مقارنة بين ناقلات الحركة ذات حزام التوقيت MXL و S2M (أسنان شبه منحرفة مقابل أسنان منحنية)

1. مقدمة

تم تطوير أحزمة التوقيت ذات الأسنان شبه المنحرفة لأول مرة من قبل الشركة الأمريكية Uniroyal Rubber في عام 1964 وتم اعتمادها تدريجياً لتطبيقات النقل الميكانيكي.

الشكل 1: شكل سن حزام متزامن ذو أسنان شبه منحرفة

في هذا النوع من أحزمة التوقيت - الذي يتميز بملف أسنان شبه منحرف - تكون جوانب الأسنان خطوطًا مستقيمة. يؤدي هذا الشكل الهندسي المحدد إلى تركيز إجهاد شديد عند جذور الأسنان، مما يقلل، عند السرعات العالية، من عمر الحزام وقدرته على تحمل الأحمال. علاوة على ذلك، تُصدر هذه الأحزمة مستويات عالية من الضوضاء والاهتزاز أثناء نقل الحركة، مما يحد من سرعة التشغيل القصوى. كشف تحليل الإجهاد الضوئي المرن اللاحق أن توزيع الإجهاد داخل ملف الأسنان شبه المنحرف غير متساوٍ للغاية، حيث يُظهر تركيزًا كبيرًا للإجهاد عند الجذر؛ مما يجعل الأسنان عرضة للكسر والتلف. بالإضافة إلى ذلك، تشغل مساحة التلامس الفعلية لتحمل الحمل للسن شبه المنحرف حوالي ثلث مساحة جانب السن الكلية فقط، مما يشير إلى أن هذا التصميم لا يستغل كامل إمكانات تحمل الحمل لأسنان الحزام.

في عام 1973، طورت شركة يوني رويال حزام توقيت ذو سن منحني أحادي (يُعرف باسم HTD؛ ويتوافق مع المعيار المحلي JB/T 7512.1). قلل هذا التصميم بشكل فعال من "تأثير المضلع" المتأصل في أنظمة نقل الحركة بالأحزمة، وحقق توزيعًا أكثر توازنًا للإجهاد، مما أدى إلى انتشاره على نطاق واسع. مع ذلك، لوحظ لاحقًا أنه مع زيادة سرعات النقل عن حد معين، تعود هذه الأحزمة ذات الأسنان المنحنية لتوليد الضوضاء، وتُظهر انخفاضًا ملحوظًا في كفاءة النقل. ونتيجة لذلك، في عام 1977، عدّلت شركة جوديير الأمريكية شكل هذا السن لإنتاج حزام التوقيت ذي السن المنحني ذي السطح المستوي (STPD). حسّن هذا التصميم بشكل كبير ديناميكيات تدفق الهواء عند لحظة تعشيق أسنان الحزام مع أسنان البكرة، مما قلل بشكل كبير من مقاومة التخميد الهوائي - وهي ظاهرة ترتبط عادةً بالتعشيق عالي السرعة.

الشكل 2: شكل سن حزام متزامن ذو أسنان منحنية STPD

شهدت الصين في السنوات الأخيرة نموًا سريعًا في القطاعات المحلية لمعدات المراقبة الأمنية، وأنظمة مؤتمرات الفيديو، والطابعات، وآلات التصوير، مما أدى إلى انتشار استخدام أحزمة التوقيت في هذه الأجهزة. ونظرًا لأن هذه الأجهزة الصغيرة تتطلب عادةً طاقة نقل منخفضة نسبيًا وسرعات تشغيل متوسطة، فإنها تستخدم في الغالب أحزمة صغيرة الحجم. وإلى جانب شرط انخفاض مستوى الضوضاء، فإن أهم معايير الأداء لهذه التطبيقات هي عمر الخدمة ودقة النقل الزاوي. وقد صُممت سلسلة أحزمة التوقيت MXL وS1.5M وS2M خصيصًا لتلبية هذه المتطلبات بدقة. حاليًا، لا يزال المصنعون المحليون - بما في ذلك الشركات الرائدة - يستخدمون محركات أحزمة التوقيت MXL على نطاق واسع. في المقابل، اعتمد المصنعون في الخارج - وخاصة في اليابان - محركات أحزمة التوقيت ذات المقطع العرضي STPD على نطاق واسع للأجهزة الإلكترونية الصغيرة، مثل الآليات الداخلية للأجهزة المالية والطابعات وآلات التصوير.

