在前轮驱动和四轮驱动的汽车上,前轮同时提供转向和前进的驱动力,由于前轮在转向时会与驱动轴产生一个很大的夹角,为了在这种特殊的情况下仍能保证有效地转递动力,在前轮上就必须有万向节。而驱动前轮的万向节必须是绝对地精确保证驱动轴转过任何的角度,车轮也必须严格精确地转动同样的角度,否则车轮就会速度不均而产生严重的抖动。所以前轮的驱动万向节是一种特殊的万向节,叫做“等速万向节”,英文是Constant Velocity Joint。这种等速万向节的结构比后驱车的后驱传动轴上那种万向节要复杂,后驱传动用的是准等速或者近似等速的万向节,并不是严格等速,而且可传递动力的角度也比较小,结构更简单。
等速万向节的原理其实很简单,象下图那样两个大小相同的摩擦盘靠在一起就能传递动力,只要保持摩擦面一直接触,两根轴的夹角就可以随意改变都能传递动力,同时一个盘转动的角度会导致另一个盘转动完全相同的角度,这就是我们需要的等速万向节:
当然,这样的简单万向节结构是不实用的,因为靠摩擦力传递动力磨损大可靠性也没谱。所以真正的等速万向节是在这个原理的基础上用更复杂的机械结构来实现的,就是把两个摩擦盘做成两个开口的叉子,这样一个叉子就能以任意角度带动另一个叉子旋转。不过叉子之间直接接触传动的话结构粗暴也会磨损很快并且震动很大,所以在叉子的基础上又进一步加了滚珠,这样两个叉子不直接接触,而是通过滚珠来滚动传递动力,运动顺滑,磨损就大大降低了,可以长期可靠地运行,就象下面这个动画里那样:
等速万向节的实际结构示意图,这个图是简化的,每个叉子只有两个爪,便于理解:
现在实际常用的等速万向节一般有6个爪,动力转递更可靠和顺滑,这个结构看起来就像是一个笼子里面套了几个钢球,所以等速万向节也俗称球笼:
除了轮子那里需要一个等速万向节之外,动力轴的另一端即变速箱那里实际上也需要一个等速万向节,因为轮子和车体并非刚性支撑,而是有悬挂系统随着路面的起伏会上下小幅运动,所以也需要万向节的柔性连接来适应这种运动。不过这个运动的幅度很小,传动轴的角度变化也很小,所以不需要采用车轮上那种复杂的球笼结构的万向节,一般用一个简单的滚轮加套筒的结构就可以了:
注意变速箱这一端的滚轮式等速万向节除了可以适应小角度的方向变化传动外,还可以一定范围内做轴向伸缩而不影响传动,这也是为了与悬挂系统的小范围横向摆动的运动情况相配合的。实际上变速箱这一侧的滚轮式万向节是可以横向一直抽出来的,并没有东西来固定和约束,唯一的物理连接就是外面的保护胶套。
等速万向节安装在车上就是下面这个样子的,因为汽车的左右轮都需要一个等速万向节总成分别与变速箱连接,就象前轴被分成了两半,所以等速万向节总成通常也叫“半轴”:
半轴两端的两个万向节为了保证润滑都是填充了高速润滑脂,然后外面套一个橡胶套来保护润滑脂和万向节,我们直接能看到的都是保护套,万向节在里面并不能直接看到,所以有些神秘。
因为橡胶保护套在轮子每转一圈都会被迫改变形状被不停地高速揉来捏去,所以半轴最容易出现的问题就是橡胶保护套破损。而一旦保护套破损,则路上的尘土砂石雨水等等就会进入到万向节里面而使万向节很快磨损:
万向节磨损后最先出现的现象是大角度转弯时轮子处会发出咔嗒咔嗒的声音,而随着磨损的加剧则会逐渐在直线行驶时也出现异常的声音,这时就必须更换万向节了,否则磨损到极限时可能会失去动力。
通常按照传统的维护规程,汽车每次换油的时候都要顺便检查万向节的保护胶套有无破损,如果有破损的话应及时把半轴拆下分解后更换新的胶套,以免万向节损坏引起更大的损失,而以前如果万向节损坏的话也是单独更换一个万向节。不过现在随着劳动力成本的飞快增长而机器生产效率的提高配件价格的下降,现在一般都不再单独更换胶套和万向节而直接更换一个半轴总成,实际的总费用其实差不多。直接更换新半轴简单方便,而且新半轴总成都是整套全新部件,可靠性也更好。
既然都是要直接更换半轴总成,那么胶套破损后实际上也就并不必要立即拆下维修了。实际上在城市道路上从胶套破损到转弯出现声音一般要1万公里以上的磨损,再到直线行驶也出现声音大概又是1万公里。所以现在万向节胶套破损后可以等个一两年再换半轴一般都没问题。当然如果愿意自己动手换胶套的话,那么发现破损就要及时拆卸更换,避免万向节的磨损,毕竟万向节磨损后再换胶套就没有意义了。
理论部分结束,下面就是DIY的过程,将用图片展示一个更换半轴的实例,换胶套的话也是同样的过程,只不过在拆下半轴后多一道换套的工序而已。