W początkach XX wieku podczas projektowania wałów wyzwaniem było zapobieżenie pęknięciom wałów lub przegubów. Od lat 30 po wprowadzeniu do przegubów krzyżakowych łożyskowania tocznego (1928-30), problemem stało się zapobieganie pittingowi (z ang. pitting, czyli
zużycie wykruszające) na czopach krzyżaków, a więc przejście do wytrzymałości zmęczeniowej, która w największym stopniu dotyka przegubów Cardana, a dokładniej jego łożyskowania.
:
2.3.1.1 Obciążenia i trwałość przegubów
Trwałość przegubów krzyżakowych jest ograniczona najczęściej trwałością jego łożyskowania. Podstawowym problemem przy wyznaczaniu trwałości łożyskowania przegubu krzyżakowego jest zmienność jego obciążenia (siły promieniowej, prędkości i kąta załamania przegubu). Zmienność siły promieniowej wynika z:
• własności samego przegubu - można ją jednak pominąć dla kątów załamania mniejszych niż 15 stopni,
• zmienności obciążenia wynikającej ze sposobu eksploatacji pojazdu.
Do uszkodzenia przegubów wału może dojść albo na skutek przekroczenia wytrzymałości statycznej albo dynamicznej. Wytrzymałość statyczna jest ograniczana przez:
1. odporność bieżni czopów na naprężenia stykowe na bieżniach tocznych tulei łożyska przegubu krzyżakowego oraz bieżni czopa krzyżaka,
2. odporność krzyżaka na zginanie w przekroju niebezpiecznym [14].
Obciążenia jakie przenoszą przeguby przy niewielkich kątach załamania zaliczyć można do obciążeń o charakterze statycznym, ponieważ wykonują one obrót wokół osi wału, natomiast w czopach krzyżaków wykonują niewielkie ruchy kątowe. Przenoszone obciążenia są ograniczone właściwościami użytych materiałów. Dla projektowania trwałości przegubów najważniejszym jest określenie nacisków kontaktowych pomiędzy elementami tocznymi i bieżniami, które oszacować można z wykorzystaniem teorii Hertza. Węzły (łożyskowania krzyżaka i widełek) zaprojektowane muszą być tak, aby nie wystąpiły w nich nadmierne odkształcenia plastyczne. Na podstawie wieloletnich badań ustalono, że w przegubach Cardana dopuszczalne jest odkształcenie na poziomie 0,04% bez wpływu na trwałość i płynną pracę. Dla obciążenia statycznego przyjmuje się dopuszczalny nacisk 4000 MPa [30].
Dla naprężeń zginających w przekroju niebezpiecznym na podstawie zaleceń niemieckiej firmy INA jako wartość dopuszczalną przyjmuje się 400 MPa.
Dla obciążeń dynamicznych o długotrwałym charakterze konieczne jest uzyskanie odporności na wiele milionów cykli zmiennych obciążeń. Przyjmuje się, że trwałością określa się liczbę obrotów (lub godzin pracy przy stałej prędkości obrotowej) do wystąpienia pierwszych oznak uszkodzenia, którą uzyskało lub przekroczyło 90% wystarczająco dużej liczby pozornie jednakowych łożysk.
W rzeczywistości trwałość może być określona tylko w intensywnych testach stanowiskowych, metody czysto matematyczne są ciągle niewystarczające. W przypadku wałów Cardana możliwe jest obliczenie trwałości używając zmodyfikowanej metody obliczania trwałości łożysk tocznych i empirycznego równania Fischera. Zależności oparte na empirycznym wzorze Palmgrena są wykorzystywane do przeliczania trwałości określonej w badaniach stanowiskowych na trwałość odpowiadająca innym wartościom momentu, prędkości i kąta załamania przegubu [30].
W latach 90. XX wieku nastąpiły zmiany konstrukcyjne wałów napędowych. Uzyskano zmniejszenie masy poprzez zastosowanie nowych odkuwek widełek, zmniejszenie hałasu poprzez lepsze wyrównoważenie i zwiększoną trwałość poprzez poprawę smarowania.
2.3.1.2 Obciążenia i trwałość łożysk podporowych
Łożyska wałów napędzającego i napędzanego są obciążone siłami statycznymi i dynamicznymi.
1. Obciążenie statyczne wynika z:
a) ciężaru wału przegubowego,
b) zmian długości pod działaniem momentu, c) przenoszenia momentu przy załamanych wałach.
2. Obciążenie dynamiczne wynika z:
a) wypadkowego niewyrównoważenia wałów,
b) nieokresowych zmian długości wałów wynikających z pracy zawieszenia, c) przenoszenia momentu przy załamanych wałach,
d) sił odśrodkowych przy niewspółosiowych rozwidlonych złączach kołnierzowych.
Zmiana długości wału generują obciążenia łożysk ze względu na tarcie w połączeniu przesuwnym. Przenoszenie momentu przy załamanych wałach wywołuje z kolei obciążenie widełek momentami gnącymi, a to przekłada się na okresowo zmienne reakcje w łożyskach (punktach podparcia) wałów. Dokładne zależności do obliczenia reakcji w łożyskach można znaleźć w literaturze [14].
