A nagyhajlásszögű kardántengelyek

Írta: Farkas Imre - 2021 július 17.

Mit kell tudnunk a nagyhajlásszögű vagy más néven szélesszögű kardántengelyekről, felépítésükről, illetve gyakorlatban történő helyes alkalmazásukról?

A nagyobb mezőgazdasági gépek műszaki színvonalán már elvárás volt a vontatott és egyben hajtott munkagépek minden kanyarvételi pozícióban történő szögsebességváltozás-mentes meghajtása, amely kihívásra a kor vezető gyártója egy a gépjárműiparból már ismert megoldást integrált a mezőgazdaságba. Tehát nagy hajlásszögű kardánok alkalmazása javasolt minden olyan vontatott munkagép meghajtásánál, ahol a kanyarvételkor nem teljesül a kardántengelyhajtás alapfeltételeként ismert tétel, amely szerint a kardántengely két oldalára szerelt kardáncsuklók minden munkapozícióban azonos szögállásban kell álljanak, azaz a forgás közben az egyik oldali csuklón keletkező szinusz lengéseket a másik oldali csukló kioltsa, és így a hajtó és hajtott oldal között szögsebességváltozás-mentes nyomatékátvitel jöjjön létre.

 

kardáncsukló
Standard nagyhajlásszögű csukló metszete

 

Milyen feltételek esetén találkozunk a gyakorlatban ezzel a problémával?

Mint a mellékelt ábrákon is látható, a hajtó és hajtott oldali csuklók azonos szögállása azon eset(ek) ben nem fog teljesülni, amennyiben egyenként vagy együttesen a felsorolt események következnek be:

  1. A traktor és a vontatmány vontatási pontja a hajtó vagy a hajtott oldali csukló alatt, esetleg fölötte található, azaz a csuklópont nem a kardántengely közepénél van.

Jelenség: standard csuklók alkalmazásakor kanyarvételkor erősödő vibráció;

  1. A hajtó és hajtott tengelycsonkok egymással nem párhuzamosak, azaz a csuklók egymással térben szöget zárnak be (a vontatási pont továbbra is az egyik oldali csukló alatt vagy fölötte található).

Jelenség: standard csuklók alkalmazásakor minden pozícióban erős vibráció;

  1. A kihajtás és behajtás magassága eltérő, illetve a vontatási pont mindössze a csuklók közelében (nem a csuklók vonalában) helyezkedik el.

Jelenség: standard csuklók alkalmazásakor minden pozícióban erős vibráció;

 

kardánkereszt
A hagyományos (standard) keresztcsuklós kardánhajtás feltételei

 

Vizsgáljuk meg, hogy pontosan mit is jelent a probléma forrásaként megnevezett kinematikai (szinkronizációs) probléma!

A gyakorlatban a két csukló egymással nem szinkronizált mozgása azt jelenti, hogy a kardántengelyen keresztül minden egyes kardánfordulatnál kétszer, azaz percenként 1080-2000-szer (540, illetve 1000 1/ perc meghajtófordulatot feltételezve), a mindenkori szögeltérés mértékétől függő erősségű, extra és váltakozó irányú hajlítónyomatékkal terheljük a csatlakozó elemeket, azaz a bordástengelyeket vagy csatlakozóperemeket. Ez a terhelés természetesen a traktor, illetve a munkagép további elemeit, azaz tulajdonképpen a teljes hajtásláncot (hajtóműveket, csapágyakat, tárcsákat, rudakat, stb.) eléri és károsítja. E nem üzemszerű, extra terhelés látható következménye (működés közben váltakozó intenzitású vibrációt érzékelünk) a bordák és a hajtómű fogaskerekek felületének kiverődése, a csapágyak lerövidülő élettartama, valamint az egyéb elemek fáradásos törése lesz. Az esetek többségében e meghibásodások gyors egymás utáni megjelenése a jellemző, ami így igen magas javítási költségekkel jár együtt.

 

kardáncsukló ábra
Kényszerűen egyoldali nagyhajlásszögű csuklóval szerelt kardántengely alkalmazása a traktor és vontatmány csuklópontjának pozíció eltolódása miatt

 

Nehezen hihetőnek tűnik, de a probléma következményei a keletkezés helyén, a kardántengelyen szinte alig láthatóak, ezért a felhasználók nagy része nem is gondol arra, hogy a kardánhoz kapcsolódó, egyéb károsodott, mozgó elemek hibaforrása honnan is származik. Összegzésképpen tehát kijelenthető, hogy minden olyan esetben, ahol üzem közben időlegesen vagy tartósan a fenti alapfeltétel nem teljesül, ott egyoldali vagy mindkét oldali nagyhajlásszögű csuklóval szerelt kardántengelyeket javasolt (kell) alkalmazni. A jellemző nagyhajlásszögű tengelyt igénylő munkagépek a következők:

– szervestrágyaszórók,

– bálázók,

– keverő-kiosztó kocsik,

– silózó kocsik,

– nagyobb méretű vontatott rendkezelők, rendsodrók,

– vontatott permetezők,

– vontatott kaszák, szárzúzók,

– egyes vágóasztalok.

