Mục đích của khớp chữ U là gì? Chức năng & Tầm quan trọng

Mục đích của một khớp chữ u — viết tắt của khớp vạn năng — là để truyền mômen quay và chuyển động giữa hai trục không thẳng hàng hoàn hảo . Nó hoạt động như một khớp nối cơ học linh hoạt có khả năng điều chỉnh độ lệch góc, cho phép năng lượng truyền trơn tru từ bộ phận quay này sang bộ phận quay khác ngay cả khi các trục gặp nhau ở một góc chứ không phải theo đường thẳng.

Về mặt thực tế, khớp chữ u giúp trục truyền động của ô tô có thể truyền công suất động cơ tới các bánh xe ngay cả khi hệ thống treo di chuyển lên xuống và hệ thống truyền động thay đổi vị trí. Nếu không có nó, sự không khớp cứng nhắc giữa các trục sẽ gây ra rung động, liên kết cơ học hoặc hỏng hoàn toàn hệ thống truyền động. Khớp chữ U được tìm thấy trong ô tô, xe tải, thiết bị nông nghiệp, máy móc công nghiệp và hệ thống truyền động hàng hải.

Khớp chữ U hoạt động cơ học như thế nào

Khớp chữ u bao gồm một phần trung tâm hình chữ thập - được gọi là hình chữ thập hoặc hình nhện - với bốn thân (cánh tay) mở rộng ra bên ngoài một góc 90°. Mỗi trục phù hợp với một cốc chịu lực và hai cặp cốc chịu lực được gắn vào các ách gắn vào hai trục được nối. Cấu hình này tạo ra hai trục quay vuông góc với nhau, cho phép xoay đi qua một góc.

Một khớp chữ u đơn lẻ thường có thể điều chỉnh độ lệch góc của lên đến 15° đến 25° tùy thuộc vào thiết kế, mặc dù hoạt động ở góc cao sẽ làm tăng ứng suất lên ổ trục và gây ra sự thay đổi tốc độ ở trục đầu ra. Để loại bỏ sự thay đổi tốc độ này - được gọi là dao động vận tốc - hai khớp chữ u thường được sử dụng nối tiếp với một chạc trượt hoặc ổ trục giữa chúng, một cấu hình được gọi là trục truyền động hai mảnh hoặc Cardan đôi.

Nguyên tắc chung Cardan

Thiết kế khớp chữ u tiêu chuẩn được chính thức gọi là khớp Cardan, được đặt theo tên của nhà toán học người Ý Gerolamo Cardano, người đã mô tả các nguyên tắc của nó vào thế kỷ 16. Đặc điểm chính của nó là trong khi truyền mô-men xoắn hiệu quả, trục đầu ra không quay với tốc độ hoàn toàn không đổi so với đầu vào - tốc độ thay đổi theo chu kỳ hai lần trên mỗi vòng quay. Sự thay đổi này là tối thiểu ở các góc hoạt động nhỏ (dưới 3°) nhưng trở nên đáng kể và có khả năng gây hư hỏng ở trên 10° đến 15° .

Các khớp nối vận tốc không đổi (CV) như một giải pháp thay thế

Trong đó tốc độ đầu ra êm ái là điều cần thiết ở các góc vận hành cao - đặc biệt là ở trục dẫn động cầu trước - khớp CV thay thế hoặc bổ sung khớp chữ u. Khớp CV loại bỏ sự dao động tốc độ vốn có của khớp chữ u Cardan nhưng chế tạo phức tạp và đắt tiền hơn. Khớp chữ U vẫn được ưa chuộng cho các ứng dụng chịu tải nặng trong trục truyền động do độ bền, tính đơn giản và dễ thay thế của chúng.

Chức năng chính của khớp chữ U trên xe

Trong hệ thống truyền động ô tô, khớp chữ u phục vụ đồng thời một số mục đích cơ học có liên quan với nhau:

• Truyền lực qua các góc: Vai trò chính - truyền mô-men xoắn của động cơ từ đầu ra hộp số qua trục truyền động tới bộ vi sai, ngay cả khi hành trình của hệ thống treo thay đổi góc giữa các bộ phận.
• Thích ứng với chuyển động của hệ thống treo: Khi trục sau di chuyển lên xuống trên mặt đường, góc giữa trục dẫn động và trục bánh răng vi sai liên tục thay đổi. Khớp chữ u hấp thụ sự thay đổi góc này mà không làm gián đoạn dòng điện.
• Cho phép thay đổi chiều dài trục truyền động: Kết hợp với một chốt trượt, các khớp nối chữ u cho phép trục truyền động thay đổi chiều dài hiệu quả khi hệ thống treo nén và giãn ra, ngăn không cho trục bị đẩy ra khỏi vị trí.
• Giảm ứng suất truyền động: Bằng cách cung cấp một điểm khớp nối linh hoạt, khớp nối chữ u ngăn chặn tải trọng sốc cứng truyền trực tiếp giữa bộ truyền động và bộ vi sai, kéo dài tuổi thọ của cả hai bộ phận.

