Cardanul - o invenție străveche extrem de utilă în lumea a angrenajelor și a mobilității rutiere

Inventarea și perfecționarea motorului cu ardere internă a condus, spre finalul secolului al XIX-lea, la concepția și realizarea primelor autovehicule, în accepțiunea modernă a cuvântului. Încă de la început, s-a pus problema transmisiei forței sau cuplului generat de caii putere de sub capotă către roțile automobilului.

Primele variante de autovehicule, adevărații pionieri ai șoselelor, aveau o transmisie asemănătoare bicicletei. Motorul oferea o mișcare de rotație care era transmisă unei roți dințate legată la un lanț, cuplat la un butuc de pe puntea față sau spate. Astfel, cuplul sau forța dată de exploziile controlate din cilindre roteau roțile cu o anumită viteză.

Ulterior, odată cu avansurile tehnologiei și ale producției de masă din industria auto, transferul forței produse de motor către roțile care asigurau tracțiune s-a diversificat, făcându-și apariția mai multe tipuri de transmisii pe lângă cea mecanică: hidraulică, electrică, mixtă (hidromecanică, electromecanică).

Un element important al transmisiei mișcării de rotație și a cuplului de la motor către roți este cardanul, despre care vei afla mai multe detalii în acest articol.

Cuprins:

1. Cardanul - element de clasificare a autovehiculelor din punctul de vedere al transmisiei

2. Ce este și cum a apărut cardanul și transmisia cardanică?

3. Transmisia cardanică - modul de funcționare și rolul pe care îl joacă în angrenajele motrice ale autovehiculelor

4. Cardanul auto - câteva recomandări pentru buna întreținere și eventualele reparații

#

1. Cardanul - element de clasificare a autovehiculelor din punctul de vedere al transmisiei

Încă din primii ani ai secolului XX, elementele constitutive de bază ale unui autovehicul rutier au fost bine fixate și se regăsesc și azi în construcția oricărui vehicul, oricât de modern ar fi acesta. Astfel, un automobil conține următoarele subansambluri cheie:

• Motorul cu ardere internă sau, într-o perspectivă ce prinde contur a viitorului, electric. Orice sursă de alimentare ar avea, stă la baza oricărui autovehicul, asigurând energia necesară punerii sale în mișcare.

• Transmisia - este subansamblul de componente care facilitează transmiterea puterii și a mișcării de rotație de la motor la roțile care asigură tracțiunea automobilului, prin intermediul anvelopelor ce au contact permanent cu solul.

Transmisia mecanică a unui autovehicul clasic este formată din mai multe componente: ambreiajul, cutia de viteze, transmisia centrala sau longitudinală, unde se poate regăsi și subansamblul cardanului), diferențialul și, desigur, roțile motrice sau de tracțiune.

• Sistemul sau trenul de rulare - este un ansamblu care asigură contactul cu solul al mașinii și echilibrul acesteia în staționare sau în mers. Tot aici se produce transformarea mișcării de rotație provenite de la motor în mișcare liniară, de translație. Acest grup de componente este format din:

- Puntea față

- Puntea sau punțile spate

- Sistemul de suspensii

- Cadrul

Roțile dotate cu jante și anvelope precum și cu sistemele de frânare.

• Caroseria - reprezintă ansamblul constructiv amenajat pentru transportul și protecția pasagerilor sau a mărfurilor, după caz, precum și pentru poziționarea altor echipamente auxiliare. În cazul autoturismelor, această componentă esențială are rol în reducerea rezistenței la înaintare a vehiculului, fiind proiectată cu respectarea unui coeficient aerodinamic cât mai scăzut.

În contextul transmisiei, se pune în mod direct problema tracțiunii care este, de fapt, forța care face ca vehiculul să se miște rectiliniu, fără a avea importanță locul unde aceasta se exercită - fie în cadrul punții din față, fie pe cea din spate, ori chiar concomitent pe ambele.

Rolul transmisiei cardanice intervine în cazul mașinilor cu tracțiune pe spate sau al celor cu tracțiune integrala, cunoscută și sub denumirea de 4X4. Devine interesantă, deci, aflarea felului în s-a ajuns la folosirea unui astfel de dispozitiv, deoarece, așa cum vei vedea, nu este o invenție recentă.

