Cosa sono i giunti a U? Funzione, tipi e sostituzione

Giunti a U , abbreviazione di giunti universali, sono giunti meccanici che collegano due alberi rotanti ad angolo, consentendo la trasmissione della coppia in modo fluido anche quando gli alberi non sono perfettamente allineati. Nella maggior parte dei veicoli a trazione posteriore e quattro ruote motrici, i giunti a U rappresentano il collegamento critico tra trasmissione, albero di trasmissione e asse posteriore: si flettono e ruotano simultaneamente per adattarsi al movimento delle sospensioni, ai cambiamenti di carico del veicolo e agli angoli della trasmissione. Senza giunti a U funzionanti, la coppia del motore non può raggiungere le ruote. Un giunto a U usurato o guasto non è solo un inconveniente; a velocità autostradale, un catastrofico guasto del giunto cardanico può far cadere l'albero di trasmissione sulla strada o perforare il pavimento, creando un serio pericolo per la sicurezza.

Come funzionano i giunti a U: spiegazione della meccanica

Un giunto universale risolve un problema ingegneristico fondamentale: come si trasferisce la potenza di rotazione tra due alberi che si incontrano formando un angolo e dove tale angolo cambia costantemente mentre il veicolo si muove? Una connessione rigida si legherebbe e si spezzerebbe. Un giunto flessibile che si piega semplicemente perderebbe coppia. L'articolazione a U fa entrambe le cose: si flette e ruota allo stesso tempo.

I componenti di un giunto a U standard

Un giunto cardanico automobilistico convenzionale – tecnicamente un giunto cardanico, dal nome del matematico italiano del XVI secolo Gerolamo Cardano che ne descrisse la geometria – è costituito da quattro componenti principali:

• La croce (o il ragno): Una croce in acciaio a quattro bracci che costituisce il perno del giunto. Ogni braccio è rettificato con precisione e temprato per resistere a continue sollecitazioni torsionali.
• Coppe dei cuscinetti (cappucci del perno): Quattro alloggiamenti a forma di coppa, uno su ciascun braccio della croce, pieni di cuscinetti ad aghi. Consentono a ciascun braccio di ruotare liberamente all'interno del giogo.
• Cuscinetti ad aghi: Piccoli cuscinetti a rulli cilindrici all'interno di ciascuna tazza che riducono l'attrito e distribuiscono il carico sulla superficie del cuscinetto.
• Gioghi: I connettori a forcella fissati all'albero di trasmissione su ciascun lato. Le coppe dei cuscinetti vengono premute nelle orecchie della forcella, completando l'assemblaggio. I due gioghi sono posizionati a 90 gradi l'uno dall'altro sulla croce.

Il problema della fluttuazione della velocità e come risolverlo

Un singolo giunto cardanico presenta una limitazione intrinseca: introduce una variazione ciclica della velocità nell'albero di uscita ad angoli superiori a 3–5 gradi . Mentre il giunto compie un giro completo, l'albero di uscita accelera e decelera due volte per giro, un fenomeno chiamato fluttuazione della velocità o errore di velocità angolare. Ad un angolo operativo di 10 gradi, ciò provoca una vibrazione notevole. A 20 gradi o più diventa grave.

La soluzione ingegneristica consiste nell'utilizzare due giunti a U in un albero motore, con i gioghi fasati (posizionati) correttamente in modo che la fluttuazione di velocità del primo giunto annulli quella del secondo. Questo è il motivo per cui quasi tutti gli alberi di trasmissione automobilistici hanno un giunto a U su ciascuna estremità anziché uno solo. Gli angoli operativi di entrambi i giunti devono essere entro circa 1 grado l'uno dall'altro per una cancellazione efficace: un fattore critico durante l'installazione dell'albero di trasmissione o la modifica delle sospensioni.

Dove si trovano i giunti a U in un veicolo

I giunti a U compaiono in più posizioni nella trasmissione e nel sistema di sterzo, a seconda della configurazione di guida del veicolo. Comprendere la loro posizione aiuta a individuare la fonte dei sintomi quando si sviluppano problemi.

