רצועות שיניים

עודד מרגוליס
29/06/2021

מהי תמסורת רצועת שיניים ולמה היא משמשת, ייתרונות וחסרונות של רצועת שיניים:

תמסורת רצועת שיניים היא למעשה מנגנון שיש לו שתי מטרות מרכזיות: האחת, להעביר תנועה סיבובית למרחק. והשניה, שינוי מהירות הסיבוב. תמסורת רצועה מורכבת מגלגלים הנקראים "פולי", ביניהם מחברת רצועה.
הגלגל אשר מקבל את תנועתו מהמנוע נקרא גלגל מניע, והגלגל אליו מועברת התנועה נקרא גלגל מונע. היחס בין קטרי הגלגלים יקבע את יחס התמסורת שביניהם.

unnamed.png
unnamed (1).png

רצועות שיניים משמשות:

רצועות שיניים נפוצות במנועים של כלי רכב והן נקראות

רצועות טיימינג או רצועות תזמון. בגלל השיניים שעל

גבי הרצועה למעשה קל מאוד לשלוט במהירותה

ו"לתזמן" אותה.

רצועת תזמון היא חלק חשוב במנוע מסוג בעירה

פנימית ומטרתה בעצם של הרצועה היא לשלוט על

התזמון של שסתומי המנוע והבוכנות ולכן היא

נפוצה בכלי רכב.
בנוסף, תמסורת רצועת שיניים נפוצות מאוד במכונות

תעשייתיות 

וחובבניות כגון; מדפסות תלת מימד מכונת

חיתוך בלייזר וCNC. 

יתרונותיהן של רצועות השיניים הן שהן בעלות יעילות גבוהה, אינן דורשות סיכוך, אינן דורשות מתיחה

משמעותית,יכולות לספק מבחר רחב של יחסי מהירויות, שקטות יכולות להעביר כוח בין מרווחים ומרחקים גדולים וכאשר יש תקלה, הרצועה פיזית נקרעת מה שמספק אזהרה חזותית מצוינת. יש לכך יתרון משום שקל וזול בהרבה להחליף רצועה מאשר להחליף גלגלי שיניים שנשברו. אך מצד שני, הרצועות רגישות מאוד לרעידות ועומסים, צריכות מתיחה מחדש באופן מחזורי, יכולות להפגע בקלות מכימיקלים ולא קיימת אפשרות לתקן אותם בעת הצורך, חובה להחליפן.
 

unnamed (2).png

הסבר על הגיאומטריה של רצועת שיניים, חלקים משמעותיים בגיאומטריה של רצועה:

unnamed (3).png

במנגנוני רצועת שיניים העברת הכוח

היא בדרך כלל "נעולת חיכוך" (Friction-Locked).
מה זה אומר? זה בעצם אומר שהעברת הכוח תתבצע

רק כאשר ישנו חיכוך מסוים בין ה"פולי" לרצועה.

ברצועות שיניים, העברת הכוח תתפזר באופן שווה

על גבי השיניים של הרצועה אשר מתחברות באופן

מדויק אל המגרעות שב"פולי".אז במקרה שלנו, הרצועה תהיה

חייבת להיות לחוצה על גבי הפולי בעוצמה מסוימת בכדי להבטיח

שהרצועה לא תחליק מן הפולי או שהפולי יסתובב מהר מדי מן הרצועה.
חשוב להדגיש שלעומת רצועה שאינה רצועת שיניים (גומייה\רצועה שטוחה) רצועת שיניים זקוקה להרבה פחות הידוק. היא זוכה לחיכוך רב הרבה יותר בינה לבין הפולי בשל המגע שנוצר בין שיני הרצועה לשקעים בפולי -זה בעצם הדבר שמונע מן הרצועה להחליק על מקומה ולמעשה נועל אותה לפולי. 
כאשר מסובבים

את הגלגלים (הפולים), הרצועה חשופה לעומסים שונים. החלק ברצועה שבה המתיחה תהיה חזקה יותר- יקרא הצד ההדוק (באנגלית-Tight side), והחלק בו המתיחה תהיה חלשה יותר יקרא הצד הרפוי (באנגלית-Slack side).
תמיד, הצד ההדוק יהיה בצד בו הרצועה מסתובבת לכיוון הפולי המניע, והצד הרפוי יהיה בצד בו הרצועה מסתובבת הרחק מן הפולי המניע. 
בכדי לפתור את הבעיה הזו; רבים משתמשים ברכיב הנקרא
"Idler" שמטרתו בעצם להגדיל את המתיחה. את ה"איידלר" בדרך כלל ממקמים קרוב אל הפולי. 

 

הסבר בסיסי למשמעויות של הבדלים בין גיאומטריה של רצועות שיניים:

רצועת השיניים הנפוצה אצלנו במגמה וברוב היישומים ה'מייקריים' כמו מדפסות תלת מימד ומערכות תנועה לינרארית בבנייה עצמית היא רצועת שיניים בשם GT2.

