הגלגל 1 - סדרת כתבות: מהמצאה עתיקה למערכת ההנדסית הקריטית לשליטה ברכב מודרני

גלגל מודרני נחשק...

הגלגל כמערכת הנדסית

שימוש הידוע הראשון בגלגל לכלי תנועה, היה דווקא צבאי - מרכבות חיילי מצריים העתיקה. הדעה הרווחת בין חוקרי ההיסטוריה היא שהגלגל הומצא במסופוטמיה - עיראק של היום, סביב 3,500 שנה לפני הספירה, ככלי קדרות פשוט.

התפתחותו הגלגל מדיסקה מלאה - כמו באבני רחיים או במרכבות עתיקות מאוד, לגלגל מעוצב עם חישורים – אפשרה את תעשיית כלי הרכב המודרנית החל מהכלי הראשון לתחבורה אופניים דו גלגליים, ועד מכוניות יוקרה ומרוץ בעידן המודרני.

טכנולוגיה מטלורגית ושימוש במתכות שונות אפשרה יעילות ושימושים צבאיים ותעשייתיים. אותו עיקרון בסיסי מלווה אותנו עד היום, אך ברכב המודרני הפך למערכת הנדסית מורכבת ביותר.

בתמונות למעלה מימין - אבן רחיים עתיקה
באמצע - גלגל עתיק שנחשף בחפירה ארכאולוגית בצ'וגהא זנביל (ויקיפדיה).
בתמונה השמאלית - שעון יד, דוגמה טובה למכונה שכמעט כולה גלגלים שונים ומשוננים (ציור בינה מלאכותית).

גלגלי רכב – תכנון, מידות ושיקולים הנדסיים

גלגל הרכב הוא אחד הרכיבים הקריטיים ביותר במערכת הדינמית של הרכב. הוא משפיע ישירות על אחיזה, נוחות, בטיחות, צריכת דלק, יכולת בלימה והתנהגות כביש.

למרות שהוא נראה פשוט ולכאורה נתון לבחירת המשתמש ברכב – מדובר במערכת הנדסית מורכבת המשלבת בין חישוק (ג'אנט), צמיג, לחץ אוויר ודורש התאמה מלאה לאופי הרכב.

גלגל רכב מורכב מחישוק מתכת, וצמיג הבנוי מתרכובת של גומי פלסטיק ופלדה.

גלגל הרכב (חישוק + צמיג). הוא נקודת המגע היחידה עם הקרקע — ולכן הוא המערכת הקריטית ביותר לשליטה ברכב - בהאצה, בבלימה, בפניות.

כמה ביטויים נפוצים, שעוד נעמיק בהם בהמשך סדרת הכתבות (קישור לכל הסדרה):

• “הגלגל הוא המתלה הראשון של הרכב”
• “מה שלא סופג הצמיג — יספוג הרכב”
• “בשטח עובדים עם הגומי — בכביש עם השלדה”

חישוק (ג'אנט בשפה המדוברת) או RIM באנגלית:

עקרון יסוד: תיכנון מידות וצורת החישוק הוא הפשרה בין שלוש דרישות:

• דרישת בלימה >> גודל צלחות הבלימה + בית הבוכנות (קליפרים)
• דרישת אחיזה >> רוחב הצמיג
• דרישת ספיגה/שיכוך/עבירות >> גובה דופן הצמיג

החישוק צריך להתאים לנאבה (HUB) מבחינת מעגל הברגים המצמידים את החישוק לנאבה, וקוטר חור ההתאמה למרכוז החישוק על הנאבה.

החישוק צריך להתאים לרוחב הצמיג, גם מבחינת מיקום ציר משקל הרכב מעל נקודת המגע עם הקרקע (offset).

