איך זה עובד: התמסורת של הקטנוע
בין המשיכה של מצערת הקטנוע לתנועת הגלגל בפועל ישנה מערכת מעניינת וחכמה. בסופו של דבר, בלעדיה הפיצה לא תגיע אלינו לעולם
ההקדמה בשבוע שעבר הציגה מספר עקרונות ומנגנונים בסיסיים שנועדו לסייע לנו בהבנת הווריאטור. כעת הגיע הזמן לדבר על הווריאטור עצמו, מנגנון התמסורת המרתק של הקטנועים. לצורך כתיבת הכתבה נעזרתי בהסבר המקיף באתר Fullgaz – מומלץ בחום.
עוד איך זה עובד ב-ynet מדע:
כשאנחנו מדברים על כלי רכב, תמסורת היא אוסף הצירים, גלגלי השיניים ושאר המרכיבים, שמתרגם את תנועת הסיבוב של ציר המנוע לסיבוב של הגלגלים שנוגעים באדמה. במכוניות, חלק מהפונקציה של התמסורת הוא פיצול הכוח – ממנוע אחד לשני גלגלים או לארבעה (ברכבי שטח). לעומת זאת באופנועים וקטנועים, שבהם יש רק אופן אחד שמסתובב בכוח המנוע, תפקיד התמסורת הוא בעיקר לקבוע את יחס ההעברה – כמה סיבובים של ציר המנוע נדרשים כדי לסובב את האופן פעם אחת. יחסי העברה שונים הם מה שמכונה "הילוכים", והם מאפשרים לנו לתת לאופן כוח על חשבון המהירות (למשל כדי להתחיל בנסיעה, או לעלות בעליה תלולה) או מהירות על חשבון כוח. יש סוגים רבים של תמסורות, והווריאטור היא הסוג שמוצאים בדרך כלל בקטנועים.
השאלה הראשונה היא, כמובן, למה דווקא קטנועים. מדוע מערכת התמסורת הזו שכיחה בהם ולא בכלי רכב אחרים? התשובה כפולה: היא דווקא קיימת בכלי רכב אחרים, אך היא נפוצה במיוחד בקטנועים, מכיוון שהמנוע שלהם נוטה לפעול באופן יעיל רק בטווח צר מאד של סיבובים לדקה. במילים אחרות, הוא יסתובב רוב הזמן במהירות קבועה, וכדי לממש את עניין ההילוכים נצטרך טווח רחב מאד של יחסי העברה. זה בדיוק מה שהווריאטור מספק.
לווריאטור שני חלקים מסתובבים עיקריים: קדמי, שמחובר לציר המנוע, ואחורי שמחובר לציר של האופן האחורי. בין שני החלקים מחברת רצועה, שגורמת לאחורי להסתובב כאשר הקדמי מסתובב, בדומה קצת לשרשרת של אופניים. נתחיל בתיאור של החלק הקדמי.
דמיינו ציר שעליו מושחלים שני חרוטים, חוד מול חוד. החרוטים האלה יכולים להתרחק או להתקרב זה אל זה. ביניהם מושחלת על הציר גם גומיה עבה. כל עוד החרוטים רחוקים זה מזה, הגומיה יכולה להיצמד לציר ולהסתובב ביחד איתו, אבל מה קורה כשהם מתחילים להתקרב האחד לשני? בשלב מסוים הם מתחילים ללחוץ מהצדדים על הגומיה, ובגלל השיפוע שלהם, הלחץ גדול יותר באזור שקרוב לציר. לכן, הגומיה "תטפס" עוד ועוד במעלה החרוטים, כמו בשרטוט הבא. כמובן, גם ההיפך נכון: אם החרוטים יתרחקו בחזרה, הגומיה תחליק שוב כלפי הציר.
למעשה, ככל שהחרוטים קרובים יותר, כך הגומיה מסתובבת כביכול על עיגול גדול יותר. משמעות הדבר היא שאם הגומיה הזו מניעה, בצד השני שאינו מוצג באיור, גלגל בגודל קבוע, יחס ההעברה ישתנה בהתאם למרחק בין החרוטים: ככל שהם יהיו רחוקים יותר זה מזה (עד לרוחב הגומיה עצמה), כך יידרשו יותר סיבובים של הציר המניע כדי לסובב את הגלגל המונע. עם זאת, יש פה בעיה: בהנחה שהגלגל המונע אכן קבוע על ציר מרוחק, התקרבות החרוטים תגרום למתיחת-יתר של הגומיה, והתרחקותם תגרום להתרופפותה. היעילות תיפגע, וזה בטח לא יוסיף בריאות למנוע ולמנגנון. מה עושים?
כדי לשמור על רמת מתיחה קבועה, פחות או יותר, של הגומיה, נלביש את הצד השני שלה על מערך דומה של שני חרוטים על ציר. ההבדל הוא ששם, במערך האחורי, יהיה קפיץ שידחף את החרוטים זה כלפי זה, כך ש"ברירת המחדל" שלהם תהיה הצמדה. כאשר החרוטים המניעים הקדמיים מרוחקים והגומיה כרוכה על החלק הצר ביותר, החרוטים האחוריים צמודים בכוח הקפיץ והגומיה מונחת שם על החלק בעל הקוטר הגדול ביותר. ככל שהחרוטים הקדמיים מתקרבים זה לזה הם גורמים למתיחה של הגומיה, אשר דוחקת את החרוטים האחוריים לצדדים ועוברת שם לחלק בעל קוטר קטן יותר. יחס ההעברה משתנה אך מתח הגומיה נשאר זהה.
