تروس موجة الإجهاد

تروس الموجة الإجهادية (المعروفة أيضًا باسم التروس التوافقية ) هي نوع من أنظمة التروس الميكانيكية التي تستخدم عمودًا مرنًا بأسنان خارجية، والذي يتم تشويهه بواسطة قابس بيضاوي دوار ليتشابك مع أسنان التروس الداخلية لعمود خارجي.

قامت الشركة الألمانية Harmonic Drive SE بتصنيع أولى التروس المنتجة بكميات كبيرة تحت اسم المنتج أو العلامة التجارية المسجلة Harmonic Drive.

تتميز تروس الموجة الإجهادية ببعض المزايا مقارنة بأنظمة التروس التقليدية مثل التروس الحلزونية أو الكوكبية ، بما في ذلك:

• لا ردود فعل سلبية ،
• صغر الحجم وخفة الوزن،
• نسب تروس عالية،
• نسب قابلة لإعادة التشكيل ضمن غلاف قياسي،
• دقة جيدة وقابلية تكرار ممتازة (تمثيل خطي) عند إعادة وضع الأحمال بالقصور الذاتي، ^{[ 1 ]}
• قدرة عالية على عزم الدوران،
• أعمدة إدخال وإخراج متحدة المحور. ^{[ 2 ]}

من الممكن تحقيق نسب تخفيض عالية للتروس في حجم صغير (نسبة من 30:1 إلى 320:1 ممكنة في نفس المساحة التي تنتج فيها التروس الكوكبية عادةً نسبة 10:1 فقط).

وتشمل العيوب ميلًا إلى "الالتواء" (معدل زنبرك الالتواء) في منطقة عزم الدوران المنخفض.

تُستخدم تروس الموجة الإجهادية بشكل شائع في الروبوتات ^{[ 3 ]} والفضاء الجوي ^{[ 4 ]} . يمكنها توفير تخفيض التروس، ولكن يمكن استخدامها أيضًا لزيادة سرعة الدوران ، أو للتروس التفاضلية .

طُرح المفهوم الأساسي لتروس الموجة الانفعالية (SWG) من قِبل سي دبليو موسر في براءة اختراع عام 1957 ^{[ 5 ] [ 6 ]} عندما كان مستشارًا في شركة يونايتد شو ماشينري (USM). استُخدمت هذه التقنية بنجاح لأول مرة عام 1960 من قِبل شركة USM، ولاحقًا من قِبل شركة هاسيغاوا جير ووركس بموجب ترخيص من USM. لاحقًا، أصبحت هاسيغاوا جير ووركس تُعرف باسم هارمونيك درايف سيستمز في اليابان، وأصبح قسم هارمونيك درايف في شركة USM يُعرف باسم هارمونيك درايف تكنولوجيز. ^{[ 7 ] [ 8 ]} في عام 1971، خلال مهمة أبولو 15 التابعة لناسا، تم تشغيل مركبة التجوال القمرية (LRV) بواسطة محرك كهربائي واحد لكل عجلة - موصولة بتروس هارمونيك درايف بنسبة 80:1. ^{[ 9 ]}

تعتمد آلية التروس الموجية على مرونة المعدن. تتكون هذه الآلية من ثلاثة مكونات أساسية: مولد الموجات (2/أخضر)، وعمود مرن (3/أحمر)، وعمود دائري (4/أزرق). تحتوي النسخ الأكثر تعقيدًا على مكون رابع يُستخدم عادةً لتقصير الطول الإجمالي أو لزيادة نسبة التخفيض ضمن قطر أصغر، ولكنها تظل تتبع نفس المبادئ الأساسية.

يتكون مولد الموجات من جزأين منفصلين: قرص بيضاوي يُسمى قابس مولد الموجات ، ومحمل كروي خارجي. يُدخل القابس البيضاوي في المحمل، مما يُجبر المحمل على التوافق مع الشكل البيضاوي مع السماح في الوقت نفسه بدوران القابس داخل المحمل الخارجي.

يأخذ الموصل المرن شكل كوب ضحل. جوانبه رقيقة للغاية، بينما قاعدته صلبة نسبيًا. ينتج عن ذلك مرونة كبيرة في جدران الطرف المفتوح نظرًا لرقة الجدار، وصلابة كافية في الجانب المغلق لتثبيته بإحكام (على عمود، على سبيل المثال). تتوزع الأسنان شعاعيًا حول الجزء الخارجي من الموصل المرن. يُركّب الموصل المرن بإحكام فوق مولد الموجات، بحيث عندما يدور قابس مولد الموجات، يتشوه الموصل المرن ليأخذ شكل قطع ناقص دوار ولا ينزلق فوق الحلقة البيضاوية الخارجية لمحمل الكرات. يسمح محمل الكرات للموصل المرن بالدوران بشكل مستقل عن عمود مولد الموجات.

