U ジョイントと CV ジョイント: 違い、用途、交換時期

U ジョイントと CV ジョイントの主な違いは、次の 1 つに集約されます。 作動角と回転の滑らかさ 。あ Uジョイント (ユニバーサルジョイント) はよりシンプルで強力で、トラックのドライブシャフトやオフロードアクスルなどの高トルク用途に適していますが、3°を超える角度では出力が不均一になります。あ 等速ジョイント（等速ジョイント） 最大 47° の角度でスムーズにパワーを伝達するため、乗り心地とステアリングジオメトリが重要な前輪駆動アクスルおよび独立したサスペンションシステムに最適です。どちらが一般的に優れているというわけではありません。正しい選択は完全にアプリケーションによって異なります。

U ジョイントの仕組み: 機構と制限

U ジョイントは、スパイダーとも呼ばれる十字形のトラニオンベアリングによって接続された 2 つのヨークで構成されています。ドライブシャフトが回転すると、スパイダーによってジョイントが 2 つの平面内で同時に回転できるようになり、トランスミッションの出力シャフトと差動入力の間のミスアライメントが調整されます。このシンプルなデザインは非常に耐久性があり、伝達力があります。 低い作動角での高トルク負荷 .

U ジョイントの重大な制限は、エンジニアがそう呼んでいます。 速度変動 。 U ジョイントが斜めに動作すると、入力軸は回転しても出力軸は完全に等速回転しません。代わりに、周期的なパターンで 1 回転あたり 2 回加速および減速します。この変動の深刻さは、動作角が大きくなるほど大きくなります。

で 0° (インライン) : 変動なし - 入力速度と出力速度が同じ
で 3° : 変動はわずかであり、ドライブシャフト用途では一般に許容可能です。
で 10° : 顕著な振動とドライブラインの震えが発生し始める
で 20° ：振動が激しくなり、ベアリングキャップや接続部品の摩耗が加速します。

これが、ドライブシャフトエンジニアが U ジョイントの角度を慎重に設計する理由です。ほとんどの OEM ドライブシャフトシステムでは、各 U ジョイントが以下の角度に保たれています。 3～5° 作動角を細かく設定し、2 つの U ジョイントを位相を合わせて使用し、互いの速度変動を打ち消し合います。車両を持ち上げたり下げたりすると、これらの角度が変化するため、スムーズな動作を回復するために修正ウェッジまたはダブルカルダンジョイントが必要になることがよくあります。

CV ジョイントの仕組み: 等速性の背後にあるエンジニアリング

CV ジョイントは、形状を通じて速度変動の問題を解決します。最も一般的な 2 つのタイプ - Rzeppa ボール溝ジョイント (外側の履歴書) と 三脚ジョイント (内側 CV) - 精密に加工された溝内を走行するボールまたはローラーのセットを使用します。この形状により、動作角度に関係なく、接触点が常に入力シャフトと出力シャフトの間の角度を二等分し、正確に 1:1 の一定速度比が維持されます。

その結果、前輪駆動のアクスルシャフトは、 ターン角度47° 同時に、エンジントルクをホイールにスムーズに、振動なく、ホイールホップやステアリングの引っ張りを引き起こす速度変動なしに伝達します。

その代償として、CV ジョイントは U ジョイントに比べて複雑で、製造コストが高く、極端なトルク負荷に対する耐性が低いという点があります。大型トラックのドライブシャフト移送 800ポンドフィートのトルク 標準的な Rzeppa CV ジョイントはすぐに破壊されてしまいます。同じシャフトに、適切に位相調整された U ジョイントハンドルを使用し、100,000 マイルにわたって定期的に負荷をかけます。

U ジョイントと CV ジョイント: 完全な比較

自動車パワートレイン用途の主要なエンジニアリングと実用的特性にわたる U ジョイントと CV ジョイントの比較
特徴	Uジョイント	等速ジョイント
動作角度範囲	実用的な0°～20°。最大 45°まで (寿命が短い)	0°～47° (ゼッパ); 0°～26°（三脚）
速度出力	0°を超えると一定ではない	すべての角度で一定
トルク容量	非常に高い（大型トラック対応）	中程度（乗用車・小型トラック）
角度振動	角度とともに大幅に増加	定格作動角で最小
標準的な耐用年数	100,000 ～ 200,000 マイル (グリース塗布)	80,000～150,000マイル
潤滑	グリースフィッティング (保守可能) または密閉型	密封グリースブーツ (修理不可)
交換費用（部品のみ）	ジョイントあたり 15 ～ 60 ドル	アクスルシャフトあたり 80 ～ 300 ドル
主な用途	後輪駆動ドライブシャフト、ソリッドアクスル	FWD/AWDアクスルシャフト、IRSハーフシャフト
ステアリングの互換性	ステアリング付きドライブアクスルには適していません	操舵ドライブアクスルに必要

