Uジョイントとは何ですか?機能、種類、置換え

Uジョイント ユニバーサルジョイントの略で、2つの回転軸を角度を付けて接続し、軸が完全に一致していなくてもトルクをスムーズに伝達できるメカニカルカップリングです。 ほとんどの後輪駆動車および四輪駆動車では、U ジョイントはトランスミッション、ドライブシャフト、後車軸の間の重要なリンクであり、サスペンションの動き、車両の荷重の変化、ドライブラインの角度に対応するために同時に屈曲および回転します。 U ジョイントが機能していないと、エンジンからのトルクが車輪に伝わりません。 U ジョイントが摩耗したり故障したりすると、単に不便になるだけではありません。高速道路の速度では、致命的な U ジョイントの故障により、ドライブシャフトが道路に落ちたり、床を突き破ったりする可能性があり、重大な安全上の危険が生じます。

U ジョイントの仕組み: メカニズムの説明

ユニバーサル ジョイントは、基本的な工学的問題を解決します。つまり、ある角度で交わる 2 つのシャフト間で回転力をどのように伝達するのか、また、車両の移動に応じてその角度が常に変化する場合はどうすればよいでしょうか。堅い接続だと結合して壊れてしまいます。フレキシブルカップリングは曲がるだけでトルクが失われます。 U ジョイントは、屈曲と回転の両方を同時に行います。

標準 U ジョイントのコンポーネント

従来の自動車用 U ジョイント (技術的にはカルダン ジョイントと呼ばれ、その形状を記述した 16 世紀のイタリアの数学者ジェロラモ カルダーノにちなんで名付けられました) は、次の 4 つの主要コンポーネントで構成されています。

• 十字架 (またはクモ): ジョイントのピボット ポイントを形成する 4 本の腕を持つ鋼鉄の十字。各アームは精密に研磨され、継続的なねじり応力に耐えられるように硬化されています。
• ベアリングカップ（トラニオンキャップ）： 4 つのカップ型ハウジング (十字の各アームに 1 つ) にニードル ベアリングが詰め込まれています。これらにより、各アームがヨーク内で自由に回転できるようになります。
• ニードルベアリング： 各カップ内の小さな円筒ころ軸受が摩擦を軽減し、軸受面全体に負荷を分散します。
• ヨーク: ドライブシャフトの両側に取り付けられた二股コネクタ。ベアリングカップがヨークの耳に押し込まれ、組み立てが完了します。 2 つのヨークは十字に 90 度離れて配置されます。

速度変動問題とその解決方法

単一のカルダン U ジョイントには固有の制限があります。 3 ～ 5 度を超える角度で出力シャフトに周期的な速度変動が生じます。 。ジョイントが 1 回転すると、出力シャフトは 1 回転につき 2 回加速および減速します。この現象は、速度変動または角速度誤差と呼ばれます。動作角が 10 度の場合、顕著な振動が発生します。 20度以上になると厳しくなります。

工学的な解決策は、ドライブシャフトに 2 つの U ジョイントを使用し、ヨークを正しく位相調整 (位置決め) し、最初のジョイントの速度変動が 2 番目のジョイントの速度変動を打ち消すことです。これが、ほぼすべての自動車のドライブシャフトの両端に 1 つだけではなく U ジョイントが付いている理由です。効果的にキャンセルするには、両方のジョイントの動作角度が互いに約 1 度以内である必要があります。これは、ドライブシャフトの取り付けまたはサスペンションの変更時に重要な要素です。

車両内の U ジョイントの位置

U ジョイントは、車両の駆動構成に応じて、ドライブトレインとステアリング システムの複数の場所に表示されます。それらの位置を理解すると、問題が発生したときに症状の原因を特定するのに役立ちます。

前輪駆動車は通常、ドライブシャフトに従来の U ジョイントを使用しません。代わりに CV (等速) ジョイントを使用し、速度変動なしでより高い作動角を処理します。しかし、多くの前輪駆動車は依然としてステアリング シャフトに小さな U ジョイントを使用しています。

