Voimaa kulmittainkin - Nivelakselit

Nivelakseli on helposti unohdettava komponentti traktorin ja työkoneen välissä. Nivel- akselin valintaan, mitoitukseen ja asetteluun kuuluu kuitenkin useita perusasioita, jotka on hyvä tiedostaa.
Nivelakseli on usein vaikea kytkeä traktoriin. Uuden turvallisuusnormin mukainen lukituskaulus vaatii kahden käden käyttöä.

Nivelakseleiden käyttö yleistyi traktorikäytössä 1930-luvulla. Vielä voimanottoakselin standardoinninkin jälkeen nähtiin monen tyyppisiä voimansiirtoratkaisuita traktorin ja työkoneen välillä siivapyöristä lähtien. Erilaiset remmiviritykset pyörittivät paikalliskäytössä työkoneita aina pärehöylästä puimakoneeseen, mutta liikkuvaan työhön ne soveltuivat hyvin huonosti.

Ensimmäisiä voimanottoakseleita kokeiltiin jo 1800-luvun puolella, mutta sarjatuotantoon voimanottoakselilla varustettu traktori päätyi vasta vuonna 1918, kun International Harvester toi sen saataville 8-16-mallissaan. Ensimmäiset voimanottoakselit pyörivät ajovoimanoton tavoin traktorin ajonopeudesta riippuen. Kanadalainen Cockshutt esitteli ensimmäisen itsenäisen voimanottoakselin mallin 30 traktoriinsa vuonna 1945, joka mahdollisti nivelakselin välittämän voiman hyödyntämisen myös paikalliskäytössä.

540 tai 1 000 kierrosta minuutissa

Traktorikäytössä nivelakseleiden yleisimmät pyörimisnopeudet ovat standardoidut 540 ja 1 000 kierrosta minuutissa. Näitä nopeuksia käyttäen traktorin moottorin kierrosnopeus on yleensä sovitettu ulosoton välitysten avulla moottorin huippuväännön kierrosluvulle.

Moottoreiden tehojen kasvaessa otettiin käyttöön niin sanotut eco-nopeudet 540 E (750 k/min) ja 1 000 E. Akselit pyörivät edelleen 540 tai 1 000 k/min nopeutta, mutta polttoainetta säästyy kevyissä töissä moottorin alemman kierrosluvun ansiosta.

Työkonetta suunnitellessaan työkoneen valmistaja valitsee yleensä koneen vaatiman kierrosnopeuden näistä kahdesta vaihtoehdosta työkoneen tarvitseman tehon määrän mukaan. Lisäksi on määritettävä käytettävä ura-akseli. Esimerkiksi yksi yleinen ja perinteisiin traktori-työkoneyhdistelmiin sopiva akselityyppi on kuusiurainen, myötäpäivään pyörivä ja ulkohalkaisijaltaan 1 3/8-tuumainen ura-akseli, jota käytetään 540 k/min pyörivissä kohteissa. Tämän akselin mitat ja muut ominaisuudet on määritelty SFS-ISO 500-3 -standardissa.

Mikäli nivelakselin kautta välitetään jatkuvasti yli 70 kilowatin teho, käytetään yleensä järeämpää, ulkohalkaisijaltaan vähintään 1 3/4-tuumaista akselia.

Suojaa työkone ja traktori ylikuormakytkimellä

Nivelakseli sisältää usein voimansiirtoa suojaavan komponentin niissä koneyhdistelmissä, joissa sellainen tarvitaan. Esimerkiksi lumilingon kierukan väliin saattaa kiilautua kivi, tai torvi saattaa mennä tukkoon. Lingoissa käytetään ylikuormakytkimenä useimmiten murtopultti- tai levykytkintä.

Murtopulttikytkin sisältää nimensä mukaisesti murtopultin, joka katkeaa kun kuormitus ylittää sille asetetun raja-arvon. Tällöin voiman siirto loppuu ja pultti on vaihdettava.

Levykytkimessä taas kitkalevyjen ja metallin välinen lepokitka ylittyy ja levyt alkavat luistaa. Tukoksen tai jumin selvittämisen jälkeen voimanotto voidaan kytkeä päälle ja työ voi jatkua, ilman osien vaihtoa.

Ristinivelestä aiheutuu nopeuspoikkeama

Nivelakselin yksi nivel koostuu kahdesta haarukasta ja niiden välissä olevasta ristikappaleesta. Kun haarukat ovat toisiinsa nähden suorassa linjassa, pyörivät ensiö- ja toisiohaarukka samaa nopeutta koko täyden kierroksen matkan.

Kun nivelen kulma muuttuu, syntyy haarukoiden välille nopeusero, joka yhden kierroksen aikana sekä nousee että laskee. Normaalissa pyörintänopeudessa tämä ilmenee tärinänä.