U ジョイントが使用される場所: 実際の用途

後輪駆動および四輪駆動ドライブシャフト

U ジョイントの最も一般的な用途は、トランスミッションまたはトランスファーケースをリアディファレンシャルに接続するドライブシャフトです。一般的な後輪駆動トラックには、次のものがあります。 2つのU字ジョイント — ドライブシャフトの両端に 1 つずつ — 速度変動が相殺されるように相補的な角度で位相調整されます。一部の長いドライブシャフトでは、高速道路速度での高調波振動を低減するために、センターサポートベアリングに 3 番目の U ジョイントが追加されています。

4WD システムでは、U ジョイントがフロントドライブシャフトにも使用され、ソリッドフロントアクスルではフロントアクスルシャフト自体にも使用されます。 Dana 44 や Dana 60 に見られるようなソリッドアクスルアプリケーション (大型トラックやオフロード車の標準装備) では、 スパイサー型Uジョイント 継続的な頻繁な使用に耐えられると評価されています。

ステアリングシャフト

U ジョイントは、折りたたみ式ステアリングコラムを備えたほぼすべての車両のステアリングコラム中間シャフトに使用されています。ここでは、角度が小さく (通常は 30° 未満)、トルク負荷が低いため、U ジョイントの速度変動は許容されます。この用途では、ステアリングシャフトがステアリングホイールとラックアンドピニオンギア間の複数の曲がりに対応する必要があるため、特に U ジョイントが必要です。

農業および産業用機器

トラクターや農機具のパワーテイクオフ (PTO) シャフトは、U ジョイントに大きく依存しています。これらのシャフトは固定速度で動作します (通常、 540 または 1,000 RPM ）、高トルクを伝達し、U ジョイントを使用します。これは、CV 装備のシャフトの保守が現実的ではない現場条件では、設計のシンプルさと修理のしやすさが不可欠であるためです。

CV ジョイントが使用される場所: 実際の用途

前輪駆動アクスルシャフト

すべてのFF車は、各フロントアクスルシャフトの両端にCVジョイントを使用しています。の アウターCVジョイント (通常は Rzeppa 設計) は、駆動トルクを伝達しながら、フルロックターン中に最大 47° のステアリング角度を処理します。の インナー等速ジョイント (通常は三脚またはダブルオフセット設計) サスペンションが上下に移動する際のプランジ動作に対応し、拘束されることなくアクスルシャフトの長さを変更できるようにします。

独立したサスペンションを備えた全輪駆動リアアクスル

独立したリアサスペンションを備えた最新の AWD 車は、FWD のフロントシャフトと同じ理由で、リアハーフシャフトに CV ジョイントを使用しています。サスペンションの移動量と関節角度が、U ジョイントがスムーズに処理できる範囲を超えています。スバルアウトバックやアウディクワトロなどの車両が使用 4つのCVジョイントハーフシャフト およびセンタープロペラシャフト（設計に応じて、U ジョイントまたは CV ジョイントのいずれかを使用する場合があります）。

パフォーマンスとレースのアプリケーション

高性能車両では、従来の U ジョイント用途でも CV ジョイントを使用することが増えています。独立したリアサスペンションを備えた車両のレーシングハーフシャフトは、必要な動作角度での標準的な U ジョイントでは不可能なトルク負荷に耐えられる頑丈な Rzeppa またはトライポッド CV を使用します。 GKN や Neapco などの企業は、次の定格を備えたモータースポーツ用 CV ジョイントを製造しています。 1,000ポンドフィート以上のトルク AWDラリーやドリフトカーに使用されます。

ダブルカルダンジョイント: CV の動作を模倣する U ジョイント

ダブルカルダンジョイント (CV ドライブシャフトジョイントまたはセンタリングソケットジョイントとも呼ばれます) は、次のことを組み合わせた特殊な U ジョイントアセンブリです。 センタリングソケットを備えた直列の 2 つの標準 U ジョイント 彼らの間で。この配置の形状により、個々の U ジョイントの速度変動が相殺され、最大 200 °C までの作動角で一定の速度出力が生成されます。 30～35° .

