עולמם המופלא של הדיפרנציאלים/פרק א' – מבוא לעולם הנסתר

למה יש מלחמה קבועה בין גלגל פנימי וחיצוני בעת סיבוב? מי זה אונספיר פקר. מה הוא תרם לבעיה. מאמר ראשון בסדרה ארוכה.

897454154
פרק 1 מתוך 8 בסידרה הדיפרנציאלים

 

בעקבות העבר

 

כשמעלעלים בין דפי ההיסטוריה של אירופה המערבית מסתבר שבמקביל  למלחמות עקובות מדם התנהלה בין אנגליה, צרפת וגרמניה מערכה שונה לחלוטין – זירתה בתי מלאכה נידחים, גיבוריה ממציאים  גאונים, קורבנותיה – בוכנות, גלגלי שיניים ושרשראות שהועלו על מזבח שיטת הניסוי וטעייה של אותם הימים. דמיינו את תחילתה של המאה ה-18 באירופה ולשם שינוי רשמו לפניכם עבר שאינו קשור בגוויות ונחלי דם, אלא בסעורי מוחות הנדסיים, שולחנות שרטוט וצעקות "אווריקה", בשלוש שפות, אחת לכמה שנים, בדרך הארוכה של הכנסת העתיד לעידן חדש בו תשלוט הקדמה הטכנולוגית .

שנת 1705 מהווה נקודת מוצא במסענו הקצר ומוכרזת בזאת כנקודת הזינוק  ל"תחרות- הממציא הטוב באירופה" – אחת התחרויות הפוריות ביותר, מאז ומעולם, בין אנגלים צרפתים וגרמנים. אנגלי בשם תומאס ניוקומן מתכבד בפתיחת מסע העבר המפואר בהיותו, בשלהי 1705, ממציא מנוע הקיטור הראשון. השנה 1763 והבריטים עדיין מוליכים לפני המחנה – בונה מכשירים סקוטי בשם ג'ימס ואט משפר את מנועו של ניוקומן ומאפשר רמת תפעול נוחה בהרבה. שנת 1769 מעבירה את התהילה לצרפתים ובעיקר לממציא ניקולה קינו ולמוטציה מוזרה פרי מוחו הקודח. בשנה זו הופיעו בכבישיה המרוצפים של אירופה יצורים חדשים, לא מוכרים. אל הכרכרות והסוסים הצטרפו לראשונה כלים ממונעים – תלת אופנים מגושמים, מוזרים, בעלי  "גיבנת" ענקית ובתוכה – רחמנא ליצלן – מנוע הקיטור הבריטי. ההתרגשות הייתה גדולה המהירות הייתה קטנה – דודי הקיטור הממונעים שרכו דרכם בישורת במהירויות מרביות של 7 קמ"ש…

הכניסה למאה ה-19 מבשרת את עידן תחילת התחבורה המודרנית – השלב הראשון בצמצום מרחקים והפיכת העולם לכפר גלובאלי אחד, קטן. כבר בשנת 1801 מוציא מסדנתו, אנגלי העונה לשם ריצ'ארד טרייביתיק, מרכבה אליה משודך מנוע קיטור (להשכלה כללית – שלוש שנים מאוחר יותר כבר נבנה קטר הקיטור הראשון שהסיע רכבת מטען. בשנת 1825 מתחילות לנוע ברחבי העולם רכבות הנוסעים הראשונות ומספר שנים אחר כך גם אוניות הקיטור הראשונות). שנת 1860 מעלה על בימתה ממציא צרפתי נוסף, אטיין לנואר, על שמו "רשומה" המצאת מנוע השריפה הפנימי הראשון – לא עוד דוד חיצוני מסורבל המוזן בעצים -   תהליך שריפה "נקי" ,בתוך חלל סגור, ניזון בגז בישול כחומר בעירה. המנוע הומצא אך הציבור הרחב לא נחשף אליו. וכך, בסופו של דבר הצרפתי אומנם המציא אך גרמני קטף את התהילה. מדען גרמני בשם ניקולאוס אוטו, שעבד במקביל ללנואר על המצאת מנוע השריפה, הוציא לאוויר העולם, מספר שנים מאוחר מלנואר, מנוע שריפה פנימי משופר. מנוע משופר ומערכת יחסי ציבור ושיווק משומנים גרמו למנוע של אוטו להימכר ביותר מ-50 אלף יחידות, לחדור לתודעת הצרכן האירופאי, ולמצב אותו כממציא מנוע השריפה הפנימית.
מנוע השריפה הפנימי היה הסנונית שבשרה את תחילתו של עידן חדש ואומנם, הפרלמנט הבריטי אינו שוקט על שמריו ונערך לקראת … הצפת כבישים במרכבות ותלת אופנים ממונעים. וכך, בשנת 1865, מחוקק בפרלמנט הבריטי חוק הקובע: " אין רכב ממונע רשאי לנוע בדרכים אלא אם כן לפניו הולך אדם עם דגל אדום, בשעות היום, או פנס אדום בשעות הלילה". השנה 1885. ממציא גרמני נוסף, דיימלר שמו, מצליח להחליף את ה"מזון" שדרש מנוע השריפה הפנימית – מגז בישול לדלק נוזלי. בשנת 1886 כבר נעות ברחבי אירופה מרכבות שסוסיהן, או מנוע הקיטור שלהן, הוחלפו במנועי שרפה פנימיים מסדנתו של דיימלר – מוזנים בדלק נוזלי.