עקרונות לתכנון החישוק בהתאם לאופי השימוש:

רכב שנועד לנסיעה על כביש /ספורטיבי:
• חישוק עם קוטר גדול → מאפשר בלמים עם כושר בלימה גבוה.
• דופן נמוכה → תגובת היגוי חדה
• פחות עיוות צמיג → שליטה מדויקת

רכב שנועד לנסיעה גם בשטח:
• חישוק קטן → מאפשר דופן גבוהה
• דופן גבוהה → מאפשרת הורדת לחץ
• לחץ נמוך → הגדלת שטח מגע בקרקע, ואפקט של שיכוך זעזועים.

מידות חומר וצורת החישוק

קוטר החישוק

לרוב אנחנו מזהים את החישוק/הג'אנט לפי מידת הקוטר של החישוק שהיא מידה/מספר באינץ' - דהיינו 13, 14, 15, 16 וכך הלאה 20, 30, וגם 40 למשאיות עבודה.

קוטר החישוק הוא רק פרמטר אחד, מתוך 5 פרמטרים המהווים את "תעודת הזהות" של החישוק.
לדוגמא תעודת זהות מלאה של חישוק הכולל את חמשת המידות הבאות:
הפרמטר הראשון (המספר השמאלי ביותר) הוא קוטר החישוק ובדוגמא לעיל 16 אינץ' (שזו מידה מאוד מקובלת לחישוק ברכבי שטח).
8.5 אינץ' - רוחב המיפתח של החישוק בנקודת המגע עם הצמיג.
(הסימן J הוא הסימון הבינלאומי למידה אינץ' / אינטש).
5x114.3 - הוא האפיון של ״מעגל הברגים״ 5 - חמישה ברגים, 114.3 - המרחק במילימטרים בין שני מרכזי חורים מנוגדים על המעגל.
ET 45 - המידה במילימטרים של חריגת שפתי החישוק ממישור הנאבה - נקרא בשפת המקצוע offset.
CB67.1 - הקוטר של הפתח העגול / ״החור״ שבמרכז החישוק שאמור ל״התיישב״ בדיוק על בליטה זהה שיש על הנאבה - לצורך מירכוז מכסימאלי של החישוק על ציר הסיבוב.


קוטר החישוק קובע גם את קוטר שפתי אחיזת הצמיג של החישוק (ראו איור לעיל).
צמיגים וחישוקים, מיוצרים ע"י כל היצרנים השונים, לפי מידות אלו, על מנת להבטיח התאמה של כל חישוק בקוטר 16 אינץ', לכל צמיג שמידת הקוטר הפנימי שלו היא 16 אינץ'. (צמיגים - יוסבר בכתבה בהמשך הסדרה).

קוטר החישוק כאמור נקבע ע"י היצרן, גם על מנת שיוכל להכיל בתוכו, את מערכת הבלמים של כל גלגל, הכוללת: דסקת בלימה ושחרור חום, מערכת בוכנות ורפידות בלימה ה"לופתות את הדסקה (קליפר).

תמונה באמצעות AI

תוספת - הפיזיקה של הבלימה

בהינתן לחץ הידראולי על הבוכנות של הבלמים הן מצמידות את הרפידות לדסקה והחיכוך שנוצר בין הדסקה לרפידות, עוצר את סיבוב הדסקה ואיתה את הגלגל, החיכוך בין הצמיג למשטח הנסיעה, יוצר כוח המתנגד לתנע של הרכב ויוצר תאוטה של הרכב עד לעצירה מוחלטת כך שהתאמת קוטר החישוק לקוטר צלחות הבלימה היא אחד השיקולים ההנדסיים המרכזיים בתכנון רכב.

כאשר רכב בתנועה, הוא צובר אנרגיה קינטית לפי הנוסחה E = ½mv² - האנרגיה שווה למחצית המסה שלו מוכפל בריבוע המהירות. המשמעות המיידית מכך היא שככל שמהירותו של רכב גדלה, האנרגיה הצבורה בו עולה בריבוע המהירות.

