10. Tengelykapcsolók
10.3. Tengelykapcsolók ismertetése
10.3.1. Fogas tengelykapcsoló
A fogas tengelykapcsoló (10.4. ábra) merev, nem oldható tengelykapcsoló. A hajtó és a hajtott tengely végének homlokfelületén egy speciális kúpfogaskerékhez, a síkkerékhez hasonló fogazatot készítünk. A fogazat a két tengelyvégen egyforma. A két tengelyvég egymásba tolható. Az egyik tengely fogai kitöltik a másik tengely fogárkait, egytengelyű kapcsolatot kapunk.
Ezt a fajta tengelykapcsolót jellemzően bonyolult kialakítású tengelyek részegységekből történő összeállításához dolgozták ki. Elsőnek a Hirth repülőgépgyár alkalmazta a motor forgattyús tengelyének összeállításához. A tengely két felében menet található, amelyek emelkedésének iránya megegyezik, menetemelkedése azonban eltérő. A két felet speciális üreges csavar fogja össze. A csavar két végén a kétféle emelkedésű menet kezdődik. Az üreg belsejében barázda fogazat található, ehhez csatlakozik a meghúzó szerszám. A csavar
meghúzásakor a két tengelyfél egymásnak szorul. Ilyen összeállított forgattyús tengely volt például az 1938-as Auto Union versenyautóban, és az ötvenes években az Adler motorkerékpárokban. Napjainkban kerékpár pedáltengelyben is használják.
10.4. ábra: Hirth tengelykapcsoló 10.3.2. Bordás tengelykapcsoló
A bordás tengelykapcsoló merev, nem oldható tengelykapcsoló. Az egyik tengelyvég palástján tetszőleges profilú bordákat alakítunk ki. A másik tengelyvéget üregesre alakítjuk ki, és annak belsejében a bordákat fogadni képes hornyokat készítünk. A teljesítmény átvitel a két tengelyvéget egymásba csúsztatva lehetséges.
Bordás tengelykapcsolóval nagy pontossággal azonos forgástengelyű tengelyek axiális távolságát lehet kiegyenlíteni. A bordák profilja lehet evolvens, vagy más könnyen gyártható profil. A tengelykapcsoló egymáson csúszó részei kenést igényelnek. A járműiparban bordás tengelykapcsolót jellemzően kardántengelyekben alkalmaznak.
10.3.3. Oldham tengelykapcsoló
Oldham tengelykapcsolóval (10.5. ábra) két párhuzamos, nem egytengelyű, egymástól adott távolságra elhelyezkedő tengelyvég köthető össze. Mindkét tengelyvégre egy tárcsát erősítünk, amelynek a körlapjában egy darab horony van. A két tengelyvég tárcsát egy harmadik tárcsával kötjük össze, amelynek oldallapjain egy-egy, a végtárcsák hornyába illeszkedő vezetőléc van. A két vezetőléc helyzete egymásra merőleges. Forgás közben a harmadik tárcsa bolygó mozgást végez, miközben a vezetőlécek elcsúsznak a hornyokban.
A tengelykapcsolónak létezik olyan kivitele, ahol a középső tárcsa a hornyos kialakítású és a végtárcsák a bordásak. Ezen felül van olyan kivitel, ahol a középső tárcsa hornyai legömbölyített élűek. Ez a kivitel kis mértékű szögeltérés kiegyenlítésére is alkalmas.
A középső tárcsát jellemzően műanyagból vagy keménygumiból készítik, míg a végtárcsák edzett acélból készülnek. A tengelykapcsoló az állandó csúszás miatt kenést igényelhet, melegedhet. Általában kis teljesítmények átvitelére használják. Ilyen tengelykapcsolóval hajtják például egyes diesel motorok adagolószivattyúját.
10.5. ábra: Oldham tengelykapcsoló 10.3.4. Gumituskós tengelykapcsoló
A gumituskós tengelykapcsolók olyan rugalmas, nem oldható tengelykapcsolók, amelyek alakzárással viszik át a nyomatékot. Általában a hajtó és a hajtott tengelyvégen komplementer alakú tárcsák vannak (10.6. ábra). Az egyik tárcsában üreges gumituskók vannak, amelynek üregeibe a másik tárcsa csapjai pontosan illeszkednek. Az üreg lehet hengeres furat, téglatest, vagy akár háromszög alapú hasáb alakú. Megfelelő lengéstani méretezés esetén a gumituskók rugalmassága a torziós lengéseket jól csillapítja. Ilyen tengelykapcsolót jellemzően motorkerékpárok lánckerék agya és a hajtott kerék között alkalmaznak. A lánckerék agy és a hajtott kerék közös tengelyen ágyazott. A tengelykapcsoló a csapágyak játékából adódó egytengelyűségi hibákat felveszi.
10.6. ábra: Gumituskós tengelykapcsoló motorkerékpár kerékhajtásában 10.3.5. Gumirugós tengelykapcsolók
A gumirugós tengelykapcsolók olyan rugalmas, nem oldható tengelykapcsolók, amelyeknél a nyomatékot a tengelyvégekhez rögzített változatos alakú (tórusz, harang, tárcsa, stb.) gumi elemek viszik át. A gumi adott rugómerevséggel és belső csillapítással rendelkezik, így elszigeteli egymástól a hajtó és hajtott tengelyvégek bizonyos tartományú rezgéseit és torziós lengéseit. Emellett a gumielem kiegyenlítő funkciót is ellát: adott mértékű egytengelyűségi hibát (szögeltérés, excentricitás), valamint elcsavarodást elvisel.
Jellegzetes elem a hatszög alakú, kör keresztmetszetű gumigyűrűvel rendelkező Polygon tengelykapcsoló (10.7. ábra). Ennél mind a hajtó, mind a hajtott tengelyvégen háromágú villa található, amelyek ellenkező oldalról, 60°-ban egymástól elfordítva kapcsolódnak a hatszög három csúcsához. Ezt a tengelykapcsolót általában orrmotoros, hátsó kerékhajtású gépkocsikon alkalmazzák. A tengelykapcsoló a sebességváltó és a kardántengely között található, és elszigeteli a futómű lengéseit a motortól. Kisebb teljesítményű gépkocsikon kardáncsukló helyett is alkalmazták a féltengelyekben.
10.7. ábra: Polygon tengelykapcsoló
Hasonló elven működik a Hardy tárcsa (10.8. ábra). Itt a gumielem nem tömör gumitömb, hanem többrétegű gumi-textil-gumi-textil szendvics kompozitból kivágott tárcsa. A Hardy tárcsa a gumielem kialakításából fakadóan a Polygon tengelykapcsolónál sokkal rosszabb kiegyenlítő képességű. Kizárólag szögeltérést képes kiegyenlíteni, torziós merevsége igen nagy. Jellemző alkalmazási területe a gépkocsik kormányzása, ahol a kormányoszlop és a kormánygép bemenő tengelye között teremt kapcsolatot.
10.8. ábra: Hardy tárcsa 10.3.6. Kardán tengelykapcsoló
A kardán tengelykapcsoló olyan merev, nem oldható tengelykapcsoló, amellyel egymást metsző forgástengelyű tengelyek kapcsolhatóak össze. A hajtó és a hajtott tengely végén egyaránt egy villaszerű kiképzés van (10.10. ábra). A villákat egy egyenlő szárú, kereszt alakú elem kapcsolja össze, ez a kardánkereszt (10.9. ábra, ABCD elem). A tengelyvég villák és a
kereszt csapággyal, elfordíthatóan csatlakoznak A, B, C és D helyeken. A csapágy lehet siklócsapágy, de a leggyakrabban tűgörgős csapágyat alkalmaznak.
10.9. ábra: Kardán tengelykapcsoló vázlata
10.10. ábra: Kardán tengelykapcsoló
A tengelykapcsoló vázlatát a 10.9. ábra mutatja. A hajtó és hajtott oldal szögelfordulásának (υ és ψ) összefüggését az alábbi egyenlet írja le:
tg
tg cos .
Az egyenletből láthatjuk, hogy a hajtott oldal szögelfordulása függ a tengelyek α szögétől.
Ugyanezt szögsebességre az alábbi egyenlet írja le:
2 2
1 2
sin sin
1
cos
A két szögsebesség a behajtó tengely alábbi szöghelyzeténél egyenlő:
sin cos
sin 1
.
A hajtott oldali szögsebesség szélső értékeit az alábbi behajtó tengely szöghelyzetekben kapjuk:
φ, ω1
ψ, ω2
A hajtott oldali szögsebesség egyenlőtlenségi fokát az alábbi egyenlet fejezi ki:
A fentiekből látszik, hogy a hajtott tengely szögsebessége periodikusan ingadozik. A hajtott tengely tehetetlenségi nyomatéka következtében a hajtott oldali nyomatékban a szögeltéréstől függő mértékű ingadozás jelenik meg. A tehetetlenségi nyomaték csökkentésének érdekében a hajtott tengely tömegét a lehető legkisebbre kell kialakítani. Ezen nehézségek miatt kardán tengelykapcsolót önmagában csak kis α értékeknél, vagy kis szögsebességeknél, alárendelt jellegű hajtásokban (pl.: kézi hajtás) alkalmazzák egyedül.