U ジョイントの種類: すべてが同じように作られているわけではありません

いくつかの異なる U ジョイント設計が存在し、それぞれが異なる動作角度、トルク負荷、アプリケーション要件に合わせて最適化されています。違いを理解すると、ドライブラインコンポーネントを交換またはアップグレードするときに役立ちます。

カルダン (クロスおよびベアリング) U ジョイント

自動車用途で最も一般的な U ジョイント タイプ。シンプルで安価、サイズも豊富に揃っています。 標準的な自動車用カルダン U ジョイントは、最大約 15 ～ 18 度の角度で効率的に動作します。 ただし、長い耐用年数とスムーズな動作を実現するには、ドライブシャフトの動作角度を 3 ～ 6 度未満に保つことがベスト プラクティスです。定期的な潤滑が必要な場合 (グリース可能なバージョン)、または永久密閉型ユニットです。

ダブルカルダン (CV) U ジョイント

ダブル カルダン ジョイントは、センタリング ソケットとボール アセンブリによって接続された 2 つの標準カルダン ジョイントで構成されます。この設計は、最大 35 ～ 40 度の角度で、単一のカルダン ジョイントに固有の速度変動を排除して、真の等速出力を生成します。 ダブルカルダンジョイントは、多くの 4WD トラックや SUV のフロントドライブシャフトに標準装備されています。 フォード F-150、ラム 1500、トヨタ 4ランナーなど、ステアリングやサスペンションの動きによりフロントアクスルの作動角が大きくなります。

ゼッパ CV ジョイント

技術的には従来の U ジョイントではなく等速ジョイントである Rzeppa は、前輪駆動アクスル シャフトおよび独立したリア サスペンション車両の標準ジョイントです。ケージ内に 6 つの鋼球を使用し、速度変動なく最大 47 度の角度でトルクを伝達します。一般的な使用法では U ジョイントとは呼ばれませんが、FWD および IRS ドライブトレインでは同じ役割を果たします。

スパイサースタイルおよび非グリース可能 (シール型) U ジョイント

カルダン カテゴリ内では、U ジョイントは潤滑設計によってさらに分類されます。 グリースを塗布できる U ジョイント (ザークフィッティング付き) は、適切にメンテナンスすると大幅に長持ちします — 通常は 5,000 ～ 10,000 マイルごと、またはオイル交換ごとに行います。密閉型 (グリース不可) U ジョイントにはグリースが封入されており、通常の条件下で通常 50,000 ～ 100,000 マイルで摩耗するまでメンテナンスは必要ありません。

U ジョイントの故障の警告サイン

U ジョイントは徐々に摩耗しますが、摩耗が始まると、通常は間違いなく故障の症状が現れます。早期にそれらを発見することで、より高価なドライブラインの損傷を防ぎ、突然のドライブシャフトの故障による安全上のリスクを回避します。

最も一般的な症状

• ギアをシフトしたり方向を変えたりするときに、カタカタという音やノック音: 最も初期かつ最も信頼できる指標の 1 つ。カタカタ音は、駆動負荷が逆転するときに摩耗したジョイントの緩みが吸収されるときに発生します。これは、駆動から後進への移行時、または停止から加速するときに特徴的です。
• 車速に応じて大きくなる振動： U ジョイントが摩耗すると、ドライブシャフトの回転バランスが崩れます。振動は通常、時速 45 ～ 55 マイル付近で始まり、時速 60 マイルを超えると激しくなります。床、シート、またはシフトレバーを通してゴロゴロと音がするように感じる場合があります。
• 低速時のきしみ音： グリースが塗布されていないジョイントや密封ユニットのシールの破損などにより、乾燥したニードル ベアリングが発生すると、車の速度に応じたリズミカルなきしみ音が発生します。これは、物理的な障害が発生する前のジョイントの最後の警告です。
• 目に見える錆や接合部の動き： 物理的な検査でベアリング カップの周囲に錆が付着していたり、ドライブシャフトを手で揺すったときに横方向の遊びが見られる場合は、U ジョイントを直ちに交換する必要があることがわかります。
• リアシールのトランスミッションフルード漏れ： U ジョイントがひどく摩耗すると、ドライブシャフトがトランスミッションの出力シャフト シールを損傷するほど激しく振動し、その結果、ジョイント自体とは関係なく流体が漏れる可能性があります。