Teknisessä mielessä ristinivelen välityssuhde muuttuu edestakaisin ristikon ja haarukan kulman muuttuessa kiertoliikkeen aikana. Mitä suuremmassa kulmassa nivel on, sitä kauempana välityssuhde yhdestä käydään kierroksen aikana.

Epäsäännöllinen liike vaikuttaa suoraan akselin kestoikään sitä heikentäen. Tärinä kasvattaa myös käytettävän työlaitteen kulumista ja esimerkiksi hydraulipumppujen elinikä lyhenee merkittävästi.

Asettelu vaikuttaa toimintaan

Ristinivelestä aiheutuva aaltomainen nopeuden muutos voidaan kumota asettamalla akselille toinen ristinivel, joka on päinvastaisessa asennossa ensimmäiseen nähden. Silloin jälkimmäinen nivel kumoaa ensimmäisestä aiheutuneen nopeusvaihtelun. Tärkeää on, että kummankin nivelen akselit ovat täsmälleen samassa tai vastakkaisessa kulmassa toiseen nähden.

Näistä vaihtoehtoisista asetteluista käytetään nimityksiä Z- tai V-asettelu. Z-asettelussa, kuten esimerkiksi lumilingon ja traktorin välillä sisäänmenoakseli työlaitteessa ja ulostuloakseli traktorissa ovat yhdensuuntaiset, mutta eri korkeudella.

Z-asettelussa molempien nivelten nivelkulmat ovat silloin samat, mikä tasapainottaa nivelissä syntyvät nopeuspoikkeamat. Näin lumilingon akseli pyörii koko kierroksen tarkalleen samaa nopeutta kuin traktorin ulosottoakselikin. V-asettelussa kulmat ovat vastakkaiset, mutta yhtä suuret, jolloin nopeusvaihtelut samalla tapaa tasapainottuvat.

Tilanteessa, jossa traktorin ulosottoakseli on vaakasuorassa maahan nähden, mutta lumilinko kulkee esimerkiksi ”nokallaan”, ovat nivelten kulmat erisuuret. Tässä tapauksessa lumilingon pään niveleen kohdistuu ylimääräinen rasitus ja lingon puolella akselin nopeus nousee ja laskee jokaisen kierroksen aikana.

Mitoita akseli oikein

Tyypillisesti akseli kannattaa mitoittaa vähintään 20 mm lyhyemmäksi kuin sen lyhin käyttöpituus. Akselin oikea mitoitus on tärkeää, jotta akselin liikkumavara riittää estämään akselin puolikkaiden kohtaamisen ja akselin ”pohjaamisen”. Liian lyhyeksi lyhennetyt profiiliputket saattavat johtaa akselin hajoamiseen.

Akselin käyttöpituutta selvittäessä mittaus tulee suorittaa siten, että työkone on traktoriin nähden siinä asennossa, jossa akseli on lyhyimmillään. Nostolaitekiinnitteisillä työkoneilla mittaus suoritetaan siten, että työkone on sivusuunnassa traktorin keskilinjalla ja nostettu siten, että korkeussuunnassa traktorin ulosottoakselin pää ja työkoneen akselin pää ovat samalla korkeudella.

Akselia lyhentäessä putkia ei ole syytä katkaista enemmän kuin on tarpeen. Nyrkkisääntönä voidaan pitää sitä, että akselin puoliskojen tulisi olla sisäkkäin vähintään puolet ristikoiden välisestä etäisyydestä, mutta kuitenkin vähintään 25 cm.

Pienempi kulma antaa enemmän käyttöikää

Nivelakselin ristikoiden keston kannalta on tärkeää, että akselit asennetaan mahdollisimman tarkasti oikeaan kulmaan. Kuten edellä todettiin, käyttävän ja käytettävän akselin linjojen täytyy olla samassa kulmassa tai vastakkaisessa yhtä suuressa kulmassa nivelakseliin nähden

Työskentelykulman kasvattaminen lyhentää akselin nivelten ikää, joten akselikulmat tulee aina pyrkiä minimoimaan. Toisaalta täysin suora akseli ei sekään tule kysymykseen.

Luotisuorassa olevan akselin ristikoiden neulalaakerit pyörähtävät vain aavistuksen verran nivelen kiertoliikkeen aikana, mikä johtaa voitelun katoamiseen neulan ja tapin välistä ja kuluttaa lopulta neulan kulmikkaaksi. Myöhemmin akselin kääntyessä jyrkempään kulmaan tuhoutuu ristikko nopeasti.

Normaalit nivelakselit soveltuvat 540 k/min nopeudella yleensä 15 asteen ja 1 000 k/min nopeudella enintään 8 asteen jatkuvaan käyttöön. Mitä jyrkempi kulma on, sitä epätasaisempaa akselin pyörimisliike on.

