מידול והדפסה תלת-ממדית של גלגלי שיניים – טכניקות והמלצות
לימדו איתנו על מידול גלגלי שיניים באמצעות תוכנת SOLIDWORKS, בדגש על ייצור בטכנולוגיות הדפסה בתלת-ממד. בחלק הראשון של הפוסט נדבר על ממסרות באופן כללי, ממסרות גלגלי שיניים בפרט, ועל המשמעויות של הדפסת גלגלי שיניים.
מבוא
מהי ממסרה? ממסרה היא מכלול מכני שתפקידה להעביר תנועה (בדרך כלל תנועה סיבובית). ממסרה בדרך כלל גורמת לשינוי מהירות הסיבוב (סל"ד) ומומנט.
הגדרת יחס תמסורת:
- הסל"ד של הגלגל המניע את חלקי הסל"ד של הגלגל המונע.
- יחס התמסורת שווה ל– מספר שיניים בגלגל המונע, חלקי מספר שיניים בגלגל המניע. לדוגמא: גלגל שיניים מניע בעל 10 שיניים, וגלגל שיניים מונע בעל 40 שיניים, יחס התמסורת הוא 40/10=4 כלומר 4:1.
- המשמעות היא שהגלגל המניע צריך להסתובב 4 פעמים בכדי שהגלגל הגדול ישלים סיבוב אחד.
תוצאה – בתמסורת זו אנחנו מקבלים הפחתת מהירות פי 4, והגברת מומנט פי 4.
איור 1: תמסורת גלגל"ש, ביחס תמסורת 1:4
סיבות לשימוש בממסרות:
- הצורך להעביר תנועה ממקור לצרכן
- צורך לווסת מהירות בין מקור לצרכן
- צורך להפעיל מספר צרכנים ממקור אחד
- הצורך לשנות את אופי התנועה, לדוגמא להפוך מתנועה סיבובית לקווית, או לשנות כיוון סיבוב
סוגי ממסרות
קיימים סוגים שונים של ממסרות, כגון: ממסרות גלגלי שיניים, ממסרות רצועה, ממסרות שרשרת, ממסרה הרמונית, ממסרה רציפה ועוד. כעת נרחיב לגבי סוגי הממסרות הנפוצות.
1. ממסרות רצועה
בממסרות רצועה, ישנו שימוש נרחב בתעשייה. מדובר בפתרון שהייצור שלו הוא פשוט, זול ויעיל. פתרון זה מאפשר תחום רחב של מרחק בין הצירים, מגן בפני עומס יתר ותומך במגוון רחב של הספקים. ישנם 2 סוגי רצועות עיקריים: רצועות שטוחות / טריזיות, ורצועות תזמון.
מאפיינים
- ייצור פשוט וזול
- פעולה שקטה
- הגנה בפני עומס יתר
- בלימת תנודות וזעזועים
- תחום רחב של מרחק בין צירים
- תמיכה במגוון רחב של הספקים
- נצילות גבוהה
- יחס תמסורת לא קבוע
- כוחות גדולים על גלי הממסרה ומסבים
- צורך במנגנון למתיחת הרצועה
- עבור רצועת תזמון:
- העברת תנועה ללא החלקה
- דיוק גבוה
- כוחות קטנים על גלי הממסרה
- תאימות להספקים נמוכים יותר
2. ממסרות שרשרת
סוג נוסף של ממסרות הינו ממסרות שרשרת. בהשוואה לממסרות רצועה הן רועשות יותר, יש יותר מרווחים בשילוב, והן דורשות יותר תחזוקה. לדוגמא – שימון של השרשרת ובלאי מוגבר של גלגלי השרשרת.
מאפיינים
- מאפשרות טווח גדול בין הצירים
- זולות
- פשוטות למימוש ויעילות
- מאפשרות העברת תנועה חלקה, בנצילות גבוהה
3. ממסרה הרמונית
ממסרה הרמונית היא ממסרה מיוחדת, שנמצאת בעיקר ביישומים מיוחדים, לדוגמא ברובוטיקה. ממסרה זו מבוססת על אקסצנטר מרכזי, שמייצר תנועה בתדר מסוים, כאשר התנועה בתדר גורמת לתנועה על השיניים.
מומלץ לצפות בסרטון הבא בכדי לראות את הממסרה בפעולה:
מאפיינים
- ממדים קטנים מאוד (קומפקטית)
- יחסי תמסורת גבוהים מאוד
- עומסים קטנים על הגלים ומסבים
- דיוק מאוד גבוה (עם רמת חופשים אפסית – נקרא באקלאש)
- נצילות גבוהה
- עלויות גבוהות
- יחס תמסורת מוגבל בטווח 1:50 – 1:320
4. ממסרות גלגלי שיניים
באופן כללי ממסרות גלגלי שיניים מאופיינות ב:
- ממדים קטנים
- תאימות לעומסים גבוהים מאוד
- נצילות גבוהה, אורך חיים גבוה, אמינות גבוהה
- אחזקה פשוטה )נדרש שימון אבל לא מעבר(
- מתאימים לייצור המוני
- יחס תמסורת מדויק ללא החלקה (למעט Backlash – חופש כאשר משנים כיוון תנועה)
- מתאים למרחקים קטנים בין הצירים
- עלולים להיות רועשים
- אין הגנה בפני עומס יתר – הכוונה שבהשוואה לרצועות שמסוגלות להחליק, גלגלי שיניים בהחלט עלולים להישבר בעומס
קיימים מספר סוגים של ממסרות גלגלי שיניים, כאשר לכל סוג יש את המאפיינים שלו ואלו משמשים לאפליקציות שונות. כעת נסקור מגוון סוגי ממסרות גלגלי שיניים.
סוגי ממסרות גלגלי שיניים:
גלגלי שיניים ישרות – Spur Gear
גלגלי שיניים הכי פשוטים לייצור, צירים מקבילים, נפוצים מאוד, מסוגלים להעביר כוחות גבוהים, ואינם מייצרים כוח צירי.
איור 2: תמסורת גלגל"ש שיניים ישרות
גלגלי שיניים משופעות –Helical Gear
גלגלי שיניים בעלי שיניים משופעות – השיפוע תורם לשילוב הדרגתי של השיניים, ובכך מקל על מעברים דינמיים בין גלגלי שיניים, תוך כדי תנועה. סוג זה חזק יותר לעומת גלגל"ש שיניים ישרות מכיוון שהשן ארוכה יותר ולכן מסוגלת להעביר עומסים גדולים יותר, באופן שקט יותר. כמו כן אלו גם מייצרות רכיב של כוח צירי לא מבוטל ומסובכות יותר לייצור.
איור 3: גלגל"ש שיניים משופעות
>>> SOLIDWORKS התוכנה המובילה לתכנון מכני ועיצוב תלת-ממדי – הקליקו לפרטים נוספים
גלגלי שיניים שיניים מזוות – Herringbone Gear או V Gear
שקטות יותר בזכות שילוב חלק מאוד, אינן מייצרות כוח צירי, מסובכות יחסית לייצור בשיטות ייצור קונבנציונאליות, אבל אינן בעייתיות להדפסה.
איור 4: גלגל"ש שיניים מזוות
גלגלי שיניים קוניים –Bevel Gear
גלגלי שיניים בעלי צירים מאונכים (צירים נחתכים). במקרה שהשיניים גם משופעות – נקרא Spiral Gear, ובמקרה שציר גלגלי השיניים פיניון אינו באותו המישור עם הציר של גלגלי השיניים הקורונה, התשלובת נקראת קונית היפואידית (נפוץ מאוד בסרן של רכב).
איור 5: גלגלי שיניים קוניים
גלגלי שיניים חלזוני –Worm Gear
תמסורת חלזונית מורכבת מחילזון ומגלגל חלזוני. מאפשרת יחס תמסורת גדול מאוד במבנה קטן מאוד וקומפקטי. קיימת אפשרות לעצירה עצמית, כלומר ניסיון לסובב את הגלגל החלזוני לא מניע את החילזון, והתנועה היא רק חד כיוונית. נצילות נמוכה, מעביר הספקים נמוכים, יחסית יקר לייצור ומחייב דיוק גבוה של המרחק בין הצירים.
איור 6: תמסורת גלגל"ש חלזוני
ממסרה פלנטרית
ממסרה המורכבת ממכלול של גלגלי שיניים הכוללת: טבעת (Ring Gear), שמש (Sun Gear), נושא מזלות (Carrier), לוויינים (Satellites).
מדובר בממסרה מיוחדת שכוללת 8 מצבים, בעלת 2 דרגות חופש, על ידי קיבוע של חלק מסוים. מאופיינת בממדים קטנים, יחס תמסורת גבוה, נצילות גבוהה מאוד ובאקלש נמוך.
מבחינת מצבים, ניתן לקבל:
- הפחתה חזקה
- הפחתה בינונית
- הגברה בינונית
- הגברה חזקה
- יחס ישיר
- שינוי כיוון סיבוב – הילוך אחורי
- הילוך סרק
איור 7: תמסורת גלגל"ש פלנטרית
גלגלי שיניים סבבת ופס שיניים –Rack and Pinion (מסרק)
תמסורת גלגלי שיניים המאפשרת מעבר בין תנועה סיבובית לתנועה קווית. מסוגלת להעביר עומסים גבוהים בדיוק גבוה.
איור 8: תמסורת גלגל"ש סבבת ופס שיניים
פרמטרים של גלגל שיניים
בכדי למדל גלגלי שיניים, נדרש לדעת את הפרמטרים הבסיסיים שמגדירים את גלגל השיניים. נסקור את הפרמטרים הבסיסיים:
מודול גלגל שיניים (ע"פ תקן ISO) – הפרמטר החשוב ביותר.
מודול גלגל השיניים מחושב על פי הנוסחא – קוטר חלוקה של גלגל השיניים [ממ] (לא הקוטר החיצוני), חלקי מספר השיניים.
הערה: פרקטית, יותר פשוט למדוד קוטר חיצוני של גג"ש, ולכן לצורך חישוב מודול מקורב ניתן להשתמש בנוסחא:
(בתקן ANSI מתייחסים במקום למודול, ל- Diametral Pitch ):
מספר השיניים – פרמטר שמשפיע על יחס התמסורת, ועל הקוטר של גלגל השיניים.
קוטר חיצוני נגזר כבר מהפרמטרים הקודמים, אבל אפשר גם להגדיר קוטר חיצוני ומודול ולקבל את מספר השיניים. תלוי מה יותר חשוב מבחינתנו, מבחינת התכנון.
זווית לחץ – מתאר את זווית קו הפעולה – בעצם הממשק בין גלגלי השיניים,
לרוב היא פשוט בהתאם לתקן 20° (טווח מקובל בין 14 ל 25)
ממדי השן – ראש השן (Addendum), עיקר השן (Dedendum), חשובים אבל לרוב נקבעים לפי התקן.
אפשר לווסת את גודל השיניים בהתאם לעומסים. (כלומר שן גדולה בפיניון ושן קטנה יותר בספור)
פרופיל השן – מבוסס על עקומת האוולונט (Involute).
העקומה מאפשרת לשיניים להתגלגל אחת על השנייה במקום להתחכך.
הערה חשובה – לא בכל תוכנת CAD הפרופיל של השן הוא אוולונט מדויק, ולפעמים מדובר בקירוב גס.
רוחב השן – הכוונה לעובי של הגלגל"ש.
פרמטר בלתי תלוי. ונתון לשליטנו בהתאם לצורך.
גיאומטרית הטבור – המבנה של ליבת הגלגל"ש, לדוגמא האם נדרש קדח מרכזי, שקע לשגם, מקום למיסב.
דרישות גלגלי שיניים
גלגלי שיניים נדרשים להיות חזקים בכדי לשאת במאמצים, קשים בכדי לעמוד בעומס מעיכה, וקשיחים בכדי למזער מעוותים אלסטיים. למעשה, רוב המאמצים מופעלים על השן ואפשר לדמות את זה לעומס כפיפה. אם לוקחים בחשבון שהשן לא מאוד גדולה, ובשורש שלה בדרך כלל היא צרה יותר, אז המאמצים המתפתחים הם דיי גדולים.
נדרשת גם עמידה בשחיקה ועדיף שמקדם החיכוך יהיה כמה שיותר נמוך, בכדי להגביר את הנצילות. החומר צריך להיות עמיד בפני סולבנטים ובעיקר שמנים, נדרשת עמידות גבוהה בהתעייפות, מכיוון שהשיניים עוברות מאמץ מחזורי, התאמה לאפליקציה, ויש לקחת בחשבון נושא של עמידות תרמית.
בחלק השני של הפוסט נדבר על חומרי ההדפסה המתאימים ביותר להדפסת גלגלי שיניים ומגוון טכנולוגיות ההדפסה הרלוונטיות, כולל הדגמת שימוש ב SOLIDWORKS Toolbox למידול גלגלי שיניים
צפו בוובינר בנושא מידול והדפסה תלת-ממדית של גלגלי שיניים:
