Καρδανικός σύνδεσμος (U-joint)

Ο καρδανικός σύνδεσμος, γνωστός διεθνώς ως universal joint ή απλώς U-joint και στα ελληνικά συνεργεία ως «σταυρός», είναι μηχανικός σύνδεσμος που μεταδίδει την περιστροφική κίνηση μεταξύ δύο αξόνων των οποίων οι γεωμετρικοί άξονες συναντώνται υπό γωνία. Επιτρέπει στη μετάδοση της κίνησης να συνεχίζεται «στρίβοντας» μέσα στο σύστημα μετάδοσης, παρακολουθώντας τις μεταβολές αυτής της γωνίας καθώς τα εξαρτήματα μετακινούνται. Η κλασική μορφή του, ο σύνδεσμος Cardan ή σύνδεσμος του Hooke, αποτελείται από δύο διχάλες τοποθετημένες σε ορθή γωνία μεταξύ τους και συνδεδεμένες με ένα κεντρικό σταυροειδές εξάρτημα, τον σταυρό, του οποίου οι τέσσερις βραχίονες εδράζονται σε βελονοειδή ρουλεμάν.

Στη λειτουργία, η μία διχάλα είναι στερεωμένη στον άξονα εισόδου και η άλλη στον άξονα εξόδου, με τον σταυρό να τις γεφυρώνει. Καθώς η είσοδος περιστρέφεται, ο σταυρός ταλαντεύεται μέσα στα ρουλεμάν του, επιτρέποντας στον άξονα εξόδου να ακολουθεί, παρότι δείχνει προς ελαφρώς διαφορετική κατεύθυνση. Η πιο οικεία εφαρμογή βρίσκεται στα άκρα του κεντρικού άξονα μετάδοσης ενός οχήματος, όπου ο σύνδεσμος επιτρέπει στην έξοδο του κιβωτίου ταχυτήτων και στον πίσω άξονα να βρίσκονται σε διαφορετικό ύψος και υπό διαφορετική γωνία, και να μετακινούνται μεταξύ τους καθώς η ανάρτηση δουλεύει στις ανωμαλίες του δρόμου.

Το χαρακτηριστικό που ορίζει τον σύνδεσμο, και ταυτόχρονα το βασικό του μειονέκτημα, είναι ότι δεν μεταδίδει την περιστροφή με απολύτως σταθερή ταχύτητα όταν εργάζεται υπό γωνία. Μέσα σε κάθε περιστροφή, ο άξονας εξόδου επιταχύνει και επιβραδύνει δύο φορές σε σχέση με την είσοδο — μια διακύμανση που γίνεται εντονότερη όσο μεγαλώνει η γωνία λειτουργίας. Αυτή η ανομοιόμορφη κίνηση προκαλεί στρεπτικούς κραδασμούς, που μπορεί να γίνουν αισθητοί και ακουστοί, και επιβάλλει κυκλική καταπόνηση στο σύστημα μετάδοσης.

Οι μηχανικοί το αντιμετωπίζουν με γνωστή λύση: τοποθετούν δύο καρδανικούς συνδέσμους στον άξονα μετάδοσης και ευθυγραμμίζουν τις διχάλες τους σε φάση, με ίσες γωνίες λειτουργίας σε κάθε άκρο, ώστε η επιτάχυνση του πρώτου συνδέσμου να ακυρώνεται από την επιβράδυνση του δεύτερου και οι τροχοί να περιστρέφονται με σταθερή ταχύτητα. Γι' αυτό ένας τυπικός άξονας μετάδοσης πισωκίνητου αυτοκινήτου φέρει από έναν σύνδεσμο σε κάθε άκρο. Όπου απαιτείται ομαλή μετάδοση μέσα από μεγάλες και διαρκώς μεταβαλλόμενες γωνίες, ιδίως στους εμπρός κινητήριους τροχούς ενός αυτοκινήτου που επιπλέον στρίβουν, χρησιμοποιείται αντ' αυτού ο σύνδεσμος σταθερής ταχύτητας (CV), καθώς μεταδίδει τη ροπή με ομοιόμορφη ταχύτητα ανεξαρτήτως γωνίας.

Οι καρδανικοί σύνδεσμοι είναι απλοί, στιβαροί και ικανοί να διαχειριστούν υψηλή ροπή, γι' αυτό παραμένουν ευρέως διαδεδομένοι σε άξονες μετάδοσης και ημιαξόνια φορτηγών και πισωκίνητων αυτοκινήτων. Χρειάζονται όμως φροντίδα: πολλοί διαθέτουν γρασαδόρους που απαιτούν περιοδική λίπανση, ενώ τα φθαρμένα βελονοειδή ρουλεμάν προδίδονται από έναν ξερό, μεταλλικό χτύπο τη στιγμή που το όχημα παίρνει κίνηση ή από κραδασμό που επιδεινώνεται με την ταχύτητα. Ο καρδανικός σύνδεσμος συνεργάζεται με τον άξονα μετάδοσης που συνδέει, με το διαφορικό που τροφοδοτεί και με τον σύνδεσμο σταθερής ταχύτητας που τον συμπληρώνει στους τροχούς.