محور مشترک جهانی: طراحی، انتخاب و نگهداری

این مقاله بر روی راهنمایی های کاربردی و در سطح مهندسی برای شفت های مشترک جهانی (شفت های مشترک U) تمرکز دارد. این شامل تعاریف، انتخاب های پیکربندی، فرمول های اندازه، توصیه های مواد و عملیات حرارتی، روش های مونتاژ و مرحله بندی، چک لیست های بازرسی، حالت های رایج خرابی و تلورانس های تکمیل/تولید است - همه به گونه ای نوشته شده اند که یک مهندس طراح یا تعمیر و نگهداری بتواند مستقیماً آن را اعمال کند.

شفت مشترک جهانی چیست و چه زمانی باید از آن استفاده کرد

شفت مشترک جهانی با استفاده از یک یا چند اتصال جهانی (نوع هوک) گشتاور را بین محورهای غیر خطی منتقل می کند. بر خلاف اتصالات با سرعت ثابت، یک U-joint پایه اجازه می دهد تا ناهماهنگی زاویه ای ایجاد شود، اما زمانی که به تنهایی استفاده می شود، نوسان سرعت ایجاد می کند. از شفت های U-joint در موارد زیر استفاده کنید:

• انحراف زاویه ای متوسط است (معمولاً تا 25 تا 30 درجه در هر مفصل برای طراحی های سنگین).
• سادگی، هزینه و سهولت نگهداری در اولویت هستند.
• سیستم می تواند نوسانات سرعت را بپذیرد یا از اتصالات U جفت (دوگانه) برای لغو آن استفاده کند.

انواع و پیکربندی شفت های مشترک جهانی

شفت های U-joint تک در مقابل دو (کاردان).

یک U-joint منفرد گشتاور را بین شفت‌های نامرتب منتقل می‌کند اما سرعت زاویه‌ای غیریکنواختی ایجاد می‌کند. یک اتصال U مضاعف فازی مناسب (دو اتصال U با یک محور مرکزی) تغییرات سرعت را لغو می کند اگر هر دو اتصال در زوایای مساوی کار کنند و به درستی فازبندی شوند - این رایج ترین راه حل در کاربردهای پیشرانه است.

بلبرینگ متقاطع (چهار پیچ) در مقابل هیبریدهای سه پایه و سرعت ثابت

اتصالات متقاطع (با یک ضربدر یاتاقان سوزنی) برای بارهای شعاعی سنگین فشرده و مقاوم هستند. اتصالات سه پایه یا CV-hybrid لرزش را در زوایای بالاتر کاهش می دهند اما پیچیده تر و پرهزینه تر هستند. بر اساس عدم تراز مورد نیاز، چرخه کار، دسترسی به روغن کاری و نیازهای تعادل پویا انتخاب کنید.

اصول طراحی و اندازه (فرمول های عملی)

انتخاب پایه گشتاور و قطر شفت

با گشتاور ارسالی شروع کنید. اگر اسب بخار (HP) و سرعت شفت (RPM) را می دانید:

• گشتاور (lb·ft) = (HP × 5252) / RPM.
• برای واحدهای متریک: گشتاور (N·m) = (HP × 745.7) / (2π × RPM/60) - تبدیل HP به kW و استفاده از T (N·m) = (kW × 9550) / RPM آسان تر است.

هنگامی که گشتاور (T) شناخته شد، مدول و قطر بخش شفت مورد نیاز را با استفاده از تنش برشی مجاز (τ_allow) تعیین کنید. برای یک محور دایره ای جامد تحت پیچش:

• گشتاور قطبی J = π·d4 / 32
• تنش برشی τ = T·c / J = (16·T) / (π·d³)
• تنظیم مجدد برای حل d: d ≥ ( (16·T) / (π·τ_allow) ^(1/3)

از یک ضریب ایمنی مناسب برای کاربرد استفاده کنید: شفت‌های معمولی خستگی/دوار بسته به بارگذاری ضربه و چرخه‌های کاری ناشناخته از 1.5 تا 3.0 استفاده می‌کنند. برای محورهای کلیددار یا شیاردار، غلظت تنش را در نظر بگیرید و تنش مجاز را بر این اساس کاهش دهید.

انتخاب مواد، عملیات حرارتی و پرداخت سطح

مواد و روش های متداول برای شفت های U-joint:

• فولادهای کربن متوسط (AISI 1045/EN C45): ماشینکاری خوب؛ مناسب برای بارهای متوسط ​​پس از تنش زدایی یا سخت شدن سطح.
• فولادهای آلیاژی (4140/42CrMo): برای کاربردهای گشتاور/خستگی بالاتر ترجیح داده می شود. در صورت نیاز سخت شده یا خاموش شده و تا 800-1000 مگاپاسکال کششی بیشتر می شود.
• سخت شدن کیس (کربوریزه کردن یا نیترید کردن) برای اسپلاین ها یا ژورنال ها برای بهبود سایش و در عین حال حفظ یک هسته سخت.
• پرداخت سطح: Ra ≤ 0.8 میکرومتر در ژورنال های بلبرینگ توصیه می شود. صندلی های بلبرینگ صیقلی عمر بلبرینگ سوزنی را افزایش می دهد.

محدودیت های مونتاژ، فازبندی، بالانس و خروجی

قوانین فازبندی (برای جلوگیری از لرزش)

هنگام استفاده از دو اتصال U به صورت سری، هر دو اتصال باید دارای زوایای کار مساوی بوده و دارای فاز 180 درجه (یوغ گرا) باشند تا نوسانات سرعت محور رانده لغو شود. عملا:

• گوش های یوغی را به صورت بصری دراز کنید و آنها را علامت گذاری کنید. نصب کنید تا علائم فلنج/یوغ در فاز مشخص شده تراز شوند.
• زوایای مساوی را با یک زاویه سنج تأیید کنید. زوایای نابرابر ارتعاش باقیمانده متناسب با تفاوت ایجاد می کنند.

تعادل پویا و runout

شفت‌های با اتصالات U و بخش‌های مرکزی باید به صورت دینامیکی متعادل باشند، اگر سرعت‌های کار از حالت معمولی موتور بیشتر شود یا تحمل لرزش پایین باشد. ریزش هدف و تحمل تعادل:

• کل خروجی نشان داده شده (TIR) در ژورنال های بلبرینگ: ≤ 0.05 میلی متر برای پیشرانه های پر سرعت.
• تعادل پویا به ISO 1940/1 درجه G16 یا بهتر برای کاربردهای خودرو. تجهیزات دوار سنگین‌تر ممکن است به G6.3–G2.5 نیاز داشته باشند.

چک لیست بازرسی، روغن کاری و نگهداری

بررسی های منظم به طور چشمگیری عمر را افزایش می دهد. از چک لیست عملی زیر در طول نگهداری برنامه ریزی شده استفاده کنید:

• بازرسی بصری برجستگی‌های یوغ، قلاب‌های متقاطع و مهر و موم‌ها از نظر نمره‌گذاری، خوردگی یا نشت گریس.
• بازی بلبرینگ را بررسی کنید: بازی محوری یا شعاعی فراتر از تحمل سازنده نشان دهنده سایش یاتاقان است. اندازه گیری با نشانگر شماره گیری
• فواصل گریس: بلبرینگ های سوزنی را در هر چرخه کاری (معمولاً: هر 50 تا 200 ساعت) با استفاده از گرید NLGI سازگار و گریس بلبرینگ روان کنید.
• سر و صدا و لرزش تحت بار را بررسی کنید - شروع ناگهانی نشان دهنده فروپاشی یاتاقان، خرابی متقاطع یا فاز نادرست است.

حالت های رایج شکست و علل ریشه ای

تشخیص حالت خرابی به تجویز راه حل صحیح کمک می کند:

• ساییدگی زودرس بلبرینگ سوزنی - معمولاً به دلیل روغن کاری ناکافی، گریس آلوده یا ناهماهنگی.
• شکستگی متقاطع / تنه - بارهای شوک زیاد یا مواد / عملیات حرارتی نادرست. سطح شکستگی را برای علائم خستگی در مقابل اضافه بار بررسی کنید.
• تغییر شکل یوغ U-joint - گشتاور خمشی بیش از حد به دلیل پشتیبانی نامناسب یا شفت کم اندازه.

تلورانس های تولید، بررسی های QC و آزمایش

ابعاد کلیدی و اقدامات QC برای گنجاندن در برنامه های تولید:

• قطر ژورنال ± 0.01-0.03 میلی متر بسته به تناسب یاتاقان (پرس در مقابل لغزش مناسب).
• تلورانس های Spline یا بخش کلیددار بر اساس استاندارد ISO/RM استفاده شده؛ کنترل خروجی و متمرکز بودن ≤ 0.05 میلی متر.
• بررسی سختی را پس از عملیات حرارتی انجام دهید (به عنوان مثال، سختی هسته و عمق کیس برای قطعات کربن دار).
• تست عملکردی پایان خط: برای تشخیص لرزش، سر و صدا یا نشت روغن/گریس، تحت بار با سرعت کار بچرخانید.

چک لیست انتخاب و جدول مرجع سریع

قبل از نهایی کردن طراحی شفت یا سفارش قطعات تعویض، از چک لیست زیر استفاده کنید:

• گشتاور پیوسته و پیک، محدوده دور در دقیقه و زوایای عملکرد را تأیید کنید.
• بر اساس زاویه و نیاز به سرعت ثابت، آرایش یک در مقابل مضاعف را تعیین کنید.
• مواد، عملیات حرارتی و پرداخت سطح را برای ژورنال ها و اسپلاین ها مشخص کنید.
• شامل مشخصات تعادلی و محدودیت‌های خروجی در نقشه خرید می‌شود.

نکته پایانی: همیشه به برگه‌های U-joint خاص سازنده برای اتصالات اسپلاین، انواع یاتاقان سوزنی و سازگاری گریس مراجعه کنید. فرمول‌ها و تلورانس‌های بالا نقطه شروع ثابتی هستند - آنها را با چرخه کاری خاص، شرایط محیطی (خدمات خورنده یا با دمای بالا) و الزامات ایمنی پروژه خود تطبیق دهید.