שינוי כיוון תוך כדי תנועה, היווה מאז ומעולם (וגם לפני כן) בעיה לא פשוטה לכל גוף המתקדם במהירות. כאשר גוף מתקדם בתווך כלשהו, אויר או מים, נוצרת התמדה לכיוון התנועה. התמדה זו, מומנטום בלעז, תלויה במסת הגוף ובמהירותו. ככל שהיא גדולה יותר, קשה יותר לגוף לשנות את מצבו שכן הוא שואף להתמיד בכיוון התנועה. החיה היבשתית המהירה ביותר, הברדלס, רודפת אחרי טרפה במהירות של כ-120 קמ^ש. שינוי מהירות במצב כזה, המחויב עקב תמרוני ההתחמקות של הטרף, הנו משימה קשה ביותר. על כן מצויד הצייד הזה בזנב מפואר ורב משקל, המסייע בידו לשנות את כיוון מיאוצו באמצעות העברת משקל. גופים אווירודינמיים או הידרודינמיים, מטוסים וציפורים, דגים ואניות כאחד, משתמשים במהירות דווקא כגורם המסייע לפנייה. כמו בג'ודו, בו המתאבק משתמש בכוחו של היריב על מנת להפילו, כך גם באוויר ובמים - משטחי היגוי משמשים כמפרש בו פוגע זרם האוויר/מים. הכוח שנוצר ביחס למרכז הכובד של הגוף מתורגם להפנייתו לכיוון הרצוי. אלא שבנסיעה על כביש הדברים אינם כה פשוטים: דווקא במהירויות נמוכות, בהן אין כמעט זרימת אויר, נדרש הרכב לבצע פניות הדוקות במיוחד, כמו בחניה או בתמרון פרסה. מסתמא, שיטת ההיגוי המבוססת על האווירודינמיקה אינה ישימה למכוניות. למען האמת, היא מעולם לא נשקלה ברצינות, הואיל והמכונית הקדימה את המטוס, גם אם פיגרה באלפי שנים אחרי האניות, בהן ההיגוי מבוסס על אותה שיטה.
דינמיקה סיבובית
סיבוב הרכב הוא פעולה דינמית מורכבת ביותר. למרות שעל פניו נראה ההיגוי פשוט, כל שינוי כיוון משלב כוחות רבים ומחייב לקיחה בחשבון של מקדמים שונים. לדוגמא: כפי ששנינו בסדרת הכתבות על המתלים (
ראשונה,
שנייה,
שלישית,
רביעית), בעת פנייה מופעל כוח השואף לגלגל את הרכב כלפי חוץ. כתוצאה מזה, הגלגל הראשון הנכנע לכוח ומתרומם לאוויר הוא הגלגל הפנימי-אחורי, כאשר הבא בתור הוא הפנימי-קדמי. התרוממות גלגל זה מנתקת את מגעו מהכביש והופכת את היגויו לחסר תועלת. נכון, אמנם, שהתרוממות הגלגל הקדמי מבשרת התהפכות קרובה, אף כי לא תמיד, אך על מנת לשמור את המגע עם הקרקע, מערכת המתלים צריכה למנוע מצב זה. גם בבלימה על שני משטחים שאינם שווי חיכוך (פס שמן באזור החלק הימני של הנתיב, למשל) עלול להיווצר מצב של סבסוב בלתי רצוי: הגלגל האוחז במשטח בעל החיכוך הגבוה יותר, יוצר כוח מסבסב לכיוונו. תיקון הסבסוב אינו פשוט, שכן הגלגל השני נמצא בהחלקה. החלקה היא המצב הגרוע ביותר להיגוי, שכן אין כל אחיזה המאפשרת הפניית הגלגל. מסיבה זו הומצאו מערכות ה- ABS, עליהן נדון באחת הכתבות הבאות.
