סיבובי גלגל שיניים: הגדרה, תקנים ויישומים מעשיים

1. הבנת תקני סיבוב גלגל שיניים​
ייצור גלובלי תורם למערכות סובלנות סטנדרטיות כדי להבטיח עקביות ותאימות הדדית. הסטנדרטים הנפוצים ביותר כוללים את ISO 1328, תקן בינלאומי שפותח על ידי הארגון הבינלאומי לסטנדרטיזציה שמכסה סובלנות של גלגלי שיניים גליליים. באמריקה הצפונית, סטנדרט ה-AGMA 2000/2015 של איגוד יצרני הגלגלים האמריקאי נפוץ מאוד עבור גלגלי שיניים תעשייתיים ואוטומotive. התקן הלאומי של סין GB/T 10095 שקול ל-ISO 1328, בעוד שהתקן הגרמני DIN 3962 ממקד בעיקר סובלנות של פרופיל שן הגלגל ופסיעה. אם כי התקנים הללו נבדלים במעט בקטגוריות ובשיטות מדידה, הם משתפים מדדים עיקריים להערכת דיוק הגלגלים.
2. סוגי סובלנות גלגלים עיקריים
דיוק הגלגלים מסווג לסטיה פרטנית—שגיאות של גלגל בודד—וסטיה מורכבת, השערה מודדת את ביצועי ההטמעה של זוגות גלגלים.
2.1 סטיות פרטניות
סובלנות זו מגדירה את שגיאות הייצור של גלגל שיניים בודד, ומשפיעה ישירות על היכולת שלו להתאמה חלקה עם גלגלי שיניים אחרים. סטיית הפית' (fpt) מתייחסת להפרש בין הפית' של שן בפועל לבין הפית' התיאורטי; גם סטיות קטנות בנקודה הזו יכולות לגרום לרטט, רעש וירידה בחלמינות ההעברה. סטיית הפרופיל (fα) מתארת עד כמה הפרופיל של השן בפועל סוטה מהעקומה האידיאלית של היפוך, סטייה שמדליפה את חוזק המגע ומעמיקה גם את הרעש וגם את הבלאי. עבור גלגלי שיניים ספירליים, סטיית הספירלה (fβ) היא קריטית - היא מודדת את השוני בין קו הספירלה בפועל לבין הקו התיאורטי, וסטייה מוגזמת יוצרת התפלגות לא אחידה של העומס על פני השן, ומקצרת את תוחלת החיים. סטיית מסלול השן (Fβ) היא שגיאת השיפוע של פני השן לאורך הרוחב שלה, מה שגורם לעומס חלקי ומאיץ את בלאי השן. לבסוף, רדיאל ראנאאוט (Fr) הוא ההפרש בין המרחק הרדיאלי המקסימלי למינימלי מציר הגלגל למדידה הנמצאת בחריץ השן, מדד זה משקף את האקסצנטריות שמפריעה ליציבות ההתאמה.
2.2 סטיות מורכבות
סובלנות מורכבת מעריכה עד כמה צמד גלגילים מתקבעים נכון, גורם קריטי לאיכות המעבר הכוללת. סטיית סיבוב רדיאלית (Fi'') היא השינוי המקסימלי במרחק המרכזים במהלך סיבוב מלא של הגלגיל, ומהווה מדד כללי לדقة הכוללת של צמד הגלגילים. סטיית סיבוב משיקית (Fi') מודדת את שגיאת המעבר במהלך ההתקבצות, ומשפיעה ישירות על דיוק המעבר ורמות הרעש. רווח אחורי (jn) – הרווח בין פנמות השיניים שאינן פעילות בצלם גלגילים – יוצר איזון בין גמישות ורעש, ומונע נעילה בישומים במהירות גבוהה.
3. דרגות דיוק גלגיל ובחר דרגה
3.1 סיווג דרגות (לפי ISO 1328)
ISO 1328 מחלקת דיוק גלילים ל-13 דרגות, החל מהדרגה 0 (הדיוק הגבוה ביותר) ועד הדרגה 12 (הנמוך ביותר). בפועל, הדרגות מחולקות לקבוצות לפי יישום. דרגות דיוק אולטרא-גבוהות (0–4) משמשות לייצור מכשירי מדידה מדויקים, מערכות הנעה בחלל, ומגנטורים מהירים, ותומכות במהירות קווית מקסימלית של מעל 35 מטר לשנייה לגלילים ישרים ו-70 מטר לשנייה לגלילים שיניים אלכסוניים. דרגות דיוק גבוהות (5–7) אידיאליות לתיבת הילוכים אוטומotive, צירים précisiוניים במכונות עיבוד, וגלילים בתעופה, עם טווח מהירויות של 10–20 מטר לשנייה לגלילים ישרים ו-15–40 מטר לשנייה לגלילים אלכסוניים. דרגות דיוק בינוניות (8–9) נפוצות בתיבת גלילים תעשייתיות כלליות, תיבת הילוכים טרקטורים, ו펌פות, עם מהירויות בתנודת 2–6 מטר לשנייה לגלילים ישרים ו-4–10 מטר לשנייה לגלילים אלכסוניים. דרגות דיוק נמוכות (10–12) שמורות ליישומים עם עומס נמוך כמו במכשורים חקלאיים וכלי עבודה ידניים, עם מהירויות מתחת ל-2 מטר לשנייה לגלילים ישרים ו-4 מטר לשנייה לגלילים אלכסוניים.
