עקרונות תיכון מערכת מכנית (נכתב ע"י עודד רייכספלד)

 

 

פתיחה

בפרק "הגדרה ומיון של מערכות מכניות" הגדרנו מהי "מערכת מכנית". בפרק זה נתייחס למאפיינים, חומרים , מבנה וכוחות הקיימים במערכת מכנית.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


התבונן בזוג האופניים שלפניך.

האופניים ככל מוצר תעשייתי עברו תהליך של פיתוח ותכנון טרם הוחלט על ייצורם.  הוגדר צורך וכמענה לו תוכננו האופניים.

 

 

בטרם תעבור לדף הבא נסה לערוך רשימה מלאה ככל האפשר של הדרישות העומדות בפני מתכנן האופניים.

לדוגמא : האופניים יסיעו בנוחות נוסע בוגר.


הצורך תורגם למערכת הדרישות הבאה ( רשימה חלקית...):

-         האופניים ינועו למרחק של עשרות קילומטרים.

-         האופניים ינועו על כבישים או על דרכי עפר כבושות.

-         האופניים יונעו על ידי הרוכב בלבד ללא הזדקקות למקור אנרגיה אחר.

-         האופניים ישאו משקל אדם ( נאמר עד 150 ק"ג…).

-         משקל האופניים יהיה מינימלי ולא יעלה על 10 ק"ג.

-         האופניים לא יחלידו בגשם.

-         האופניים ישככו זעזועים וקפיצות שיווצרו כתוצאה מאי ישרות פני הדרך.

-         האופניים ינועו גם בלילה.

-         חלקי האופניים הנעים יהיו עמידים בפני שחיקה.

-         הרוכב ישב בנוחות ( יחסית ) כל משך הנסיעה.

-         האופניים יבלמו בפרק זמן ( ודרך ) מינימלי.

-         האופניים יבלמו אף אם יכשל אחד הרכיבים.

-         פגיעת הרוכב תהיה מינימלית בעת תאונה או בלימת חירום.

-         האופניים יהיו יציבים בזמן נסיעה ולא יפלו לצדדים.

-         לאופניים תהיה יכולת היגוי (פניה ימינה או שמאלה).

 

מבנה האופניים עשוי לתת מענה לדרישות. בעת התכנון יבחרו חומרים מתאימים ויערכו חישובי כוחות וחוזק שיבטיחו עמידות וכושר פעולה של האופניים. המתכנן יתחשב בכל האילוצים אך יאלץ להתפשר על כמה מהם. לדוגמא: אופניים רגילות לא יעמדו בפני מהמורה שגובהה מעל סנטימטרים ספורים.

 


כיצד יתגבר תכנון האופניים על הדרישות ?

הבט בסכמת האופניים וברשימת הדרישות. רשום ליד כל דרישה את המענה לה כפי שבא לידי ביטוי בתכנון האופניים :

 

המענה

הדרישה

 

תנועה למרחק

 

תנועה על כבישים

 

הנעה על ידי הרוכב בלבד

 

נשיאת משקל אדם

 

משקל עצמי נמוך

 

עמידות בפני חלודה

 

שיכוך זעזועים

 

תנועת לילה

 

חלקים עמידים בשחיקה

 

ישיבה נוחה

 

יכולת בלימה

 

אמינות בלימה

 

פגיעה מינימלית בתאונה

 

יציבות

 

היגוי

 

 השווה תשובתך


מאפייני מערכת מכנית

 

האופניים מהווים מערכת מכנית טיפוסית. מהם מאפייני המערכת המכנית וכיצד הם באים לידי ביטוי באופניים? המערכת המכנית דומה למחשב. היא מהווה שילוב של רכיבים הפועלים יחד כדי לבצע משימה. המערכת המכנית פועלת על פי הסכמה הבאה:

 

קלט תהליך פלט

 

 

 

 

 

 

 

 

 


רשום ליד כל תכונה ( מאפיין) ברשימה הבאה האם וכיצד היא מוצאת את ביטויה בתכנון האופניים:

 

 

ביטוי באופניים

התכונה

 

העברת תנועה

 

העברת כוח

 

העברת אנרגיה

 

חלקים נעים

 

עמידות בעומסים

 

שינוי כיוון תנועה / כוח

 

שינוי אופי תנועה / כוח

 

 

השווה תשובתך

 


העברת תנועה , כוח ואנרגיה

 

 

 

לפניך מנגנון לגלגול ידני של תריס גלילה.