ב-20 השנים שחלפו מהמצאתו של דיימלר ועד תחילתה של המאה ה-20 נראתה המוטוריקה בכבישי העולם כאוסף מצומצם של מרכבות ממונעות. פה ושם, במספרים מצומצמים ובלתי ניתנים להשגה לקהל הרחב, החלו להופיע גם דגמים ראשונים שהחלו להשיל מעליהן את גלימת המרכבה ולהיראות יותר כמכונית. יצרני רכב ראשונים סימנו את העתיד ביניהם: פורד, פיאט, רנו, רולס רויס ומרצדס.

שנת 1907 מסמנת את המפנה הגדול. החל משנה זו החלו לראשונה לייצר מכוניות בשיטת  ה'סרט הנע'. מפעלי פורד בארה"ב הציבו מטרה לפניהם: "מכונית לכל פועל" . וכך יצאה לאוויר העולם פורד מודל T במחירים נמוכים, "שווים לכל נפש". הופעת פורד מודל T הביאה לראשונה לנוכחות מסיבית של מכוניות בכבישים ופתחה את עידן הרכב המודרני.

שלום לדיפרנציאל

קשה למצוא הרבה קווי מתאר דומים, או מכלולים זהים, המשותפים למרכבות ממונעות הקיטור של תחילת המאה ה-19, מכונית מנוע השריפה הפנימית פורד מודל T, וכלי רכב מודרניים, בני ימינו. אחד קיים עד היום – הדיפרנציאל.
המכוניות הסדרתיות הראשונות שהגיחו מפס הייצור של פורד היו בעלות הנעת שני גלגלים בלבד – 4X2. במכוניות מסוג זה המומנט שמייצר המנוע (מוגבר על ידי יחסי העברה של תיבת ההילוכים), כמו גם התנועה הסיבובית כולה – מגיעים ל-2 גלגלים בלבד. כל אחד מהשני הגלגלים הנ"ל נקרא "גלגל מניע" (וגם: "חי", "דוחף", "מוביל").
לעומתם, כל אחד משני הגלגלים הנותרים, זה שאינו מקבל כוח מהמנוע, נקרא "גלגל מונע" (וגם: "מת", "נדחף" "מובל").

עד שנת 1942 מרבית המכוניות הסדרתיות בעולם התהדרו בהנעת צמד גלגלים (4X2) ובדרך כלל הנעה אחורית. ההנעה עברה לכיוונם של שני הגלגלים האחוריים בלבד, בעוד הגלגלים הקדמיים "נדחפו" על ידי האחוריים ותפקידם העיקרי – לאפשר את היגוי הרכב (ניסיונות להנעת 4X2 קדמי נעשו החל משנות השלושים – כולל מכונית פורמולה 1 שהתחרתה בשנת 1935 אך היו אלה ניסיונות בלבד ולא ייצור סדרתי. ייצור רכבי 4X4  – רכב בעל הנעה לכל ארבעת הגלגלים  – נעשה כבר קודם לכן, בעיקר ברכבי משא, אך לא כחלק מקו ייצור מסודר לרכב פרטי).

