U ジョイントの目的は何ですか?機能と重要性

の目的 Uジョイント — ユニバーサルジョイントの略称 — とは、 完全に位置合わせされていない 2 つのシャフト間で回転トルクと運動を伝達する 。これは、角度のずれに対応する柔軟な機械的カップリングとして機能し、シャフトが直線ではなく斜めに交わる場合でも、ある回転コンポーネントから別の回転コンポーネントに動力をスムーズに流すことができます。

実際には、U ジョイントにより、サスペンションが上下に動き、ドライブトレインの位置が変化しても、車両のドライブシャフトがエンジン出力を車輪に伝達することが可能になります。これがないと、シャフト間の剛性の不一致により、振動、機械的結合、またはドライブトレインの完全な故障が発生する可能性があります。 U ジョイントは、自動車、トラック、農業機械、産業機械、船舶用駆動システムなどに使用されています。

U ジョイントの機械的な仕組み

U ジョイントは、クロスまたはスパイダーと呼ばれる十字形の中央部分と、90 度の角度で外側に伸びる 4 つのトラニオン (アーム) で構成されます。各トラニオンはベアリング カップに収まり、2 対のベアリング カップは接続されている 2 つのシャフトに取り付けられたヨークに取り付けられます。この構成により、互いに直角な 2 つのピボット軸が作成され、ある角度を通過する回転が可能になります。

通常、単一の U ジョイントで角度のずれに対応できます。 15°～25°まで 設計にもよりますが、高い角度で動作させるとベアリングへの応力が増大し、出力シャフトの速度変動が発生します。速度変動として知られるこの速度変動を排除するために、通常、2 つの U ジョイントが直列に使用され、その間にスリップ ヨークまたはセンター ベアリングが配置されます。これは、ダブル カルダンまたはツーピース ドライブシャフトと呼ばれる構成です。

カルダン共同原則

標準的な U ジョイント設計は、正式にはカルダン ジョイントと呼ばれ、16 世紀にその原理を説明した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。その主な特徴は、トルクを効果的に伝達する一方で、出力シャフトが入力に対して完全に一定の速度で回転せず、速度が 1 回転あたり 2 回周期的に変化することです。この変動は、小さな動作角度 (3° 未満) では最小限ですが、それを超えると顕著になり、損傷を与える可能性があります。 10°～15° .

代替としての等速 (CV) ジョイント

高い作動角でスムーズな出力速度が不可欠な場合、特に前輪駆動のアクスル シャフトでは、CV ジョイントが U ジョイントに代わるか、U ジョイントを補完します。 CV ジョイントは、カルダン U ジョイントに特有の速度変動を排除しますが、製造がより複雑で高価になります。 U ジョイントは、その強度、シンプルさ、交換の容易さにより、ドライブシャフトの高負荷用途に依然として好まれています。

車両における U ジョイントの主な機能

自動車のドライブトレインでは、U ジョイントは相互に関連するいくつかの機械的目的を同時に果たします。

• 角度を越えたパワー伝達: 主な役割は、サスペンションの移動によってコンポーネント間の角度が変化しても、エンジンのトルクをトランスミッションの出力からドライブシャフトを介してディファレンシャルに伝達することです。
• サスペンションの動きに対応: リアアクスルが路面上で上下に動くと、ドライブシャフトとディファレンシャルピニオンシャフトの間の角度が常に変化します。 U ジョイントは、力の流れを中断することなく、この角度の変化を吸収します。
• ドライブシャフトの長さの変更を許可します。 U ジョイントをスリップ ヨークと組み合わせることで、サスペンションの圧縮と伸張に応じてドライブ シャフトの有効長が変化し、シャフトが強制的に所定の位置から外れるのを防ぎます。
• ドライブトレインのストレスを軽減: U ジョイントは柔軟な結合点を提供することで、トランスミッションとディファレンシャルの間で硬い衝撃荷重が直接伝わるのを防ぎ、両方のコンポーネントの寿命を延ばします。

さまざまな用途で U ジョイントが使用される場所

U ジョイントは乗用車のドライブシャフトに限定されません。これらは、回転運動が角度ギャップを通過する必要があるあらゆる機械システムの幅広い範囲で発生します。

U ジョイントの種類とその具体的な用途

動作角度、トルク容量、速度、動力供給の滑らかさの点でさまざまな要求を満たすために、さまざまな U ジョイント設計が存在します。

シングルカルダン U ジョイント

最も一般的なタイプ。シンプル、丈夫、そして安価。後輪駆動のドライブシャフトの大部分に使用されています。以下の作動角に最適 10° 。標準的な乗用車と小型トラックのドライブシャフトは通常、次の間で動作します。 1°と7° 通常の車高ではUジョイントで。

ダブルカルダン（CV Uジョイント）

2 つのカルダン ジョイントを直列に取り付け、その間にセンタリング ソケットを配置します。これにより、各関節の速度変動がキャンセルされ、滑らかな等速出力が得られます。 4WD トラックのフロント ドライブシャフトや、ステアリング角度が大きな作動角を生み出すフロント アクスルの用途で一般的に使用されます (場合によってはそれを超えることもあります)。 20°～30° .

