $ 500 per joint afhankelijk van de serie en toepassing.

Waarom het U-gewricht een cruciaal onderdeel van de aandrijflijn blijft

Ondanks het toenemende gebruik van homokineten in systemen met voorwielaandrijving en vierwielaandrijving, blijft de traditionele cardan-koppeling dominant in vrachtwagens met achterwielaandrijving, bedrijfsvoertuigen, landbouwmachines en industriële machines. De voordelen zijn eenvoudig:

• Hoog koppelvermogen in verhouding tot de grootte en het gewicht, waardoor het ideaal is voor vrachtwagens en zwaar materieel waarbij het slepen of vervoeren extreme belasting van de aandrijflijn genereert.
• Vervangbaarheid ter plaatse — een u-gewricht kan in het veld worden vervangen met standaard handgereedschap, in tegenstelling tot veel homokinetische koppelingen waarvoor gespecialiseerde apparatuur of vervanging van de volledige as vereist is.
• Lagere kosten dan gelijkwaardige homokineten met gelijkwaardige koppelwaarden, wat aanzienlijk van belang is bij commerciële wagenparkactiviteiten waarbij de componentkosten zich over honderden voertuigen vermenigvuldigen.
• Bewezen duurzaamheid gedurende meer dan een eeuw van mechanische ontwikkeling, met een goed begrepen storingsmodus die voorspelbaar en beheersbaar is met routinematige inspecties.

Het u-gewricht lost een fundamenteel technisch probleem op – hoe rotatiekracht over te brengen tussen twee assen die niet perfect uitgelijnd kunnen worden gehouden – en doet dit met mechanische elegantie die weinig is veranderd sinds de wijdverbreide toepassing ervan in het begin van de 20e eeuw.