תמסורת פלנטרית VS תמסורת הרמונית

מאת: דין קזאז / אביחי בן נעים, מדיטל הייטק

מהנדסים הנדרשים לתכנן מערכת עם ציר הינע ומתלבטים באיזו תמסורת להשתמש, לעיתים נדרשים לשאלה: האם להשתמש בתמסורת פלנטרית או בתמסורת הרמונית לאפליקציות בהן נדרש דיוק?

את השאלה הזו, נוכל להסביר בעזרת תשובות לשאלות הבאות- אילו יתרונות יש לתמסורת פלנטרית ביחס להרמונית? האם תמסורות הרמוניות הן אכן ללא חופש ("זירו בקלש")? איזו תמסורת מתאימה לאיזו אפליקציה ? במאמר זה נתמקד ביתרונותיה של התמסורת הפלנטרית ונסביר באילו מקרים כדאי לבחור בתמסורת פלנטרית לציר ההינע המכני ואיך בוחרים את התמסורת הפלנטרית הנכונה?

על מנת לתת התשובות לשאלות לעיל, נרחיב לגבי הרקע טכני וכמה מושגי יסוד בתחום ההינע המכני. הפרמטר העיקרי בבחירת תמסורת מדויקת הוא ה חופש ('בקלש', backlash) הנומינלי של התמסורת - פרמטר זה הוא בעצם המרווח הזוויתי בין שן בגלגל שיניים אחד  לבין השן המתממשקת אליו מגלגל השיניים המוצמד, אשר יחד הם מהווים את התמסורת המכנית. פרמטר זה נמדד בד"כ ביחידות זווית arcmin או במעלות. 1 arcmin שווים ל 0.016 מעלה.

הבקלש ודיוק המיקום הם פרמטרים שעולים מיד כשבאים לבחור תמסורת להעברת מומנט הינע ואשר לפיהם נוכל לנתב את בחירתנו בתמסורת הנכונה, כמו שנציג מטה.

בתמסורות הרמוניות, הבקלש שואף ל0. בתמסורות פלנטריות לעומת זאת, ניתן לקבל כסטנדרט בקלש ששואף ל1 arcmin  בתמסורות מבית WITTENSTEIN ובמקרים מיוחדים היצרן יכול גם לתת תמסורת עם הבטחה לחצי arcmin חופש, לאורך כל חיי התמסורת.

שיטות מדידת חופש (backlash)

נרחיב ונאמר כי מעניין לדעת שהתחייבות היצרנים בנושא זה משתנה בין יצרן ליצרן. שינוי נובע משיטת בדיקת הבקלש המתפתח בתמסורת. מרבית יצרני התמסורות הפלנטריות בעולם, מבצעים בדיקה לבקלש המתפתח בתמסורת במס' נקודות בדיקה על היקף המעגל של התנועה הסיבובית של התמסורת. כך לדוגמא, בודקים מה הבקלש בנקודת ההתחלה של הסיבוב ובמס' מוגבל של נקודות מדידה סביב היקף המעגל. לדוגמא, יבוצעו בדיקות ב 7 נקודות במהלך הסיבוב המודדות את  הבקלש המתפתח בתמסורת. בדוגמא זו, ניתן בקלות להגיע  ל7 נקודות 'מושלמות' מבחינת בקלש, אך כמובן שבדיקה כזו אינה מתחשבת  באינסוף נקודות נוספות על המעגל בהן יכול ויתפתח חופש גבוה יותר, בגלל אילוצי ייצור ואפיצויות. צורת בדיקה זו מובילה להתחייבות. יצרן אשר לא תעמוד במבחן אמינות וחיי מוצר לאורך זמן.

יצרן התמסורות המוביל WITTENSTEIN מגרמניה, אשר מיוצג על ידי חברת מדיטל הייטק בישראל, בודק את החופש באלפי נקודות לאורך היקף מעגל התנועה, וכך מבטיח ומתחייב לבקלש נומינלי שיישאר קטן מהערך המוצהר, לדוגמא, קטן מ 1 arcmin לאורך כל חיי התמסורת.

השוואת יכולות טכניות בין תמסורות.

למרות העובדה כי תמסורות הרמוניות הינן בעלות חופש השואף לאפס, יש לשים לב כי דיוק המיקום בציר היציאה מהתמסורת מושפע מגורמים נוספים, מלבד הבקלש, כגון: קשיחות התמסורת לפיתול, סטיות אלסטיות של השיניים, סטיות אפיצות בייצור, וסטיות בהרכבה. סטיות אלו גדולות משמעותית בתמסורת הרמונית ביחס לפלנטרית. לתמסורת פלנטרית קשיחות לפיתול גבוהה ביחס לזו של הרמונית. הקשיחות לפיתול נמדדת ב-Nm/arcmin, וכאשר התמסורת נדרשת להעביר מומנט גבוה, דיוק המיקום ביציאה מתמסורת פלנטרית גבוה יותר ביחס לתמסורת הרמונית.