على الرغم من اختلاف شكل أسنان أحزمة التوقيت MXL وS2M، إلا أن تباعد أسنانها متقارب جدًا: تباعد أسنان MXL هو 2.032 مم، بينما تباعد أسنان S2M هو 2.000 مم. وبالتالي، يمكن استخدامهما في أنظمة القيادة نفسها. لهذا السبب، اخترت هذين النوعين من الأحزمة لإجراء تحليل مقارن، مما يسمح بتقييم واضح لمزايا وعيوب كل فئة من فئات أحزمة التوقيت. استنادًا إلى أكثر من عقد من البحث والاختبارات المقارنة في أنظمة قيادة معدات المراقبة المالية والأمنية، يتفوق حزام S2M باستمرار على حزام MXL من حيث عمر الخدمة ودقة النقل.

2. التحليل المقارن

2.1 مقارنة شكل الأسنان

لنبدأ بمقارنة شكل أسنان الحزامين. في الشكل أدناه، يمثل الخط الداكن شكل أسنان حزام التوقيت S2M، بينما يمثل الخط الفاتح شكل أسنان حزام التوقيت MXL. يبلغ سمك قاعدة كلا الحزامين 0.6 مم، إلا أن أسنان حزام S2M أعرض بشكل ملحوظ من أسنان حزام MXL، خاصةً عند الجذر. علاوة على ذلك، فإن نصف قطر تقوس سن S2M (R0.2) أكبر من نصف قطر تقوس سن MXL (R0.13). بافتراض تطابق مواد الحزامين، يتمتع حزام S2M بقوة هيكلية فائقة مقارنةً بحزام MXL، مما يُمكّنه من نقل طاقة أكبر. في المقابل، إذا كانت متطلبات نقل الطاقة متطابقة، فإن حزام S2M سيوفر عمرًا أطول من حزام MXL.

بالمقارنة مع البكرات، تميل قوة البنية ومقاومة التآكل لحزام التوقيت نفسه إلى أن تكون أقل قليلاً؛ وبالتالي، غالباً ما يمثل الحزام العامل المحدد لعمر الخدمة الإجمالي وقدرة تحمل نظام القيادة. ويعود ذلك إلى أن جسم الحزام يتضمن عادةً عناصر تقوية - مثل الأسلاك الفولاذية أو حبال الألياف الزجاجية - مما يجعل الأسنان المكونات الهيكلية الأضعف نسبياً.

الشكل 3: مقارنة بين شكلين متزامنين لأسنان الحزام (أسنان شبه منحرفة MXL وأسنان منحنية S2M)

يعالج نظام نقل الحركة بحزام التوقيت ذي الأسنان المقوسة هذه المشكلة عن طريق زيادة سُمك أسنان الحزام لتعزيز متانته الهيكلية، مع تقليل سُمك أسنان البكرة بشكل طفيف (مما يقلل من متانتها الهيكلية). يتوافق هذا التصميم بشكل أفضل مع متطلبات التطبيق العملي، مما يؤدي إلى تحسين شامل في كل من عمر الخدمة وقدرة تحمل الأحمال. يمكننا أيضًا الحصول على بيانات محددة حول هذه النقطة من الكتيبات الفنية التي توفرها شركة ميتسوبوشي بيلتينج (اليابان)؛ يرجى الرجوع إلى الجداول أدناه (يُعرض هنا جزء منها):

• الشكل 4: سعة نقل الطاقة الأساسية لأحزمة التوقيت MXL (جزئي)

• الشكل 5: سعة نقل الطاقة الأساسية لأحزمة التوقيت S2M (جزئي)

