גל הנע מסוג קרדן (Universal Joint), מיועד לחבר בין מקור תנועה סיבובית לבין יחידה הצורכת תנועה סיבובית (או מומנט סיבובי) , כאשר הצירים של שני אלו נמצאים בתנועה זה לעומת זה, או שאינם על ישר אחד משותף. טעות בתכנון או בהרכבה, יכולים לגרום לבלאי מואץ של המערכת או חלקיה. במאמר שלפניכם, דגשים לשימוש בגל הנע מסוג קרדן, תכונות, חסרונות וממה יש להיזהר. מוזמנים לקרוא ליישם ולשתף.
המניע למאמר הייתה ערמה של דרייב שפטים, שנתקלתי בה בחצר האחורית של מוסך. להפתעתי ראיתי שבחלקם ה”יוקים” שבקצוות, ניצבים זה לזה, ובאחרים מקבילים- ראה תמונה:
כיצד יתכן? הרי או כך או כך היא הצורה הנכונה. רק אלו או אלו, מורכבים נכון. הקרדנים שמורכבים לא נכון, ישחקו צמיגים ויגרמו לרעידות בנסיעה!
אז בואו ונתחיל מההתחלה.
ונתחיל מהחוב להיסטוריה:
יש עדויות שהפרק הקרדני, היה מוכר כבר לקדמונים היוונים, והוזכר בעבודתו של פילו מביזנטיום (Bellow Puakea by Philo of Byzantium).
השם “קרדן” הוענק לפרק “הקרדני” על שם המתמטיקאי פיזיקאי האיטלקי Gerolamo Cardano) 1501-1576), שפתח את המודל המתמטי של תנועת הפרק הקרדני.
הפרק הקרדני הבודד, מורכב מצלב (שני צירים (גלים) שווים נחתכים) שבכל קצה, מסב. על כל שני מסבים של ציר, יושבת זרוע (יוק Yoke):
היתרון הגדול הוא העברת תנועה בין צירים כשיש זווית ביניהם.
החיסרון הגדול הוא,
שהפרק הקרדני ידוע כמעביר תנועה (מומנט) סיבובי שהמהירות ביציאה משתנה (כשהמהירות בכניסה קבועה) כתלות בזווית שבין הצירים:
וגרף זווית היציאה לעומת זווית הכניסה, נראה כך:
הדרך להתגבר על החיסרון של הקרדן, היא לחבר שני פרקים קרדניים ולדאוג ש”יוק” ציר הכניסה יקביל ל”יוק” ציר היציאה (זוויות הקרדנים שוות), כמו בתמונה:
וקיבלנו גל הנע קרדן. במקרה המוצג, זהו מבנה “Z”.
קיימת אפשרות נוספת למבנה הנקרא גל הנע קרדן במבנה W:
בשני המבנים, השאיפה היא שזוויות ᵝ תהיינה שוות ככל שניתן. ככל שהבדל ביניהן גדול יותר הזווית ᵝ מוגבלת יותר. זווית ᵝ המקובלת בד”כ תהיה בין מעלות בודדות ל 30º עד 35º . תלוי בייצרן.
המהירויות הסיבוביות המקובלות לגלים אלו ולפרק קרדני בכלל, היא בין סל”דים בודדים וכמה אלפי סל”דים (5000 או 6000). גם המהירות הסיבובית תלויה בזווית ᵝ, ככל שהזווית ᵝ גדולה יותר, המהירות הסיבובית מוגבלת. לנתונים מדויקים יש לקבל הוראות מהיצרן.
בדרך כלל, גל ההנע הקרדני, מורכב מגל מרכזי טלסקופי, שמאפשר תנועה זוויתית וקווית בין הגורם המניע, למקבל התנועה, כגון המנוע ותמסורת במשאית או בג’יפ, והציריה האחורית שמקבלת את התנועה:
נחזור לערימת גלי ההנעה קרדניים שמצאתי בחצר. מה נכון? מי מהגלים היו מורכבים נכון, ואילו לא?
האם הקצוות צריכים להיות ניצבים או מקבילים כדי שנקבל ביטול של השינויים בציר היציאה?
מסתבר, שהקצוות על הגל (דרייב שפט) צריך שיהיו מקבילים כדי לקבל תנועה חלקה ביציאה.
כששני הפרקים הקרדנים נמצאים בהפרש פזה של °90 הם מבטלים את סטית המהירויות. כדי שזה יתקיים, צריך ששני ה”יוקים” על הגל המרכזי, יהיו מקבילים, כמו בתמונה:
וזכרו, ככל שהזווית בין ציר הכניסה לציר היציאה שוות, קטנה בעיית הפרש המהירויות.
אם הזווית אפס, אין בעיה כלל. מהירות הכניסה, שווה למהירות היציאה.
לסיכום:
-
הפרק הקרדני משמש להעברת תנועה סיבובית בין שני צירים שיש ביניהם זווית קבועה או משתנה ויכול גם מרחק שישתנה
-
לפרק הקרדני חיסרון גדול: מהירות סיבוב היציאה, אינה שווה למהירות הסיבוב של ציר הכניסה, והיא משתנה במשך כל מהלך הסיבוב.
-
גל הנע קרדן נכון, מורכב משני פרקים קרדניים מקבילים. במצב זה, שינויי המהירויות מתבטלים, ומהירות הסיבוב ביציאה שווה למהירות הסיבוב בכניסה בכל רגע ורגע
-
בד”כ הציר המשותף הוא טלסקופי כדי לפצות על מרחק משתנה בין פרקי הקרדן
-
יש להיצמד להוראות היצרן באשר לנתוני המהירות הסיבובית, הזויות המותרות בין הגלים, וההפרש המותר בין זוויות הפרקים הקרדניים
עוד חומר קריאה על חיבור שני צירים במרחב, במאמר: