شفت کاردان چیست؟

شفت کاردان (Cardan Shaft)، که گاهی به نام شفت گاردان یا شفت انتقال نیز شناخته می‌شود، یکی از اجزای سیستم‌های مکانیکی به‌ویژه در صنعت خودروسازی و ماشین‌آلات سنگین است. این قطعه برای انتقال گشتاور و حرکت چرخشی بین دو نقطه که در یک راستا قرار ندارند، طراحی شده است. اهمیت شفت کاردان در سیستم‌هایی که نیاز به انعطاف‌پذیری در انتقال نیرو دارند، غیرقابل انکار است.

سازنده اولیه شفت کاردان

شفت کاردان ریشه در اختراع جرولامو کاردانو (Gerolamo Cardano)، ریاضیدان و مهندس ایتالیایی قرن شانزدهم، دارد. او در سال 1545 ایده‌ای را مطرح کرد که بعدها به‌عنوان پایه‌ای برای طراحی مفصل کاردان (Cardan Joint) شناخته شد. هرچند کاردانو خود این مکانیزم را به‌طور کامل پیاده‌سازی نکرد، اما مفهوم انتقال حرکت چرخشی بین دو محور غیرهم‌راستا را معرفی نمود. این ایده بعدها توسط رابرت هوک (Robert Hooke) در قرن هفدهم توسعه یافت و به “مفصل هوک” (Hooke’s Joint) شهرت پیدا کرد، که اساس کار شفت کاردان امروزی است.

شفت کاردان در قرن نوزدهم و با ظهور انقلاب صنعتی به‌عنوان یک راه‌حل عملی برای انتقال نیرو در ماشین‌آلات مورد استفاده قرار گرفت. با پیشرفت صنعت خودروسازی در قرن بیستم، این قطعه به یکی از اجزای اصلی خودروهای دیفرانسیل‌عقب تبدیل شد. امروزه، شفت کاردان نه‌تنها در خودروها، بلکه در صنایع مختلفی از جمله کشتی‌سازی، راه‌آهن و حتی هوافضا کاربرد دارد.

اصول طراحی شفت کاردان

شفت کاردان از سه بخش اصلی تشکیل شده است: مفصل‌های کاردان (Universal Joints)، لوله انتقال (Shaft Tube) و یاتاقان‌ها (Bearings). طراحی این قطعه باید به‌گونه‌ای باشد که بتواند گشتاور بالا را منتقل کند، در برابر لرزش مقاوم باشد و زاویه‌های مختلف بین محورها را تحمل کند.

مفصل کاردان

مفصل کاردان، که گاهی به نام مفصل متقاطع (Cross Joint) نیز شناخته می‌شود، امکان چرخش در دو محور را فراهم می‌کند. این مفصل از یک صلیب فلزی (Cross) و چهار یاتاقان سوزنی (Needle Bearings) تشکیل شده است. طراحی مفصل کاردان باید به‌گونه‌ای باشد که حداقل اصطکاک و حداکثر دوام را تضمین کند. زاویه کاری بهینه این مفصل معمولاً بین 0 تا 30 درجه است، هرچند در شرایط خاص تا 45 درجه نیز قابل استفاده است.

لوله انتقال

لوله انتقال، بخش میانی شفت کاردان است که گشتاور را از یک مفصل به مفصل دیگر منتقل می‌کند. این لوله معمولاً از فولاد یا آلومینیوم ساخته می‌شود تا هم سبک باشد و هم مقاومت بالایی در برابر تنش‌های پیچشی داشته باشد. طول و قطر لوله باید با توجه به میزان گشتاور و سرعت چرخش محاسبه شود تا از پدیده رزونانس (Resonance) جلوگیری شود.

یاتاقان‌ها

یاتاقان‌های سوزنی در مفصل کاردان نقش حیاتی در کاهش اصطکاک و افزایش عمر مفید شفت دارند. این یاتاقان‌ها باید به‌طور منظم روغن‌کاری شوند تا از سایش و خرابی زودرس جلوگیری شود.

نحوه کار شفت کاردان

شفت کاردان با استفاده از مفصل‌های کاردان، حرکت چرخشی را از یک محور به محور دیگر منتقل می‌کند، حتی اگر این دو محور در زوایای مختلفی قرار داشته باشند. این عملکرد به‌ویژه در خودروهایی با سیستم دیفرانسیل‌عقب یا چهارچرخ متحرک (4WD) حیاتی است. به‌عنوان مثال، در یک کامیون، شفت کاردان گشتاور را از جعبه‌دنده (Gearbox) به دیفرانسیل (Differential) منتقل می‌کند، در حالی که محورهای جلو و عقب به دلیل سیستم تعلیق در زوایای متفاوتی قرار دارند.

یکی از ویژگی‌های جالب شفت کاردان، نوسان سرعت (Speed Fluctuation) است که به دلیل طراحی مفصل کاردان رخ می‌دهد. هنگامی که زاویه بین دو محور افزایش می‌یابد، سرعت خروجی شفت به‌صورت متناوب تغییر می‌کند. برای رفع این مشکل، معمولاً از دو مفصل کاردان در دو انتهای شفت استفاده می‌شود که به‌صورت متقارن قرار می‌گیرند تا این نوسانات خنثی شوند.

انواع شفت کاردان

شفت‌های کاردان بر اساس کاربرد و طراحی به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند:

1. شفت کاردان تک‌مفصلی (Single Cardan Shaft)

این نوع شفت تنها از یک مفصل کاردان استفاده می‌کند و برای کاربردهایی با زوایای کم مناسب است. به دلیل سادگی و هزینه پایین، در ماشین‌آلات کوچک و برخی خودروهای سبک استفاده می‌شود.

2. شفت کاردان دو مفصلی (Double Cardan Shaft)

شفت دو مفصلی، که به نام شفت CV (Constant Velocity) نیز شناخته می‌شود، از دو مفصل کاردان تشکیل شده و نوسانات سرعت را به حداقل می‌رساند. این نوع شفت در خودروهای سنگین و سیستم‌های پیچیده‌تر کاربرد دارد.

3. شفت کاردان تلسکوپی (Telescopic Cardan Shaft)

این نوع شفت قابلیت تغییر طول دارد و در سیستم‌هایی که فاصله بین محورها متغیر است، مانند کامیون‌های باری، استفاده می‌شود.

کاربردها در صنایع مختلف

شفت کاردان به دلیل انعطاف‌پذیری و توانایی انتقال گشتاور در زوایای مختلف، در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد. در خودروهای دیفرانسیل‌عقب و چهارچرخ متحرک، شفت کاردان نقش اصلی را در انتقال نیرو از موتور به چرخ‌ها ایفا می‌کند. طراحی شفت کاردان در این خودروها باید به‌گونه‌ای باشد که لرزش و صدا را به حداقل برساند. در کارخانه‌ها، شفت کاردان برای اتصال موتورها به تجهیزات دوار مانند پمپ‌ها و کمپرسورها استفاده می‌شود. این شفت‌ها باید در برابر گشتاور بالا و شرایط سخت محیطی مقاوم باشند.

در کشتی‌ها و هواپیماها، شفت کاردان برای انتقال نیرو در سیستم‌های پیچیده‌ای که نیاز به انعطاف‌پذیری دارند، به کار می‌رود. به عنوان مثال، در هلیکوپترها، این شفت برای اتصال موتور به پره‌ها استفاده می‌شود.

مشکلات شفت کاردان

با وجود مزایای فراوان، شفت کاردان با چالش‌هایی نیز مواجه است. یکی از مشکلات اصلی شفت کاردان، تولید لرزش و صدا در زوایای بالا است. این مشکل به دلیل نوسانات سرعت رخ می‌دهد و در صورت عدم تعادل شفت (Imbalance) تشدید می‌شود. مفصل‌های کاردان و یاتاقان‌ها نیاز به روغن‌کاری منظم دارند. عدم توجه به این موضوع می‌تواند منجر به سایش و خرابی زودهنگام شود. شفت کاردان در زوایای بیش از 45 درجه عملکرد مطلوبی ندارد و ممکن است دچار تنش‌های بیش از حد شود.

منبع: ابرار صنعتی