גלגל שיניים הוא הרכיב הבסיסי ביותר בכל מערכת הכוללת חלקים נעים. מטרתו של גלגל השיניים היא להעביר תנועה מרכיב סובב אחד לאחר. למשל, להעביר תנועה בין שני צירים מסתובבים על ידי העברת התנועה בין גלגל שיניים אחד לאחר. נסביר מהם גלגלי שיניים, וכיצד הם פועלים.

גלגל שיניים [1, 2]

הוא רכיב מכונה עגול וסובב, שבמרכזו קדח עגול שבו עובר ציר (גליל ארוך), המסתובב ביחד עם גלגל השיניים. בקצהו ישנן שיניים שבאות במגע עם שיניו של גלגל שיניים נוסף. מגע זה נקרא תשלובת או תמסורת. על ידי מגע זה ניתן להעביר תנועה סיבובית מגלגל שיניים אחד לאחר. בנוסף, גלגלי השיניים מעבירים ביניהם כוח סיבובי המאפשר תנועה סיבובית של רכיבים מכניים. כוח זה נקרא "מומנט" [3]. כשם שכוח לאורך ציר הוא בעצם דחיפה או משיכה, מומנט הוא בעצם פיתול או כפיפה - הפעלת כוח משיק לציר, בניגוד להפעלת כוח לאורכו. לדוגמה, כשאנו פותחים בקבוק יין אנחנו מושכים את הפקק, ואילו כשנפתח בקבוק קולה נצטרך להפעיל עליו מומנט. דוגמה נוספת למומנט היא פתיחת ברגי גלגלים ברכב בזמן החלפת גלגל. אנחנו ממקמים את מפתח הברגים על הבורג שאנו רוצים לפתוח, ובעזרת הפעלת כוח על המוט המחובר אליו אנו מפעילים מומנט אשר משחרר את נעילת הבורג. 

מומנט אשר פועל על גלגל שיניים גורם לו להפעיל כוח בכיוון גלגל השיניים שאיתו הוא בא במגע ולהניע אותו בכיוון מסוים. הפעלת מומנט גדול יותר פירושו הפעלת כוח רב יותר לסיבוב גלגל השיניים המונע, שתגרום לו להסתובב מהר יותר.

אחד מסוגי תמסורת גלגלי השיניים הנפוצים בעולם נקרא תמסורת פלנטרית. בתמסורת זו משתלבים כמה גלגלי שיניים המניעים זה את זה ומהווים חלק ממנגנון מכני גדול, כמו למשל תיבת הילוכים של רכב. התמסורת נקראת פלנטרית מאחר שבמרכז התמסורת מסתובב סביב צירו גלגל שיניים המכונה שמש, וסביבו מסתובבים גלגלי שיניים המכונים פלנטות. הפלנטות מחוברות ביניהן בזרוע הנעה יחד איתן בתנועה סיבובית והיא שומרת על מרחק קבוע בין הפלנטות. בהיקפה החיצוני של התמסורת הפלנטרית יושב גלגל שיניים אשר, בשונה משאר גלגלי השיניים, שיניו פנימיות (ראו תמונה). גלגל שיניים זה מכונה "זֵר". שיניו הפנימיות של הזר מאפשרות לו לתחום את התמסורת הפלנטרית ולאפשר לפלנטות לבצע את סיבובן מסביב לשמש. בעוד הזרוע והשמש מאפשרות לפלנטות להסתובב מסביב לשמש, הזֵר מאפשר לפלנטות להסתובב בה-בעת גם סביב עצמן. אם שיניו של הזֵר לא היו מתנגדות לתנועת הפלנטות הן פשוט היו מסתובבות כיחידה אחת מסביב לשמש אך ללא סיבוב סביב צירן.

דוגמא לתמסורת פלנטרית [4]: במרכז התמסורת קיים ציר המחובר לשמש, הקדח במרכז כל גלגל שיניים משמש גם כן למעבר ציר במרכזם.

היחס בין מספר השיניים של גלגלי השיניים אשר משתלבים זה בזה נקרא יחס תמסורת. יחס התמסורת הוא גם היחס ההפוך בין מהירויות הסיבוב של גלגלי השיניים. בהנחה שכל השיניים זהות, יחס התמסורת נקבע על ידי היחס בין מספר השיניים של גלגל שיניים אחד למספר השיניים של גלגל שני. לדוגמה, אם לגלגל שיניים אחד ישנן 20 שיניים, ולגלגל נוסף הבא איתו במגע ישנן 40 שיניים, יחס התמסורת ביניהם הוא 2 או חצי, תלוי בכיוון העברת התנועה ביניהם. יחס התמסורת הוא גם היחס בין קוטר גלגלי השיניים. כלומר, קוטרו של הגלגל בעל 40 השיניים גדול פי 2 מקוטרו של בעל 20 השיניים. במקרה כזה, גלגל השיניים הגדול יותר יסתובב פי 2 לאט יותר מגלגל השיניים הקטן, ולכן יחס התמסורת שווה ל-2.

בתשלובת של שני גלגלי שיניים נהוג לכנות את גלגל השיניים הקטן "פיניון", ואת גלגל השיניים הגדול "גיר". באופן זה נוצרת "תשלובת הפחתה", שבה הציר הנושא את הפיניון מסתובב מהר יותר מהציר הנושא את הגיר, וכך נוצרת הפחתה במהירות הסיבוב. בה בעת נוצרת גם עלייה במומנט אשר נוצר במערכת. כלומר, תשלובת גלגלי השיניים מעבירה מומנט אשר מוכפל ביחס התמסורת בין גלגלי השיניים.

בעזרת תמסורות גלגלי שיניים ניתן להעביר מומנט והספק בין מערכות מכניות ולהניע מכונות מורכבות. למשל, מנוע הרכב שלנו מסתובב במהירות של כמה אלפי סיבובים בדקה. ציר המחובר למנוע הרכב מתחבר לתמסורת גלגלי שיניים (ולמערכות מכניות נוספות) המייצרת יחס תמסורת גבוה, שמאפשר להעביר את התנועה ממנוע הרכב לגלגליו הדוחפים את הקרקע בעזרת מומנט רב. ניתן לחבר מספר תמסורות פלנטריות ביחד על מנת לאפשר כמה הילוכים ויחסי תמסורת שונים, ובין היתר לאפשר גם סיבוב בכיוון הפוך: כלומר לאפשר לרכב לנוע במהירויות שונות ואף בהילוך אחורי.

מקורות וקריאה נוספת:

[1] Budynas, Richard G. & Nisbett, J. Keith. "Shigley's mechanical engineering design 10th ed. in SI units. Singapore: McGraw-Hill, 2014

https://www.academia.edu/36971594/mechanical-disgin-shigley-10_th_edition_FPS_uints_.pdf

[2] Norton, Robert L., "Machine design: An Integrated Approach.", 2nd ed. Boston, Mass., Pearson, 2013

https://www.academia.edu/10697467/Design_Of_Machinery_-_Robert_Norton_2Nd_Edition

[3] הסבר מפורט למהו מומנט, מהאתר Khan Academy: https://www.khanacademy.org/science/physics/torque-angular-momentum/torque-tutorial/a/torque

[4] הסבר על תשלובות גלגלי שיניים ועל תמסורות פלנטריות, מתוך ויקיפדיה: https://en.wikipedia.org/wiki/Epicyclic_gearing