מפרק מהירות קבועה

מפרק מהירות קבועה (באנגלית: Constant Velocity Joint או CV-Joint) הוא התקן מכני המאפשר להעביר תנועה סיבובית בין צירים הנמצאים בזווית, באופן שבו מהירות הציר המונע אחידה ושווה למהירות הציר המניע. מפרק זה נמצא בשימוש בעיקר בכלי רכב בעלי הנעה קדמית והנעה לכול הגלגלים וכן בכלי רכב בעלי הנעה אחורית עם מתלה נפרד לכול גלגל - בחיבור הציריה אל הגלגל והדיפרנציאל. במכונית האאודי קוואטרו (Audi Quattro) לדוגמה, ניתן למצוא עשרה מפרקים כאלה, בארבע הציריות ובגל ההינע. מערכות הנעה קדמית מוקדמות, כמו אלה שבסיטרואן Traction Avant, בציריות הקדמיות של הלנד רובר, ובכלי רכב דומים בעלי הנעה לכול הגלגלים, עשו שימוש במפרק אוניברסלי, בו ציר בצורת צלב מחבר בין שני חלקים בצורת האות U. המפרק האוניברסלי אינו מפרק מהירות קבועה מלבד במצב בו שני הצירים מקבילים, וגורם לציר המונע לנוע במהירות משתנה מחזורית כאשר הציר המניע נע במהירות קבועה. מפרק זה הוא פשוט ויכול להיות חזק מאוד, והשימוש העיקרי בו הוא בחיבור צירים שהזווית וטווח התנועה ביניהם אינם גדולים, כמו בגל הינע של כלי רכב בעלי הנעה אחורית. אולם, בזוויות גדולות המפרק האוניברסלי נהיה "קופצני" וקשה לסיבוב, ודורש תחזוקה שוטפת. כמו כן, השימוש בו בציריות הנעה דורש מיסבי תמיכה מסובכים יותר, וניתן לעשות בו שימוש רק במערכות ציריה קשיחות. כאשר הנעה קדמית הפכה לפופולרית, ומכוניות נוסעים כגון ה"מיני" (Mini) החלו לעשות שימוש במנוע בתצורה רוחבית, נעשו חסרונותיו של המפרק האוניברסלי בציריות הנעה קדמיות בולטים יותר ויותר. מפרקי מהירות קבועה המבוססים על המצאתו משנת 1927 של אלפרד שֱׁפָּה (Alfred H. Rzeppa), התגברו על רוב החסרונות הללו. הם איפשרו העברה חלקה של מומנט סיבוב מהמנוע אל הגלגלים הקדמיים למרות הטווח הרחב של הזוויות בהם נמצאו המפרקים. מפרק טרקטה (Tracta), שגם הוא מפרק מהירות קבועה, פותח על ידי פייר פנייל (Pierre Fenaille) בשנת 1926, ושימש במרבית כלי הרכב הקרביים בעלי הנעה קדמית במלחמת העולם השנייה. הוא פשוט יותר וחזק יותר ממפרק Rzappa, אולם מייצר חיכוך רב וחום במהירות גבוהה. עם התקדמות טכנולוגיית היצור של מפרקי מהירות קבועה מבוססי כדורים נזנח השימוש בו בכלי רכב וכיום ניתן למצוא אותו רק במכונות. מפרק Rzeppa, הידוע בכינוי מפרק "פעמון", מורכב מכדור פנימי אשר בו שש מסילות, ומעטפת חיצונית תואמת בצורת "פעמון" ובה שש מסילות גם כן. בכול מסילה נמצא כדור. הציר המניע מקובע לחלק הפנימי, בעוד הציר המונע מחובר לחלק החיצוני (הפעמון) בצידו האחד, ולציר הגלגל בצידו השני. מפרק זה הוא גמיש מאוד ויכול לתמוך בשינויים הגדולים בזוויות בין הצירים, אשר נדרשים על ידי מערכת ההיגוי של הגלגלים הקדמיים. מפרק פעמון טיפוסי מרשה זווית כפוף של 48-45 מעלות, בעוד כמה סוגים מאפשרים עד 52 מעלות. עקרון הפעולה של מפרק Rzeppa מבוסס על הימצאותם של ששת הכדורים במישור הניצב למישור בו נמצאים זוג הצירים, ובזווית החוצה את הזווית בין הצירים (כלומר בזווית שווה לכול אחד מהצירים). מישור זה נקרא המישור ה"הומו-קינטי". כאשר האלמנטים המעבירים את המומנט הסיבובי מציר אחד לציר שני נמצאים במישור זה, מתקבל מפרק מהירות קבועה. מפרק מהירות קבועה נוסף המבוסס על עיקרון זה הוא מפרק בנדיקס-וייס (Bendix-Weiss), אשר בו ארבעה כדורים. מפרק קרדן כפול דומה לציר קרדן כפול, אשר בו ציר הביניים קוצר עד למינימום האפשרי, כך שלמעשה מתקבלים שני מפרקים אוניברסליים גב אל גב. התקן זה מהווה מפרק מהירות קבועה במהירויות נמוכות, אם כי החלק האמצעי עדיין אינו נע במהירות קבועה, דבר המייצר ויברציות במהירויות גבוהות. באופן טיפוסי, ניתן למצוא מפרק קרדן כפול בציר ההגה של המכונית. מפרק זה גם מחליף את מפרק הפעמון (Rzeppa) בישומים בהם יש זוויות כיפוף גדולות או עומסים מתפרצים, כגון בציריות