בלימת רכב נעשית ע"י הפעלת כוח מתנגד לסיבוב הגלגלים ככל שנדרש עד השגת מהירות סיבוב אפס, דהיינו עצירה מוחלטת.

השיטה בה יוצרים את הכוח הזה שמתנגד לסיבוב הגלגל, היא באמצעות חיבור לגלגל דסקה (דיסק / צלחת בלימה), אשר מסתובבת יחד עם הגלגל, וכאשר משהו יגרום לה להאט את סיבובה, או להיעצר לחלוטין, היא תגרור את הגלגל לאותה עצירת סיבובו. עצירת סיבוב הגלגל גורמת לסוליית הצמיג, אשר במגע עם משטח הנסיעה, להתחכך במשטח עליו הוא התגלגל בנסיעה. ולייצר כוח אשר עוצר את הרכב. גם הכוח שעוצר את הדסקה מלהסתובב (ובעקבותיה הגלגל), הוא כוח שנוצר ע"י החיכוך בין משטח הדסקה המסתובב לבין רפידות מחומר מיוחד, שנצמדות לדסקה בכוח רב, ועקב כוח החיכוך, מאיטות את סיבובה עד עצירה מוחלטת. כוח החיכוך נוצר לפי הנוסחה הבאה: F = μN כאשר הסימן μ מציין את מקדם החיכוך שבין הרפידות לדסקה והסימן N הוא הכוח בו לוחצות הבוכנות של הבלם (בוכנות הקליפר) את הרפידות אל הדסקה.

הכוח בו עוצרת הדסקה את ציר הגלגל והגלגל מלהסתובב הוא מומנט שנוצר ממכפלת כוח החיכוך במרחק מהציר בוא יושבות הרפידות, דהיינו קוטר הדסקה. ככל שהדסקה גדולה יותר, כך המומנט לעצירת ציר הסיבוב של הגלגל הוא גדול יותר! כלומר המנגנון של הבלמים פועל כמנוף (בדומה לכוח שאתם משיגים ברצונכם לפתוח בורג של גלגל בעזרת זרוע ארוכה).
הנוסחה המלאה היא כמובן T = F × r כאשר כוח העצירה T שווה לכוח החיכוך F כפול חצי קוטר (רדיוס), הדסקה r.

ולכן הגדלת רדיוס הדסקה, מגדילה את מומנט הבלימה. ללא הגדלת כוח הלחיצה.

דוגמא לבלמי רכב

מימין - מערכת בלימה של קליפר אחד ושתי בוכנות
משמאל - מערכת בלימה עם שני קליפרים וארבע בוכנות

ולסיכום : החישוק צריך להיות בקוטר המכיל את מערכת הבלימה שנדרשת לרכב.
כלומר בהיררכיה של תכנון הרכב, הבלמים - שנגזרים מהביצועים הדינמיים, הם שקובעים את גודל הגלגלים ומפערי בית הגלגל ב"כנפיים" של מרכב הרכב

בלימה על משטח רטוב
צילם רונן טופלברג באירוע צמיגי קונטיננטל בהדרכת צוות אתר השטח (קישור)

קישורים נוספים לכתבות על צמיגים:

צמיגים לכביש או לשטח - מה יש?

המדריך למפונצ'ר - מילון המונחים למי שעומד בפני החלפת צמיגים

פיצוץ בצמיג - העלאת צמיג על הג'נט באמצעות בנזין

בחירת צמיגים לג'יפונים

טיפ שטח: הורדת אוויר בצמיגים בירידה לשטח

ארבעת כתבות בסדרת - הגלגל:

הגלגל 1 - מהמצאה עתיקה למערכת ההנדסית הקריטית לשליטה ברכב מודרני
הגלגל 2 - השפעת גודל מערכת הבלימה על קוטר הגלגל
הגלגל 3 - תעודת הזהות של החישוק
הגלגל 4 - מבנה ומידות הצמיגים