בצירי הינע מכאניים, תמסורות נדרשות להתמודד עם כוחות רדיאלים וציריים, בנוסף למומנט הנדרש להעברה. תמסורת פלנטרית מסוגלת להעביר כוחות גבוהים יותר מאשר תמסורות הרמוניות. לרוב תמסורות הרמוניות קטנות יותר, אך כדי להתמודד עם כוחות אלו, לעיתים יש צורך ברכיבים נוספים שמסבכים את התכנון, מגדילים את הנפח ומייקרים את המערכת. יכולת הנשיאה של תמסורת פלנטרית את הכוחות המתפתחים בציר יכולה להוות יתרון משמעותי ביחס לשימוש בתמסורות ההרמוניות, וזה יתבטא בהפחתת הצורך במיסוב ומיגון לציר ההינע וכן הקטנת נפח המערכת ואף הוזלת עלות המערכת.

מבחינת נצילות, לתמסורות הפלנטריות של היצרן הגרמני WITTENSTEIN, נצילות של 97% הינה כסטנדרט עבור שלב בודד, ועבור שני שלבים ערך הנצילות הוא כ- 95% בעומס מלא. ערכים אלו אינם ברי השגה בתמסורת הרמונית. לתמסורות הרמוניות נצילות נמוכה של 80-90%. הערך תלוי במהירות, ובמהירויות נמוכות הנצילות נמוכה עד כדי 10%. המשמעות של הנצילות הנמוכה היא אובדן אחוז מסוים מהמומנט שהמנוע מספק, וכדי לפצות על כך נדרש מנוע גדול יותר או יחס הפחתה שונה. לאור הנצילות הגבוהה, תמסורת פלנטרית מאפשרת לעיתים שימוש במנוע קטן יותר מזה הנדרש עבור תמסורת הרמונית, דבר שמוזיל את עלות המערכת.

יחס ההפחתה המקסימאלי של תמסורת פלנטרית תעשייתית עומד על 1:10 לשלב אחד. כאשר משווים בין יחסי ההפחתה, בתמסורות הרמוניות ניתן להגיע ליחסי ההפחתה גבוהים עד פי 30 מאשר תמסורות פלנטריות בגודל זהה. עם זאת, יחסי הפחתה נמוכים אינם אפשריים לאור המבנה המיוחד של התמסורות ההרמוניות והן מוגבלות ליחס הפחתה מינימאלי של 1:35. בתעשייה ישנן אפליקציות רבות הדורשות יחס הפחתה נמוך, ובמקרים אלו לא ניתן להשתמש בתמסורות הרמוניות.

מודולריות, אמינות ואחידות

בנוסף, תמסורות פלנטריות הינן מודולריות. לדוגמא, ניתן להוסיף מספר שלבים של יחסי הפחתה, ובכך לקבל מגוון רב של יחסי הפחתה, ולהגיע ליחסי הפחתה גבוהים בהשוואה לתמסורות הרמוניות. אחד השלבים יכול להיות זוויתי, קוני,חלזוני או היפואידי, מה שמאפשר להעביר את כיוון התנועה ב-90 מעלות ביחס לציר האפליקציה, וזהו יתרון חשוב כאשר קיימות מגבלות ממדיות. כמו כן ישנה וורסטיליות רבה גם בממשק היציאה, וניתן לקבל את התמסורת הפלנטרית עם פלאנג', ציר סטנדרטי, ציר עם שגם, פיניון, ואף קדח עובר (כאשר משלבים שלב זוויתי). מבחינת ממשק הכניסה, כל תמסורת פלנטרית מסופקת עם לוחית מתאמת שונה, כך שניתן להתממש לסוגים שונים של מנועים. כחלק מהאפשרויות שמציעה היצרן WITTENSTEIN, ניתן לקבל את התמסורות גם עם צבע מיוחד נגד קורוזיה, מוגנות פיצוץ, או עם שמנים מיוחדים המתאימים לתעשייה צבאית או תעשיית המזון ועוד

מבחינה טכנית, תמסורות הרמוניות מאופיינות בהתנהגות לא ליניארית. מחקרים שביצעו חוקרים שונים מראים שיחס ההפחתה אינו ליניארי ומשתנה כתלות במהירות הסיבוב של התמסורת.

החיכוך בתמסורות הרמוניות גבוה, אינו אחיד, ותלוי במהירות הסיבוב ובמיקום של המסב הטבעתי הפנימי. באיור המצורף, ניתן לראות כיצד כוח החיכוך משתנה כתלות במהירות הסיבוב בתמסורת הרמונית. חוסר האחידות של החיכוך יוצרת אי-אחידות במומנט המועבר, דבר המשתקף במומנט ההתחלתי הדרוש להתנעת התמסורת, שגם הוא אינו קבוע. ערך הנצילות של התמסורת מושפע מהחיכוך, וערכו משתנה בהתאם למהירות ההפעלה ותנאי סביבה.