U ジョイントを手でテストする方法

1. 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 ジョイント近くのドライブシャフトの下に手を入れて握ります。
2. 隣接するシャフトを静止させたまま、ドライブシャフトを回転させてみます。 ジョイント内で回転の遊び (カタカタ音や緩み) が感じられる場合は、ニードル ベアリングが摩耗しており、U ジョイントの交換が必要であることを示しています。
3. 錆の汚れ（ベアリングカップの端の周りのオレンジ色または赤みがかった変色）を目視で検査します。これは、シールの破損と潤滑の喪失を示します。
4. クロスの左右の動きを確認します。これは、ベアリング カップがヨーク内で緩んでいることを示しており、摩耗が進行している兆候であり、直ちに対処する必要があります。

U ジョイントの交換: コスト、難易度、DIY が必要な場合

U ジョイントの交換は、機械に傾いている車両オーナーにとって最も簡単なドライブトレイン修理の 1 つですが、特別な工具と、ドライブシャフトの位相とトルクの仕様に対する細心の注意が必要です。

一般的な U ジョイント交換コスト

DIY U ジョイント交換: 必要なもの

• ソケット付き U ジョイント プレスまたはベンチバイス: ベアリングカップはヨークから押し出さなければなりません。ヨークを損傷する危険を冒さずにハンマーやパンチで安全に取り出すことはできません。 U ジョイント プレス ツールの価格は自動車部品店で 20 ～ 50 ドルです。
• スナップリングプライヤー： ほとんどの自動車用 U ジョイントは、内部スナップ リング (サークリップ) によってヨークに保持されており、ベアリング カップを押し出す前にスナップ リングを取り外す必要があります。
• トルクレンチ： ドライブシャフト フランジ ボルトは通常、車両に応じて 55 ～ 95 フィートポンドが必要です。トルクが不足または過剰であると、振動やボルトの破損が発生する可能性があります。
• 除去する前にペイントまたはスクライブマークを付けます。 ボルトを外す前に、ディファレンシャル フランジに対するドライブシャフトの向きをマークしてください。位相をずらして再組み立てすると、新しい U ジョイントであってもすぐに振動が発生します。

U ジョイントを 1 つだけではなく両方とも交換する場合

業界のベストプラクティスは、ドライブシャフトの U ジョイントが故障した場合は必ず両方のドライブシャフト U ジョイントを同時に交換することです。 両方のジョイントで同じ走行距離、動作温度、応力サイクルが発生します。 — 一方が摩耗した場合、もう一方は通常、数千マイル以内に故障します。 2 番目のジョイントの増分部品コスト (15 ～ 60 ドル) は、2 回目の修理訪問の人件費と比較すると最小限です。

U ジョイントと CV ジョイント: 違いを理解する

これら 2 つのジョイント タイプは、角度を付けたシャフト間でトルクを伝達するという同じ基本機能を実行するため、よく混同されますが、動作方法が異なり、車両用途が異なる場合があります。

実践的な診断のヒント: ドライブとリバースの間でシフトするときにカタカタ音が聞こえる場合は、U ジョイントを疑ってください。 。特に低速回転時（ステアリングホイールをフルロック近くに回したとき）にカチッという音やパチパチ音が聞こえる場合は、CV ジョイントが疑われます。

U ジョイントの寿命はどのくらいですか、またその寿命に何が影響しますか

U ジョイントの耐用年数は、車両の使用状況、潤滑方法、および動作環境によって大きく異なります。 通常の高速道路の状況下では、高品質のシールされた U ジョイントは通常 75,000 ～ 150,000 マイル持続します。 。グリースを塗布できるユニットをスケジュールどおりにメンテナンスすると、車両の寿命が続くまで使用できます。ただし、いくつかの要因がこの寿命を大幅に短縮します。

U ジョイントの摩耗を促進する要因

• グリスアップ間隔の無視: U ジョイントの早期故障の最も一般的な原因。グリース可能なジョイントが数千マイルでも空運転すると、ニードルベアリング内で金属同士の接触が生じ、急速な摩耗が発生します。ほとんどのメーカーは、5,000 マイルごと、またはオイル交換ごとにグリースを注入することを推奨しています。
• 過剰な作動角: 4WD トラックのサスペンションリフトが一般的な原因です。ドライブシャフト ドロップ キットやスリップ ヨークエリミネーターを追加せずにトラックを 3 ～ 4 インチ持ち上げると、ドライブシャフト角度が 8 ～ 12 度に増加する可能性があり、最適範囲を大幅に超えて、U ジョイントの寿命が 40 ～ 60% 減少します。
• オフロードおよび高トルクでの使用: 激しい加速、牽引、オフロードでのアーティキュレーションはすべて、定常状態の高速道路の巡航をはるかに超えるピークトルク負荷を U ジョイントに課します。定期的に牽引に使用されるトラックでは、U ジョイントの交換間隔が 30,000 ～ 50,000 マイルという短い場合があります。
• 水と汚染物質の摂取: 深い水や泥の中を走行すると、密閉性の高い U ジョイントであっても潤滑剤が洗い流される可能性があります。オフロード車両は、重要な水域を通過するたびに U ジョイントを検査し、グリースを塗布する必要があります (該当する場合)。
• 低品質の交換部品: 有名ブランドの低価格 U ジョイントは、クロスに柔らかい鋼と薄いニードル ベアリング カップを使用していることがよくあります。

自動車以外の U ジョイント: 産業およびその他の用途

ほとんどの人は乗用車やトラックで U ジョイントを目にしますが、これらのカップリングは、位置がずれているシャフト間で回転力を伝達する必要があるあらゆる機械システムの驚くべき範囲に使用されています。

• 農業用機器: トラクターを芝刈り機、耕運機、ベーラーなどの作業機に接続する PTO (パワーテイクオフ) シャフトには、高トルクと一定の角度変化を備えた頑丈な U ジョイントが使用されています。農業用 U ジョイントは通常、自動車ユニットよりもはるかに大きく、ほとんどの自動車用ジョイントの 3/4 インチ～1 3/8 インチの範囲に対して、1 3/4 インチ～2 インチのクロス サイズが一般的です。
• 産業機械： 圧延機、製紙工場、印刷機、および包装機器では、完全に位置合わせできない機械コンポーネント間で動力を伝達するために、大型の工業用 U ジョイント (ユニバーサル カップリングとも呼ばれます) が使用されています。工業用 U ジョイントのトルクは数百万インチポンドと評価される場合があります。
• 海洋用途: 船内ボートエンジンは、トランスミッションをプロペラシャフトに接続するドライブシャフトに U ジョイントを使用します。これは、水の腐食の影響や、プロペラシャフトの傾きによって生じる可変角度を考慮すると、厳しい環境です。
• 航空宇宙: 小型 U ジョイントは、コンパクトで信頼性の高い角度伝達が必要な航空機の制御リンケージ、アクチュエーター システム、付属品のドライブ シャフトに使用されます。
• 医療とロボット工学: ミニチュア U ジョイント (最小 2 ～ 3 mm) は、非常に小さなパッケージで正確かつ低摩擦の角運動伝達が必要とされる外科用器具、ロボット エンドエフェクター、およびカメラ位置決めシステムで使用されます。