A hajtott oldal szögsebesség ingadozásának kiküszöbölésére a kardán tengelykapcsolót általában párosával építik be egy szerkezetbe. A két kardáncsuklóval összekötött három részből álló tengely neve a kardántengely. Ha a középső rész két végén a kardánvillák síkja megegyezik, akkor a második tengelykapcsoló hajtott oldalának a szögsebesség ingadozását a második és harmadik tengely α2 szöge tovább módosítja. Levezethető, hogy ha a három tengelyrész egy síkban forog, továbbá ha α1= α2, akkor az első és harmadik tengelyrész azonos, állandó szögsebességű. Ezt az alábbi módokon tudjuk megvalósítani:
Z elrendezés: az első és harmadik tengelyrész egymással párhuzamos, vagy
W elrendezés: az első és harmadik tengelyrész egymással 2α szöget zár be, ahol α=α1=α2.
10.11. ábra: Kardántengely alap elrendezései
Hátsó kerékhajtású gépkocsik esetén gyakori megoldás, hogy a sebességváltót és a differenciálművet kardántengely köti össze. Merev hátsó tengely esetén a differenciálmű általában a kerekekkel együtt mozog a sebességváltóhoz képest, így a változó szöghelyzet miatt a tengely hosszának a változására is szükség van. A hosszváltozást általában az első vagy középső tengelyrészbe épített, hosszirányú elmozdulást lehetővé tevő bordás tengelykapcsolóval oldják meg.
10.12. ábra: Kettős kardán tengelykapcsoló
Első kerékhajtású gépkocsik esetén, vagy független kerékfelfüggesztésű hátsó kerékhajtás esetén féltengelyek hajtják a kerekeket. A féltengely is három részből álló tengelycsoport. A középső tengely itt rendkívül rövid, gyakorlatilag két összeerősített kardánvilla (10.12. ábra).
A kardán tengelykapcsolókat általában gumiharangok védik a szennyeződéstől, egyúttal benn tartják a kenőanyagot. A féltengely hosszváltozását általában a behajtó tengely bordás végződése teszi lehetővé, ami a differenciálmű hajtott oldalán levő bordás hüvelyben csúszik.
Néhány esetben a differenciálműbe csatlakozásnál Tripod tengelykapcsolót találunk.
A kardán tengelykapcsoló általában 45° szögeltérésig használatos, széles fordulatszám és teljesítmény tartományban.
10.3.7. Tripod tengelykapcsoló
A Tripod tengelykapcsoló (10.13. ábra) a kardán tengelykapcsoló egyszerűsített változata. Az egyik tengelyvégen nem kétágú villa, hanem szimmetrikus háromágú csillag található. A csillag és a tengely között a nyomatékátvitelt bordás tengelykötés végzi, a tengelyirányú elmozdulást rugalmas rögzítőgyűrűk akadályozzák meg. A csillag minden szárán tűgörgővel ágyazott edzett görgő található. A másik tengelyvégen fazék formájú ellendarabot találunk, amelyben három horony van. Ebben a három horonyban fut a csillag három görgője.
10.13. ábra: Tripod tengelykapcsoló vázlata
A Tripod tengelykapcsoló nyomatékátvitel szempontjából merev tengelykapcsoló, amely a kardántengelyhez hasonlóan metsző forgástengelyű tengelyek szögeltérését egyenlíti ki.
Emellett hosszváltozást is kiegyenlít, és a hajtott oldal szögsebessége nem ingadozik a tengelyszög függvényében. Konstrukciós kialakításából adódóan kisebb szögeltérésig, jellemzően 20° alatt használatos. Gyakran alkalmazzák keresztben elhelyezett sebességváltók kimeneténél.
10.3.8. Tárcsás súrlódó tengelykapcsoló
A tárcsás súrlódó tengelykapcsoló az erőzáró, oldható tengelykapcsolók közé tartozik. Két egy egyenesbe eső forgástengelyű tengelyvéget köt össze. A nyomatékot egy, kettő, vagy három darab, nagy átmérőjű tárcsa körgyűrű alakú súrlódó felülete viszi át. A nyomatékátvitel addig lehetséges, amíg megfelelő nagyságú, felületre merőleges nyomóerő hat a súrlódó felületre. A tárcsás súrlódó kapcsoló kenést nem igényel.
A tárcsás súrlódó tengelykapcsoló legjellemzőbb alkalmazási területe a gépjárművek fő tengelykapcsolója. Ebben az esetben a hajtó rész a gépjármű motor forgattyús tengelyére (10.14. ábra, 7.tétel) szerelt lendkeréken (10.14. ábra, 6.tétel) kiképzett megfelelő gyűrűs felület, amely a tárcsa egyik oldalához szorul. A lendkerékre rögzítve találjuk az úgynevezett nyomószerkezetet, amely a tárcsa másik oldalát nyomja.