גלגל שיניים

גלגל שיניים הוא גלגל אשר בהיקפו מסודרות שיניים במרחקים שווים אחת מן השנייה, אשר נועד להעביר מומנט (שילוב של כוח ותנועה) לגלגל שיניים נוסף או לכל רכיב משונן אחר. שיני הגלגל מעוצבות כך שמידת החיכוך, הרטט והרעש יהיו מינימליים, בעוד שהעברת הכוח תהיה מקסימלית. בצמד גלגלי שיניים, כאשר גלגל אחד מסתובב לכיוון מסוים, הגלגל השני מסתובב בכיוון ההפוך.

תמסורת גלגלי שיניים

גלגל ופס שיניים

מערכת גלגלי שיניים, שנקראת גם תמסורת, כוללת פעמים רבות גלגלי שיניים בגדלים שונים.

מומנט בגלגל שיניים אחד יכול להפוך למומנט גדול יותר בגלגל שיניים אחר שיהיה אטי יותר או למומנט יותר קטן בגלגל שיניים אשר מהירותו תהיה גדולה יותר. מערכת כזו מצויה בתיבת הילוכים של מכונית. מערכת זו אינה יכולה להגביר את כמות האנרגיה, שכן אינה מגבר, להפך, אנרגיה הולכת לאיבוד במערכת בעקבות חיכוך. מטרת התמסורת היא להעביר באמצעות גלגלי השיניים תנועה מהמקום שבו היא נוצרת (מנוע או כלי היגוי) אל המקום שבו היא נחוצה.

המומנט הנוצר יכול לעבור לכוח קווי באמצעות מערכת גלגל ופס שיניים (rack and pinion), שמצויה במכוניות בהעברת סיבובי ההגה לציר הגלגלים ובמערכת המגבים. מערכת מורכבת מגלגל שיניים פשוט ופס משונן שניתן לחשוב עליו כעל גלגל שיניים עם רדיוס אינסופי.

צמדים של גלגלי שיניים סובלים מרמות חופש (backlash) – טעויות הנוצרות ברגע שגלגל שיניים משנה את כיוונו. נניח שבעת תנועה באחד הכיוונים, חלקה הקדמי של שן הגלגל המניע דוחפת את חלקה האחורי של שן הגלגל המונע. כאשר התמסורת משנה את כיוונה, הצד האחורי של שן הגלגל המניע הוא זה שדוחף את הצד הקדמי של שן הגלגל המונע. כתוצאה מכך קיים רגע מסוים בעת שינוי הכיוון שבו לא פועל כוח על הגלגל המונע. משמעות הדבר היא שברגע מסוים, קיימת תנועה שנכנסת למערכת ואין תנועה שיוצאת ממנה. תכנון נכון של מערכת גלגלי התמסורת יכול למזער את הנזק שנגרם מזה. יש סוגים רבים של גלגלי שיניים.

גלגלי שיניים שונים

• תמסורת גלגלי שיניים רגילים המעבירים תנועה סיבובית בין שני צירים מקבילים.
• תמסורת בין פס שיניים לבין גלגל שיניים המעבירים תנועה סיבובית לתנועה קווית או להפך.
• תמסורת גלגלי שיניים לוליינים המעבירים תנועה סיבובית בין צירים מקבילים או בין צירים לא מקבילים.
• תמסורת גלגלי שיניים משופעים המעבירים תנועה סיבובית בין צירים נחתכים.
• תמסורת חלזון וגלגל שיניים המעבירה תנועה סיבובית בין צירים שאינם מקבילים וצירים שאינם נחתכים.
• תמסורת פלנטרית המעבירה תנועה סיבובית בין גלגל שיניים מרכזי המכונה גם "שמש" לבין מספר גלגלי השיניים הרוכבים עליו והמכונים "כוכבים". יחס ההעברה בין השמש לכוכבים, מיועד בדרך כלל להגברה או הקטנת מומנט או להגביר או להקטין סיבובים. דוגמה לשימוש בתמסורת היא בתיבת הילוכים ברכב.

גלגלי שיניים משופעים

חילזון וגלגל שיניים

תמסורת פס שיניים וגלגל שיניים

ִ

מהירויות ומומנטים

תמונת מערכת גלגלי שיניים

• יחס המהירויות הסיבוביות של הגלגלים עומד ביחס הפוך לרדיוסים שלהם ובנוסף, התנועות הסיבוביות של הגלגלים הן בכוונים מנוגדים.

${\frac {\omega _{1}}{\omega _{2}}}=-{\frac {r_{2}}{r_{1}}}$

• יחס המומנטים בצירי הגלגלים עומד ביחס ישר לרדיוסים של הגלגלים ובנוסף, מומנטי הפיתול על הצירים הם בכוונים מנוגדים.

${\frac {\tau _{1}}{\tau _{2}}}=-{\frac {r_{1}}{r_{2}}}$

מחגר משונן (ראצ'ט)

סכמה של מחגר משונן

מחגר משונן, מוכר גם כ"ראצ'ט" הוא התקן מכני המאפשר לגלגל השיניים להסתובב בכיוון אחד בלבד.

מנגנון זה מורכב מגלגל שיניים ולשונית, ובמקרים רבים גם קפיץ המצמיד את הלשונית אל הגלגל. בין גלגל השיניים ללשונית ישנה זווית המאפשרת ללשונית לנוע במקרה של תנועה לכיוון אחד או להינעץ בין השיניים ולמנוע את תנועתן במקרה של סיבוב לצד השני. ישנם ראצ'טים המאפשרים לברור את כיוון הסיבוב. למשל, מברגים עם ראצ'ט מאפשרים לבחור את כיוון הנעילה – פתיחה, סגירה או נעילה מלאה.

הראצ'ט משמש במגוון תחומים: כלי עבודה – מברגים ומפתחות ברגים; מנופי הרמה ידניים, כננות ורצועות קשירה ; דלתות מסתובבות וכן באופניים.

לקריאה נוספת

• McGraw-Hill Encyclopedia of Engineering, Sybil P. Parker Editor in Chief. 1983 McGraw-Hill Book Company, ISBN 0-07-045486-8
• Mechanical Engineering Design, Joseph E. Shigley & Carles R. Mischke McGraw-Hill International, 6th Ed. 2001, ISBN 0-07-118186-5

קישורים חיצוניים

• חלקי מכונות
• אנציקלופדיה לתמסורות, ד"ר גיר באנגלית
• תגלית: גלגל שיניים עוזר לחרק לקפוץ, מאת "הזנב הארוך" 13 בספטמבר 2013
• גלגל שיניים, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• גלגלי שיניים, דף שער בספרייה הלאומית