Als het werkt: cardan

In dit artikel:

Cardanophangingen worden overal toegepast waar iets op een hellend of bewegend dragend vlak toch horizontaal moet blijven of waar twee assen met een kleine uitlijningsfout gekoppeld moeten worden. De naam verwijst naar Girolamo Cardano, die er in de 16e eeuw als eerste over schreef, maar hij heeft de ophanging niet zelf uitgevonden. Er bestaat een onderscheid tussen statische cardans (bijvoorbeeld in compassen) en dynamische cardanverbindingen die koppel overbrengen tussen draaiende assen.

Bij scheepskompassen en sommige keukentoepassingen zorgt een cardanisch systeem ervoor dat een roos of pan zijn horizontale oriëntatie behoudt; volledige ophanging met vier richtingen heet volcardanisch, een uitvoering met twee draaipunten halfcardanisch. Voor aandrijvingen bestaat de klassieke cardan-as uit een kruisvormig blokje met vier pennen: twee tegenoverliggende pennen worden door de aandrijvende as aangedreven, de andere twee leveren het koppel aan de aangedreven as. Dit maakt een zekere uitlijningsfout en bewegingsvariatie mogelijk zonder dat machines sterke trillingen krijgen.

Eén enkel cardan vangt echter alleen afwijkingen in twee richtingen op en introduceert een intrinsiek nadeel: de aangedreven as loopt niet constant rond. Tijdens elke omwenteling varieert de snelheid — delen van de draai lopen achter, in andere delen wordt ingehaald — en die variatie neemt toe met de hoek tussen de assen. Dat veroorzaakt vibraties in de aangedreven as. Twee cardans in serie kunnen dit grotendeels compenseren, maar alleen onder specifieke voorwaarden: alle drie assen moeten in één vlak liggen, de scharnierhoeken moeten gelijk zijn (parallelle buitenassen) en de binnenste pennen van beide cardans moeten in één vlak liggen. Als die voorwaarden niet haalbaar zijn, blijven snelheidsschommelingen en trillingen over.

Als dergelijke variaties onacceptabel zijn, wordt een homokinetische koppeling toegepast. Dat is een robuustere, ingewikkeldere constructie met een geharde doos en een bolvormig tegenstuk waarin kogels in corresponderende groeven koppel direct overdragen. Daardoor draaien beide assen exact synchroon, ook onder hoek, en verdwijnen de periodieke snelheidsverschillen. Homokinetische gewrichten zijn daarom de standaard in toepassingen waar een constante rotatiesnelheid noodzakelijk is, zoals in moderne wielophangingen en vele aandrijflijnen. Kort gezegd: de cardan is eenvoudig en tolerant, maar introduceert snelheidsschommelingen; de homokinetische koppeling is complexer maar levert een echt constante overbrenging.