לפי כל האמור לעיל אנו מבינים כעת את היתרונות החשובים של תמסורת פלנטרית על פני הרמונית ואת האמינות הגבוהה אותה ניתן להשיג בציר ההנע המכני בשימוש בתמסורות פלנטריות בכלל ובתמסורות מבית  WITTENSTEIN  בפרט.

אפיון ובחירה נכונים של תמסורת

בבואנו לאפיין תמסורת פלנטרית ודרישות ציר הינע ,אנו נבדוק ראשית מה דרישות הבקלש לאורך כל חיי התמסורת ומה גודל המומנט המועבר וכך נבצע אלימנציה של רכיבים רבים אשר לא יתאימו לנו. חישוב ובדיקה אלו יכולים להיות מאתגרים ולשם כך יצרן התמסורות WITTENSTEIN פיתח תוכנת תכן ואופטימיזציה, תכנת ה CYMEX®5. התוכנה חינמית והמהווה כלי עזר למהנדסים, לצורך בחירת התמסורת המתאימה, והערכת אופטימליות מערכת ההנעה בשלמותה. התכנה יכולה לקחת בחשבון את כל אחד ממרכיבי המערכת, יחד או לחוד - האפליקציה המונעת, יחידות העברת תנועה (מסילות שיניים וכיו"ב), מנוע ותמסורת. התכנה יודעת להתחשב בכל אחד מהמאפיינים, תוך שימת דגש על השפעות עיקריות ועל דרישות לקוח מגוונות לפרמטרים השונים. על ידי כך, המערכת מציגה חישוב אמין ויעיל לבחירת התכן האופטימלי של מערכת ההנעה. לאחר אפיון ובחירת התמסורת המתאימה ביותר, ניתן לקבל מהמערכת מסמך המציג את החישובים שבוצעו בציר ההינע, בנוסף לשרטוט ומודל של התמסורת.

תמסורת אפס בקלש GALAXIE

בשנת 2013 היצרן WITTENSTEIN פיתח תמסורת מסוג חדש, מבוססת תנועה ציקלואידית, אך בעלת קשיחות גבוהה לפיתול ועמידות במומנט וכוחות צד גבוהים ביחס לאותו נפח תמסורת של תמסורת פלנטרית. ה GALAXIE הינה תמסורת בעלת אפס בקלש, בזכות המהפכנות של צורת העברת ההינע המתבטאת במגע כמעט תמידי בין חלקי ההנעה הפנימיים של התמסורת בזמן העברת הכוח והמהירות . תנועה זו מאפשרת מגע כמעט תמידי בין השיניים של התמסורת בשטח הגדול פי 6 וחצי משילוב שיניים המקובל בתמסורות העברת כוח.

בתחום הקינמיטקה GALAXIE הינה יחידה מסוגה בעולם-אשר בה מספר רב של שיניים נפרדות סביב טבעת השיניים הפנימית. גיאומטריית השיניים יוצרת צורה של ספירלה לוגריתמית במהלך תנועת התמסורת, דבר המאפשר העברת כוח רב דרך גלגלי השיניים. מערכת ההנעה Galaxie® מביאה לשילוב של תכונות אשר לא היה ניתן להשיג עד כה- דיוק גבוה מאוד – אפס בקלש גם בתנאי הקיצון- תוך שמירה על תכונות הקשיחות של התמסורת וכן הצורה הספירלית שהשיניים יוצרות במהלך תנועתן, מבטיחה דיוק אופטימלי. תמסורת זו מסופקת יחד עם מערכת ההינע החשמלי (מנוע, אנקודר, בלם וכו') או בנפרד כתמסורת ישרה, או עם שלב זוויתי, לבחירת הלקוח.

סיכום

לאורך המאמר הוצגו מספר יתרונות של תמסורות פלנטריות בהשוואה לתמסורות הרמוניות. האם תמסורת פלנטרית טובה מתמסורת הרמונית? האם היא מדויקת יותר? מה כדאי? התשובה אינה חד משמעית, אך ניתן לומר בביטחה כי כאשר נדרשים אמינות ודיוק באפליקציה עם העברת מומנט גבוה או עם כוחות צד- התמסורת הפלנטרית תהווה בחירה מתאימה יותר.

אנו המהנדסים במדיטל הייטק נשמח לקבל את פנייתכם, לבחון את האפליקציה, לסייע באפיון וחישוב, שימוש בתכנת CYMEX5 ולהציע פתרונות מתאימים עבורכם.

מקורות מידע:

1. T. Marilier and J.A Richard 1989, “Non-linear mechanic and electric behavior of a robot axis with a “harmonic-drive” gear”

2.https://wenku.baidu.com/view/fe24678e5fbfc77da369b111.html