סיבוב הטבעת סביב הציר האנכי יגרום לסיבוב המוט המרובע סביב הציר האופקי. התריס נגלל על צינור אופקי המחובר בהמשך המוט המרובע.

 

השלם :

 

ביטוי במנגנון הגלילה

התכונה

 

כוח בכניסה

 

תנועה בכניסה

 

כוח ביציאה

 

תנועה ביציאה

 

השווה תשובתך


 

 

עמידה בעומסים משתנים

 

 המאמץ הנדרש מהמערכת המכאנית להסעת מכונית במישור קטן מזה הנדרש להסעתה בעלייה.

לדוגמא: ממסרת הלוכים מאפשרת תנועה בעומסים שונים תוך ניצול מלוא תפוקתו של המנוע.

 

עמידה בתנאי סביבה

אדם יכול להגן על גופו מפני גשם ניתן להתגונן בדרכים הבאות:

-         לא לצאת מהבית כאשר יורד גשם.

-         לעטות כיסוי עמיד בפני מים.

-         לשאת מטריה.

-         לתכנן מסלול "יבש".

 

גם מערכות מכניות נדרשות לגלות עמידות בפני תנאי הסביבה שבה הן פועלות.

 

ערוך רשימה של גורמי סביבה העלולים להזיק למערכות מכניות וכיצד ניתן להתגונן מפניהם.

השווה תשובתך

 

שחיקה ובלאי

החלקים מהם מורכבת המערכת המכנית מתחככים זה בזה ונשחקים. חלק שחוק עלול לשבש את פעולת המערכת ואף להשבר ולגרום לכשל ( הפסקת תפקוד תקין ). כפי שניתן לעכב הזדקנות בעזרת שמירה על אורחות חיים נכונים כך גם במערכות המכניות.

Chain Drive
 


איך נלחמים בשחיקה ?

-          צמצום אזורי חיכוך.

-          הקטנת אזורי החיכוך.

-          ליטוש שטחים הבאים במגע עם גוף אחר.

-          מסבים ( עליהם נדון בפרק טז ).

-          איטום בפני כניסת מזהמים (בעיקר אבק ) לאזורי החיכוך.

-         שימון וגירוז המפחיתים את מקדם החיכוך והקפדה על החלפת שמנים תקופתית ( לשמן יש אורך חיים מוצהר על ידי היצרן ועם סיומו הוא מאבד את תכונותיו ).

 

גורמי הרס נוספים :

-         עומס יתר – שבר,כניעה.

-         מכות חום.

-         התעייפות החומר ( התפתחות סדקים לאחר פעילות ממושכת ).

 

הפסקת פעילות או התראה מוקדמת בשל עומס יתר

 

כפי שקיימים התקנים המונעים כשל מערכת חשמל בשל עומס יתר ( נתיכים , ממסרי ניתוק ) כך גם במערכות מכניות ניתן לשלב "נתיכים".

לדוגמא : "פין גזירה" - פין המחבר בין שני חלקי מערכת הנגזר ( נקרע ) בכוח נתון. כוח גזירה גדול מהמותר יגרום לניתוק ושיתוק המערכת.

 קיים התקן אלקטרוני המודד התארכות ( strain gage ). ניתן להדביקו על חלקי מערכת ולקבל באמצעותו התראה מוקדמת על כשל קרב.

