miniaturadeimagen|Modelo esquemático de una junta cardán.
El cardán es un sistema mecánico, descrito por primera vez por Girolamo Cardano, que permite unir dos ejes no coaxiales (es decir, que cada eje no se encuentra en la misma línea que el otro). Su objetivo es transmitir el movimiento de rotación de hasta 90º desde un eje conductor a otro conducido a pesar de no ser colineales.
Frente a otro tipo de articulaciones tiene la característica de ser una junta no homocinética; es decir, el eje al que se transmite el movimiento no gira a una velocidad angular constante. La relación de transmisión instantánea oscila alrededor de la unidad, generando en el eje conducido una aceleración y un retraso por cada medio giro, cuya intensidad aumenta en función del ángulo formado por los árboles. Esta característica debe ser gestionada adecuadamente pues de lo contrario se producirían vibraciones susceptibles de destruir los sistemas donde se utilicen.
Cuando es necesario proporcionar una velocidad de salida constante se utilizan juntas homocinéticas, cuyo tipo más simple está constituido precisamente por dos juntas cardánicas acopladas a un cuerpo común. Este sistema de doble cardán permite que los cambios instantáneos de la velocidad angular trasmitidos al cuerpo común por uno de los cardanes sean compensados en sentido contrario por el otro, de manera que las velocidades angulares instantáneas de los árboles de entrada y salida sean iguales en todo momento, aunque el eje central estará sometido a constantes aceleraciones y deceleraciones. Las juntas homocinéticas Glaencer-Spicer también utilizan un sistema compacto de doble cardán.
Historia miniaturadeimagen|Diseño clásico de una junta universal o cardán.
El concepto principal de la junta universal se basa en el diseño de la suspensión cardán, que se ha utilizado desde la antigüedad. Un precedente de la articulación universal fue su uso por los antiguos griegos en la balista. see: "Universal Joint - Invented by Gerolamo Cardano" En Europa, la articulación universal a menudo se denomina junta cardánica, o eje de transmisión cardán, en referencia al matemático italiano Girolamo Cardano, que, sin embargo, en sus escritos, mencionó solo montajes de cardán, no articulaciones universales.Véase: Tony Rothman (2013) "Cardano v. Tartaglia: The Great Feud Goes Supernatural," p. 25. Available on-line at: Arxiv.org. (Tenga en cuenta que Rothman menciona el error de Wikipedia con respecto a la supuesta invención de Cardano de la articulación universal.) Hans-Christoph Seherr-Thoss, Friedrich Schmelz, Erich Aucktor, Universal Joints and Driveshafts: Analysis, Design, Applications (Berlin, Germany: Springer Verlag, 1992), p. 1. Marie Boas, The Scientific Renaissance: 1450-1630 (New York, New York: Harper Brothers, 1962), p. 186 . James Eckman, Jerome Cardan (Baltimore, Maryland: The Johns Hopkins Press, 1946.), p. 77. Hieronymi Cardanime (Gerolamo Cardano), De Subtilitate Libri XXI. (On subtle things in 21 books) (Basel, Switzerland: Sebastian Henric Petri, 1553), Liber XVII. De Artibus, Artificiosisque; rebus. (Book 17. On crafts and ingenious devices), p. 817. (Note: (1) This book is a reprint of the 1500 original. (2) In the margin of p. 817 is printed: Sedes mira (miraculous chair).) From p. 817: "Simili ratione inventũ est, ut Cæsaris sedes ita disponeretur, ut quocumque situ constituatur, ille immobilis, ac commodè dum vehitur sedeat. Hoc tractum ex armillarum ratione: cum enim circuli tres chalybei constituentur, polis sursum, deorsum, antè, retro, dextra ac sinistra mobilibus, cum plures non possint esse situs, necesse est ipsum in essedo quomodocumque agatur quiescere perpetuò." (By similar reasoning, [it] has been found that the Emperor's chair might be so arranged that he [remain] fixed in whatever orientation be decided and he sit comfortably while he is transported. This is based on the logic of the gimbal mounting: the three steel rings are arranged by the movable poles [i.e., ends of the axes] upwards, downwards, forwards, backwards, right and left, when more [motions] cannot be allowed, [because it] is necessary [that] he in the carriage somehow be made to remain still constantly.) Hieronymi Cardani (Gerolamo Cardano), Mediolanensis Philosophi ac Medici Celeberrimi Operum [Of the very famous works of the Milanese philosopher and physician] (Lyon (Lugdunum), France: Jean Antoine Huguetan and Marc Antoine Ravaud, 1663), vol. 10: Opuscula miscellanea (Miscellaneous works), Paralipomenon (Supplement), Liber V. De rebus factis raris & artificiis (Book 5. On rare and ingeniously made things), Caput VII. De Armillarum instrumento (Chapter 7. On the armillary), pp. 488-489.
El mecanismo fue descrito más tarde en Technica curiosa sive mirabilia artis (1664) por Gaspar Schott, quien erróneamente afirmó que era una junta homocinética.Mills, Allan, "Robert Hooke's 'universal joint' and its application to sundials and the sundial-clock", Notes & Records of the Royal Society, 2007, accessed online 2010-06-16Gasparis Schotti, Technica Curiosa, sive Mirabilia Artis, Libris XII. … [Curious works of skill, or marvelous works of craftsmanship] (Nuremberg (Norimberga), (Germany): Johannes Andreas Endter & Wolfgang Endter, 1664), Liber IX. Mirabilia Chronometrica, … (Book 9. Marvelous Clocks, … ), Caput V. Signa chronometrica optica, seu indices. (Chapter 5. Marvelous visual clocks, or clocks with hands), pp. 664-665: Propositio XX. Indicem sinuosum & obliquatum per anfractus quosvis, sine Rotis dentatis quocumque lubet educere. (Proposition 20. [Como], sin ningún engranaje, para transmitir un giro a un eje desviado [por ejemplo, los ejes que mueven las manecillas de un reloj] a través de cualquier curva que uno quiera.) En el margen se imprime: Vide Iconism. VII. Fig. 32. (Véase Plate 7, Figure 32.), que representa la articulación universal de Schott. Schott primero indica que puede haber ocasiones cuando el engranaje de un reloj y la cara donde gira una aguja no se pueden alinear convenientemente; por ejemplo, relojes públicos instalados en torres. Luego menciona, en la descripción de su construcción ("Technasma", la palabra griega para "artificio"), que la junta universal se asemeja a un cardán que se usa para sostener una lámpara de aceite para que no se derrame. La junta de Schott consiste en dos horquillas (fuscinula), cada una de las cuales consiste en un eje al que se fija una tira de metal, doblada en un semicírculo, en un extremo. Cerca de cada extremo del semicírculo, se perfora un agujero. También se hace una cruz con cuatro brazos perpendiculares (crux sive 4 brachia). Los agujeros en cada semicírculo encajan sobre los extremos de un par de brazos opuestos. El ángulo entre los ejes debe ser mayor que un ángulo recto. Al discutir el movimiento de la junta (Motus), Schott afirma que los dos ejes se mueven a la misma velocidad (es decir, forman una junta de velocidad constante): "... horum autem ductum necesse est sequatur & altera fuscinula, parique cum priore illa feratur velocitate: unde si fuerit unius fuscinulae motus regularis circularis, erit similis & alterius ... " (... pero esta [horquilla] impulsada debe seguir a la otra horquilla [de conducción], y llevará a una velocidad igual que la primera: de ahí que si el movimiento de una horquilla fuera regularmente circular, será similar en la otra…).Para un historial (parcial) de las juntas universales, véase: Robert Willis, Principles of Mechanism … , 2nd ed. (London, England: Longmans, Green, and Co., 1870), Part the Fifth: On Universal Joints, pp. 437-457. Poco después, entre 1667 y 1675, Robert Hooke analizó la unión y descubrió que su velocidad de rotación no era uniforme, pero esta propiedad se podía usar para seguir el movimiento de la sombra en la cara de un reloj de sol. De hecho, la componente de la ecuación de tiempo que explica la inclinación del plano ecuatorial relativo a la eclíptica es completamente análogo a la descripción matemática de la articulación universal. El primer uso registrado del término "unión universal" para este