Universal Joint Shaft: การออกแบบ การเลือก และการบำรุงรักษา

บทความนี้มุ่งเน้นไปที่คำแนะนำเชิงปฏิบัติระดับวิศวกรรมสำหรับเพลาข้อต่อสากล (เพลาข้อต่อ U) โดยครอบคลุมคำจำกัดความ ตัวเลือกการกำหนดค่า สูตรขนาด วัสดุและคำแนะนำในการรักษาความร้อน ขั้นตอนการประกอบและขั้นตอน รายการตรวจสอบ โหมดความล้มเหลวทั่วไป และพิกัดความเผื่อในการตกแต่ง/การผลิต ทั้งหมดนี้เขียนขึ้นเพื่อให้วิศวกรด้านการออกแบบหรือการบำรุงรักษาสามารถนำไปใช้ได้โดยตรง

เพลาข้อต่อสากลคืออะไร และควรใช้เมื่อใด

เพลาข้อต่อสากลส่งแรงบิดระหว่างเพลาที่ไม่ใช่คอลลิเนียร์โดยใช้ข้อต่อสากล (ชนิดตะขอ) อย่างน้อยหนึ่งข้อต่อ ข้อต่อ U พื้นฐานต่างจากข้อต่อที่มีความเร็วคงที่ตรงที่ทำให้เกิดการวางแนวเชิงมุมที่ไม่ตรง แต่ทำให้เกิดความผันผวนของความเร็วเมื่อใช้เพียงอย่างเดียว ใช้เพลาข้อต่อ U โดยที่:

• การวางแนวเชิงมุมไม่ตรงปานกลาง (โดยทั่วไปสูงถึง 25–30° ต่อข้อต่อสำหรับงานออกแบบหนัก)
• ความเรียบง่าย ต้นทุน และความง่ายในการบำรุงรักษาเป็นสิ่งสำคัญอันดับแรก
• ระบบสามารถยอมรับความผันผวนของความเร็วหรือใช้ข้อต่อ U ที่จับคู่ (คู่) เพื่อยกเลิก

ประเภทและการกำหนดค่าของเพลาข้อต่อสากล

เพลา U-joint แบบเดี่ยวและแบบคู่ (cardan)

ข้อต่อ U เดี่ยวจะส่งแรงบิดระหว่างเพลาที่ไม่ตรงแนว แต่ให้ความเร็วเชิงมุมที่ไม่สม่ำเสมอ ข้อต่อ U คู่ที่มีเฟสอย่างเหมาะสม (ข้อต่อ U สองตัวที่มีเพลากลาง) จะยกเลิกการแปรผันของความเร็ว หากข้อต่อทั้งสองทำงานที่มุมเท่ากันและมีการแบ่งเฟสอย่างถูกต้อง นี่เป็นวิธีแก้ปัญหาที่พบบ่อยที่สุดในการใช้งานระบบขับเคลื่อน

ครอสแบริ่ง (สี่โบลต์) เทียบกับขาตั้งและลูกผสมความเร็วคงที่

ข้อต่อแบบ Cross-bearing (แบบมี cross-bearing cross) มีขนาดกะทัดรัดและทนทานสำหรับการรับน้ำหนักในแนวรัศมีที่หนัก ข้อต่อแบบขาตั้งกล้องหรือ CV-ไฮบริดช่วยลดการสั่นสะเทือนในมุมที่สูงขึ้น แต่มีความซับซ้อนและมีค่าใช้จ่ายสูงกว่า เลือกโดยพิจารณาจากการวางแนวที่ไม่ตรง รอบการทำงาน การเข้าถึงการหล่อลื่น และความต้องการการปรับสมดุลแบบไดนามิก

หลักการออกแบบและการกำหนดขนาด (สูตรปฏิบัติ)

การเลือกแรงบิดพื้นฐานและเส้นผ่านศูนย์กลางเพลา

เริ่มต้นด้วยแรงบิดที่ส่ง หากคุณทราบแรงม้า (HP) และความเร็วเพลา (RPM):

• แรงบิด (ปอนด์·ฟุต) = (HP × 5252) / รอบต่อนาที
• สำหรับหน่วยเมตริก: แรงบิด (N·m) = (HP × 745.7) / (2π × RPM/60) — ง่ายกว่าในการแปลง HP เป็น kW และใช้ T (N·m) = (kW × 9550) / RPM

เมื่อทราบแรงบิด (T) แล้ว ให้พิจารณาโมดูลัสของส่วนเพลาและเส้นผ่านศูนย์กลางที่ต้องการโดยใช้ความเค้นเฉือนที่ยอมรับได้ (τ_allow) สำหรับเพลากลมตันภายใต้แรงบิด:

• โมเมนต์เชิงขั้ว J = π·d⁴ / 32
• ความเค้นเฉือน τ = T·c / J = (16·T) / (π·d³)
• จัดเรียงใหม่เพื่อแก้หา d: d ≥ ( (16·T) / (π·τ_allow) )^(1/3)

ใช้ปัจจัยด้านความปลอดภัยที่เหมาะสมสำหรับการใช้งาน: เพลาความล้า/เพลาหมุนทั่วไปใช้ 1.5–3.0 ขึ้นอยู่กับการรับแรงกระแทกและรอบการทำงานที่ไม่ทราบ สำหรับเพลาแบบมีกุญแจหรือแบบเป็นร่อง ให้คำนึงถึงความเข้มข้นของความเค้นและลดความเค้นที่ยอมให้ตามนั้น

การเลือกใช้วัสดุ การอบชุบด้วยความร้อน และการตกแต่งพื้นผิว

วัสดุทั่วไปและการรักษาสำหรับเพลาข้อต่อ U:

• เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง (AISI 1045/EN C45): สามารถแปรรูปได้ดี เหมาะสำหรับการรับน้ำหนักปานกลางหลังจากการบรรเทาความเครียดหรือการแข็งตัวของพื้นผิว
• โลหะผสมเหล็ก (4140/42CrMo): เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีแรงบิด/ความล้าสูง ผ่านการชุบแข็งหรือดับ & ทนแรงดึง > 800–1,000 MPa ตามต้องการ
• การชุบแข็งตัวเรือน (คาร์บูไรซ์หรือไนไตรด์) สำหรับร่องฟันเฟืองหรือเจอร์นัลเพื่อปรับปรุงการสึกหรอในขณะที่ยังคงแกนกลางที่แข็งแกร่งไว้
• การตกแต่งพื้นผิว: Ra ≤ 0.8 µm แนะนำให้ใช้ที่วารสารตลับลูกปืน ที่นั่งลูกปืนขัดเงาช่วยยืดอายุลูกปืนเข็ม

การประกอบ การวางขั้นตอน การปรับสมดุล และการเบี่ยงเบนหนีศูนย์

กฎการวางเฟส (เพื่อหลีกเลี่ยงการสั่นสะเทือน)

เมื่อใช้ข้อต่อ U สองตัวต่ออนุกรม ข้อต่อทั้งสองจะต้องมีมุมการทำงานเท่ากันและแบ่งเฟสเป็น 180° (วางแนวแอก) เพื่อให้ความผันผวนของความเร็วของเพลาขับเคลื่อนถูกยกเลิก ในทางปฏิบัติ:

• วางหูแอกให้มองเห็นแล้วทำเครื่องหมาย ติดตั้งเพื่อให้เครื่องหมายหน้าแปลน/แอกอยู่ในระยะที่กำหนด
• ยืนยันมุมที่เท่ากันด้วยเกจวัดมุม มุมที่ไม่เท่ากันจะทำให้เกิดการสั่นสะเทือนที่ตกค้างตามสัดส่วนของความแตกต่าง

การปรับสมดุลแบบไดนามิกและการเบี่ยงเบนหนีศูนย์

เพลาที่มีข้อต่อรูปตัวยูและส่วนตรงกลางควรมีความสมดุลแบบไดนามิก หากความเร็วในการทำงานเกินรอบเดินเบาของเครื่องยนต์ทั่วไป หรือหากความทนทานต่อการสั่นสะเทือนต่ำ การเบี่ยงเบนหนีศูนย์เป้าหมายและค่าเผื่อความสมดุล:

• ความหนีศูนย์รวมที่ระบุ (TIR) ที่วารสารแบริ่ง: ≤ 0.05 มม. สำหรับระบบขับเคลื่อนความเร็วสูง
• การปรับสมดุลแบบไดนามิกเป็น ISO 1940/1 เกรด G16 หรือดีกว่าสำหรับการใช้งานในยานยนต์ อุปกรณ์หมุนที่หนักกว่าอาจต้องใช้ G6.3–G2.5

รายการตรวจสอบ การตรวจสอบ การหล่อลื่น และการบำรุงรักษา

การตรวจสอบเป็นประจำจะช่วยยืดอายุการใช้งานได้อย่างมาก ใช้รายการตรวจสอบที่เป็นประโยชน์ต่อไปนี้ในระหว่างการบำรุงรักษาตามกำหนดเวลา:

• การตรวจสอบด้วยสายตาของส่วนนูนแอก รองแหนบไขว้ และซีลสำหรับการให้คะแนน การกัดกร่อน หรือการรั่วไหลของจาระบี
• ตรวจสอบการเล่นของตลับลูกปืน: การเล่นในแนวแกนหรือแนวรัศมีที่เกินพิกัดความเผื่อของผู้ผลิต บ่งชี้ถึงการสึกหรอของตลับลูกปืน วัดด้วยหน้าปัด
• ระยะเวลาการอัดจาระบี: หล่อลื่นแบริ่งเข็มต่อรอบการทำงาน (โดยทั่วไป: ทุกๆ 50–200 ชั่วโมง) โดยใช้เกรด NLGI และจาระบีแบริ่งที่เข้ากันได้
• ตรวจสอบเสียงรบกวนและการสั่นสะเทือนภายใต้ภาระ - การโจมตีอย่างกะทันหันบ่งบอกถึงการยุบตัวของแบริ่ง ความล้มเหลวข้าม หรือเฟสที่ไม่ถูกต้อง

โหมดความล้มเหลวทั่วไปและสาเหตุที่แท้จริง

การจดจำโหมดความล้มเหลวจะช่วยกำหนดการแก้ไขที่ถูกต้อง:

• การสึกหรอของตลับลูกปืนเข็มก่อนกำหนด — โดยทั่วไปเกิดจากการหล่อลื่นไม่เพียงพอ จาระบีที่ปนเปื้อน หรือการเยื้องศูนย์
• การแตกหักแบบขวาง/รองแหนบ — การรับแรงกระแทกสูงหรือการใช้วัสดุ/การให้ความร้อนไม่ถูกต้อง ตรวจสอบพื้นผิวการแตกหักเพื่อหาลักษณะความล้าและลักษณะการโอเวอร์โหลด
• การเสียรูปของข้อต่อ U — ช่วงการโค้งงอมากเกินไปเนื่องจากการรองรับที่ไม่เหมาะสมหรือเพลาที่เล็กเกินไป

ความคลาดเคลื่อนในการผลิต การตรวจสอบและการทดสอบ QC

มิติข้อมูลหลักและการดำเนินการควบคุมคุณภาพที่จะรวมไว้ในแผนการผลิต:

• เส้นผ่านศูนย์กลางของวารสาร ±0.01–0.03 มม. ขึ้นอยู่กับความพอดีของตลับลูกปืน (การสวมแบบกดเทียบกับการสวมแบบสลิป)
• ความคลาดเคลื่อนของเส้นโค้งหรือส่วนคีย์ตามมาตรฐาน ISO/RM ที่ใช้ ควบคุมความหนีศูนย์และศูนย์กลาง ≤ 0.05 มม.
• ทำการตรวจสอบความแข็งหลังการให้ความร้อน (เช่น ความแข็งของแกนและความลึกของตัวเรือนสำหรับชิ้นส่วนคาร์บูไรซ์)
• การทดสอบการทำงานขั้นสุดท้าย: หมุนภายใต้โหลดที่ความเร็วการทำงานเพื่อตรวจจับการสั่นสะเทือน เสียง หรือการรั่วไหลของน้ำมัน/จาระบี

รายการตรวจสอบการคัดเลือกและตารางอ้างอิงด่วน

ใช้รายการตรวจสอบด้านล่างก่อนที่จะสรุปการออกแบบเพลาหรือสั่งซื้อชิ้นส่วนทดแทน:

• ยืนยันแรงบิดสูงสุดและต่อเนื่อง ช่วง RPM และมุมการทำงาน
• ตัดสินใจเลือกการจัดเรียงข้อต่อแบบเดี่ยวและแบบคู่โดยพิจารณาจากมุมและข้อกำหนดสำหรับความเร็วคงที่
• ระบุวัสดุ การบำบัดความร้อน และการตกแต่งพื้นผิวสำหรับเจอร์นัลและร่องฟันเฟือง
• รวมข้อกำหนดการปรับสมดุลและขีดจำกัดการเบี่ยงเบนหนีศูนย์ไว้ในภาพวาดการซื้อ

หมายเหตุสุดท้าย: อ้างอิงเอกสารข้อมูลข้อต่อ U เฉพาะของผู้ผลิตเสมอสำหรับขนาดร่องฟัน ประเภทตลับลูกปืนเข็ม และความเข้ากันได้ของจาระบี สูตรและความคลาดเคลื่อนข้างต้นเป็นจุดเริ่มต้นที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว ปรับให้เข้ากับรอบการทำงาน สภาพแวดล้อม (บริการที่มีฤทธิ์กัดกร่อนหรืออุณหภูมิสูง) และข้อกำหนดด้านความปลอดภัยของโครงการของคุณ