#

2. Ce este și cum a apărut cardanul și transmisia cardanică?

Cardanul, sau articulația universală, este un ansamblu mecanic care are rolul de a permite unuia sau mai multor axe longitudinale, care au grade de înclinare diferite una față de cealaltă, să poată fi conectate și astfel să transmită una alteia cuplul sau forța emise de motor și mișcarea de rotație subsecventă.

Din acest motiv, articulațiile universale mai pot fi clasificate și ca device-uri de transmisie a cuplului motor. Deși poate părea de necrezut, aceste dispozitive mecanice au fost inventate, într-o formă primară, încă din secolul al III-lea î.Hr. de inginerii greci ai timpului. Philo din Bizanț menționează o formă a acestui mecanism în lucrarea sa „Belopoeica” - un tratat militar referitor la diverse concepții de tehnică artileristică din acea vreme.

Totuși, abia în 1545 faimosul matematician și fizician italian Gerolamo Cardano a redescoperit acest mecanism de o importanță crucială și, practic, de la numele lui a rămas și denumirea de azi a articulației cardanice și a derivatelor sale.

Prima folosire practică oficială a unui mecanism de tip articulație universală a fost făcută de către Robert Hooke în 1676. Arhitect, matematician și om de știință - considerat un veritabil ”Leonardo da Vinci” englez, Hooke a publicat prima descriere completă a principiului de funcționare a cardanului.

Datorită acestei lucrări inginerești, device-ul a fost denumit articulație Hooke - cel puțin in lumea anglo-saxonă. De asemenea, el a propus și o soluție de îmbunătățire a vitezei neuniforme de rotație din cadrul mecanismului - o pereche suplimentară de articulații, montate perpendicular la ambele capete ale unui ax intermediar.

Acest aranjament mecanic poartă denumirea de articulație cu viteză constantă.

#

3. Transmisia cardanică - modul de funcționare și rolul pe care îl joacă în angrenajele motrice ale autovehiculelor

Articulația universală este compusă dintr-un dispozitiv cu patru brațe egale așezat central, cu câte o proeminență la capătul fiecăreia, unde este montat câte un rulment. Acest ansamblu poartă denumirea de cruce cardanică și este, de fapt, elementul esențial al mecanismului.

Dimensiunile crucii sunt sunt realizate pentru a obține cel mai bun compromis între abilitățile dinamice ale componentelor articulației aflate în mișcare și proprietățile legate de flexibilitatea acesteia.

Crucea cardanică are rolul de a conecta cele două axe ale articulației, cu ajutorul a două juguri sau lagăre, cu care acestea sunt prevăzute la capetele de îmbinare. Fiecare pereche de lagăre este poziționată la un unghi precis calculat.

Crucea cardanică permite fiecărui lagăr să se rotească în jurul brațelor sale, adică în planurile orizontale și verticale, sau X și Y, cum mai sunt denumite în matematică.

Axul care vine dinspre motor și se leagă prin lagăr la crucea cardanică poartă denumirea de arbore de intrare, iar celălalt care este prins la perechea de brațe rămase este arborele de ieșire.

Arborele de intrare are rolul de a transmite mișcarea de rotație produsă de motor către cel de ieșire. Lăgărele au rolul de a preveni eventualele deformări elastice și, de asemenea, de a menține aliniați rulmenții din capetele brațelor crucii cardanice. Aceste componente sunt fabricate în mod curent din oțel, cu respectarea unor standarde foarte înalte și stricte de calitate și de siguranță.

Cele două lagăre nu sunt aliniate perfect orizontal. Datorită crucii cardanice, care permite celor doi arbori să se rotească sub înclinații diferite, unghiul care se formează între ele poate atinge mărimea maximă de 45 de grade și poartă denumirea de unghi de operare. Totuși, acest maxim poate fi atins în aplicații cu o durată mică de lucru a pieselor. Pentru operații pe termen lung, așa cum este și cazul autovehiculelor, unghiul nu trebuie să fie mai mare de 35 de grade.

Rata de transmisie a mișcării lagărelor nu este constantă în timp. Ea are o oscilație periodică sub forma unei sinusoidale. Acest lucru înseamnă că viteza de rotație a arborelui de intrare nu va fi mereu egală cu cea a corespondentului de ieșire. Consecința acestei schimbări de fază este producerea unor vibrații care vor avea o amplitudine cu atât mai mare cu cât unghiul de operare este mai mare.

Pentru a remedia această problemă, s-a recurs la folosirea unei articulații universale duble cu rol de remediere a lipsei de aliniere între arborii de transmisie.

În domeniul utilajelor agricole, în special la tractoare, se pot folosi articulațiile universale telescopice.

Acestea constau din două articulații simple, unite prin intermediul unui arbore telescopic, care are rolul de a remedia variațiile de lungime dintre tractor și utilajul remorcat. Aceste diferențe pot apărea în timpul manevrelor din cauza terenului agricol accidentat.

Articulațiile universale cu viteză constantă au un principiu de funcționare ușor diferit. La fel ca în cazul celor simple, aceste mecanisme pun în contact un arbore de intrare și unul de ieșire, dar deosebirea este că pot menține o rată de transmisie constantă în timp, indiferent de unghiul de rotație al axelor. De regulă, aceste device-uri au o protecție exterioară.

Mecanismul intern este reprezentat de un așa numit „miez”, prin care sunt transmise cuplul motor și mișcarea de rotație. Conexiunea între cei doi arbori nu mai are loc cu ajutorul unei cruci cardanice, ci cu ajutorul unui set de bile din oțel plasate în interiorul unui lagăr, datorită căruia ele se pot roti independent una de alta în interiorul canelurilor lor.

Protecția exterioară a acestei articulații universale este formată dintr-un manșon de cauciuc care este, de regulă, umplut cu vaselină pe bază de bisuflat de molibden și are rol de a proteja mecanismul intern de contactul cu apa și de praful din exterior.

Majoritatea proprietarilor de vehicule neavizați nu-și dau seama la ce folosesc aceste device-uri și nici care este importanța lor, chiar dacă articulațiile universale cu viteză constantă sunt o componentă crucială în ansamblul motric al oricărui automobil. Acestea sunt folosite, în principal, la mașinile cu tracțiune pe față, dar și la unele modele mai moderne, cu transmisie pe spate, care au suspensii independente.

#

4. Cardanul auto - câteva recomandări pentru buna întreținere și eventualele reparații

De-a lungul timpului, datorită forțelor implicate în procesele mecanice de funcționare, rulmenții care intră în componența capetelor crucilor cardanice se pot uza. Acest lucru poate duce chiar la deteriorarea și, în final, la ruperea sau deformarea iremediabilă a acestui element. Singurul lucru care se mai poate face în acest caz este înlocuirea sa la un service auto cum este Auto Soft, care oferă servicii diversificate și are capacitatea tehnică de a demonta întregul arbore cardanic.

De reținut că există și modele de arbori cardanici prevăzuți cu un dispozitiv denumit flanșă de montaj, la care se poate interveni pentru reparații fără a mai fi necesară demontarea totală.

Crucile cardanice sunt prinse în lagărele arborilor cu ajutorul unor siguranțe de montaj, care au rolul de a se asigura că fixarea este puternică și că nu există pericolul desprinderii în timpul funcționării angrenajelor. Acestea trebuie demontate mai întâi, iar apoi elementul defect poate fi înlăturat cu ușurință.

Montajul unei noi cruci cardanice trebuie însoțit de operațiunea de ungere sau gresare, care asigură micșorarea efectelor forțelor de frecare, ce pot atinge valori mari în funcție de condițiile de drum, greutatea și încărcătura vehiculului.

Se recomandă a nu se trece cu vederea indiciile privind uzura crucilor cardanice sau a altor elemente constitutive ale cardanului auto, deoarece eventualele defecțiuni ale acestui mecanism vor duce, inevitabil, la imposibilitatea mișcării autovehiculului.

Arborii cardanici nu pun probleme deosebite, deoarece, datorită proceselor de fabricație stricte și a aliajelor de oțel din care sunt construiți, se pot defecta destul de rar. Dar, dacă unul din celelalte elemente ale cardanului se uzează serios, un semnal de avertizare în acest sens poate fi un joc ce apare, de regulă, la viteze mici, vizita la service fiind, în acest caz, obligatorie în cel mai scurt timp.

În concluzie, este recomandat ca la vizitele la service-ul auto să se efectueze periodic și să se facă inspecția temeinică a fiecărei componente a cardanului, pentru detectarea din timp a unor eventuale probleme și evitarea unor defectări totale în timpul funcționării vehiculului.

Sursa foto: pexels.com