מה משמעות השם GT2? 
משמעות השם GT 2 הוא בכדי להדגיש את המרווח בין השיניים GT2 למעשה מסביר לנו כי המרווח בין השיניים ברצועה הוא 2 מ"מ בין שן לשן.

 במידה ויש לי ביד רק רצועה\פולי איך אני מוצא להם "זוג"?
דבר ראשון, על הרצועה\פולי תמיד מסומן מאיזה סוג הם (מצורפת תמונת הדגמה)-וכל מה שניתן לעשות זה לעשות חיפוש מהיר באינטרנט על חלק שמתאים לשני (למשל GT2 BELT=GT2 PULLEY) ובכך ניתן למצוא את הזוג המתאים.
במידה ולא מסומן (דבר שלא סביר שיקרה) ניתן למדוד בעזרת "קליבר" את המרווח בין שיני הרצועה\פולי ובכך להתאים להם זוג. (למשל אם נמדוד ונראה שהמרווח הוא 2 מ"מ, מיד נדע שהרצועה\פולי שבידינו הוא מסוג GT2.

רגע, ומה זה המספר שנמצא ליד סימון ה"GT"?
זהו למעשה רוחב הרצועה, חשוב להתאים את רוחב הרצועה-לפולי. כיצד? באותה צורה, תמיד מסומן, ואם לא-אפשר למדוד בקלות וכך לדעת.

 

unnamed (4).png


דוגמאות למגנונים הפועלים באמצעות רצועות:

אחת הדוגמאות הנפוצות ביותר היא במנוע מסוג בעירה פנימית.

 מנועי הבעירה הפנימית נפוצים מאוד בכלי רכב ממונעים,

 ולמעשה רוב המכוניות, האופנועים, הסירות, כלי הטיס וקטרי

הרכבת משתמשים במנוע מסוג זה.

במנוע זה הרצועה שולטת על גלי הזיזים (בציור בצבע כחול+אדום). 

ותפקיד הרצועה למעשה הוא לקבוע את קצב הפתיחה והסגירה של

השסתומים אשרהכרחיים לפעולת המנוע.

 

עוד דוגמא נפוצה מאוד היא במכונות תעשייתיות.

90% מן המכונות התעשייתיות אשר עושות שימוש במנוע כלשהו

משתמשות ברצועה (מאווררי ענק, משאבות ועוד). 

מכונות אלה משתמשות ברצועה מכיוון שזהו פתרון טוב ויחסית

זול לבעיית ההנעה הרצופה. מכונות אלה למעשה זקוקות לפעולת

מנוע רצופה, קבועה וללא הפרעות ורצועה עונה על קריטריונים 

אלה בצורה מקיפה ומספקת.

דוגמא למנגנון במגמה: מערכת החיתוך בלייזר ומדפסת התלת-מימד.

מערכות אלה משתמשות ברצועת שיניים מכיוון שרצועת השיניים יכולה לפעול

במהירויות גבוהות, בשקט, בזול, ללא סיכוך וכמעט ללא תחזוקה והכי חשוב, בדיוק מושלם.

(נ"ב: גם מערכת הCNC שבקומה העליונה בסדנא משתמשת ברצועת שיניים, אך מכיוון שהמערכת תקולה-לא כללתי אותה ברשימת המערכות.)

יש להדגיש: תמסורת רצועת שיניים שונה

מתמסורת רצועה רגילה בכך שהיא מאפשרת

דיוק רב כתוצאה מהשיינים שעליה וכך לא

מאפשרת החלקה של הרצועה.

unnamed (5).png
unnamed (6).png

הדגמה לחישוב כוחות ומומנטים באמצעות רצועת שיניים:

כאשר מתייחסים לתמסורת רצועת שיינים נתייחס לחישוב 2 פרמטרים חשובים.

האחד, מומנט הנעה והשני, מהירות ההתקדמות.

 

תחילה נתייחס אל מומנט ההנעה; מומנט הנעה הוא בעצם כמות הכוח שתדרש מהמנוע על מנת לבצע תזוזה ראשונית של המערכת, מומנט ההנעה יוכל להיות קטן  במקרים של מכונות פשוטות למשל כמו מדפסות תלת

מימד והוא גם יכול להיות גדול מאוד במקרה של זחל של טנק למשל. גודל מומנט ההנעה משתנה לפי כמות

הכוח אשר מופעלת על גלגלי השיניים.

 

בכדי לחשב את מומנט ההנעה=(Mt) נתייחס לכמה פרמטרים שונים; 

  1. כמות המשקל אשר מופעלת על המערכת=(P).

  2.  מספר גלגלי השיניים אשר מעורבים במערכת=(N).

  3. המרחק ממרכז הגלגל אל רצועת השיניים-קוטר=(D).

  4. כמות החיכוך (במקרה שלנו נתעלם ממנה).

 

והחישוב יראה כך:

                                                                  Mt = F*D
לדוגמא: (ראה איור) 
נניח שכמות המשקל אשר מופעלת על המערכת היא 100 Kg, מכך נסיק כי 100Kg=P.
נתון לנו כי מספר גלגלי השיניים המעורבים בתמסורת הם שניים, מכך נסיק כי N=2.
לאחר ששני הפרמטרים האלו נתונים נחלק את המשקל המופעל על המערכת במספר גלגלי השיניים (תמיד מתחלק בצורה שווה) וכך ניתן להסיק כי F=50Kg. 
כעת, נחפש את D, נתון לנו שהמרחק בין מרכז גלגל השיניים אל קצהו הוא 10 ס"מ, מכך נסיק כי
ס"מD=10.
לאחר שכל הנתונים ידועים לנו, ניתן למצוא את מומנט ההנעה Mt. 
נקח את F אשר ידוע לנו שהוא 50Kg ונכפיל אותו בD אשר גילינו שהוא 10ס"מ.
מדוע להכפיל בין הפרמטרים ולא לחלק? מכיוון שככל שזרוע הגלגל (המרחק בין מרכזו של הגלגל אל קצהו) גדולה יותר כך מומנט ההנעה רק יגדל, ולא יקטן- מכיוון זאת נכפיל בין הפרמטרים ולא נחלק.
נחשב F*D ונקבל תוצאה של 500. 50*10. ומכך נסיק כי מומנט ההנעה במערכת זו הוא Mt=500Nm.

 

unnamed (7).png

לכמות המשקל אשר מופעלת על המערכת=P 

חלקי מספר גלגלי השיניים=N נקרא F.

                 F=P:N

כעת נתייחס אל מהירות ההתקדמות

לאחר שהבנו כיצד נחשב את מומנט ההנעה, כעת נלמד כיצד מחשבים את מהירות ההתקדמות.

את מהירות ההתקדמות נייצג באותיות Sop-Speed of progress.

מדובר למעשה בחישוב פשוט מאוד.

יש להתייחס לשני פרמטרים שונים: 

  1. האחד, מספר הסיבובים אשר גלגל השיניים עושה בשניה אחת (מהירות הציר) - (Rps-Revolutions per second) כלומר כמות הפעמים שהגלגל השלים סיבוב שלם תוך שניה אחת. 

  2. הפרמטר השני, היקף גלגל השיניים(P), כלומר 2 פאי R.

 

בכדי לחשב למעשה את מהירות ההתקדמות ניקח את מספר הפעמים אשר גלגל השיניים השלים סיבוב שלם בשנייה (מהירות הציר)- כלומר Rps ונכפיל אותה בהיקף גלגל השיניים, כלומר P

 

                                                                 Sop = Rps*P


לדוגמא: (ראה איור)

אם נתון לנו כי גלגל השיניים מבצע 2 סיבובים לשנייה-כלומר Rps=2 וגודל ההיקף של גלגל השיניים הינו 10 ס"מ כלומר P=10, מהירות ההתקדמות תהיינה 20 ס"מ לשניה.

unnamed (8).png

מידע שימושי לתלמידים וטעויות שכדאי להימנע מהן:

 1. כותרת ההסברים הבסיסיים עונה על רוב השאלות החשובות בעיניי.

 2. חשוב לשים לב להשתמש ברצועה ופולי אשר מתאימים אחד לשני, בחיפוש קצר באינטרנט ניתן למצוא למה הרצועה\הפולי שבידכם תואם. אם הרצועה לא תתאים ל"פולי" או ההפך, יווצרו בעייות רבות והמערכת לא תפעל כראוי.

 3. לעיתים קשה להחליט באיזה סוג של רצועת שיניים להשתמש.. אני ממליץ - מה שהכי נפוץ בדרך כלל יהיה הכי נוח לתפעול. כאשר אתם תבחרו את הרצועה+פולי הנפוצים ביותר יהיה לכם קל יותר לקנות עוד חלקים ולפתור בעיות בקלות ובמהירות, במקרה שלנו, מה שהכי נפוץ-כבר נמצא בסדנא, רצועה+פולי מסוג GT2 הם הנפוצים ביותר בתחום ובקרב קהילת ה"מייקרים".

 4. במידה ואתם מעוניינים להשתמש ברצועת השיניים באופן שדורש ממנה להיות מתוחה בשני הצדדים, יש להבין כיצד מותחים את הרצועה כמו שצריך  בכדי להמנע מבעיות בעתיד, גם הפספוס הקטן ביותר יגרום לבעיה בהתממשקות של הרצועה אל הפולי ובעיות רק ימשיכו וירבו. כיצד מותחים? ברגע שיש מתיחה שמאפשרת עבודה חלקה של המנוע מבלי להפעיל עליו עומס מיותר ומבלי שהרצועה רופפת ונופלת ו"מפספסת" שיניים.

לוגו חוף השרון.png