Moment obrotowy pochodzący ze skrzyni biegów rozprowadzany jest w układzie napędowym przy pomocy wałów i przegubów. Ich rola polega nie tylko na sprostaniu niutometrom, ale także na umożliwieniu zmian trasy ich przebiegu – zarówno kątowym, jak i osiowym.
Obowiązkowe przeguby
Gdy w pojeździe z zawieszeniem zależnym napędzana jest tylko jedna tylna oś, to zastosowanie sztywnego, tylnego mostu nie wymaga użycia dodatkowych przegubów na półosiach; jednak w przypadku zawieszenia niezależnego na półosiach muszą znajdować się przeguby, umożliwiające zmianę ich położenia i długości. W przypadku przednich osi – niezależnie od rodzaju zawieszenia – konieczne jest jeszcze skręcanie kół, więc przeguby napędowe między zwrotnicą a piastą stają się niezbędne. W większości zawieszeń niezależnych nieodzowne są przeguby przy przekładniach głównych.
Zwolnice zmniejszają obciążenie przegubów napędowych
Tradycja
Klasyczny wał napędowy składa się z trzech części połączonych przegubami. Najczęściej są to asynchroniczne przeguby krzyżakowe Cardana, czyli popularne [su_tooltip style=”cluetip” position=”north” size=”1″ title=”benzynowca*” content=”Nazwa krzyżak pochodzi od kształtu elementu łączącego ze sobą widełki dwóch wałów.” class=”dymek”]„krzyżaki”*[/su_tooltip]. Pomiędzy przegubami znajduje się wał pośredni. W zależności od konstrukcji może on składać się z dwóch głównych części połączonych złączem wielowypustowym. Ma ono za zadanie kompensować zmianę długości wału w czasie ruchów zawieszenia i główki mostu. Niekiedy zadanie to przejmuje suwliwie pracujące na wielowypuście połączenie z wałem. Odchylenie wałów na krzyżakach nie powinno przekraczać ok. 24° – im jest większe, tym bardziej odczuwa się skutki asynchronicznej pracy przegubów, które przyspieszają i opóźniają obroty umieszczonego między nimi wału. Ponieważ wały napędowe osiągają znaczne prędkości obrotowe (na najwyższym biegu, w zależności od jego przełożenia, mogą osiągać co najmniej prędkość obrotową silnika) i posiadają stosunkowo niewielką sztywność poprzeczną, muszą być starannie wyrównoważone na specjalnej wyważarce. Zbyt duże niewyrównoważenie usuwa się poprzez przyspawanie do rury ciężarków korygujących. Gdy długość całkowita wału jest większa niż 1,6 m, pojedynczy wał powinno zastąpić się wałem dwuczłonowym – podpartym w miejscu podziału łożyskiem podporowym. W konstrukcji aut osobowych z dołączanym napędem tylnej osi całkiem często stosowane są wały nawet trójczłonowe. Jest to niestety dość drogie, ale pomaga uporać się z problemem wibracji.
Podwójny przegub krzyżakowy jest zredukowanym do minimum długości pośrednim wałem Cardana
[su_box title=”ZADANIA PRZEGUBÓW” box_color=”#040404″ title_color=”#ffffff”]W czasie pracy układu napędowego oraz zawieszenia może następować wzajemna zmiana położenia poszczególnych elementów. Ruchy te wywołane są zarówno przez reakcje mocowań silnika na jego moment obrotowy, jak i poprzez najeżdżanie kołami na nierówności nawierzchni. W przypadku samochodów terenowych z dużymi skokami zawieszenia przemieszczenia te mogą osiągać duże wartości. Dlatego też w celu umożliwienia ich kompensacji na wyjściach napędu z reduktora i mostu w skład wałów napędowych wchodzą przeguby, które umożliwiają zmiany kątów położenia lub dodatkowo zapewniają zmiany odległości oraz wielowypusty do wzajemnych współosiowych ruchów.[/su_box]
Przegub krzyżakowy w przednim moście napędowym
Łączenie krzyżaków
W celu zniwelowania charakterystycznych dla przegubów asynchronicznych zmian prędkości obrotowej wału wyjściowego stosuje się dwa, odpowiednio umieszczone względem siebie przeguby krzyżakowe. Zasady umożliwiające zachowanie równobieżności dzięki wzajemnemu kasowaniu się nierównomierności obrotów są następujące: yy widełki obu przegubów wału pośredniego muszą leżeć w jednej płaszczyźnie, yy kąty załamania obu przegubów powinny być takie same, yy wszystkie trzy wały powinny leżeć w jednej płaszczyźnie pionowej lub jak najbliżej niej. Jeżeli warunki te są spełnione, to prędkość kątowa wałów wejściowego i wyjściowego jest taka sama – stała – mimo że krótki wał pośredni z przegubami nadal ma zmienną prędkość.
Łożyskowanie
Krzyżak ułożyskowany jest na widełkach za pomocą łożyska igiełkowego. W większości konstrukcji krzyżaki mają wywiercone kanały do smarowania łożysk i są wyposażone w specjalną smarowniczkę. W klasycznych samochodach terenowych wały najczęściej są tak krótkie, że nie wymagają stosowania łożysk podporowych, jednakże niektóre SUV-y, posiadające poprzecznie zamontowany układ napędowy i niezależne zawieszenie tylne, wyposażone są w wały dzielone. W celu zmniejszenia drgań przenoszonych na nadwozie łożyska umieszczone są w gumowych obejmach, które umożliwiają również nieznaczne poosiowe przemieszczenia. W tego typu wałach czasami można spotkać cicho pracujące, gumowe przeguby elastyczne tłumiące drgania skrętne.
Problemem z ekstremalnymi konstrukcjami na sztywnych mostach są niekorzystne warunki pracy wałów napędowych
Krótkie wały, czyli półosie
W przypadku [su_tooltip style=”cluetip” position=”north” size=”1″ title=”benzynowca*” content=”Nazwa oś w półosi jest nieco myląca, gdyż oś nie jest elementem przenoszącym moment obrotowy, tymczasem półoś służy właśnie do napędu.” class=”dymek”]półosi[/su_tooltip] napędowych sprawa jest bardziej skomplikowana – występuje tu kilka rozwiązań.
Przede wszystkim mamy dwa rodzaje przegubów:
- proste, nierównobieżne, asynchroniczne – są to przeguby krzyżakowe i elastyczne;
- homokinetyczne, równobieżne, synchroniczne – są to przeguby kulowe: Birfielda, Rzeppa, Weissa; zawiasowe lub trójramienne.
W celu zapewnienia prawidłowego działania przegubów kulowych muszą być spełnione następujące warunki:
- wszystkie kule przenoszące moment napędowy z jednego wału na drugi muszą leżeć w jednej płaszczyźnie – zwanej homokinetyczną;
- płaszczyzna ta musi się tak ustawiać, aby dzielić kąt załamania przegubu na połowę;
- oś obrotu zwrotnicy musi przebiegać poprzez środek przegubu;
- osie symetrii obu wałów muszą przecinać się w jednym punkcie w płaszczyźnie homokinetycznej.
Wały napędowe muszą niekiedy znaleźć dla siebie miejsce w elementach podwozia…
… lub muszą dopasować się do wału, zwłaszcza poruszającego się wraz z mostem
Dlatego też – o ile przeguby nierównobieżne najczęściej występują przy wałach napędowych – przeguby homokinetyczne są stosowane głównie w budowie półosi napędowych. Inaczej niż w przypadku wałów napędowych, gdzie oba przeguby najczęściej są tej samej konstrukcji, w półosi przegub wewnętrzny i przegub zewnętrzny są z reguły inne. Wynika to z konieczności umożliwienia zmiany długości powstałej na skutek ruchów zawieszenia. Przegubem umożliwiającym zmiany długości jest przegub trójramienny i to on najczęściej umieszczany jest przy wyjściu ze skrzyni biegów lub mechanizmu różnicowego. Przy zwrotnicy natomiast montowany jest inny typ przegubu, którego głównym zadaniem jest zapewnienie szerokiego zakresu kątów podczas pracy zawieszenia lub układu kierowniczego.