• الشكل 6: عزم الدوران المسموح به لنقل الحركة لأحزمة التوقيت MXL (جزئي)

• الشكل 7: عزم الدوران المسموح به لنقل الحركة لأحزمة التوقيت S2M (جزئي)

لاحظ أن العرض القياسي لحزام التوقيت S2M الموضح أعلاه هو 4 مم، بينما يبلغ العرض القياسي لحزام التوقيت MXL 6.4 مم. سواءً أخذنا في الاعتبار قدرة النقل المسموح بها أو عزم النقل المسموح به، يتفوق حزام S2M على حزام MXL بنسبة 50% على الأقل. وإذا تم توحيد هذه الأرقام وفقًا لعرض حزام شائع، فسيكون تفوق أداء حزام S2M على حزام MXL أكثر وضوحًا.

2.2 مقارنة خصائص التعشيق

بعد ذلك، دعونا نقارن خصائص تعشيق أحزمة التوقيت والبكرات المقابلة لها.

• الشكل 8: مقارنة ظروف التعشيق لنوعين من أحزمة التوقيت (MXL مقابل S2M)

• الشكل 9: الأبعاد الأساسية لنوعين من بكرات التوقيت (MXL مقابل S2M)

مقارنة صور الشبكة الفعلية:

• الشكل 10: التعشيق الفعلي لحزام التوقيت والبكرة من نوع MXL

• الشكل 11: التعشيق الفعلي لحزام التوقيت والبكرة من نوع S2M

كما يُلاحظ، وبما يتوافق مع الشكل النظري لأسنان سير التوقيت، توجد فجوة ملحوظة بين سير التوقيت MXL وبكرته؛ فعند تحريك السير يدويًا، يُمكن إدراك انزلاق طفيف وواضح. في المقابل، لا توجد فجوة مرئية بين سير التوقيت S2M وبكرته؛ فعند تحريك السير، لا يُمكن تمييز أي انزلاق بالعين المجردة. يُظهر سير التوقيت MXL فجوات واضحة عند كل من جوانب الأسنان وأطرافها، مما ينتج عنه "تأثير مضلع" أكثر وضوحًا مقارنةً بسيور التوقيت ذات شكل الأسنان المنحني.

كما هو موضح في الأشكال أعلاه، فإن شكل سن حزام التوقيت MXL أصغر من شكل أخدود البكرة. يبلغ مجموع الخلوصات النظرية على جانبي سن الحزام حوالي 0.2 مم، أي أن الخلوص يمثل حوالي 18% من عرض السن. علاوة على ذلك، فإن ارتفاع السن البالغ 0.51 مم أقل من عمق الأخدود المقابل البالغ 0.64 مم. عند تعشيق حزام التوقيت S2M مع بكرته، تتطابق أبعاد أسنان الحزام وأخاديد البكرة تقريبًا، مما ينتج عنه خلوص ضئيل. نظريًا، يبلغ مجموع الخلوصات على جانبي سن واحد من الحزام حوالي 0.08 مم، أي ما يعادل حوالي 6% من عرض السن. بالإضافة إلى ذلك، يتطابق ارتفاع السن وعمق الأخدود تمامًا عند 0.76 مم، مما يضمن انعدام الخلوص في الاتجاه الرأسي (ارتفاع السن).

بناءً على هذا التحليل لخلوص التعشيق، يتضح أنه في حال عدم كفاية الشد المُطبق على سير التوقيت - مما يؤدي إلى انزلاق السير على البكرة - فإن دقة نقل الحركة ستتأثر حتمًا. نظريًا، تُعد دقة نقل الحركة في نظام سير التوقيت MXL أقل نوعًا ما من دقة نظام S2M. من الناحية الهندسية البحتة، يبلغ الخطأ الزاوي لسير MXL تقريبًا (حيث Z2 هو عدد أسنان البكرة المُدارة) 18% × 360°/Z2؛ في المقابل، يبلغ الخطأ الزاوي لسير S2M تقريبًا 6% × 360°/Z2. مع ذلك، في التطبيقات العملية، غالبًا ما يُحافظ على شد السير عند مستوى عالٍ نسبيًا - مما يقلل الانزلاق - ما يعني أن الدقة الفعلية المُحققة تتجاوز عادةً هذه القيم النظرية.