 

מחזור חיים :

 

Folding bikeלכל מערכת ( מכנית או אחרת ) מחזור חיים המונה כמה תחנות עיקריות:

-          הכרת הצורך

-          פיתוח

-          ייצור

-          תפקוד

-          בלאי , כשל

-           סיום הצורך או הופעת מערכת חדשה טובה יותר הדוחקת את המערכת הישנה

 

לדוגמא האופניים החדישות שבתמונה עשויות להחליף את האופניים המוצגות בתחילת פרק זה.

 

 


חומרים :

 

 פרקים ח' וט' במערך זה דנים בחומרים המשמשים לבניית חלקי מערכות מכניות. החומרים משתייכים לקבוצות הבאות :

-          יסודות - חומרים טהורים.

-          מתכות.

-          חומרים פלסטיים.

-          חומרים קרמיים.

-          חומרים מרוכבים – חומרים המשלבים מרכיבים מכמה קבוצות.

 

 

 

 

 

 

 

 

טבלת היסודות ( החומרים הבסיסיים ) בטבע ( הטבלה של מנדלייב )

 

 

 


כוחות

 

 ניתן להגדיר מספר סוגי של כוחות המופעלים על מערכת מכנית או שהיא מפעילה על אחרים :

-          כוח קבוע - כוח שאינו משתנה עם הזמן. לדוגמא: משקל.

-          תנודות קבועות – כוח פועם המשתנה בתדירות קבועה. לדוגמא: רעידות של מנוע. כוח משתנה – כוח המשנה את גודלו עם הזמן ולא באופן מחזורי. לדוגמא: הכוח המופעל על חלקי מנוף במהלך יום העבודה.

 

מדידת ביצועים

ביצועיהן של מערכות נמדדים בעזרת כלי או מערכת מדידה. ניתן למדוד אורכים, כוחות, סיבובים, זמן וכן שילובים של גורמים אלו כמו מהירות, תאוצה, הספק ועוד.

דיוק מערכת המדידה צריך להיות גבוה מזה של המערכת הנמדדת. לדוגמא ביצועי מחרטה (מכונה לעיצוב גופים גליליים בעזרת מנוע ותפסנית המסובבים את הגוף וסכין חיתוך נייחת המוצמדת אליו ) שהדיוק המוצהר שלה הוא בסדר גודל של עשירית המ"מ ימדדו במכשיר שדיוקו הוא בסדר גודל של מאית המ"מ.

כיוון מכשיר המדידה נעשה באמצעות שתי פעולות שונות : כיול ואיפוס.

כיול – השוואה ותיקון של המידה הנמדדת במכשיר בעזרת מכשיר מדויק ממנו.

איפוס – הצבת גבול המידה במקומו.

 

כיצד מאפסים שעון ? וכיצד מכיילים אותו ? תשובה.

 

מדידת מרחק דיגיטלית ( מדידת מרחק ממוחשבת ) בין שני גופים: על גוף אחד מסמנים לסירוגין קווים שחורים ולבנים. על הגוף השני ממקמים עינית ("רזולבר") המבחינה בהבדל הצבעים ומשדרת אותות למחשב בכל החלפת צבע. המחשב מונה את מספר החלפות הצבעים וממיר אותם למרחק. רזולברים ממוקמים גם בעכבר המחשב ומודדים את תזוזותיו, הם משמשים כמדי מרחק לרובוטים וניתן בעזרתם למדוד גם תנועה זוויתית. לדוגמא : זווית הגבהה של תותח נמדדת בעזרת רזולבר המוקם בסמוך לציר ההגבהה.

 

מדידת כוח :

מדידה מכנית – דריכת קפיץ ומדידת מידת השתנות האורך.

מדידה אלקטרונית – הדבקת מד מעוות ( strain gage ) על מרכיב במערכת שאנו יודעים בכמה הוא אמור להתארך בעת הופעת כוח עליו ( הנושא ידון בפרק ד " תכונות חומרים " בפסקה הדנה בתכונות המכניות) ותרגום ממוחשב של שינוי האורך לכוח מדוד.

 

 כאשר נדרשת מדידה מרחוק או שיש למדוד מספר רב של ערכים יש יתרון בולט לאמצעי המדידה האלקטרוניים.