dispositivo fue realizado por Hooke en 1676, en su libro Helioscopios."universal, a. (adv.) and n.", para.13, Oxford English Dictionary Online, accessed 2010-06-16Hooke first described a universal joint in Hevelius' instrument in: Robert Hooke, Animadversions on the first part of the Machina Coelestis … (London, England: John Martyn, 1674), p. 73. Here he calls the joint a "universal Instrument". From page 73: I shall show " … what use I have made of this Joynt, for a universal Instrument for Dialling, for equalling of Time, for making the Hand of a Clock move in the Shadow of a Style, and for performing a multitude of other Mechanical Operations." The joint is depicted on Plate X, Fig.s 22 and 23, which are available at: Posner Memorial Collection - Carnegie Mellon University Robert Hooke, A Description of Helioscopes, and Some Other Instruments (London, England: John Martyn, 1676), p. 14. From p. 14: "The Universal Joynt for all these manner of Operations, having not had time to describe the last Exercise, I shall now more particularly explain." Illustrations of Hooke's universal joint appear on p. 40, Fig.s 9 and 10; available at: ETU Library ; Zurich, Switzerland . Publicó una descripción en 1678,Review of Ferdinand Berthoud's Treatise on Marine Clocks, Appendix Art. VIII, The Monthly Review or Literary Journal, Vol. L, 1774; see footnote, page 565. que dio como resultado el uso del término de junta de "Hooke" en el mundo de habla inglesa. En 1683, Hooke propuso una solución a la velocidad de rotación no uniforme de la junta universal: un par de juntas de Hooke desfasadas 90° en cada extremo de un eje intermedio, una disposición que ahora se conoce como un tipo de junta homocinética.Gunther, Robert Theodore, Early Science in Oxford, vol. 7: "Life and work of Robert Hooke, Part II" (Oxford, England: Dawsons of Pall Mall, 1930), pp. 621–622. El sueco Christopher Polhem posteriormente reinventó la junta universal, dando lugar al nombre de Polhemsknut (nudo Polhem) en sueco.
En 1841, el científico inglés Robert Willis analizó el movimiento de la articulación universal.Willis, Robert, Principles of Mechanisms, … (London, England: John W. Parker, 1841), pp. 272-284. En 1845, el ingeniero y matemático francés Jean-Victor Poncelet había analizado el movimiento de la articulación universal mediante trigonometría esférica.J. V. Poncelet, Traité de mécanique appliquée aux machines, Part 1 (Liége, France: Librairie scientifique et industrielle, 1845), pp. 121-124.
El término "articulación universal" se usó en el sigloXVIII y fue de uso común en el sigloXIX. La patente de 1844 de Edmund Morewood de una máquina para tratar piezas de metal requería una junta universal, con el fin de eliminar pequeños errores de alineación entre el motor y los ejes de laminación.Edmund P. Morewood, Improvement in Coating Iron and Copper, U.S. Patent 3,746, Sept. 17, 1844. La patente de la locomotora Shay, de Ephriam Shay de 1881, por ejemplo, usaba juntas universales dobles como eje de transmisión.Ephraim Shay, Locomotive-Engine, U.S. Patent 242,992, June 14, 1881. Charles Amidon utilizó una junta universal mucho más pequeña en su berbiquí patentado 1884.Charles H. Amidon, Bit-Brace, U.S. Patent 298,542, May 13, 1884. El motor de vapor esférico, rotativo y de alta velocidad de Beauchamp Tower utilizó una adaptación de la junta universal alrededor de 1885.