בעצם, קיבלנו כאן "תיבת הילוכים רציפה", שנותנת לנו מקסימום כוח כברירת מחדל, וככל שנלחץ על החרוטים הקדמיים, כך נקבל יותר מהירות על חשבון הכוח. עם זאת, זו עדיין לא תיבת הילוכים אוטומטית, כי מי מבצע את הלחיצה בפועל? כדי לגלות את התשובה, נעבור לצד השני של אחד החרוטים הקדמיים:
החרוט הזה, שמוצג באיור באדום, נייד ומסוגל לנוע ימינה ושמאלה על הציר. החרוט שמולו (שאינו מוצג באיור) נייח, והמתח הרגיל של הגומיה – אפשר כבר לעבור למונח המדויק יותר, רצועה, נכון? – מבטיח שבזמן מנוחה, החרוט הנייד יידחק הכי שמאלה שאפשר. מהצד השמאלי שלו יש מעין דיסקית נייחת (באפור) שמחוברת לציר. בין הדיסקית הזו לבין צד החיצוני של החרוט נמצאות משקולות גליליות צרות (בכחול) שנקראות בשם ההגיוני "רולים". השיפועים של החרוט ושל הדיסקית גורמים למשקולות האלה להידחק לכיוון הציר, אך ככל שהמנוע מסובב את הציר מהר יותר, כך הכוח הצנטריפוגלי (מדומה או אמיתי, מה זה משנה כרגע) גורם למשקולות האלה "לברוח" מהציר והלאה, והן לוחצות על החרוט הנייד ודוחפות אותו לכיוון החרוט הנייח.
המשקולות הן שהופכות את תיבת ההילוכים הרציפה לאוטומטית: ככל שהמנוע מסתובב מהר יותר, הרולים גורמים לחרוטים הקדמיים להתקרב זה לזה, הרצועה עוברת לקוטר גדול יותר בחלק הקדמי (ולקטן יותר באחורי) ויחס ההעברה משתנה לטובת המהירות. האטה של מהירות הסיבוב מחלישה את הלחץ שהרולים מפעילים, החרוטים הקדמיים מתרחקים זה מזה, האחוריים מתקרבים זה לזה ויותר כוח עובר לגלגל. הכוונון המדויק של שיפועי החרוטים, משקל הרולים ושאר הפרמטרים מבטיח שהמנוע יוכל לעבוד רוב הזמן בטווח היעילות המיטבית שלו, בלי קשר למהירות הקטנוע בפועל.
כמובן, יש פרק זמן שבו המנוע בהגדרה לא יכול לפעול בטווח היעילות המיטבית: פרק הזמן שבין ההתנעה לבין ההגעה לטווח הנ"ל. מה שגרוע עוד יותר, בפרק זמן זה הקטנוע עומד במקום, והוא חייב הרבה כוח כדי להתחיל בנסיעה. אם ננסה להתחיל בנסיעה באמצעות המנגנון שתואר עד כה, החיכוך הרב והחולשה של המנוע בזמן ההתנעה יגרמו לכל העסק להיתקע. צריך משהו שיניח למנוע להגיע למהירות סיבוב סבירה לפני שהוא יידרש לסובב את הגלגל בפועל – והמשהו הזה הוא מצמד שנמצא לצד אחד החרוטים האחוריים.
(איור: עידו גנדל)
המצמד הזה עובד על אותו עיקרון כמו הסביבונים המאירים או המעצור של חגורות הבטיחות שהזכרתי בשבוע שעבר. לציר המרכזי של החרוטים האחוריים מחוברות רפידות, שיכולות להתקרב לציר או להתרחק ממנו. קפיצים מחזיקים אותן קרובות לציר, עד שמהירות הסיבוב של הציר והכוח ("כוח") הצנטריפוגלי מתגברים על הקפיצים ודוחפים אותן כלפי חוץ. הן מתרחקות ומתרחקות, עד שהן נוגעות בצד הפנימי של גליל שמקיף אותן. גליל זה מחובר לציר הגלגל של הקטנוע , והחיכוך המתגבר עם הרפידות גורם לגלגל להתחיל להסתובב. כל עוד הרפידות אינן נוגעות בגליל, החרוטים מסתובבים למעשה "על ריק" והמנוע לא צריך לעבוד קשה. הוא יכול להגיע בלי הפרעה לטווח הסל"ד היעיל שלו, ורק אז המצמד ייכנס לפעולה ויתחיל לנצל את הכוח להנעת כלי הרכב.
הנה סרטון שמדגים את פעולת הווריאטור. מי שלא רוצה את ההסבר הטכני (באנגלית) מוזמן לעבור ישירות לאקשן ב-1:09
אז בפעם הבאה שאתם מזמינים פיצה או משלוח אחר, אל תשכחו להגיד תודה לגיאומטריה של החרוט ולכוחות הפיזיקליים שפועלים במערכות מסתובבות!
