Przekazanie momentu obrotowego ze skrzynki biegów do kół jezdnych pojazdu w zależności od konstrukcji układu napędowego odbywa się w różnoraki sposób:
- W klasycznych układach napędowych będących domeną przede wszystkim samochodów ciężarowych i autobusów, choć również części samochodów osobowych, za skrzynią biegów zawsze znajduje się wał napędowy, który przenosi moment obrotowy do oddalonego na różną odległość mostu napędowego, w którym musi on przejść jeszcze przez przekładnię główną i mechanizm różnicowy. Dostarczenie go do kół jezdnych możliwe jest dzięki zastosowaniu półosi napędowych.
- W zblokowanych układach napędowych, stosowanych obecnie powszechnie w samochodach osobowych, rzecz ma się nieco inaczej. Elementy mostu napędowego, a więc przekładnia główna i mechanizm różnicowy zintegrowane są ze skrzynią biegów we wspólnym korpusie. Moment obrotowy dociera do kół jezdnych wyłącznie za pomocą półosi napędowych.
W obu przypadkach należy zwrócić uwagę na fakt, iż zespół napędowy zamocowany jest elastycznie do masy resorowanej (rama pojazdu lub nadwozie samonośne), a koła jezdne należą do masy nieresorowanej. Charakterystyka drgań obu tych mas jest całkowicie odmienna. Masa resorowana wykonuje drgania o małej częstotliwości i dużej amplitudzie. Masa nieresorowana wykonuje drgania o dużej częstotliwości i małej amplitudzie. Wynikają z tego ciągłe i nieregularne przemieszczenia obu mas. Nie można zatem połączyć ich sztywnym wałem napędowym lub sztywnymi półosiami napędowymi. Konieczne jest zastosowanie odpowiedniej konstrukcji przegubów.
Istnieją różne konstrukcje przegubów, które ze względu na ich własności kinematyczne można podzielić na dwie podstawowe grupy:
- Proste albo nierównobieżne, asynchroniczne – zalicza się do nich przede wszystkim przeguby krzyżakowe (Kardana) i elastyczne;
- Równobieżne albo synchroniczne, homokinetyczne – zalicza się do nich m.in. przeguby Weissa, Rzeppa, Birfielda, trójramienne, zawiasowe.
Przegub asynchroniczny to taki, w którym przy założonej stałej prędkości kątowej wału na wejściu przegubu, po załamaniu momentu obrotowego wał wyjściowy wykazuje zmienną sinusoidalnie prędkość kątową. Oznacza to, że wał wyjściowy ciągle zwalnia i przyspiesza, a zmiana chwilowej prędkości obrotowej następuje co 90 stopni. Doprowadzenie do ponownej stałej prędkości kątowej wału jest możliwe przy zachowaniu określonych warunków.
Przegub synchroniczny to taki, w którym przy założonej stałej prędkości kątowej wału na wejściu przegubu, po załamaniu momentu obrotowego wał wyjściowy będzie w dalszym ciągu obracał się ze stałą prędkością kątową. Jest to możliwe oczywiście po spełnieniu określonych warunków, o czym będzie mowa w dalszej części artykułu.
W układach przedniego napędu kół z niezależnym ich zawieszeniem stosowane są przeguby umożliwiające uzyskanie dużych kątów załamania, co jest spowodowane faktem, że oś koła zmienia swoje położenie nie tylko wskutek pracy zawieszenia, a więc w płaszczyźnie pionowej, ale także ulega znacznym odchyleniom w płaszczyźnie poziomej wskutek obracania się kół pod wpływem działania układu kierowniczego.
Zastosowanie przegubów prostych spowodowałoby drgania kół jezdnych, co ujemnie wpływa na komfort jazdy i żywotność mechanizmów. Aby uzmysłowić sobie skalę problemu przedstawiamy poniżej tabelę zależności wahania prędkości kątowej w % w stosunku do kąta załamania przegubu w przypadku zastosowania przegubu krzyżakowego:
Z powyższego powodu stosowanie w półosiach napędowych przegubów krzyżakowych jest niezasadne. Stosuje się więc tam przeguby homokinetyczne, głównie kulowe.
Aby kulowy przegub homokinetyczny pracował prawidłowo, musi być spełnionych kilka warunków. Nazywamy je warunkami równobieżności przegubu:
- Wszystkie kule przenoszące moment obrotowy z jednej części przegubu na drugą muszą leżeć w jednej płaszczyźnie, nazywanej płaszczyzną homokinetyczną;
- Płaszczyzna homokinetycznea musi tak się samoczynnie ustawiać, aby dzieliła kąt załamania przegubu zawsze dokładnie na połowę;
- Osie symetrii dwóch części wału (półosi) powinny przecinać się w tym samym punkcie na płaszczyźnie homokinetycznej;
- Oś obrotu zwrotnicy - nierzeczywisty sworzeń zwrotnicy - powinna przebiegać zawsze przez środek przegubu.
Niektóre z wymienionych warunków zostały przedstawione na rys. nr 1.



W przypadku przegubu trójramiennego, w którym nie występują stalowe kule, ale sferyczne pierścienie, płaszczyzna homokinetyczna jest zawsze prostopadła do osi symetrii jednego z elementów przegubu (do jednej z części półosi). Zasadę przedstawia rysunek 2.



Wspólna oś trzech ramion wykonuje przy tym regularny, płynny ruch kompensując zmiany prędkości kątowej, dzięki czemu prawie osiągana jest pełna synchroniczność.
Główna różnica w budowie kulowych przegubów synchronicznych polega na sposobie utrzymywania elementów tocznych w płaszczyźnie homokinetycznej. Stosowane są dwa główne rozwiązania:
- Bieżnie (prowadnice) kul są tak ukształ-towane, że przy względnym przemieszczeniu osi przegubu kulki ustawiają się w ten sposób, że płaszczyzna homokinetyczna dzieli kąt między osiami zawsze na połowę – to przeguby Weissa;
- Stosuje się koszyk utrzymujący kulki we właściwym położeniu – to przeguby Rzeppa i Birfielda;
Powyższe rozwiązania mogą być podstawą systematyki przegubów synchronicznych (tabela 2).
Dziś najczęściej stosowane są przeguby kulowe Birfielda i trójramienne w odmianach bez kompensacji wzdłużnej i z kompensacją. Jest to konieczne z uwagi na charakter pracy półosi napędowych. Koła jezdne należące do masy nieresorowanej przemieszczają się znacznie w pionie. Elementy zespołu napędowego związane są z masą nieresorowaną i wykazują mniejsze ruchy. Ich względne przemieszczenia powodują ciągłą zmianę odległości między nimi, a więc konieczność wydłużania i skracania półosi napędowych. Realizuje się to poprzez odpowiednią konstrukcję przegubów gwarantującą kompensację zmian długości półosi.
Samochody o niezależnym zawieszeniu przednich kół kierowanych wyposażone w przeguby typu Birfield są obecnie licznie produkowane w Europie. Przegub ten odznacza się trwałością i prawidłowo realizuje napęd w ciągu całego okresu eksploatacji samochodu.
Przegub pokazany na rysunku 3 składa się z wewnętrznego elementu - piasty kulistej [1],



osadzonej wielowypustowo i zabezpieczonej pierścieniem na jednym z łączonych wałów, z zewnętrznego elementu - czaszy kulistej [2], sześciu kul stalowych [3] umieszczonych w sześciu południkowo rozmieszczonych rowkach prowadnicowych wykonanych w kulistej wnęce czaszy i kulistej wypukłości piasty, oraz koszyka [4], który odpowiednio środkuje piastę i czaszę oraz utrzymuje kule przegubu w prawidłowych ustawieniach w rowkach prowadnicowych. Całość zabezpieczona jest przed działaniem czynników zewnętrznych gumową osłoną i wypełniona smarem. Wymiary i kształty piasty, koszyka i czaszy są tak dobrane, że po wyjęciu kul z przegubu poruszają się względem siebie bez luzu na zasadzie „kula w kuli”. Identyczność prędkości kątowych wałów przegubowych wynika z ukształtowania prowadnic, dzięki którym kule przegubu samoczynnie ustawiają się w płaszczyźnie homokinetycznej. Przegub Birfielda charakteryzuje się ukształtowaniem bieżni prowadnic i wykonaniem ich zarysu w poprzecznym przekroju. Eliptyczne ukształtowanie tego zarysu sprawia, że warunki styczności kul przegubu z bieżniami w ich poprzecznych przekrojach są podobne do warunków, jakie istnieją w łożyskach kulkowych skośnych. Linia działania nacisku między bieżnią i każdą kulą przegubu jest odchylona o kąt 450 względem kierunku działania siły odśrodkowej. Promienie krzywizn zarysów prowadnic w przekrojach prostopadłych do osi wału i w punktach styczności z kulami są około 1,02 raza większe niż promienie tych kul. Zapewnia to małe opory toczenia, niskie tarcie, a więc wyższą sprawność. Punkty zetknięcia kul przegubu z bieżniami prowadnic są przez to oddalone od ich obrzeży, co wydatnie zwiększa trwałość przegubu. Dzięki subtelnościom krzywizn bieżni kule przegubu i koszyk ustawiają się samoczynnie w płaszczyźnie dzielącej na połowę kąt między osiami wałów.
Przeguby kulowe Birfield przeznaczone są głównie do napędu kół przednich kierowanych lub niezależnie zawieszonych kół tylnych. Dopuszczalny kąt odchylenia wałów wynosi 420, choć produkowane przez firmę Hardy Spicer przeguby typu AC i RF mogą pracować do 470, a typu UF firmy Löbro nawet do 500. Sa to przeguby bez kompensacji wzdłużnej i stosuje się je od strony koła jezdnego. Taki przegub pokazano na fot. 1.



Przeguby stosowane od strony przekładni w samochodach z przednim napędem, a w samochodach z napędem tylnym od strony koła i mechanizmu różnicowego to przeguby z kompensacją wzdłużną, tzw. nurnikowe. Z uwagi na inną nieco budowę bieżni w czaszy zewnętrznej maksymalny kąt ich załamania wynosi 220, a kompensacja wzdłużna w zależności od modelu oscyluje wokół wartości 45 - 50 mm. Przeguby od strony mechanizmu różnicowego mają konstrukcję czaszy zewnętrznej wyposażonej w czop wielowypustowy wsuwający się we wpust koła koronowego mechanizmu różnicowego. Pokazano to na fot. 2.



Odmienną konstrukcję stosuje koncern Volkswagena stosując przeguby Birfielda z czaszą zewnętrzną w postaci pierścienia przykręcanego śrubami do kołnierzy zabierakowych. Pokazano to na fot. 3.



Należy zwrócić uwagę na inne wykorzystanie przegubów półosi napędowych. W niektórych rozwiązaniach montuje się na czaszach zewnętrznych pierścienie zębate współpracujące z czujnikami systemów kontroli trakcji - ABS, ASR, ESP i podobnymi. Pokazano to na fot. 4.




Inne konstrukcje przegubów półosi i wałów napędowych przedstawię w kolejnym artykule.

Opracował:
mgr inż. Ireneusz Kulczyk
Zespół Szkół Samochodowych w Bydgoszczy
www.zsskmmm.prv.pl