כבר אז, בימי ראשית פס הייצור של פורד מודל T בעל הנעת 4X2 האחורית, ידעו מהנדסי הפיתוח כי חובה עליהם למצוא פתרון עבור מצוקה מכנית ובטיחותית שהייתה עלולה להתפתח בין רכיבי חלקו האחורי, המניע, של הרכב.

 

אתנחתא קצרה לטובת שיעורי הגיאומטריה

נוסחת היקף המעגל: 2פי X=R (היקף).
נוסחה זאת מוכיחה, בין היתר, שככל שעולה רדיוס המעגל (R ) כך גדל גם היקפו.
נוסחת המהירות: מהירות קווית (V )= דרך (S) חלקי זמן (T ).

נוסחה זאת מוכיחה, בין היתר: "ככל שבפרק זמן נתון נעשית יותר דרך כך גדלה מהירותו של האובייקט העובר את הדרך". אפשר להכפיף אותה נוסחה בדיוק בכל הקשור למהירות סיבובית (N) ולקבוע כי: "ככל שבפרק זמן נתון נעשית יותר דרך כך גדלה מהירותו הסיבובית של האובייקט העובר את הדרך".

חזרה למכונית. כל עוד מכונית נוסעת בקו ישר כל גלגליה עוברים את אותה דרך, באותו פרק זמן. התבוננו בנוסחת המהירות ותסכימו שבמקרה הנ"ל מהירותם הסיבובית של כל הגלגלים שווה. לעומת זאת, כאשר נפנה את הגה המכונית, על מנת להתמודד עם עקומה ולפנות לתוכה, הפרשי המרחקים בין שני גלגלים הנמצאים על אותו סרן (מפשק סרנים) – 150-155 ס"מ במרבית המכוניות – גורמים לשני הגלגלים להתוות רדיוס שונה בעת הפניה – תמיד גדול יותר עבור הגלגל החיצוני.

אם R1 הוא רדיוס מעגל הפניה של גלגל חיצוני אחורי ו- R2 הוא רדיוס מעגל הפניה של גלגל פנימי אחורי אפשר להסיק בודאות, מקריאה נוספת של נוסחת היקף המעגל, שגם X1 – הדרך (היקף) שעושה הגלגל האחורי החיצוני, הרחוק ממרכז הסיבוב, גדולה מ-X2 הדרך (היקף) שעושה הגלגל האחורי הקרוב למרכז הסיבוב.

סיכום: אם אנו רוצים שמכונית תיסע בפניה בצורה מושלמת, תתווה תנועה מעגלית שלמה עבור כל אחד מגלגליה, פירושו של דבר שעל שני הגלגלים להתוות קשתות, או מעגלים שונים – גדולים יותר עבור הגלגלים החיצוניים.
מכיוון שבמהלך סיבוב, הנעשה בפרק זמן שווה עבור כל הגלגלים, עוברים הגלגלים דרך שונה – הדבר גורר מהירויות סיבוב שונות ביניהם (ראו שוב נוסחת המהירות).

מהירותו הסיבובית של הגלגל גדלה ככל שהדרך אותה הוא עובר, בזמן הנתון, גדלה גם היא. מכאן: N2 (מהירותו הסיבובית/סל"ד של הגלגל הרחוק ממרכז הסיבוב, העובר דרך ארוכה) גדולה תמיד מ-N1 (מהירותו הסיבובית/סל"ד של הגלגל הקרוב למרכז הסיבוב, העובר דרך קצרה יותר).

*     *     *

מתוך האמור לעיל מסתבר שטוב היה עושה מנהל הפיתוח של הרכב הממונע הראשון לו תכנן, ייצר ובסופו של תהליך גם החדיר לתוך קרבי הסרן המניע (האחורי) , מנגנון כלשהו שידע לפצות על הצרכים השונים של הגלגלים האחוריים – צרכים המתפתחים כל אימת שמסובבים את ההגה ומשנים את הדרך שעוברים גלגלי הרכב.

איפה בדיוק הבעיה? גלגלי הסרן האחורי קבלו כאמור מומנט ותנועה סיבובית מכיוון המנוע. במידה והתנועה/מומנט הנ"ל היו מועברים לגלגלים האחוריים באמצעות ציר קשיח שני הגלגלים היו מקבלים מהירות סיבובית זהה. מנה זהה. לא טוב. זוכרים? כל אימת שמסובבים את ההגה הגלגלים זקוקים למהירויות סיבוב שונות.
מה עשו? התקינו על הציר המניע דיפרנציאל.