في أحزمة التوقيت من نوع MXL، يقتصر التلامس على جذور الأسنان وقمم البكرة، مما يؤدي إلى تركيز عالٍ نسبيًا للإجهاد، وبالتالي يحد من أقصى شد يمكن أن يتحمله الحزام. في المقابل، تتلامس أحزمة التوقيت من نوع S2M مع البكرة عند كل من أطراف الأسنان وجذورها، مما ينتج عنه توزيع أكثر تجانسًا للقوة. وهذا يقلل بشكل كبير من "تأثير المضلع". علاوة على ذلك، فإن عملية التعشيق - التي يسهلها شكل الأسنان المنحني للحزام - أكثر سلاسة بشكل ملحوظ؛ وبالتالي، توفر أحزمة S2M التي تتميز بهذه الأسنان المنحنية قدرة تحمل فائقة وعمر خدمة أطول.

3. الاختبار التجريبي

في هذا التقييم، تم اختيار كاميرا مراقبة PTZ (بان-تيلت-زوم) لتقييم دقة قدراتها على تحديد المواقع مسبقًا. تم اختبار نظامي نقل مختلفين: أحدهما يستخدم أسنانًا من نوع MXL والآخر يستخدم أسنانًا من نوع S2M. استخدم كلا النظامين نفس طراز المحرك؛ باستثناء بكرات وأحزمة القيادة الخاصة بكل منهما، ظلت جميع المكونات الأخرى داخل المجموعة متطابقة تمامًا. يعمل نظام نقل الكاميرا عبر محورين دورانيين، كما هو موضح في الشكل 12. تحديدًا، عدسة الكاميرا قادرة على الدوران المستمر بزاوية 360 درجة حول المحور Z، بالإضافة إلى الدوران الترددي ضمن نطاق 110 درجة حول المحور Y؛ ويتم تشغيل كلتا الحركتين بواسطة أحزمة توقيت. لأغراض هذا الاختبار، ركزنا على آلية الدوران الرأسي، والتي تتميز بنسبة نقل تبلغ 1:4 (تتكون من بكرة قيادة ذات 20 سنًا وبكرة مدفوعة ذات 80 سنًا). استُخدم حزام MXL من طراز "180MXL" (بطول خطوة 365.76 مم)، بينما استُخدم حزام S2M من طراز "S2M364" (بطول خطوة 364 مم). وُضعت عدسة الكاميرا على بُعد 15.6 مترًا من مقياس القياس المرجعي.

الوضع المُسبق هو طريقة لربط منطقة رئيسية قيد المراقبة بالحالة التشغيلية لكاميرا PTZ. سواءً كان التحكم يدويًا أو مُبرمجًا، يُمكن لكاميرا PTZ الدوران إلى أي زاوية، والتي يُمكن بعد ذلك ضبطها وتخزينها كوضع مُسبق. يُعد استدعاء الوضع المُسبق وظيفة أساسية في كاميرات المراقبة PTZ. بغض النظر عن اتجاه عدسة الكاميرا الحالي، بمجرد استدعاء وضع مُسبق، ستدور الكاميرا بسرعة إلى ذلك الموقع المحدد.

الشكل 12: مخطط اختبار لمقارنة دقة ناقلات الحركة ذات الحزام التوقيتي

عند استدعاء وضعية مُسبقة عبر البرنامج، تدور كاميرا PTZ إلى الموقع المُطابق؛ إلا أنه غالبًا ما يحدث انحراف عن الوضعية الأصلية. وبصرف النظر عن تأثيرات البرنامج والمحرك، فإن العامل الرئيسي المُساهم في هذا الانحراف هو خطأ نقل الحركة بواسطة الحزام داخل آلية كاميرا PTZ. ولإزالة تأثيرات البرنامج والمحرك، أُجريت الاختبارات باستخدام وحدة كاميرا PTZ واحدة مُجهزة بنفس طراز المحرك طوال العملية. تم استبدال بكرات التوقيت وأحزمة التوقيت فقط؛ وبالتالي، كانت البكرات والأحزمة هي المتغيرات الوحيدة في التجربة. يُعد الانحراف الفعلي المُقاس خلال هذه الاختبارات مؤشرًا مباشرًا على دقة نقل الحركة في الواقع العملي التي يُحققها نظام حزام التوقيت MXL مُقارنةً بنظام حزام التوقيت S2M.