אצירת ( אחסון ) אנרגיה והחזרתה.

 בכל מערכת ( מכנית , חשמלית , אלקטרונית , הידראולית , פניאומטית וכו' ) הפועלת ברציפות נדרש אלמנט האוגר אנרגיה בעת פעילות סדירה ומשחרר אותה בעת מחסור.

 במערכת חשמלית משמש המצבר כלי קיבול לעודפי אנרגיה ויכולת לשחררה ברגעי מחסור (לדוגמא : התקן U.P.S  למחשב הממשיך לספק זרם בזמן הפסקת חשמל ).

במערכת אלקטרונית זה אחד מתפקידי הקבל.

במערכות הידראוליות ופניאומטיות משולב מצבר לחץ לתוכו נדחס גז.

במערכות מכניות אפשרויות אצירת האנרגיה מוגבלות, להלן כמה מהן:

-         המרה לאנרגיה חשמלית ואחסונה במצברים ( לדוגמא – במכונית).

-         הנעת גלגל תנופה (במנועים גדולים).

-         דחיסת גז (לדוגמא – מערכת ההנעה של טנקי T55 הרוסיים).

-         דריכת קפיץ (לדוגמא – שעון מכני).

-         הנפת מוצקים (לדוגמא – משקולת נגדית של מעלית).

-         שאיבת נוזל כלפי מעלה (רעיון חדשני שהוצע במסגרת פרוייקט תעלת הימים).

 

שיכוך רעידות

 רעידות דומות לתנודות של נדנדה. אם בכל פעם שהנדנדה תגיע לקצה תנועתה נוסיף לה מעט אנרגיה בדחיפה היא תגביר יותר ויותר את שיא התנועה שלה. הרעדת אלמנט של מערכת מכנית עלולה להביא אותו להרס. (אחד הגורמים להרס גשר המכבייה ולקריסת רצפת אולם ורסאי היו הרעידות שנוצרו מתנועת האנשים עליהם). רעידות ניתן לשכך באופנים הבאים:

-         הקשחת המבנה.

-         שילוב מרסנים/בולמי זעזועים הסופגים את האנרגיה שברעידות.

 

 

בליעת רעש ( אקוסטי )

 

חיכוך בין גופים שונים במערכת יוצר רעש. לעיתים הרעש מפריע לסביבה בה פועלת המערכת. ניתן להפחית רעש בשתי דרכים:

-         צמצום יצירת הרעש על ידי הקטנת חיכוך או התאמה טובה יותר של חלקי המערכת.

-         בליעת הרעש:

o        איטום אקוסטי בין המערכת ובין האזור המתלונן על הרעש. לדוגמא : קירות סופגי רעש המוצבי בצידי הדרכים המהירות באזורים מיושבים.

o        יצור " רעש נגדי " בעזרת מערכת קול מתוחכמת. הרעש הנגדי משתיק ומבטל את הרעש המקורי (שיטה חדשנית המיושמת בשדות תעופה).

 

 

מקורות כוח למערכת מכנית

 אדם או בעל חיים אחר הדוחפים את אחד מחלקי המערכת.

  מערכת מכנית שכנה.

 מנועים:

מנוע קיטור – מנוע שהומצא ע"י המדען ואט  שעל שמו נקראת יחידת ההספק (WATT). המצאת מנוע הקיטור היוותה  פריצת דרך טכנולוגית אדירה מאחר ועד והמצאתו היו  מקורות ההספק הזמינים רק כוח אדם או בעלי חיים. מנוע הקיטור שולב בהמצאות כלי הרכב שאפשרו תנועת  אנשים ומטענים לטווחים ארוכים, במהירויות גבוהות ובמשקלים גדולים. מנוע הקיטור היה נפוץ עד תחילת המאה העשרים. המנוע כולל דוד מים , מערכת חימום  לדוד ומכסה הנע בכוח האדים הנפלטים ממים שהפכו לקיטור ( מים שחוממו בנפח מוגבל לטמפרטורה שמעל  לC0 100 ).