Nơi tìm thấy khớp chữ U trên các ứng dụng khác nhau

Khớp chữ U không chỉ giới hạn ở trục truyền động của ô tô khách. Chúng xuất hiện trong nhiều hệ thống cơ học ở những nơi mà chuyển động quay phải vượt qua một khe góc:

Các loại khớp chữ U và mục đích cụ thể của chúng

Các thiết kế khớp chữ u khác nhau tồn tại để đáp ứng các nhu cầu khác nhau về góc vận hành, công suất mô-men xoắn, tốc độ và độ êm ái của việc cung cấp điện:

Khớp chữ U Cardan đơn

Loại phổ biến nhất. Đơn giản, mạnh mẽ và không tốn kém. Được sử dụng trong phần lớn các trục dẫn động cầu sau. Phù hợp nhất cho các góc hoạt động dưới 10° . Trục truyền động của xe khách và xe tải nhẹ tiêu chuẩn thường hoạt động giữa 1° và 7° tại khớp chữ u dưới chiều cao đi xe bình thường.

Cardan đôi (CV U-khớp)

Hai khớp Cardan được gắn nối tiếp với một ổ cắm định tâm giữa chúng. Sự sắp xếp này loại bỏ sự dao động vận tốc của từng khớp riêng lẻ, tạo ra đầu ra có vận tốc không đổi trơn tru. Thường được sử dụng trong trục truyền động phía trước của xe tải 4WD và trong các ứng dụng trục trước nơi góc lái tạo ra góc vận hành lớn - đôi khi vượt quá 20° đến 30° .

Khớp nối chữ U Spicer / Dana (Công suất cao)

Được đặt theo tên thương hiệu Dana Spicer, đây là các khớp nối Cardan hạng nặng được thiết kế cho các ứng dụng mô-men xoắn cao trên xe tải, xe buýt và xe địa hình. Họ sử dụng các cốc chịu lực lớn hơn và các trục dày hơn để xử lý tải trọng mô-men xoắn có thể phá hủy khớp chữ u của xe khách tiêu chuẩn. Khớp nối Spicer hạng nặng được xếp hạng cho xe tải Loại 8 có thể xử lý công suất mô-men xoắn vượt quá 10.000 lb-ft .

Khớp chữ U lái

Khớp chữ u nhỏ hơn, chính xác hơn được sử dụng trong cột lái. Chúng hoạt động ở mô-men xoắn rất thấp so với các khớp nối của hệ thống truyền động nhưng phải cung cấp chuyển động mượt mà, không có phản ứng ngược để phản hồi lái được chính xác. Các khớp chữ u của tay lái bị mòn gây ra cảm giác lái lỏng lẻo hoặc kêu lạch cạch rõ rệt.

Dấu hiệu cho thấy khớp chữ U đang bị hỏng

Bởi vì khớp nối chữ u là bộ phận bị mòn — đặc biệt là trong các xe vận hành ở góc cao hơn hoặc chở tải nặng — việc nhận biết sớm các triệu chứng hỏng hóc sẽ ngăn ngừa hư hỏng hệ thống truyền động nghiêm trọng hơn. Khớp chữ u bị hỏng có thể khiến trục truyền động tách hoàn toàn khỏi xe, đây là một mối nguy hiểm đáng kể về an toàn.

• Tiếng kêu lạch cạch hoặc lạch cạch khi sang số: Khớp chữ u bị mòn sẽ tạo ra tiếng kêu lạch cạch rõ rệt khi hệ thống truyền động chuyển từ tăng tốc sang giảm tốc hoặc khi chuyển từ dẫn động sang lùi. Điều này là do sự tác động quá mức của cốc chịu lực.
• Độ rung ở tốc độ đường cao tốc: Khớp chữ u có vòng bi bị mòn hoặc bị kẹt sẽ tạo ra sự mất cân bằng trong trục truyền động quay, tạo ra rung động thường nặng hơn ở trên 45 đến 55 dặm/giờ .
• Tiếng kêu khi di chuyển ở tốc độ thấp: Vòng bi khớp chữ u khô hoặc bị ăn mòn, mất chất bôi trơn sẽ kêu cót két nhịp nhàng khi trục truyền động quay, thường dễ nghe thấy nhất khi di chuyển trong bãi đỗ xe.
• Rỉ sét hoặc mòn rõ rệt trên chữ thập và nắp ổ trục: Trong quá trình kiểm tra bằng mắt, vết rỉ sét xung quanh các kẹp giữ nắp ổ trục hoặc các rãnh mòn có thể nhìn thấy được trong các trục cho thấy khớp nối chữ u cần được thay thế ngay lập tức.
• Rò rỉ chất lỏng truyền gần phốt phía sau: Khớp chữ u bị hỏng có thể làm hỏng phốt trục đầu ra của hộp số bằng cách tạo ra rung động và tải hướng tâm, gây ra rò rỉ chất lỏng có thể bị nhầm với vấn đề phốt thay vì vấn đề khớp chữ u.

