Typickým príkladom homokinetického kĺbu je kĺb v prednej ná­prave automobilu s predným náhonom, ktorý spája hriadeľ predného kolesa s poloosou, vystupujúcou z prevodovky auto­mobilu.

 

OD STAROVEKEJ ČÍNY PO ROBERTA HOOKA

Za predchodcu všetkých univerzálnych kĺbov môžeme považovať čínsky vynález starý viac ako 2 000 rokov. Ide o zariadenie, známe pod označe­ním gimbal. Sú to tri kruhy s odstupňovanými priemermi, vložené na­vzájom do seba a spojené oskami tak, že prostredný kruh sa môže otáčať vzhľadom k vonkajšiemu kruhu okolo jednej osi a vnútorný kruh sa mô­že otáčať vzhľadom k strednému kruhu okolo osi, ktorá je kolmá na prvú os. Číňania toto zariadenie používali napríklad ako držiak vonnej svieč­ky. Toto čínske riešenie sa používa dodnes v takmer nezmenenej podo­be ako držiak kompasu na lodiach alebo sa používa v mechanických gy­roskopoch [1].

Prvým Európanom, ktorý pochopil potenciál gimbalu a ktorý prvý popí­sal použitie gimbalu na spojenie dvoch rotujúcich hriadeľov, bol talian­sky matematik a vynálezca Girolamo Cardano (1501 – 1576). Cardano pri­šiel na to, že čínsky gimbal by sa dal takmer bezo zmeny použiť na prenos krútiaceho momentu, nevytvoril však žiaden použiteľný kĺb [1].

Ďalší pokrok nastal, keď britský vedec a astronóm Robert Hooke (1635 – 1703) staval svoj vynález – helioskop. Hooke navrhol univerzálny kĺb v podobe, v akej ho poznáme dodnes – centrálne teleso tvaru kríža, k ra­menám ktorého je rotačne pripojený vstupný hriadeľ zhruba v tvare pís­mena C. Výstupný hriadeľ podobného tvaru je rotačne upevnený k zvyš­ným dvom ramenám kríža. Robert Hooke postrehol, že chybou tohto kĺbu je nerovnomerný pohyb výstupného hriadeľa voči hriadeľu vstupné­mu. Problém vyriešil spojením dvoch takýchto kĺbov do série pomocou krátkeho medzihriadeľa. Hookov kĺb bol v princípe totožný s Cardano­vým riešením, ale odlišný v technickom vyhotovení. A Hooke bol prvým človekom, ktorý si uvedomil potrebu homokinetickosti a prvý zostrojil čosi, čo dnes môžeme nazvať homokinetickým kĺbom [2].

 

PREDCHODCOVIA DNEŠNÝCH CVJ

Po Robertovi Hookovi sa veľmi dlhý čas neobjavilo žiadne nové riešenie univerzálneho alebo homokinetického kĺbu. V roku 1903 Američan Cla­rence Spicer vytvoril univerzálny kĺb s valivými ložiskami a utesnením proti prachu. Neskôr sa spojil s Charlesom Danom a založili továreň, kto­rá existuje dodnes a dodnes produkuje okrem iného univerzálne kĺby. Jej dnešný názov je Dana Holding Corporation [3].

Za prvý, skutočne homokinetický kĺb, môžeme považovať riešenie, kto­ré v roku 1924 vytvorili Francúzi Gregoire a Fenaille [4]. Ich riešenie je vo všeobecnosti známe ako kĺb TRACTA. Tento typ kĺbu bol veľmi rozšíre­ný najmä počas 2. svetovej vojny v ľahkých vojenských automobiloch. Ne­výhodou tohto typu kĺbu je veľmi veľké vnútorné trenie. Dnes sa používa prevažne už len v ťažkých nákladných automobiloch.

V roku 1925 si Carl Weiss dal patentovať homokinetický kĺb, dnes známy pod názvom Bendix – Weiss [5]. Kĺb pozostával z dvoch takmer identic­kých častí, medzi ktoré boli vložené štyri guľôčky. Problém kĺbu je v ma­lom počte guľôčok a teda aj kontaktných miest, ktorý limituje maximál­ny prenášaný krútiaci moment.

 

 

 

DIZAJN ALFREDA H. RZEPPU – NAJPOUŽÍVANEJŠIE RIEŠENIE CVJ

Americký vynálezca Alfred H. Rzeppa si v roku 1927 prihlásil a v roku 1929 získal americký patent číslo US 1, 665, 280 na univerzálny kĺb [6]. Rzeppov kĺb konštrukčne vychádzal z kĺbu Bendix-Weiss, ale na rozdiel od neho nie sú vstupný a výstupný hriadeľ rovnaké, ale jeden je menší a druhý väčší, pričom menší hriadeľ má na guľovom povrchu z vonkajšej strany vytvorené drážky na odvaľovanie šiestich guľôčok. Druhý hriadeľ má vytvorenú sférickú dutinu, v ktorej sú tiež vytvorené drážky na odva­ľovanie guľôčok – menší hriadeľ je vložený do dutiny väčšieho hriadeľa. V dutine medzi oboma činnými plochami hriadeľov sa nachádza masívna kovová klietka, v ktorej sú vložené guľôčky.

Alfred H. Rzeppa prihlásil niekoľko ďalších patentov, ktoré zdokonaľova­li tento kĺb. Takto koncipovaný kĺb niesol znaky kĺbu homokinetického, aj keď podmienku homokinetickosti nespĺňal v celom rozsahu – stredové bo­dy guľôčok mali vždy ležať v jednej spoločnej rovine, ktorá je zároveň rovinou homokinetickou. Úlohu držať guľôčky v homokinetickej rovine má masívna klietka, ale keďže otvor pre guľôčku v klietke musí byť väčší než je priemer guľôčky, ich stredy nikdy neležia v ideálnej homokinetickej rovine. Napriek tomuto nedostatku bol Rzeppov kĺb v dobe svojho vzniku špičkovým rieše­ním, ktoré sa však, žiaľ, vo vtedajšej technike veľmi neujalo. Prvé skutočné nasadenie tohto typu kĺbu sa udialo až po spustení sériovej výroby legendár­neho britského malého automobilu Mini Morris v roku 1959. Toto auto ma­lo na svoju dobu veľmi progresívnu konštrukciu a uloženie motora vpredu a pohon predných kolies si vyžadovali použiť spoľahlivé a lacné riešenie ho­mokinetického kĺbu. Ukázalo sa, že použitie Rzeppovho kĺbu v tomto auto­mobile bolo správnym krokom a kĺb sa postupom času stal štandardným ty­pom homokinetického kĺbu v súčasnej automobilovej konštrukcii.

Rzeppov kĺb sa v odbornej praxi často označuje rôznymi názvami – v an­glicky hovoriacich krajinách „Ball-Type Constant Velocity Joint“ (v pre­klade kĺb konštantných rýchlostí guľového typu, alebo jednoduchšie gu­ľový homokinetický kĺb), „Fixed Ball-Type CVJ, Rzeppa-type CVJ atď.. Rzeppov kĺb je typickým reprezentantom homokinetického kĺbu, ktorý má fixný homokinetický bod. Znamená to, že vstupný a výstupný hriadeľ takého kĺbu môžu meniť svoj vzájomný sklon, ale ani jeden z nich sa ne­môže posúvať v axiálnom smere pozdĺž svojej osi. Existujú aj kĺby, ktoré umožňujú okrem naklápania hriadeľov aj ich vzájomné axiálne posunu­tie, ale ide o kĺby, ktoré nespĺňajú podmienku homokinetickosti a preto sa im v tomto článku nevenujeme.

Od doby Alfreda H. Rzeppu sa, samozrejme, objavilo veľké množstvo viac alebo menej homokinetických návrhov kĺbov, ale žiaden z nich sa dopo­siaľ široko neujal. Dôvodom ich neúspechu bola alebo je v prevažnej mie­re ich nepraktickosť, konštrukčná zložitosť alebo náročný výrobný proces.

 

VÝVOJ CVJ SA NESKONČIL – NOVÉ RIEŠENIA PRICHÁDZAJÚ

Stagnáciu vo vývoji homokinetických kĺbov narušil až v roku 2001 aus­trálsky univerzitný profesor a vynálezca Glenn Alexander Thompson. Vy­tvoril homokinetický kĺb, ktorý je naozaj homokinetický. Jeho riešenie je založené v podstate na známom Hookovom univerzálnom kĺbe. Na eli­mináciu cyklickej zmeny otáčok na výstupnom hriadeli použil riešenie, vyskúšane už samotným Hookom – dva Hookove kĺby zapojené do sé­rie, kde ten druhý kĺb eliminuje nedokonalosť toho prvého (obr. 5). Na rozdiel od Hooka a ďalších vynálezcov, Thompson elegantne vyriešil kar­dinálny problém dvojice Hookovych kĺbov – zabezpečiť úplne identic­ké uhly naklopenia medzi vstupným hriadeľom a medzihriadeľom a me­dzi medzihriadeľom a výstupným hriadeľom. Thompson umiestnil jeden univerzálny kĺb súosovo do druhého univerzálneho kĺbu a problém rov­nakých uhlov naklopenia vstupného a výstupného hriadeľa voči me­dzihriadeľu vyriešil pomocou sférického paralelogramu (pozri obr. 6).

ZÁVER

Paradoxom dnešného stavu najmä automobilovej techniky je fakt, že dnes sa v najmodernejších automobiloch používajú homokinetické kĺby na báze takmer nezmeneného dizajnu Alfréda H. Rzeppa z prvej polovi­ce minulého storočia. Glenn Alexander Thompson ukázal jednu z mož­ných ciest, ktorou by sa vývoj moderných homokinetických kĺbov mo­hol uberať.

 

LITERATÚRA

[1] http://www.wikipedia.org

[2] Encyclopædia Britannica Online, s. v. “Robert Hooke”, accessed May 01, 2012, http://www.britannica.com/EBchecked/topic/271280/Robert-Hooke.

[3] Kolektív autorov: The story of DANA Corporation, Published by Dana Corp., 2004

[4] Gregoire, Jean-Albert: Patentový spis FR 652829 Perfectionnements au dispositif de transmission aux roués avant a la fois motrices et directrices d’une automobile, Direction de la Propriété Industrielle, 1928

[5] Weiss, Carl W.: Patentový spis US 1, 677, 311 Universal Joint, US Patent Office, 1927

[6] Rzeppa, Alfred H.: Patentový spis US 1, 665, 280 Universal Joint, US Patent Office, 1928

[7] Thompson, Glenn Alexander: Zverejnená medzinárodná prihláška vynálezu WO 2002-077479 Constant Velocity Joint and Control System Therefor, WIPO, 2001

 

TEXT/FOTO ING. MARTIN GECÍK