 

kardáncsukló ábra
Kényszerűen egyoldali nagyhajlásszögű csuklóval szerelt kardántengely alkalmazása a traktor és vontatmány csuklópontjának pozícióeltolódása, illetve az eltérő ki- és behajtómagasság miatt (a kihajtó oldalon ~0˚ a csuklószög)

 

Azt, hogy csak egyik oldalon vagy mindkét oldalon szükséges-e a nagyhajlásszögű csuklók alkalmazása, az dönti el, hogy az üzem közben változó csuklószögek milyen gyakorisággal, illetve milyen mértékben változnak. A silózók esetében pl. a siló ürítése (a fenti három pontban jelzett problémák egyidejű jelenléte miatt) már kétoldali nagyhajlásszögű csuklóval szerelt tengely meglétét követeli meg. A tengelyek kiválasztásával kapcsolatban mindenképpen javasolt a gépgyártók ide vonatkozó utasításainak a betartása. A nagyhajlásszögű csukló sajnos egy a pénztárcát jelentősen megterhelő műszaki megoldás, ezért költségtakarékosság címén mind a kisebb gépgyártók, mind a gépeket üzemeltetők ezt a szükséges műszaki megoldást előszeretettel helyettesítik a hagyományos keresztcsuklós megoldással. Tudnunk kell azonban, hogy amennyiben üzem közbeni állandó vagy váltakozó intenzitású vibrációval találkozunk, úgy a probléma orvoslására – a nagyhajlásszögű technikán túl – nincs más kielégítő műszaki megoldás a kezünkben.

 

kardáncsukló ábra
Kényszerűen kétoldali nagyhajlásszögű csuklóval szerelt kardántengely alkalmazása a traktor és vontatmány csuklópontjának pozícióeltolódása, illetve az eltérő ki- és behajtómagasság miatt

 

Itt szeretnénk megjegyezni, hogy számtalan esetben találkoztunk olyan beépítéssel, ahol az egyik oldalon nagyhajlásszögű csuklóval szerelt tengely – valószínűleg a könnyebb felszerelhetőség miatt – fordítva volt a gépre kapcsolva. Természetesen ez helytelen, hiszen ez esetben a speciális csukló alkalmazása ellenére sem fogjuk tudni biztosítani a szögsebességváltozás-mentes forgómozgást. A nagyhajlásszögű csuklónak helyesen mindig a traktor-munkagép kapcsolat csuklópontvonalában vagy annak közvetlen közelében kell elhelyezkednie.

 

Milyen típusai léteznek a nagyhajlásszögű csuklóknak?

A csuklók kialakítása szerint alapvetően 2 főbb típust különböztethetünk meg. Az első egy 50˚-os (értelemszerűen nagyobb csuklószöget nem érhetünk el vele), helytakarékos kivitel, illetve a másik egy 80˚-os maximális csuklószöget biztosító (a hetvenes évekig 70˚-os, szerelhető középrésszel rendelkező típusok készültek), hegesztett középrésszel szerelt típus. A gyakorlatban előforduló nagyhajlásszögű csuklók döntő többsége az utóbbi, 80˚-os kivitelből kerül ki, így erről a típusról ejtsünk néhány szót!

 

kardáncsukló
A professzionális nagyhajlásszögű csukló

 

A csukló, mint ahogy a mellékelt metszeten is látható, tulajdonképpen egy központosító rendszerrel ellátott, végtelenségig lerövidített kardántengely, amely 1-1, külső és belső vezetőgolyóval szerelt villából, 2 db aszimmetrikus kardánkeresztből, illetve egy nem szerelhető középrészből, azaz vezetőtárcsából áll. Forgás közben – a homokinetikus mozgást biztosító központosító rendszernek, azaz középrésznek köszönhetően – a ki- és bemeneti villák minden szögállásban (kényszerűen) és mindkét oldalon automatikusan azonos szögpozícióba állnak be. Itt fontos megjegyezni, hogy a 80˚- os csukló a közhiedelemmel ellentétben nem alkalmas jelentős élettartam-csökkenés nélkül, tartós üzemben 25˚-nál nagyobb átlagos szögtartományban történő üzemelésre. A csuklók a 25-80˚-os szögtartományban csak rövid ideig, pl. kanyarvételkor vagy csak részterhelés mellett üzemeltethetők. Nagyon fontos, hogy a megnövekedett súrlódó felület miatt a csuklók általában a hagyományos keresztcsuklós vagy más néven Hooks csuklókkal szerelt kardántengelyeknél fokozottabb karbantartási igénnyel rendelkeznek.

 

 kardántengely
WWE, azaz egy oldalon nagyhajlásszögű csuklóval szerelt kardántengely

 

A standard (hagyományos) technikát felvonultató csuklókat ezért javasolt, a beépítési helytől függően, minimum 8-60 üzemóránként utánzsírozni. A csuklók állandó mozgásának kísérő jellemzője a hosszkiegyenlítést végző profilcsövek intenzív igénybevétele, amely jelenség a szinte folytonos csuklószögváltozás okozta folyamatos hosszváltozás velejárója. Ezért a kardángyártók a gyakorlatban, az intenzív súrlódások, illetve az ebből adódó fokozott kopások csökkentése érdekében edzett és/vagy felületkezelt, pl. teflon bevonatú profilcsöveket alkalmaznak. Az esetleges javítás utáni megfelelő élettartam biztosítása érdekében természetesen a javításhoz is ezeknek a felületkezelt profiloknak a használata javasolt.

 

Milyen jövőbe mutató, új műszaki megoldások léteznek?

Mint a hagyományos keresztcsuklós tengelyeknél, így ma már a nagyhajlásszögű típusoknál is elérhetők a karbantartás-csökkentett, 40-100 üzemórás karbantartási ciklust, illetve egy jelentős, maximum 3-szoros élettartam-növekedést biztosító új, ún. professzionális kivitelek. E típusok – gyártótól függően – általában külön csapágyazott és több elemből álló vezetőgolyókkal, speciális kialakítású vezetőtárcsákkal (pl. zsírkamrák kialakítása), illetve csészetalpzsírzású (opcióként központi zsírzással), újgenerációs (2-3 ponton tömített) kardánkeresztekkel vannak szerelve.

 

Jordáki Gábor
GKN Walterscheid GmbH