الوصلة الدائرية عبارة عن حلقة دائرية صلبة ذات أسنان داخلية. توضع الوصلة المرنة ومولد الموجات داخل الوصلة الدائرية، حيث تتعشق أسنان الوصلة المرنة مع أسنان الوصلة الدائرية. ولأن الوصلة المرنة مشوهة إلى شكل بيضاوي، فإن أسنانها تتعشق فعلياً مع أسنان الوصلة الدائرية في منطقتين فقط على جانبي الوصلة المرنة (الواقعتين على المحور الرئيسي للقطع الناقص).

لنفترض أن مولد الموجة هو مصدر الدوران. مع دوران قابس مولد الموجة، تتغير مواضع أسنان التعشيق المرنة، المتشابكة مع أسنان التعشيق الدائري، ببطء. يدور المحور الرئيسي لقطع ناقص التعشيق المرن مع مولد الموجة، لذا تدور نقاط تعشيق الأسنان حول المركز بنفس سرعة دوران عمود مولد الموجة. يكمن سر تصميم ترس الموجة الانفعالية في قلة عدد أسنان التعشيق المرن (عادةً سنّان أقل، على سبيل المثال) مقارنةً بالتعشيق الدائري. هذا يعني أنه مع كل دورة كاملة لمولد الموجة، يجب أن يدور التعشيق المرن مسافةً طفيفة (سنّان في هذا المثال) للخلف بالنسبة للتعشيق الدائري. وبالتالي، ينتج عن دوران مولد الموجة دوران أبطأ بكثير للتعشيق المرن في الاتجاه المعاكس .

بالنسبة لآلية التروس ذات الموجة الإجهادية، يمكن حساب نسبة تخفيض التروس من عدد الأسنان الموجودة على كل ترس، بطريقة مشابهة لمحرك الدوران الحلقي :

${\displaystyle R={\frac {{\text{أسنان السبلاين المرنة}}-{\text{أسنان السبلاين الدائرية}}}{\text{أسنان السبلاين المرنة}}},\quad -1<R<0}$

لاحظ أن مقلوب نسبة التخفيض يُشار إليه أحيانًا بنفس العبارة والرمز.

على سبيل المثال، إذا كان هناك 202 سنًا على الترس الدائري و200 سنًا على الترس المرن، فإن نسبة التخفيض هي  (200 - 202) / 200 = -0.01    

وبالتالي، يدور العمود المرن بسرعة 1/100 من سرعة قابس مولد الموجات وفي الاتجاه المعاكس. تُضبط نسب التخفيض المختلفة بتغيير عدد الأسنان. ويمكن تحقيق ذلك إما بتغيير قطر الآلية أو بتغيير حجم كل سن على حدة، وبالتالي الحفاظ على حجمها ووزنها. ويُحدَّد نطاق نسب التروس الممكنة بحدود حجم الأسنان لتكوين معين.

تنطبق نسبة التخفيض هذه على التكوين الذي يكون فيه الشريط الدائري ثابتًا، ومولد الموجة هو المدخل، والشريط المرن هو المخرج. في حالة دوران الشريط الدائري أيضًا، فإن العلاقة التالية قائمة بين السرعات الدورانية للأجزاء الثلاثة: ^{[ 10 ]}

${\displaystyle \omega _{FS}=R\omega _{WG}+(1-R)\omega _{CS}}$

انتبه إلى ذلك${\displaystyle R}$سالبة وصغيرة.

تضمنت العجلات التي تعمل بالكهرباء في مركبة أبولو القمرية تروسًا تعمل بتقنية الموجات الانفعالية. ^{[ 11 ]} كما تم تشغيل الرافعات المستخدمة في محطة سكايلاب لنشر الألواح الشمسية باستخدام تروس الموجات الانفعالية.

• شركة نيدك-شيمبو أمريكا
• محرك حلقي
• مضخة تمعجية

• شرح المبادئ الكامنة وراء تروس الموجة الإجهادية (يوتيوب)
• عرض توضيحي لوظيفة محرك التوافقيات (يوتيوب)