I veicoli a trazione anteriore in genere non utilizzano i tradizionali giunti a U nell'albero di trasmissione, ma utilizzano invece giunti CV (velocità costante), che gestiscono angoli operativi più elevati senza fluttuazioni di velocità. Tuttavia, molti veicoli a trazione anteriore utilizzano ancora piccoli giunti a U nell'albero dello sterzo.

Tipi di giunti a U: non tutti sono uguali

Esistono diversi design distinti di giunti a U, ciascuno ottimizzato per diversi angoli operativi, carichi di coppia e requisiti applicativi. Conoscere le differenze aiuta quando si sostituiscono o si aggiornano i componenti della trasmissione.

Giunto cardanico (croce e cuscinetto).

Il tipo di giunto cardanico più comune nelle applicazioni automobilistiche. Semplice, economico e disponibile in una vasta gamma di dimensioni. I giunti cardanici standard per autoveicoli funzionano in modo efficiente ad angoli fino a circa 15-18 gradi , sebbene la pratica migliore sia mantenere gli angoli operativi dell'albero di trasmissione al di sotto di 3–6 gradi per una lunga durata e un funzionamento regolare. Richiedono una lubrificazione periodica (versioni lubrificabili) o sono unità sigillate a vita.

Giunto a U doppio cardanico (CV).

Un giunto cardanico doppio è costituito da due giunti cardanici standard collegati da una presa di centraggio e da un gruppo sferico. Questo design produce un'uscita a velocità costante reale, eliminando la fluttuazione di velocità inerente a un singolo giunto cardanico, con angoli fino a 35–40 gradi. I giunti cardanici doppi sono standard sugli alberi di trasmissione anteriori di molti camion e SUV 4WD , inclusi Ford F-150, Ram 1500 e Toyota 4Runner, dove gli angoli operativi dell'assale anteriore sono elevati a causa del movimento dello sterzo e delle sospensioni.

Giunto omocinetico Rzeppa

Tecnicamente un giunto omocinetico piuttosto che un tradizionale giunto a U, il Rzeppa è il giunto standard sui semiassi a trazione anteriore e sui veicoli con sospensioni posteriori indipendenti. Utilizza sei sfere d'acciaio in una gabbia per trasmettere la coppia ad angoli fino a 47 gradi senza fluttuazioni di velocità. Sebbene non sia chiamato giunto a U nell'uso comune, ricopre lo stesso ruolo nelle trasmissioni FWD e IRS.

Giunti a U tipo Spicer e non ingrassabili (sigillati).

All'interno della categoria Cardan, i giunti a U sono ulteriormente suddivisi in base al design della lubrificazione. I giunti a U ingrassabili (con raccordo zerk) durano molto più a lungo se sottoposti a corretta manutenzione - in genere ogni 5.000-10.000 miglia o ad ogni cambio d'olio. I giunti a U sigillati (non ingrassabili) sono preconfezionati con grasso e non richiedono manutenzione fino a quando non si usurano, di solito dopo 50.000-100.000 miglia in condizioni normali.

Segnali di pericolo di un giunto a U guasto

I giunti a U si usurano gradualmente, ma i sintomi di cedimento sono solitamente inconfondibili una volta iniziati. Prenderli tempestivamente previene danni più costosi alla trasmissione ed evita il rischio per la sicurezza di un improvviso guasto dell'albero di trasmissione.

I sintomi più comuni

• Rumore metallico o colpi quando si cambia marcia o si cambia direzione: Uno degli indicatori più precoci e affidabili. Il rumore metallico si verifica quando il gioco del giunto usurato viene recuperato quando il carico di guida si inverte, caratteristica quando si passa dalla guida alla retromarcia o si accelera da fermo.
• Vibrazioni che aumentano con la velocità del veicolo: Un giunto a U usurato provoca la rotazione sbilanciata dell'albero di trasmissione. La vibrazione inizia tipicamente intorno a 45-55 mph e si intensifica sopra i 60 mph. Potrebbe sembrare un rombo attraverso il pavimento, il sedile o il cambio.
• Rumore cigolante a basse velocità: I cuscinetti ad aghi secchi, dovuti a un giunto ingrassabile trascurato o a una guarnizione difettosa su un'unità sigillata, producono un cigolio ritmico che corrisponde alla velocità del veicolo. Questo è l'ultimo avvertimento del giunto prima del fallimento fisico.
• Ruggine visibile o movimento nel giunto: Un'ispezione fisica che mostra macchie di ruggine attorno alle coppe dei cuscinetti o qualsiasi gioco laterale quando l'albero di trasmissione viene fatto oscillare a mano indica un giunto a U che necessita di sostituzione immediata.
• Perdita di liquido della trasmissione dalla guarnizione posteriore: Un giunto a U gravemente usurato può far vibrare l'albero di trasmissione abbastanza violentemente da danneggiare la guarnizione dell'albero di uscita della trasmissione, con conseguente perdita di fluido indipendente dal giunto stesso.