Im bardziej rozbudowany układ napędowy, tym większa ilość niezbędnych przegubów
Przegub trzyramienny
Przegub trójramienny składa się z obudowy – kołpaka z trzema wewnętrznymi bieżniami. Po owych bieżniach toczą i przesuwają się rolki ułożyskowane na końcach trójkątnego krzyżaka (trioda). Krzyżak ten zamontowany jest na stałe na końcu półosi za pomocą wielowypustu. Dlatego też – mimo że przegub zaliczany jest do równobieżnych – drugi warunek równobieżności nie jest do końca spełniony i przy założonej prędkości kątowej wału wejściowego wał wyjściowy wykazuje pewne, niewielkie wprawdzie, ale występujące, wahania prędkości. Dzięki zastosowaniu odpowiednio długich bieżni możliwa jest tu jednak kompensacja zmiany długości półosi, spowodowana ruchami zawieszenia i skręcaniem kołami. W celu zmniejszenia tarcia i przedłużenia trwałości krzyżaka rolki najczęściej ułożyskowane są na łożyskach igiełkowych. Przegub osłonięty jest gumowym mieszkiem, umożliwiającym dość swobodne ruchy półosi w obu płaszczyznach, stanowiącym „magazyn” smaru i zabezpieczającym przed dostaniem się zanieczyszczeń do [su_tooltip style=”cluetip” position=”north” size=”1″ title=”benzynowca*” content=”Dla przegubów trójramiennych maksymalny kąt załamania może dochodzić do 25°, a kompensacja wzdłużna do 55 mm.” class=”dymek”]środka*.[/su_tooltip]
[su_box title=”RODZAJE PRZEGUBÓW” box_color=”#040404″ title_color=”#ffffff”]Przeguby asynchroniczne to takie, w których przy jednakowej, stałej prędkości kątowej wału wejściowego prędkość wału wyjściowego zmienia się sinusoidalnie, a zmiana ta jest zależna od kąta załamania obu wałów. W czasie obrotów wał wyjściowy stale zwalnia bądź przyspiesza, co w przypadku zastosowania w konstrukcji półosi może powodować drgania, ujemnie wpływające na komfort jazdy i trwałość podzespołów. Przeguby synchroniczne to przeguby, w których niezależnie od wzajemnego położenia obu wałów ich prędkość kątowa jest taka sama.[/su_box]
Błyszcząca „kula” to tylko osłona właściwego przegubu
Przegub Bierfielda
[su_tooltip style=”cluetip” position=”north” size=”1″ title=”benzynowca*” content=”Przegubów kulowych nie można mylić z tzw. kulą, czyli sferyczną osłoną w zwrotnicy. Osłona ta zabezpiecza umieszczony wewnątrz niej przegub.” class=”dymek”]Przegub kulowy* [/su_tooltip]Birfielda składa się z czterech podstawowych elementów. Zewnętrzna czasza kulista ma wewnętrznie, sferycznie ustawione bieżnie dla sześciu kół. Czasza ta jest najczęściej elementem wyjściowym i stanowi wspólną część z krótką półośką, wchodzącą bezpośrednio w piastę koła. Czasem na zewnętrznej stronie czaszy jest nacięty lub nasunięty wieniec zębaty czujnika ABS-u. Wewnętrznym elementem przegubu jest piasta kulista, która osadzona jest wielowypustowo i zabezpieczona pierścieniem na drugim z łączonych wałów. Połączeniem pomiędzy obiema częściami jest sześć stalowych kul toczących się po południkowo rozmieszczonych rowkach – prowadnicach wykonanych w środku kulistej czaszy i na zewnątrz kulistej piasty. Oprócz kul pomiędzy tymi dwoma częściami znajduje się jeszcze jeden bardzo ważny element. Jest to koszyk, który odpowiednio środkuje oraz utrzymuje kule przegubu w prawidłowej pozycji w rowkach prowadzących. Podobnie jak w przegubie trójramiennym, do osłony stosuje się tutaj gumowy mieszek wypełniony smarem. Niezmienną prędkość obu półosi uzyskano dzięki takiemu ukształtowaniu prowadnic, że kule automatycznie ustawiają się na płaszczyźnie dzielącej kąt pomiędzy półosiami na połowę. Dzięki eliptycznemu wykonaniu zarysów bieżni zdecydowanie poprawiona jest współpraca kul i bieżni (do warunków podobnych do łożyska skośnego), co – zmniejszając naciski – zapewnia małe opory toczenia i niskie tarcie, a w efekcie wiele wyższą sprawność i trwałość.
-
- W konstrukcji przegubów kulowych ilość użytych kulek może być różna – im ich więcej, tym większa zdolność do przeniesienia momentu napędowego
Przegub Rzeppa
Oprócz przegubów Birfielda stosuje się też przeguby kulowe Rzeppa. Różnią się one od tych pierwszych szczegółami konstrukcyjnymi, usytuowaniem rowków oraz zastosowaniem dźwigienki centrującej i sterującej położeniem koszyka oraz środkującej wał napędzany. Dźwigienka ta dociskana jest do szklanki w wale napędzanym za pomocą sprężyny umieszczonej w wydrążeniu drugiego wału. Za środkowanie kulek odpowiada również koszyk, którego położenie wymuszane jest za pomocą dźwigienki i specjalnej czaszy. Stosowane są też rozwiązania bez środkowania.
[su_box title=”PRZEGUBY W UKŁADZIE NAPĘDOWYM” box_color=”#040404″ title_color=”#ffffff”]Ilość przegubów w układzie napędowym samochodu terenowego może wynosić od kilku (przy sztywnych mostach i zblokowanym układzie napędowym) do kilkunastu (w przypadku niezależnego zawieszenia wszystkich kół i oddzielenia reduktora od skrzyni biegów). Jako ciekawostkę można nadmienić, że niektóre samochody, jak np. Haflinger, Pinzgauer i Tatra, pomimo niezależnego zawieszenia kół nie mają na wewnętrznych końcach półosi przegubów, stosowane są tam półosie wahliwie połączone bezpośrednio kołami zębatymi z kołami talerzowymi przekładni głównych.[/su_box]
Przegub Weissa
Do przegubów kulowych zalicza się też przeguby typu Weissa. Najczęściej stosowane są one w przednich, sztywnych mostach samochodów terenowych i dzięki dość zwartej, zamkniętej konstrukcji sprawują się tam bardzo dobrze. W przegubach tych oba wały zakończone są widełkami, w których na prostopadłych płaszczyznach wyfrezowane są cztery prowadnice kul. W każdej prowadnicy umieszczona jest jedna kula, której zadaniem jest przeniesienie napędu z jednych widełek na drugie. Ukształtowanie prowadnic powoduje,że przy względnym przesunięciu widełek kule ustawiają się w płaszczyźnie homokinetycznej i zachowana jest równobieżność przegubu. W celu zapewnienia właściwego środkowania obu widełek stosowana jest piąta kulka umiejscowiona w kulistych rowkach umieszczonych w osi obu wałów. We właściwym położeniu umocowana jest ona za pomocą kołka wsuniętego jednym końcem w kanał widełek, a drugim w otwór kulki. Kołek ten jest zabezpieczony dodatkowym kołeczkiem prostopadłym do osi wałów. Dzięki piątej kuli osie symetrii wałów niezależnie od kąta ich załamania przecinają się w jednym punkcie*. Osłona przegubu najczęściej realizowana jest za pomocą metalowej czaszy, będącej elementem mostu, a uszczelnionej w zwrotnicy za pomocą całego kompletu gumowych i filcowych pierścieni.