 

קטר רכבת מצוייד במנוע קיטור : העשן השחור נוצר משריפת הדלק ( פחם ). ה "עשן" הלבן – אדי המיים שמקורם בקיטור.

 

 

 מנוע חשמלי – מנוע המחובר למקור כוח חשמלי ( רשת חשמל או  סוללות חשמליות ) ויוצר תנועה סיבובית של צירו.

 

 מנוע בעירה פנימית – מנוע בו נשרף דלק ( בנזין , סולר , גז וכו' ) והגזים הנפלטים מסובבים ציר.

 

 מנוע הידראולי – מנוע הפועל באופן הפוך למשאבה. הזרמת נוזל ( בדרך כלל – שמן הידראולי) בלחץ לפתח הכניסה של המנוע גורמת לסיבוב צירו.


מנוע סילון – מנוע המונע בדס"ל ( דלק סילוני – דלק בעל אוקטן  גבוה) , בעל הספק גבוה , משמש להנעת מטוסים.

 

מנוע סילון ( במעבדה )

 

 


איתני הטבע ש"נרתמו" למערכת מכנית:

 

 שמש – חימום נוזלים וגרימה לתנועתם.

 

 זרימת מים (בנהר) או אויר (רוח) – טורבינה

 הופכת תנועה קווית של נוזל או גז לתנועה

 סיבובית.

 

טורבינת רוח

גלי הים – מצופים המונעים על ידי גלי הים.

 


סיכום ודיון:

 

ענה על השאלות הבאות:

 

        ?          מהם המאפיינים של המערכת המכנית ?

 

        ?          מהן התכונות הנדרשות מהחומרים מהם עשויים רכיבי המערכת המכנית ?

 

        ?          מהם האיומים העומדים בפני הפעילות התקינה של המערכת המכנית ?

 

        ?          מהם סוגי הכוחות המופעלים על המערכת ?

 

        ?          האם יתכן עתיד ללא מערכות מכניות ? ( התשובה אינה מובנת מאליה – לדוגמא:  קיימות מערכות רבות המאפשרות תנועה ואינן מערכות מכניות).

 


נספחים

הענות לדרישות תכנון האופניים

 

המענה

הדרישה

שלד מתכת חזק

תנועה למרחק

שני גלגלים בקוטר המתאים לתנועה על כביש

תנועה על כבישים

הנעה בעזרת דוושות לרגלי הרוכב

הנעה על ידי הרוכב בלבד

שלד מתכת חזק

נשיאת משקל אדם

שלד צינורות חלולים, מתכות קלות, חישוק הגלגל מחובר בחוטים דקים

משקל עצמי נמוך

צבע , ציפויים (כרום, ניקל ), מתכות אל-חלד (נירוסטה, אלומיניום)

עמידות בפני חלודה

צמיגי גומי מנופחים אוויר, קפיצים במושב, בולמי זעזועים לגלגלים (דגמים חדישים)

שיכוך זעזועים

פנס קדמי ואחורי, מחזירי אור על הכנפיים ועל הדוושות, פסים זוהרים

תנועת לילה

הצבת מיסבים בין הגלגלים לציריהם

חלקים עמידים בשחיקה

מושב ארגונומי ( מותאם לצורת הגוף )

ישיבה נוחה

בלמים לגלגלים

יכולת בלימה

3 מערכות בלימה נפרדות ( קדמי , אחורי ובחלק מהדגמים גם בלם רגל )

אמינות בלימה

יכולת התנתקות קלה של הרוכב

פגיעה מינימלית בתאונה

הגלגלים מיוצבים על פי עיקרון הג'יירוסקופ

יציבות

כידון המאפשר הטיית גלגל קדמי

היגוי

 


 

תכונות מערכת מכנית באופניים

 

 

ביטוי באופניים

התכונה

תנועת הרגל מועברת לסיבוב האופן ( הגלגל ) האחורי.