3.2 עקרונות לבחירת דרגות הדיוק
בעת בחירת דרגת דיוק, התחשבות ראשונה היא בדרישות המעבר: תיבת הילוכים מהירה (מעל 20 מטר לשנייה) מחייבת דרגות 5–7, תיבת הילוכים ביניימית (5–20 מטר לשנייה) מתאימה לדרגות 6–8, ותבת הילוכים איטית (מתחת ל-5 מטר לשנייה) יכולה להשתמש בדרגות 8–10. יעילות עלות היא גורם מפתח נוסף – תיבות הילוכים מדויקות במיוחד (דרגות 0–5) דורשות תהליכי ייצור מתקדמים כמו גימורי שיניים ואיתור עקבי, מה שמעלה את העלות, ולכן יש להימנע מדרישה מוגזמת אלא אם כן היא הכרחית. לבסוף, התאמה של זוגות תיבות הילוך יכולה לספק אופטימיזציה של הביצועים והעלות: תיבת הילוכים נעה יכולה להיות בדרגה אחת גבוהה יותר מתיבת הילוכים מניעה (לדוגמה, תיבת הילוכים נעה בדרגה 6 המשויכת לתיבת הילוכים מניעה בדרגה 7).
4. הגדרת סובלנות מעשית ואופטימיזציה
4.1 חישוב סובלנות קריטיות
השחיתות (jn) נשלטות על ידי סיבולת עובי השיניים ומחושבות באמצעות הנוסחה: jn = Esns₁ + Esns₂ ± Tsn, כאשר Esns מייצג סטיית עליונה של עובי השיניים, Esni היא סטיית תחתונה של עובי השיניים, ו-Tsn היא סיבולת עובי השיניים. עבור גלגילים מהירים, השחיתות בדרך כלל היא בטווח של (0.02–0.05) × m, כאשר m הוא המודול. עבור גלגילים מסורגים, סטיית הספירלה (fβ) צריכה להיות ≤ 0.1 × b (כאשר b הוא רוחב השן) כדי להבטיח התפלגות עומס אחידה על פני השן.
4.2 דוגמה להוספת הערות בשרטוט הנדסי
הוספת הערות על סיבולות ברורים בשרטוטים הנדסיים היא הכרחית להנחיית הייצור. הערה טיפוסית לגלגיל בדרגת דיוק 6 עשויה לכלול: "דיוק גלגל שיניים: ISO 6; סטיית פיתול כוללת (Fp): 0.025 מ"מ; סטיית פרופיל כוללת (Fα): 0.012 מ"מ; סטיית ספירלה כוללת (Fβ): 0.015 מ"מ; סטיות עובי שיניים: Esns = -0.05 מ"מ, Esni = -0.10 מ"מ." רמת הפרט הזו מובילה לכך שיצרנים יבינו את דרישות הדיוק המדויקות.
4.3 אתגרים נפוצים ופתרונות
רעש גדול במערכות הילוכים נובע לעיתים קרובות ממיסוט פיתול גדול מדי או מרווח אחורי לא מספק. הפתרון הוא לשפר את דיוק הפיתול ולתjust את עובי השן כדי להגדיל את ה backlash בצורה מתאימה. בלאי לא אחיד של השיניים נובע לרוב מהסתעפות מחוץ לגבולות הסובלנות; איזון של מדריכי מכונת הילוק ותjust של זווית התקנת הכלים יכולים לפתור את הissue הזה. תקיעת תמסורת מתרחשת בדרך כלל כאשר עובי השן גדול מדי או שה backlash קטן מדי, מה שניתן לתקן על ידי שיפרון עובי השן או החלפת זוגות הילוכים לא תואמים.
5. סיכום
עיצוב סבלנות גלגל שיניים הוא איזון בין ביצועים, עלות ויתירות לייצור. על ידי בחירת דרגות דיוק מתאימות, שליטה בסטיות מרכזיות כמו פית' (pitch), פרופיל והלייקס, ואופטימיזציה של הפלט (backlash), מהנדסים יכולים להבטיח שגלגלי שיניים עומדים בדרישות היישום תוך מינימום עלויות ייצור. טכנולוגיות בדיקה מתקדמות - כמו מכונות מדידה קואורדינטיביות (CMMs) ואנליטיקות גלגל שיניים - מאפשרות אימות סבלנות מדויק, ותומכות במערכות תמסורת מכאניקליות אמינות ויעילות.
בין אם מדובר בגלגלי שיניים עבור תעופה וחלל במהירות גבוהה או במכשור חקלאי עם עומס נמוך, שליטה בסבלנות גלגל שיניים היא בסיס לעיצוב מכאניקלי מוצלח.