*     *     *

כבר בשנת 1827 הומצאה על ידי צרפתי, אונספיר פקר שמו, ממסרת גלגלי שיניים שקבלה את השם דיפרנציאל. לממסרה שהמציא היו שלושה תפקידים:
לאפשר שינוי כיוון העברת כוח המנוע ב-90 מעלות ועל ידי כך לאפשר לו להגיע לגלגלים;

  1. לאפשר שינוי כיוון העברת כוח המנוע ב-90 מעלות ועל ידי כך לאפשר לו להגיע לגלגלים.
  2. לתפקד בתור ה"מפחית האחרון" – הנקודה האחרונה בשרשרת העברת התנועה המקטינה את מהירותה הסיבובית של הממסרה ומגדילה את המומנט שלה.
  3. התפקיד השלישי, העיקרי, המעניין מכולם – וגם המסובך יותר – הוא זה שנתן לממסרה את שמה -  לאפשר "דיפרנציציה", מהירות סיבוב שונה לגלגלים המניעים – לפצות על הצרכים השונים המתפתחים בין גלגלים אלה בזמן סיבוב – לאפשר לגלגל הקרוב למרכז הסיבוב להסתובב מספר סיבובים קטן יותר מזה הרחוק ממרכז הסיבוב.

 

המצאתו של פקר קבלה חיבוק חם ואוהד בחיקם של הסרנים המניעים. בצדק רב. מה היה קורה אם לא היה מותקן דיפרנציאל בסרן המניע? הרבה דברים רעים.
הסבר: גלגלי הסרן האחורי מוצאים עצמם במצב בו אינם מסוגלים להתוות את הקשתות הנדרשות: גלגל חיצוני, שהיה זקוק למהירות מוגברת על מנת להתוות את הדרך היותר ארוכה אותה הוא מתווה בפניה, לא היה מקבל את המנה הדרושה וכך גם הפנימי – גלגל אחד מקבל פחות מידי השני יותר מידי. מתכון ברור לבעיה.

במקרה הפשוט – שבו גלגל ההגה מופנה במידה זעומה והבדלי הקשתות אינם גדולים גלגלי הסרן האחורי היו משחררים את העומס על הציר המחבר ביניהם באמצעות החלקה קלה של הגלגל הפנימי ו…שחיקת צמיגים מוגברת. במידה וסיבוב ההגה היה משמעותי יותר (עקומה  חדה, סיבוב פרסה הדוק) הגלגלים היו נדרשים לוירטואוזיות רבה על מנת לשרוד את הצרכים השונים שמתפתחים בסיבוב – בעוד שניהם מקבלים מהירות סיבובית זהה מכיוון המנוע – או שהגלגל הפנימי היה נכנס להחלקה מוגברת, או שתנועת פיתול חזקה הייתה מתרחשת על הציריות המניעות תוך סיכוי לנזק מכני בשרשרת העברת הכוח לגלגלים.

אם בענייני החלקה עסקינן להזכירכם: החלקת גלגלים נעולים בסרן אחורי אינה עניין של מה בכך  – גלגלי הסרן האחורי ישאפו במקרה כזה להוביל את חלקו האחורי של הרכב קדימה…. אופס. "היגוי יתר" חריף בסיבוב – מה זה התחת של הרכב עוקף אותי פתאום? מה זה הסבסוב הזה אני בלונה פארק? רע מאוד.


ומה עם הגלגלים הקדמיים אתם שואלים? טוב תודה. הם עושים את מלאכתם נאמנה. "התאמת" מהירות סיבוב הגלגלים הקדמיים לקטרי סיבוב שונים – בכל פעם שנהג הרכב מסובב את ההגה – הנו פשוט בתכלית. אין צורך לעשות שום דבר…
הגלגלים הקדמיים הם מהסוג "המונע" – ללא כוח דחף – אין ציר מניע המחבר ביניהם. ושעל כן – כל אחד מגלגלי הסרן הקדמי נדחף על ידי גלגלי הסרן האחורי ומתאים את מהירותו לתנאי הדרך (כך עד שנת 1942 המסתורית).

 

פרקים נוספים בסדרה


הפרק הבא: עולמם המופלא של הדיפרנציאלים/פרק ב' – בקרביים של הדיפרנציאל

תגיות:  

השאר את תגובתך