この設計は、フロント独立サスペンションまたは大幅なサスペンションリフトを備えたトラックや SUV のフロントドライブシャフト接続部によく見られます。例としては次のものが挙げられます。

サスペンションをリフトアップしたフォードスーパーデューティーおよびラム 2500/3500 のフロントドライブシャフト
極端なフロントドライブシャフト角度を持つ車両のトランスファーケース出力ヨーク
ドライブラインの振動が発生するリフトアップ 4WD 車両の標準 U ジョイントのアフターマーケット交換品

ダブルカルダンジョイントは、U ジョイントのトルク容量と CV ジョイントのスムーズな出力を提供します。ただし、重く、高価であり (完全なアセンブリで 150 ～ 400 ドル)、どちらかの個別の設計よりも多くのメンテナンスが必要です。

U ジョイントの故障: 完全に故障する前に不良 U ジョイントを特定する方法

U ジョイントの故障は、特定の識別可能な症状を通じてそれ自体を知らせます。摩耗を早期に発見することで、致命的な故障モード、つまり U ジョイントが破損してドライブシャフトが高速で道路に落下し、車両の制御が失われ、車台に重大な損傷を引き起こす可能性があります。

U ジョイントの摩耗または故障の症状

ドライブラインの振動または震え: フロア、シート、ステアリングコラムを通じて感じられる周期的な振動で、車速とともに増加します。最も顕著なのは以下の間 時速45～65マイル 。これは、ベアリングの摩耗により動作の傾斜が増加するにつれて、物理的に認識できるようになる速度変動の影響です。
加速または減速時にカタカタ音: ドライブトレインが加速からオーバーラン、またはその逆に移行するときの金属的なノック。これは、U ジョイントトラニオン軸受の過剰な遊びを示します。
低速でのきしみ音： 特に車両が冷えているときに、ドライブシャフトの回転に合わせてリズミカルなきしみ音が発生します。これはベアリングキャップが乾燥しているか汚染されていることを示しており、ジョイントが機械的に故障する前の早期警告サインです。
ベアリングキャップに目に見える錆または腐食: 下側の検査中に錆びたキャップが見える場合は、湿気の侵入を示しており、グリースシールが機能していないことを意味します。症状の有無に関わらず直ちに交換してください。
回転時の拘束または抵抗: 車両がニュートラルにあり、ドライブシャフトにアクセスできる状態であれば、手動でシャフトをスムーズに回転させることができます。ざらざらした斑点、引っかかり、または抵抗がある場合は、ベアリングキャップの摩耗を示します。

U ジョイントの検査方法

車両をジャッキスタンドで安全に持ち上げ、トランスミッションをニュートラルにして、各 U ジョイント付近のドライブシャフトをしっかりと握ります。
でtempt to move the driveshaft in all directions — up-down and side-to-side. 1 ～ 2mm を超える明らかな遊び は、交換が必要な磨耗したベアリングキャップを示します。
ドライブシャフトを手でゆっくりと回転させ、各 U ジョイントの粗い動きやギザギザした動きを感じてください。回転がスムーズであれば、ジョイントが保守可能であることを示します。粗さがある場合は内部磨耗を示します。
グリースフィッティングを検査します (存在する場合)。フィッティングが欠落しているか損傷している場合は、ジョイントが適切な潤滑なしで動作していることを意味します。ベアリングキャップの状態を注意深くチェックしてください。

U ジョイントの交換: コスト、プロセス、間隔

U ジョイントの交換は、経験豊富な DIY 愛好家にとって最も簡単なドライブトレイン修理の 1 つです。部品は安価です - 高品質のスパイサーまたはムーグ U ジョイントのコストがかかります 15 ～ 60 ドル 車両の用途に応じて、このプロセスには基本的な手動工具と、ベアリングキャップを取り外して固定するためのベンチバイスまたは U ジョイントプレスのみが必要です。

専門的な労働力が追加される $80–$180 1 回の U ジョイント交換の場合、総修理費用は通常 $100–$250 — 部品と工賃を含めて 250 ～ 600 ドルの CV アクスルシャフト交換よりも大幅に安価です。

グリース可能な U ジョイントとシールされた U ジョイント

これは、交換用 U ジョイントを選択する際に実際的に最も重要な違いの 1 つです。

グリース可能なUジョイント (Zerk フィッティングを使用) は、定期的なサービス間隔 (通常は 1 回ごと) で潤滑することができます。 5,000～10,000マイル または毎年。これらのジョイントは適切にメンテナンスされていれば、車両の寿命の間ずっと持続します。これらは、オフロード車、トラック、およびジョイントが水、泥、塵にさらされるあらゆる用途に最適です。
シールされた U ジョイント 工場でグリースが封入されているため、メンテナンスは不要ですが、内部のグリースがなくなったり劣化したりした場合に再潤滑することもできません。これらは多くの乗用車の OEM 標準であり、通常の条件下では十分な耐用年数を提供しますが、過酷な使用用途では摩耗が早くなる可能性があります。

牽引、オフロード走行、または道路塩分にさらされる地域で使用されるトラックの場合、 常にグリース可能な U ジョイントを指定してください 両方のオプションがアプリケーションで利用可能な場合、密閉された同等品よりも優れています。定期的にグリースを注入するわずかな追加コストにより、ジョイントの寿命が劇的に延び、早期警告システムが提供されます。潤滑を維持するために突然大量のグリースが必要になったジョイントは、致命的な故障が発生する前に内部摩耗の兆候を示しています。