של רכבי שטח קשוחים עם הנעה לכול הגלגלים. כמו כן פותח מפרק קרדן כפול עם התקן יישור צף השומר על זווית שווה בין הצירים המניע, המונע, והחלק האמצעי. מפרק טריפוד מורכב מציר אחד המסתיים בשלוש רגליים גליליות, אשר נמצאות בזווית 90 מעלות לציר, ובזווית של 120 מעלות זו לזו. על כול רגל מורכבת טבעת שמשטחה החיצוני מעוגל. בקצה הציר השני מותקן חלק בצורת גליל חלול אשר בחלקו הפנימי חרוצות שלוש מסילות שלהן חתך גלילי. הטבעות המעוגלות המותקנות על הרגליים של החלק הפנימי ממוקמות בתוך המסילות. מפרק זה מסוגל להעביר תנועה סיבובית מציר אחד לשני, בזוויות כיפוף עד כ-45 מעלות. מפרק זה מרשה תנועה בכיוון הצירי - כלומר מאפשר לצירים להתקרב ולהתרחק זה מזה. התקן זה הוא "כמעט" מפרק מהירות קבועה (Quasi-Homokinetic), מכיוון שנקודות המגע של הטבעות המוקנות על הרגליים עם המסילות אינן בדיוק במישור ההומו-קינטי. עם זאת, הסטייה ממהירות קבועה היא נמוכה. מפרק תומפסון, הנקרא על שם ממציאו גלן תומפסון (Glenn Thompson), הוא מפרק מהירות קבועה אשר פועל עם חיכוך נמוך וכמעט ללא ויברציות. מפרק תומפסון מורכב משני מפרקי קרדן זה בתוך זה, דבר המבטל את הצורך בציר הביניים, ובתוספת מוטות ייצוב השומרים על זווית מתאימה בין המפרקים. מוטות הייצוב שומרים על זווית שווה בין הציר המונע, המניע, והמפרקים, דבר אשר מבטיח העברת מהירות אחידה בין הצירים, בכול זווית בה הם נמצאים. מוטות הייצוב אינם נעים במהירות קבועה, אולם יש להם מומנט אינרציה נמוך מאוד ולכך אינם מיצרים (כמעט) ויברציות. ביטול ציר הביניים מקטין מאוד את הרעידות ועומסי השחיקה הטיפוסיים למפרק קרדן כפול. העובדה שהמפרק מתבסס על זוג מפרקי קרדן מקטין את החיכוך והחום הנוצרים במפרק ביחס למפרק מסוג פעמון (Rzeppa), זאת מכיוון שבמפרק תומפסון נעשה שימוש במיסבים כדוריים היקפיים, בעוד שבמפרק פעמון הכדורים מתגלגלים ומחליקים בתעלות. החידוש במפרק תומפסון הוא בהמצאת ההתקן השומר על המנח הגאומטרי של זוג מפרקי הקרדן, למשל ארבעה מוטות ייצוב היקפיים בצורת מספריים, והוא הראשון שמכיל צירוף זה של תכונות. Universal Joints and Driveshafts, Analysis, Design, and Application. Hans Christoph Seherr-Thoss (Graf von), Friedrich Schmelz, Erich Aucktor. Springer, 2nd Edition, 2006. מדיה וקבצים בנושא מפרק מהירות קבועה בוויקישיתוף סוגי מפרקים אוניברסליים, באתר http://www.the-crankshaft.info מפרק מהירות קבועה, באתר http://www.tpub.com מפרק טריפוד, וידאו באתר YouTube מפרק קרדן כפול, וידאו באתר YouTube מפרק תומפסון, וידאו באתר YouTube מפרק תומפסון, וידאו באתר YouTube Pronounced "sheppa", see: Advanced Vehicle Technology, Heinz Heisler, Elsevier Ltd. 2002. pp 215. Rzeppa, Alfred H. (1927). "Universal Joint". US patent no. 1,665,280. Figure 28-7. Tracta Constant Velocity Joint European Patent FR628309 Rzeppa Constant Velocity (CV) Joint French Patent 1272530, also US Patent US3125870 K. Watanabe, T. Kawakatsu, S. Nakao (2005). Kinematic and static analyses of tripod constant velocity joints of the spherical end spider type. Journal of Mechanical Design, Transactions of the ASME Volume 127 Issue 6 Sopanen, Jussi (1996). "Studies on Torsion Vibration of a Double Cardan Joint Driveline" (PDF). אורכב מ-המקור (PDF) ב-2009-02-05. נבדק ב-2008-01-22. Sheu, P (2003-02-01). "Modelling and analysis of the Intermediate Shaft Between Two Universal Joints". נבדק ב-2008-01-22. "Measurement of CV Joint Efficiency" (PDF). 2005-02-10. אורכב מ-המקור (PDF) ב-2006-11-11. נבדק ב-2008-01-22. Bowman, Rebecca (2006-08-03). "An invention to drive fuel costs down". yourguide.com.au. נבדק ב-2007-02-13.