Przy przenoszeniu ruchu przez przegub krzyżakowy przy niewielkich kątach załamania, czop krzyżaka wykonuje względem tulei łożyska ruch oscylacyjny. Przy obliczaniu trwałości łożyskowania ruch oscylacyjny zastępuje się równoważnym ruchem obrotowym o prędkości równoważnej.
2.3.2 Praktycznie aspekty wykorzystania wałów napędowych jako gotowych podzespołów
Ze względu na znaczącą konkurencję na rynku producentów podzespołów autobusów ich oferty są bardzo dopracowane i kompleksowe. Obejmują one:
˗ dobór parametrów podzespołu (np. wału) do potrzeb odbiorcy,
˗ dostarczenie gotowego produktu,
˗ określenie wymaganych warunków zabudowy i eksploatacji,
˗ gwarancję prawidłowego funkcjonowania podzespołu przy spełnieniu wymaganych warunków dotyczących sposobu zabudowy i eksploatacji.
Ten sposób funkcjonowania rynku zwalnia w pewnym stopniu odbiorcę podzespołów od samodzielnej pracy nad ich szczegółowym doborem, analizami funkcjonalnymi trwałościowymi.
Dopóty procedura doboru podzespołów i kontroli poprawności ich zabudowy i eksploatacji sprawdza się, dopóty całe zagadnienie staje zadaniem czysto inżynierskim, bez potrzeby rozwiązywania problemów na granicy poznawania zjawisk i procesów, którym poddawany jest pojazd i jego podzespoły.
Prawidłowości te dotyczą także wałów napędowych zakupywanych przez producentów autobusów jako gotowe podzespoły. Na globalnym rynku producentów wałów napędowych do najważniejszych producentów należą GKN PLC (Wielka Brytania), Dana Holding Corporation (USA), NTN Corporation (Japonia), Nexteer Automotive (USA), American Axle & Manufacturing Holdings, Inc (USA), Hyundai Wia (Korea Południowa), Yamada Manufacturing Co. Ltd.
(Japonia), Neapco Holdings LLC (USA) and Trelleborg AB (Szwecja) i inni.
Firma DANA jest liderem w produkcji wałów napędowych z przegubami Cardana. W Polsce wały w oparciu o współpracę z tym producentem oferuje na rynku firma Cardan Polska Sp.z o.o, która współpracuje także z firmą ELBE. Z produktów tych firm korzysta także producent autobusów Solaris Bus & Coach.
Przykładowe zalecenia i wymagania jakie podawane są przez producentów wałów podczas ich doboru i zabudowy to [47] [48] :
1. wskazówki dotyczące doboru wału:
a) sposób obliczenia maksymalnej wartości momentu silnika, b) sposób obliczenia maksymalnego momentu reakcyjnego (tarcia), c) sposób obliczania wypadkowego przestrzennego kąta załamania wału, 2. zalecenia dotyczące montażu:
a) w zakresie geometrii zabudowy, np.:
˗ kąty załamania wału muszą zachować równość na obu przegubach przy wałach jednoczęściowych,
˗ widełki przegubów środkowej części wału muszą leżeć w jednej płaszczyźnie,
˗ wał napędowy i wyjściowy powinny leżeć w jednej płaszczyźnie,
˗ płaszczyzna flanszy osi napędowej musi być równoległa do płaszczyzny flanszy skrzyni biegów,
˗ maksymalny dopuszczalny kąt przestrzenny załamania wału jest uzależniony od prędkości obrotowej wału,
˗ dla wału dwuczęściowego - oś 1 części wału (od skrzyni biegów do podpory) musi się pokrywać z osią wału korbowego silnika,
b) zalecenia dotyczące dopuszczalnych prędkości:
˗ (nie osiąganie prędkości krytycznej),
˗ prędkość odpowiednia dla kątów załamania wału, c) zalecenia dotyczące procedur montażowych,
3. zalecenia dotyczące konserwacji (w przypadku wałów obsługowych):
a) miejsc i częstotliwości smarowania b) sposobu smarowania,
c) wykorzystywanych smarów.
Przy wykorzystaniu tych zaleceń i procedur producent wału oferuje gwarancję poprawności funkcjonowania wału w określonym przez siebie okresie. Przykładowo spotykane wartości tego okresu to np. ok. 500.000 km - w przypadku wałów z krzyżakami ze smarowniczkami oraz dla wału bezobsługowego ok. 250.000 km.
W przedstawionych zaleceniach i procedurach wykorzystywane są pewne uproszczenia.
Jednym z nich jest szacowanie obciążeń wału napędowego - realizowane w oparciu o charakterystyki techniczne silnika i całego pojazdu. W rzeczywistości obciążenia wału mogą być dalekie od wartość ekstremalnych. Aby móc je uwzględnić w procesie szacowania obciążeń, a następnie także trwałości wału, konieczna jest znajomość rzeczywistego widma obciążeń wału napędowego lub jego wiarygodna estymacja.