Bảo trì và thay thế khớp chữ U

Nhiều khớp chữ u hiện đại được bịt kín và không cần bảo trì, nhưng các phương tiện được trang bị khớp chữ u có thể bôi trơn (được xác định bằng khớp nối mỡ hoặc khớp nối zerk trên chữ thập) cần được bôi trơn định kỳ - thường là mỗi 5.000 đến 10.000 dặm hoặc như được chỉ định trong sách hướng dẫn bảo dưỡng của xe. Việc bôi trơn sẽ ép chất bôi trơn mới vào ổ kim bên trong mỗi nắp, loại bỏ các chất gây ô nhiễm và ngăn chặn sự mài mòn giữa kim loại và kim loại dẫn đến hỏng hóc sớm.

Khoảng thời gian thay thế

Không có khoảng cách chung cho việc thay khớp chữ u vì tuổi thọ thay đổi đáng kể tùy theo điều kiện vận hành. Khớp nối chữ u được bảo dưỡng tốt trên ô tô du lịch ít sử dụng có thể kéo dài tuổi thọ của xe — 150.000 dặm trở lên . Khớp chữ u trên xe tải nặng dùng để kéo hoặc lái xe địa hình có thể bị mòn trong 50.000 đến 80.000 dặm . Kiểm tra thường xuyên mỗi lần thay dầu là phương pháp bảo trì đáng tin cậy nhất.

Chi phí thay thế

Một bộ phận khớp chữ u thay thế thường có giá từ $20 và $100 cho hầu hết các loại xe chở khách. Nhân công ép ra mối nối cũ và lắp thêm mối nối mới $75 đến $200 tại một cửa hàng thông thường, tùy thuộc vào độ phức tạp của trục truyền động và liệu trục có phải được tháo ra và cân bằng hay không. Khớp chữ u của xe tải hạng nặng có thể đắt hơn đáng kể - $150 đến $500 mỗi khớp tùy theo dòng sản phẩm và ứng dụng.

Tại sao khớp nối chữ U vẫn là bộ phận truyền động quan trọng

Mặc dù việc sử dụng khớp CV ngày càng tăng trong các hệ thống dẫn động cầu trước và tất cả các bánh, khớp chữ u Cardan truyền thống vẫn chiếm ưu thế trong các xe tải dẫn động cầu sau, xe thương mại, thiết bị nông nghiệp và máy móc công nghiệp. Ưu điểm của nó rất đơn giản:

• Công suất mô-men xoắn cao so với kích thước và trọng lượng, khiến nó trở nên lý tưởng cho xe tải và thiết bị hạng nặng khi việc kéo hoặc kéo tạo ra tải trọng truyền động cực lớn.
• Khả năng thay thế hiện trường — khớp chữ u có thể được thay thế bằng các dụng cụ cầm tay cơ bản tại hiện trường, không giống như nhiều cụm khớp nối CV yêu cầu thiết bị chuyên dụng hoặc thay thế toàn bộ trục trục.
• Chi phí thấp hơn so với các khớp nối CV tương đương ở mức mô-men xoắn tương đương, điều này có ý nghĩa quan trọng trong hoạt động của đội xe thương mại khi chi phí linh kiện tăng lên gấp bội trên hàng trăm phương tiện.
• Độ bền đã được chứng minh trải qua hơn một thế kỷ phát triển cơ khí, với dạng hư hỏng được hiểu rõ, có thể dự đoán và quản lý được bằng việc kiểm tra định kỳ.

Khớp chữ u giải quyết một vấn đề kỹ thuật cơ bản — làm thế nào để truyền công suất quay giữa hai trục không thể giữ thẳng hàng hoàn hảo — và làm được điều đó với sự sang trọng cơ học đã thay đổi rất ít kể từ khi được áp dụng rộng rãi vào đầu thế kỷ 20.