תנועת היד מועברת להטיית הכידון

העברת תנועה

הכוח שמפעילה הרגל מתורגם לכוח הנדרש לסיבוב האופן האחורי

העברת כוח

האנרגיה המושקעת על ידי הרוכב מועברת לגלגל האחורי המתקדם באמצעות הגלגלי שיניים ושרשרת

העברת אנרגיה

דוושות , שרשרת , גלגלים , כידון

חלקים נעים

עומס סטטי ( קבוע ) – משקל הרוכב

עומס דינמי – הכוח הנדרש להניע את האופניים

עמידות בעומסים

הנעת מכלול הדוושות נעשית בכיוון ניצב לדוושה (וכיוון זה משתנה כל הזמן) השרשרת מושכת בכיוון אופקי

שינוי כיוון תנועה / כוח

תנועה סיבובית של הדוושות יוצרת תנועה קווית של השרשרת

שינוי אופי תנועה / כוח

 

תכונות מערכת מכנית במנגנון תריס הגלילה

 

ביטוי במנגנון הגלילה

התכונה

סיבוב טבעת הכניסה ע"י האדם המפעיל

כוח בכניסה

התנועה הסיבובית האנכית של הטבעת

תנועה בכניסה

סיבוב הציר האופקי בכוח המאפשר הרמת התריס

כוח ביציאה

התנועה הסיבובית האופקית של המוט המרובע

תנועה ביציאה

 


 

גורמי סביבה העלולים להזיק ואופן התגוננות מפניהם :

 

אופן ההתגוננות

הסיכון

הגורם

כיסוי אטום לכל המערכת

סינון האוויר הבא במגע עם המערכת

כיסוי אטום לאיזורי החיכוך

שחיקה

אבק

כמו אופן ההתגוננות מאבק

ציפוי או צביעה בחומר עמיד

ייבוש האוויר

שימוש בחומרי מבנה עמידים למיים או לחומר

 הכימי

קורוזיה

מיים

חומרים

 כימיים

 מעכלים

הגבלת תנועה

הוספת אלמנטי מיגון שלא יאפשרו את המגע

הצבת המערכת במרחב מוגן

שבר

מגע פיזי עם חפץ זר

הרחקה ממקור החום/קור

בידוד טרמי

הוספת אלמנט לקירור/חימום עצמי

 

המסה , שריפה

 או הסדקות.

אי יכולת לבוא

 במגע עם

 המערכת.

חום או קור קיצוניים

הוספת אלמנט הצובר אנרגיה בשיא ומשחרר אותה בחוסר.

פעולה לא סדירה של המערכת

אספקה לא רצופה של אנרגיה

ייצוב המערכת בעזרת בולמי זעזועים

שיבושים ושברים

רעידות

ריתום

הכנסת כוחות הרוח בחישובי החוזק

טלטול,שבירה,

 העפה

רוחות

בידוד אקוסטי

בולמי זעזועים

הרעדה

גלי קול

מגן עמיד בפני קרינה

מסנן קרינה

חימום / שריפה

קרינה

 

הערה : בטבלה נמנו "איומים" רבים:

-         לא כל איום מאיים על כל מערכת.

-         לא כל פתרון מוצע מתאים לכל מערכת.

-         טבלה חלקית בלבד. ניתן להוסיף לטבלה זו שורות נוספות רבות.

 

איפוס וכיול של שעון :

 

איפוס נעשה כאשר אנו מתאימים את הזמן המוצג בשעון לאות זמן מדוייק יותר, כגון אות הזמן לפני החדשות ברדיו או אות הזמן של שירות 155 בטלפון.

כיול של שעון יד נעשה על ידי שען המשנה את תדירות פעימותיו (יש ידית מיוחדת במנגנון השעון למטרה זו) כך שתתאים לפעימות שעון מדוייק יותר שברשותו. ניתן לכייל גם על סדרת פעולות תיקון: כאשר השעון " ממהר " להאט אותו ולהפך. שעון מטוטלת מכיילים בעזרת שינוי גובה המטוטלת.

 

 

 

 

 

   

 

 

 

בחזרה לתפריט הראשי