כאשר הרכב נכנס לפנייה, מופעלים כוחות נוספים הנובעים מאופן הצבת הגלגלים ביחס לכביש, כוחות הגורמים להיגוי יתר או תת היגוי. על אף שעקרונות אלה נסקרו כבר
בכתבה קודמת, מן הראוי להזכירם גם כאן: היגוי יתר הוא נטיית הרכב להקטין את רדיוס הפנייה, על-ידי תנועת החלק האחורי כלפי חוץ. תכונה זו מסייעת לרכב הנהוג בידי נהג מיומן לצאת מהפנייה כאשר הוא כבר מיושר לקראת המשך הכביש, בעוד שבידי נהג בלתי מיומן, הרכב עלול להסתחרר סביב עצמו ולצאת משליטה. תת ההיגוי, לעומתו, הוא נטיית הרכב להגדיל את רדיוס הפנייה, כאילו הרכב מסרב לפנות. במכוניות נוסעים רגילות, התכנון מנסה להגיע כמה שניתן למצב ניטראלי, על מנת לא להעמיד את הנהג בפני דילמות שנהג רגיל אינו מנוסה בהן. למערכת ההיגוי, ביחד עם המתלים ומערכת הבלמים, חלק חשוב בכך.
מעגל החיים
הפניית הרכב לכיוון הרצוי טומנת בחובה קושי נוסף, מעבר לשינוי בכיוון התנועה. הקושי נובע מכך שכל גלגל ברכב מבצע קשת שונה: הגלגל הפנימי מבצע דרך קצרה יותר מהחיצוני, והשוני באורך הקשת יגרום להחלקת הרכב החוצה מהפניה, כלומר - יגרום להיגוי יתר. על מנת להימנע מכך, קם מוציא לאור(!) בריטי בשם רודולף אקרמן, והמציא את המנגנון המאפשר לגלגלים לפנות בזוית שונה בעת הפנייתם. המנגנון הומצא עבור כרכרות באמצע המאה ה-19, ועם המצאת המכונית אומץ לשימושה. הזווית הנוצרת בין הגלגלים בעת הפנייתם מכונה זווית אקרמן, והיא גדלה עם הגדלת ההפניה. ערכים אופייניים לזווית זו נעים בין 2 ל-5 מעלות. הזווית נמדדת בין האנכים לגלגלים, כאשר הגלגל הפנימי פונה באופן חד יותר.
המבנה המאפשר את הפניית הגלגלים בזויות שונות הוא לב העניין. באופן עקרוני, מערכת ההיגוי בנויה בצורת מקבילית או טרפז. מכניזם כזה קרוי ^מכניזם ארבעה מוטות^ והוא מאפשר העברת תנועה מצד לצד, כאשר הגיאומטריה קובעת את זוויות ההפניה והקשר ביניהן. התכנון הגיאומטרי של הזרועות המפעילות את ההיגוי גורם לכך שכאשר המוט נדחף, כלומר כשהגלגל הוא חיצוני לפנייה, התזוזה שלו מוגבלת יותר מאשר כשהוא נמשך, כאשר הוא הגלגל הפנימי.
היחס בין מספר סיבובי ההגה לבין זווית הפניית הגלגלים נקרא יחס ההעברה. יחס זה מתאר כמה מעלות יש לסובב את ההגה, על-מנת שהגלגלים יסתובבו בזווית מוגדרת. לדוגמא, אם בסיבוב ההגה 360 מעלות הגלגלים פונים בזוית של 30 מעלות, יחס ההעברה של ההגה הוא 12:1. בכלי רכב כבדים, כמו אוטובוסים ומשאיות (ונתעלם לרגע מהגה הכוח, שכן העיקרון של יחס ההעברה יפה לכל מנגנון), יחס ההעברה הוא גדול: יש לסובב את ההגה הרבה על מנת לקבל הפניית גלגלים קטנה, יחסית. לעומת זאת, במכוניות ספורטיביות, ובוודאי במכוניות מירוץ, יחס ההעברה הוא קטן, על מנת לקבל תגובה מהירה. במכוניות פורמולה 1, היחס הוא קרוב ל-1:1 - אין מצב שנהג פורמולה 1 נאלץ לסובב את ההגה יותר מ-90 מעלות מהמצב הישר, על מנת לשמור את ידיו כל הזמן במקום אחד ולאפשר תגובה מהירה של ההגה במהירויות הגבוהות.
שמורת המסרק
מנגנוני ההפעלה של ההגה מתחלקים לשני סוגים עיקריים: הגה כוח והגה עם הרבה כוח. הסוג הראשון, שהוא המתקדם יותר וממשיך להתפתח, יידון בכתבה הבאה. ההגה הפשוט יותר, שכיום לא ניתן למוצאו במכוניות הנרכשות בארץ, הוא הגה ללא תגבור. בשיטת היגוי זה, החיבורים וההפעלה מכניים לחלוטין, ומתבססים בעיקר על עיקרון הגלגל והמסרק.
על-מנת להבין את אופן פעולת הגלגל והמסרק, נסקור תחילה את המבנה הסכמתי של מערכת ההגה: גלגל ההגה מחובר דרך מוט לתיבת ההגה, בה מומרת התנועה הסיבובית של ההגה לתנועה קווית, המחויבת על מנת לסובב את הגלגלים. תיבת ההגה מהווה חלק ממוט רוחבי, אליו מחוברים בקצוות שני מוטות קישור. מוט זה מהווה את הבסיס של המקבילית. מוטות הקישור ניתנים לכוונון באמצעות תבריג ומחוברים לזרועות היגוי, המהוות את שוקי המקבילית. זרועות אלה מחוברות לכּוֹש הגלגל (כן - יש מילה כזו....), שהוא בעצם טבור הגלגל, דרך זרוע נוספת ומפנות אותו. הבסיס השני של המקבילית הוא גוף המכונית, או מוטות רוחב המהווים חלק מהמתלה (
ראו כתבה קודמת).
תיבת ההגה מכילה את המסרק והגלגל (פיניון, בלעז). הגלגל הוא גלגל שיניים שגודלו קובע את יחס ההעברה: ככל שיהיה קטן יותר, כך יקל לסובב את ההגה אך יחס ההעברה יהיה גדול יותר. גלגל זה יושב על פס שיניים, המכונה ^מסרק^. סיבוב ההגה מסובב את הגלגל על המסרק. הואיל ומוט ההגה קבוע במקומו, הוא אינו יכול להתגלגל על המסרק, ובלית ברירה נאלץ המסרק לנוע. תנועת המסרק מועברת אל מוטות הקישור, מהם אל זרועות ההיגוי ומשם הדרך להפניית הגלגלים קצרה. כמובן, מגע של מתכת במתכת אינו רצוי, לכן טובלים המסרק והגלגל בשמן. אך גם השמן לא תמיד מונע את שחיקת שיני הגלגל או המסרק, ואז מתקבלים חופשים בגלגל ההגה. חופש כזה מחייב את החלפת תיבת ההגה, תענוג יקר אך מחויב, שכן מערכת ההיגוי, מה לעשות, היא מערכת בטיחותית. חופשים עלולים להתקבל גם עקב שחיקת התותבים המשמשים כמסבים בין מוטות הקישור לזרועות ההיגוי ובין אלה לזרועות בגלגלים, אך ביטולם אינו כרוך בממון רב, גם אם זמן (במוסך) זה כסף.
חלזונות ומסבים
שיטה נוספת להנעת ההיגוי היא תוך שימוש בבורג חלזוני (סבבת). אין הכוונה לחלזונות חסרי הבית (^הומלסים^) הגודשים את גינותינו, אלא לבורג שפסיעתו גסה במיוחד. כלומר, המרווח בין כריכות ההברגה גדול במיוחד. בורג כזה משמש בעיקר כאשר נדרש יחס העברה גדול במיוחד. הבורג מהווה חלק ממוט ההגה, ונתון בתוך תיבה, כשסביב כריכותיו מסבים כדוריים. המסבים מאפשרים לבורג להסתובב מבלי להתקדם באותו זמן, פעולה שבורג מתעקש לבצע בדרך כלל. אך הואיל ומשהו צריך להשתנות, נעה כל תיבת ההגה לאורך הבורג. על חלקה החיצוני מותקנות שיניים, אליהן מחוברת גזרה של גלגל שיניים חיצוני. התקדמות התיבה או תנועתה לאחור מסובבת את חלק גלגל השיניים הזה. בצדו השני, הוא מחובר למוט פיטמן - סיבוב גלגל השיניים מסובב את המוט, וזה בתורו מזיז את זרועות המקבילית. המסבים שבתיבת ההגה מקטינים את החיכוך בתיבה, מאריכים בכך את חייה, ומצד שני מונעים החלקה האופיינית לתיבת הגה של גלגל ומסרק, בעת הפיכת כיוון הסיבוב. הואיל ותמיד קיים חופש מסוים בין גלגל השיניים למסרק, שינוי כיוון הסיבוב יעברו תמיד דרך נקודה ^מתה^ שכמובן אינה רצויה. שיטת הגלגל והמסרק פשוטה וזולה יותר לייצור, אך שיטת החילזון והמסבים מדויקת יותר.
תגבור משתנה
גם הגה מכני לחלוטין מציע אפשרויות תגבור תלויות מהירות. כאשר המכונית נוסעת במהירות נמוכה, התמרון המתבקש יהיה בדרך כלל חד יותר - פניות הדוקות, פניות פרסה וכד'. במהירות כזו, התגבור המתבקש הוא מרבי, בעוד שבנסיעה במהירות גבוהה, בכבישים בין עירוניים, לא נדרש כמעט תגבור, והנהג רוצה להרגיש את ההגה. כמובן, בהגה כוח תגבור משתנה פשוט יותר לביצוע, ועל כך עוד נדבר, אך גם בהגה מכני, כמו בשני הסוגים הנזכרים לעיל, יש אפשרות לתגבור משתנה. הכיצד? שינוי יחס ההעברה בגלגל אחד מחייב שינוי בפסיעת השיניים, הן בגלגל והן במסרק. ואכן, החלק המרכזי של המסרק, שבנסיעה מהירה יהיה מול הגלגל, מורכב משיניים בעלות פסיעה גסה, בעוד שצדי המסרק בנויים משיניים בעלות פסיעה עדינה. הואיל וההנחה (המוצדקת כשלעצמה), שבמהירויות גבוהות איננו מגיעים לנעילת ההגה, הרי רק במהירויות נמוכות נגיע לפסיעה העדינה, שמשמעותה השקעת פחות כוח בסיבוב ההגה. שינוי הפסיעה במסרק מחייב, כמובן, גם שינוי בפסיעה בגלגל - שיניים בעלות פסיעה שונה אינן יכולות להשתלב זו בזו. על כן, גם בגלגל עצמו, המחויב להיות גדול יותר מגלגל של מנגנון ללא תגבור, יש שוני בפסיעת השיניים שמול מרכז המסרק לבין אלה המיועדות להשתלב בצדדיו. מאליו נובע כי מנגנון כזה יקר יותר לייצור, ומחייב, כמובן, התקנה מדויקת, על מנת למנוע מצב של החטאה, ולו בשן אחת, בין השיניים בעלות הפסיעה השונה. תגבור משתנה להיגוי מכני נהגה על-ידי ארתור בישופ האוסטרלי, שפיתח את המנגנון עבור מטוסים בזמן מלחמת העולם השניה, וחברתו היום היא מהגדולות בעולם בייצור תיבות הגה מתוחכמות. ה- S-Type של יגואר, כדוגמא, משתמשות בתגבור משתנה של בישופ.