[su_note note_color=”#125a99″ text_color=”#ffffff” radius=”8″]Dla przegubu kulowego Birfielda maksymalny kąt odchylenia wałów to najczęściej ok. 42º, produkowane są także przez przeguby mogące pracować do 47-50º. Jednak im większy kąt pracy, tym większe ich obciążenie.[/su_note]
Dwa razy Cardan
Ostatnią grupą stosowanych obecnie przegubów homokinetycznych są przeguby dwukrzyżakowe Cardana. Są to krótkie wały napędowe. Częstym rozwiązaniem bywa wspólna obudowa obu widełek. Dzięki umieszczeniu widełek w jednej płaszczyźnie uzyskana jest pełna równobieżność obu półosi. Stosowane są dwa typy: bez elementu środkującego i z elementem środkującym. Dzięki zastosowaniu zwykłych krzyżaków, niewymagających specjalistycznej, drogiej obróbki frezerskiej, są one dość tanie, a przy tym niezawodne. Każde z łożysk igiełkowych na końcach krzyżaków ma swoje własne uszczelnienie, nie ma więc konieczności stosowania dodatkowych osłon gumowych. Niestety, przeguby te są o wiele dłuższe i najczęściej cięższe od przegubów kulowych, tak więc stosowane są z reguły przy dużych, sztywnych mostach napędowych. W niektórych prostych konstrukcjach (najczęściej wojskowych) układ ten podlega pewnemu uproszczeniu – konstruktorzy godząc się z asynchronicznością przegubu usuwają jeden krzyżak. Eksploatacja i serwisowanie Wały i półosie wyposażone w przeguby nie przysparzają nadmiernych problemów o ile nie są przeciążane lub zużyte. W ramce wymienione zostały zasady eksploatacji i serwisowania, ale warto też pamiętać, że konstruktorzy potrafią, chyba złośliwie, mocno podrożyć ich naprawy. Najczęściej dotyczy to wałów napędowych, które zaprojektowano jako nierozbieralnie. W takim przypadku zużycie pojedynczego elementu w postaci np. krzyżaka czy łożyska podporowego ma zmusić do kupna nowego wału. Na szczęście polska myśl techniczna w większości takich złośliwości jest w stanie zaproponować sensowne rozwiązanie – za ułamek ceny. Ξ
Oprócz metalowych przegubów szeroko wykorzystuje się też przeguby elastyczne z gumy i metalu
Zalecenia eksploatacyjne i serwisowe
Przeguby mogą służyć bezawaryjnie pod warunkiem przestrzegania zasad eksploatacji i serwisowania. W przypadku wałów napędowych z przegubami trzeba pamiętać o poniższych zasadach:
- unikać gwałtownego ruszania bądź „strzałów” ze sprzęgła – można takukręcić wał lub uszkodzić przegub, a to na pewno skraca ich żywotność,
- jeżeli wał wyposażony jest w smarowniczki, to należy regularnie smarować zarówno krzyżaki, jak i połączenie wielowypustowe,
- w przypadku stwierdzenia nadmiernych luzów na przegubie należy go natychmiast wymienić na nowy,
- w przypadku stwierdzenia drgań wału należy go wyrównoważyć,
- w czasie montażu wału z przegubami krzyżakowymi należy przestrzegać właściwego położenia obu widełek wału (w jednej płaszczyźnie),
- w razie stwierdzenia zużycia wielowypustu (nadmierny luz) należy wał wymienić na nowy,
- w razie skrzywienia wału należy go wyprostować, a następnie wyważyć,
- dbać o właściwy dobór i dokręcenie śrub mocujących wał do kołnierzy (śruby są pasowane),
- należy unikać pracy wału przy maksymalnym lub zbyt dużym rozsunięciu wielowypustu i pod nadmiernymi kątami, oba te przypadki mogą być wynikiem nadmiernego „wyliftowania” pojazdu i mogą skończyć się uszkodzeniem przegubów lub rozsunięciem wału.
Przeguby w krótkich półosiach niezależnie zawieszonej przedniej osi są bardzo obciążone i pracują pod dużymi kątami
W przypadku półosi napędowych musimy zwracać uwagę na następujące elementy:
- unikać gwałtownego ruszania i przyspieszania na mocno skręconych
kołach, - kontrolować stan osłon gumowych, ich pęknięcie i wydostanie się smaru na zewnątrz może doprowadzić do zatarcia przegubu; w razie stwierdzenia ich złego stanu nie czekać aż pękną – wymienić póki całe i przesmarować,
- w razie wystąpienia stuków przy ruszaniu bądź jeździe po zakręcie wymienić lub zregenerować przegub,
- w czasie „liftowania” pamiętać o tym, że przegub wewnętrzny ma tylko niewielką możliwość kompensaty długości,
- pamiętać o właściwym momencie dokręcenia śruby centralnej półosi, w zależności od konstrukcji moment może być bardzo mały bądź bardzo duży – konieczne jest zapoznanie się z książką napraw.
