הקרדן Cardan: היכן להשתמש בגל הנע מסוג קרדן ועל מה צריך להקפיד כשמתכננים ומשתמשים בגל הנע קרדן.

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:RightWrongCardanMounting

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.

GerolamoCardano_PhiloByzantium

 

הפרק הקרדני הבודד, מורכב מצלב (שני צירים (גלים) שווים נחתכים) שבכל קצה, מסב. על כל שני מסבים של ציר, יושבת זרוע  (יוק Yoke):

CardanJoint2

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:CardanOutputVariableSpeed

 

וגרף זווית היציאה לעומת זווית הכניסה, נראה כך:

CardanOutputVariableAngle

 

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:

CardanShaftSolution

וקיבלנו גל הנע קרדן. במקרה המוצג, זהו מבנה “Z”.

קיימת אפשרות נוספת למבנה הנקרא גל הנע קרדן במבנה W:

CardanShaftIn_W_Arrangement

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:

CardanShaftApp2

 

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:

CardansMutualPosition

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: 

  1. הפרק הקרדני משמש להעברת תנועה סיבובית בין שני צירים שיש ביניהם זווית קבועה או משתנה ויכול גם מרחק שישתנה

  2. לפרק הקרדני חיסרון גדול: מהירות סיבוב היציאה, אינה שווה למהירות הסיבוב של ציר הכניסה, והיא משתנה במשך כל מהלך הסיבוב.

  3. גל הנע קרדן נכון, מורכב משני פרקים קרדניים מקבילים. במצב זה, שינויי המהירויות מתבטלים, ומהירות הסיבוב ביציאה שווה למהירות הסיבוב בכניסה בכל רגע ורגע

  4. בד”כ הציר המשותף הוא טלסקופי כדי לפצות על מרחק משתנה בין פרקי הקרדן

  5. 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:

כיצד לחבר בין שני צירים מבלי לייצר הפסדים או לקצר חיי מסבים

למעבר למאמר, לחץ כאן

עכשיו תורכם 

עד כאן הצגתי בפניכם את הפרק הקרדני, חסרונותיו, מעלותיו והפתרון שנמצא בגל ההנע הקרדני. הבנו, כיצד יש להרכיב פרקים קרדניים על ציר משותף כדי לקבל גל הנע קרדן, שאין לו הפרשי מהירויות ובכך נמנעים רעידות ובלאי מואץ במערכות. עתה הבמה כולה שלכם. מה תוכלו להוסיף מניסיונכם? על איזה מקרה כשל עקב הרכבה שגויה של גל הנע קרדני הייתם רוצים לספר לנו? אנא שתפו אותנו פה למטה, בתגובות, כדי שכולנו נלמד ונצמח ביחד.

הצעד הבא שלכם להצלחה

אהבתם? שתפו את המאמר עם חברים וקולגות. רוצים לקבל ממני עוד הרבה טיפים מועילים, עקרונות מנחים והדרכה מעשית בנושאים שונים ומגוונים בהנדסת מכונות? במיוחד בשבילכם כתבתי את מדריך הבזק “הנדסה בחקירה” ובו ניתוח עומק של 7 כשלי תכנון בסיסיים שהובילו לאסונות ענק. להורדת המדריך במתנה ממני ולגמרי בחינם – לוחצים כאן.

אודות משה קלמן

אינג' משה קלמן, בוגר לימודי הנדסת מכונות בטכניון במגמת אנרגיה, ובעל תואר שני במנהל עסקים, מהאוניברסיטה העברית בירושלים, מביא אתו ניסיון עשיר של כ-40 שנה בתחומי הנדסה שונים ומגוונים. את הניסיון העצום שצבר, יצק לתוך מגוון תכניות הדרכה למהנדסים בהתאמה לצורכי הארגון.

להורדה בחינם של מדריך הבזק "הנדסה בחקירה" שבו אסף דוגמאות של כשלים קטסטרופליים שנבעו מהזנחה של עקרונות הנדסיים בסיסים – לחצו על הקישור "כן, אני רוצה ללמוד מניסיונם של אחרים"

השארת תגובה