Mikäli akselia käytetään jatkuvasti edellä mainittuja 8 tai 15 asteen kulmia jyrkemmissä kulmissa, on syytä siirtyä laajakulmanivelakseliin.

Laajakulmanivelet kestävät jyrkemmissä kulmissa työskentelyn, sillä niissä normaalin ristinivelen tilalla on kaksoisristikko, joka käytännössä puolittaa yhdelle ristikolle kohdistuvan kuormituksen. Laajakulmanivelessä ristikot on kytketty yhteen keskityslevyn avulla, joka tasaa nivelten kulmat siten, että molemmat ristikot ovat aina samassa kulmassa toisiinsa nähden.

Laajakulmanivel korvataan joissain tapauksissa, kuten esimerkiksi tiukkoihin päistekäännöksiin taipuvissa meno-paluuniittokoneissa, kaksoiskulmavaihteilla. Esimerkiksi paalaimissa voimansiirto on kuitenkin toteutettu tyypillisesti laajakulmanivelakseleilla. Laajakulmanivelakselit sopivat hetkellisesti jopa 80 asteen kulmissa työskentelyn ja jatkuvassakin käytössä sallivat noin 25 asteen käyttökulman.

Akseli oikein päin

Ylikuormakytkimellä varustettu akseli voidaan kytkeä traktoriin joko siten, että kytkin on traktorin tai työkoneen päässä. Esimerkiksi Kronen niittokoneen käyttöohjekirjassa akselin asennuksesta mainitaan seuraavaa: ”Mikäli nivelakselin ylikuormitus- tai vapaakytkin ei peity traktorissa olevan suojuksen alle, kytkin on asennettava akselin työkoneen puoleiseen päähän.”

Levykytkin kannattaa asentaa työkoneen päähän, sillä painavasta kytkimestä ja sen mahdollisesta epätasapainosta johtuvan värinän aiheuttamat rasitukset kohdistuvat työkoneeseen. Murtopulttikytkimen asentaminen traktorin päähän saattaa olla perusteltua siitä syystä, että murtopultti on helpommin vaihdettavissa traktorin päästä kuin työkoneen uumenista.

EN 12965 turvallisuusnormi

EN 12965 on suhteellisen tuore EU:n asettama turvallisuusnormi, joka koskee kaikkia uusia nivelakseleita. Normi asettaa tiukemmat vaatimukset akseleiden merkinnöille, suojaukselle ja rakenteelle. Näkyvin ja käytön kannalta usein hankalin normin aiheuttama muutos on traktorin pään lukitus.

Aiempi akselin pään lukitustappi ei ole enää sallittu, sillä tappiin saattaisi tarttua esimerkiksi haalarin hiha. Uuden normin mukaisen laakerin lukitusholkki toimii laakerina haalarin hihaa vastaan, joka ei siten sisältävine henkilöineen ala pyöriä akselin ympäri käyttäjän hölmöiltyä...

Valitse oikean kokoinen akseli

Osa nivelakselin mitoista on standardoitu ja yleisesti puhutaankin eri tyypin akseleista niiden koon mukaan. Koko määräytyy akselin ristikoiden laakerikuppien ulkomittojen ja akseliputken halkaisijan perusteella.

Osa valmistajista käyttää samalla mitoituksella olevia akselia, osa taas valmistaa komponentteja omilla mitoillaan. Helpointa onkin usein marssia oman akselimerkin varaosia myyvään liikkeeseen, josta osat löytyvät usein melko helposti.

Kokosimme oheiseen taulukkoon muutamia yleisiä akselimalleja, joiden osat sopivat myös ristiin eri valmistajien osien kanssa.

Osista koottuna kallis

Koska nivelakseleiden mitoitukset ovat pitkälle standardoituja, voidaan eri valmistajien osia ainakin periaatteessa käyttää ristiin. Nivelakselin osat ovat kuitenkin mielenkiintoisesti hinnoiteltuja varsinkin edullisemman pään akseleissa. Laskimme testimielessä erään tarvikekauppiaan hinnaston mukaisen hinnan osista kootulle akselille ja vertasimme sitä valmiina hankittavaan akseliin.

Varaosina ostetun akselin hinnaksi kertyi ristikoineen, suojineen, putkineen ja levykytkimineen lähes 500 euroa, kun valmiina vastaavan akselin saa vajaalla 300 eurolla. Edullisen akselin korjaaminen ei siten aina ole taloudellisesti järkevää, mutta kalliimman akselin tapauksessa varaosan hankkiminen on usein kannattavaa taloudellisinkin perustein. Esimerkiksi useat yli 200 hv:n traktoreihin tarkoitetut akselit maksavat toista tuhatta euroa.

Palaamme nivelakselin huoltoon ja muun muassa ristikon vaihtoon Koneviestin tulevissa numeroissa.

Liittyvät artikkelit
Kiinnostuitko aiheista?