スパイサー / ダナ U ジョイント (ヘビーデューティー)

Dana Spicer ブランドにちなんで名付けられたこれらは、トラック、バス、オフロード車の高トルク用途向けに設計された頑丈なカルダン ジョイントです。標準的な乗用車の U ジョイントを破壊するトルク負荷に対処するために、より大きなベアリング カップと厚いトラニオンを使用しています。クラス 8 トラック用に定格された頑丈なスパイサー ジョイントは、次を超えるトルク容量を扱うことができます。 10,000 ポンドフィート .

ステアリングUジョイント

ステアリングコラムに使用される小型の精密 U ジョイント。これらは、ドライブトレイン ジョイントと比較して非常に低いトルクで動作しますが、ステアリング フィードバックが正確であるように、スムーズでバックラッシュのない動作を提供する必要があります。ステアリング U ジョイントが摩耗すると、ステアリングが著しく緩んだり、カタカタという感触が生じます。

U ジョイントが故障している兆候

U ジョイントは摩耗コンポーネントであるため、特に高い角度で動作する車両や重い荷物を運ぶ車両では、故障の症状を早期に認識することで、より深刻なドライブトレインの損傷を防ぐことができます。 U ジョイントが故障すると、ドライブシャフトが車両から完全に分離する可能性があり、これは重大な安全上の問題となります。

• ギアをシフトするときに「カタカタ」という音や「バタン」という音: U ジョイントが摩耗すると、ドライブトレインが加速から減速に移行するとき、またはドライブからリバースにシフトするときに、独特のカタカタ音が発生します。これはベアリングカップの過剰な遊びが原因で発生します。
• 高速道路走行時の振動： ベアリングが磨耗または固着した U ジョイントは、回転するドライブシャフトに不均衡を引き起こし、通常は上方に達するとさらに悪化する振動を発生させます。 時速45～55マイル .
• 低速走行時のきしみ音： 潤滑が失われ、乾燥または腐食した U ジョイント ベアリングは、ドライブシャフトの回転に伴ってリズミカルにきしむ音を発します。これは、多くの場合、駐車場での運転時に最もよく聞こえます。
• クロスおよびベアリングキャップの錆びまたは目に見える摩耗: 目視検査中に、クリップを保持しているベアリング キャップの周囲に錆が付着していたり、トラニオンに目に見える磨耗溝がある場合は、U ジョイントを直ちに交換する必要があることを示しています。
• リアシール付近のトランスミッション液漏れ： U ジョイントが故障すると、振動やラジアル荷重が発生してトランスミッションの出力シャフト シールが損傷し、U ジョイントの問題ではなくシールの問題と間違われる可能性のある流体漏れが発生する可能性があります。

U ジョイントのメンテナンスと交換

最新の U ジョイントの多くは密閉されており、メンテナンスは必要ありませんが、グリース可能な U ジョイント (十字のグリース フィッティングまたはザーク フィッティングで識別される) を装備した車両は、定期的な間隔 (通常は 1 回ごと) で潤滑する必要があります。 5,000～10,000マイル または車両のサービスマニュアルに指定されているとおりです。グリースを塗布すると、各キャップ内のニードルベアリングに新しい潤滑剤が押し込まれ、汚染物質が排除され、早期故障につながる金属同士の摩耗が防止されます。

交換間隔

寿命は動作条件によって大きく異なるため、U ジョイントの交換に一般的な走行距離間隔はありません。使用頻度の低い乗用車の U ジョイントが適切にメンテナンスされていれば、車両の寿命まで続く可能性があります。 150,000マイル以上 。牽引やオフロード走行に使用される重い荷物を積んだトラックの U ジョイントは、摩耗する可能性があります。 50,000～80,000マイル 。オイル交換のたびに定期的に点検することが最も信頼できるメンテナンス方法です。

交換費用

交換用 U ジョイント パーツの価格は通常、 20ドルと100ドル ほとんどの乗用車に対応。古いジョイントを押し出して新しいジョイントを取り付ける作業が追加されます 75ドルから200ドル ドライブシャフトの複雑さ、およびシャフトを取り外してバランスを取る必要があるかどうかに応じて、一般的なショップで行うことができます。大型トラックの U ジョイントのコストは大幅に高くなる可能性があります — ジョイントあたり 150 ～ 500 ドル シリーズや用途により異なります。

U ジョイントが依然として重要なドライブトレイン コンポーネントである理由

前輪駆動および全輪駆動システムでの CV ジョイントの使用が増加しているにもかかわらず、後輪駆動のトラック、商用車、農業機器、産業機械では依然として伝統的なカルダン U ジョイントが主流です。その利点は簡単です。

• 高いトルク容量 サイズと重量に比べて優れているため、牽引や運搬によってドライブトレインに極度の負荷がかかるトラックや重機に最適です。
• 現場での交換可能性 — 特殊な機器やアクスル シャフト全体の交換を必要とする多くの CV ジョイント アセンブリとは異なり、U ジョイントは現場で基本的な手工具で交換できます。
• 低コスト これは、数百台の車両にまたがるコンポーネントのコストが倍増する商用車両の運用において非常に重要です。
• 実証済みの耐久性 1 世紀を超える機械開発を通じて、定期的な検査で予測可能かつ管理可能な故障モードがよく理解されています。

U ジョイントは、完全な位置合わせを維持できない 2 つのシャフト間で回転力をどのように伝達するかという基本的な工学的問題を解決し、20 世紀初頭に広く採用されて以来、ほとんど変わっていない機械的な優雅さでそれを実現します。