Come testare manualmente un giunto a U

1. Con il veicolo sollevato in modo sicuro sui cavalletti e la trasmissione in folle, raggiungere e afferrare l'albero di trasmissione vicino a ciascun giunto a U.
2. Tentare di ruotare l'albero motore mantenendo fermo l'albero adiacente. Qualsiasi gioco rotazionale (rumore metallico o allentamento) avvertito nel giunto indica cuscinetti ad aghi usurati e un giunto a U che necessita di sostituzione.
3. Ispezionare visivamente eventuali macchie di ruggine (scolorimento arancione o rossastro attorno ai bordi della coppa del cuscinetto), che indicano una mancata tenuta e una perdita di lubrificazione.
4. Controlla eventuali movimenti laterali nella croce: ciò indica che le coppe dei cuscinetti sono allentate nella forcella, un segno di usura avanzata che richiede attenzione immediata.

Sostituzione del giunto a U: costi, difficoltà e quando fare il fai-da-te

La sostituzione dei giunti a U è una delle riparazioni della trasmissione più accessibili per i proprietari di veicoli con inclinazioni meccaniche, ma richiede strumenti specifici e un'attenta attenzione alla fasatura dell'albero di trasmissione e alle specifiche di coppia.

Costi tipici di sostituzione del giunto a U

Sostituzione del giunto a U fai da te: cosa ti serve

• Pressa per giunti a U o morsa da banco con prese: Le coppe dei cuscinetti devono essere estratte dal giogo: non possono essere estratte in sicurezza con un martello e un punzone senza rischiare di danneggiare il giogo. Uno strumento di pressatura per giunto a U costa $ 20– $ 50 nei negozi di ricambi per auto.
• Pinza per anelli elastici: La maggior parte dei giunti a U automobilistici sono trattenuti nella forcella da anelli elastici interni (anelli elastici) che devono essere rimossi prima che le coppe dei cuscinetti possano essere estratte.
• Chiave dinamometrica: I bulloni della flangia dell'albero di trasmissione richiedono in genere 55–95 piedi-libbre a seconda del veicolo; Una coppia insufficiente o eccessiva può causare vibrazioni o guasti ai bulloni.
• Segni di pittura o tracciatura prima della rimozione: Segnare l'orientamento dell'albero di trasmissione rispetto alla flangia del differenziale prima di svitare: il rimontaggio sfasato causerà vibrazioni immediate anche con nuovi giunti a U.

Quando sostituire entrambi i giunti a U, non solo uno

La migliore pratica del settore è quella di sostituire entrambi i giunti a U dell'albero di trasmissione contemporaneamente ogni volta che uno si guasta. Entrambi i giunti subiscono lo stesso chilometraggio, temperature di esercizio e cicli di stress - se uno si è usurato, l'altro è in genere entro poche migliaia di miglia dal guasto. Il costo incrementale delle parti del secondo giunto ($ 15–$ 60) è minimo rispetto al costo della manodopera di una seconda visita di riparazione.

Giunto a U vs giunto omocinetico: comprendere la differenza

Questi due tipi di giunti vengono spesso confusi perché svolgono la stessa funzione di base - trasmettere la coppia tra alberi angolati - ma funzionano in modo diverso e compaiono in diverse applicazioni per veicoli.

Il consiglio diagnostico pratico: se senti un rumore metallico quando passi dalla marcia avanti alla retromarcia, sospetta un giunto a U . Se senti un clic o uno schiocco soprattutto durante le curve a bassa velocità (volante girato quasi al massimo), sospetta un giunto omocinetico.

Quanto durano i giunti a U e cosa influenza la loro durata

La durata utile del giunto cardanico varia enormemente in base all'uso del veicolo, alle pratiche di lubrificazione e all'ambiente operativo. In normali condizioni autostradali, i giunti a U sigillati di qualità durano tipicamente 75.000-150.000 miglia . Le unità ingrassabili mantenute nei tempi previsti possono durare l'intera vita del veicolo. Tuttavia, diversi fattori riducono drasticamente questa durata.

Fattori che accelerano l'usura del giunto cardanico

• Intervalli di ingrassaggio trascurati: La causa più comune di cedimento prematuro del giunto cardanico. Un giunto ingrassabile che funziona a secco anche per poche migliaia di chilometri sviluppa un contatto metallo-metallo nei cuscinetti ad aghi che provoca una rapida usura. La maggior parte dei produttori consiglia di ingrassare ogni 5.000 miglia o ad ogni cambio d'olio.
• Angoli operativi eccessivi: I sollevatori a sospensione sui camion 4WD sono un colpevole comune. Sollevare un camion di 3-4 pollici senza aggiungere un kit di abbassamento dell'albero di trasmissione o un eliminatore della forcella di scorrimento può aumentare gli angoli dell'albero di trasmissione fino a 8-12 gradi - ben al di sopra dell'intervallo ottimale - riducendo la durata del giunto cardanico del 40-60%.
• Utilizzo fuoristrada e a coppia elevata: L'accelerazione intensa, il traino e l'articolazione fuoristrada impongono carichi di coppia di picco sui giunti cardanici che superano di gran lunga la velocità di crociera in autostrada in condizioni stazionarie. I camion utilizzati regolarmente per il traino possono registrare intervalli di sostituzione dei giunti cardanici fino a 30.000-50.000 miglia.
• Ingestione di acqua e contaminazione: Guidare in acque profonde o nel fango può far fuoriuscire il lubrificante anche dai giunti a U ben sigillati. I giunti a U dei veicoli fuoristrada dovrebbero essere ispezionati e lubrificati (se applicabile) dopo ogni attraversamento significativo di corsi d'acqua.
• Pezzi di ricambio di bassa qualità: I giunti a U economici di marchi sconosciuti spesso utilizzano acciaio più morbido nella croce e coppe dei cuscinetti ad aghi più sottili.

Giunti a U oltre l'automotive: applicazioni industriali e di altro tipo

Sebbene la maggior parte delle persone incontri i giunti a U nel contesto di automobili e camion, questi giunti compaiono in una vasta gamma di sistemi meccanici ovunque la potenza rotante debba essere trasmessa tra alberi disallineati.

• Attrezzature agricole: Gli alberi della presa di forza (presa di forza) che collegano i trattori agli attrezzi come falciatrici, motozappe e presse per balle utilizzano giunti a U per carichi pesanti classificati per coppia elevata e cambiamento angolare costante. I giunti a U agricoli sono in genere molto più grandi delle unità automobilistiche: sono comuni dimensioni trasversali da 1¾" a 2" rispetto alla gamma da ¾"–1⅜" della maggior parte dei giunti automobilistici.
• Macchinari industriali: I laminatoi, le cartiere, le macchine da stampa e le attrezzature per l'imballaggio utilizzano grandi giunti a U industriali (chiamati anche giunti universali) per trasmettere potenza tra i componenti della macchina che non possono essere perfettamente allineati. I giunti a U industriali possono essere classificati per milioni di pollici-libbre di coppia.
• Applicazioni marine: I motori entrobordo delle imbarcazioni utilizzano giunti a U nell'albero di trasmissione che collegano la trasmissione all'albero dell'elica: un ambiente difficile dati gli effetti corrosivi dell'acqua e gli angoli variabili creati dall'inclinazione dell'albero dell'elica.
• Aerospaziale: Piccoli giunti a U compaiono nei collegamenti di controllo degli aerei, nei sistemi di attuatori e negli alberi di trasmissione degli accessori dove è richiesta una trasmissione angolare compatta e affidabile.
• Medicina e robotica: I giunti a U miniaturizzati (fino a 2-3 mm) vengono utilizzati in strumenti chirurgici, effettori finali robotici e sistemi di posizionamento della telecamera dove è richiesta una trasmissione del movimento angolare precisa e a basso attrito in un pacchetto molto piccolo.