كما هو موضح في بيانات الاختبار في الجدول 1، يُظهر حزام التوقيت S2M دقةً أعلى بكثير من حزام التوقيت MXL في ظل ظروف التشغيل نفسها. عندما يتجاوز شد الحزام 25 نيوتن، فإن زيادة الشد لا تُحسّن الدقة إلا بشكل طفيف؛ وبعد 30 نيوتن، يصبح تأثير زيادة الشد على الدقة أقل أهمية. والجدير بالذكر أن حزام التوقيت S2M قادر على تحقيق دقة نقل فائقة حتى في ظل ظروف شد منخفضة نسبيًا. علاوة على ذلك، لوحظ أن خصائص التخميد لنظام الحركة لها تأثير كبير على دقة النقل.

الجدول 1: بيانات الاختبار المتعلقة بالانحرافات عند استدعاء المواضع المحددة مسبقًا (راجع البيانات الأصلية في المقالة)

4. بيانات اختبار قوة الشد

كما هو موضح في البيانات المقدمة من شركة باندو للصناعات الكيميائية في الشكل أدناه: يتكون كل من حزام التوقيت MXL وحزام التوقيت S2M من مواد مطاطية، ويشتركان في نفس السماكة الأساسية البالغة 0.6 مم. ونظرًا لتطابق تركيبهما المادي، فإن قوة الشد (المشار إليها باسم "قوة الكسر" في الرسومات الفنية) متقاربة جدًا. (ملاحظة: تشمل قيم سماكة الحزام الموضحة في المخططات ارتفاع الأسنان؛ تحديدًا، بينما يبلغ سمك قاعدة كل من حزام MXL وحزام S2M 0.6 مم، فإن السماكة الإجمالية - بما في ذلك الأسنان - تبلغ 1.1 مم لحزام MXL و1.31 مم لحزام S2M).

• الشكل 13: مواد وبنية حزام التوقيت MXL

• الشكل 14: مواد وبنية حزام التوقيت S2M

5. ملخص ومناقشة

باختصار، يتفوق حزام التوقيت S2M ذو الأسنان المنحنية على حزام التوقيت MXL ذي الأسنان شبه المنحرفة من حيث دقة النقل؛ وهذا يُعد ميزة رئيسية للأحزمة ذات الأسنان المنحنية. تتشابه متطلبات تركيب الأحزمة ذات الأسنان المنحنية مع متطلبات تركيب الأحزمة ذات الأسنان شبه المنحرفة؛ إلا أنها تتميز بعمر خدمة أطول وتستوعب نطاقًا أوسع من إعدادات الشد. من ناحية التكلفة، على الرغم من أن وزن وحدة العرض لحزام التوقيت S2M أعلى قليلاً، وقد تكون تكلفة العرض المكافئ أعلى بشكل طفيف (بنسبة 1.18 تقريبًا)، إلا أنه يُمكن تصنيعه بسمك أقل. وبالتالي، فإن التكلفة الفعلية ليست بالضرورة أعلى من تكلفة حزام التوقيت MXL؛ بل غالبًا ما تكون أقل، مما يوفر مزايا واضحة من حيث تقليل الحجم الإجمالي لنظام النقل. استنادًا إلى حسابات سعة النقل، يمكن لحزام التوقيت S2M بعرض 4 مم أن يحل محل الغالبية العظمى من محركات حزام التوقيت MXL بعرض 6.4 مم بشكل فعال، مما قد يقلل التكاليف الفعلية بأكثر من 25٪.

على الرغم من أن الصين قد وضعت بالفعل معايير وطنية لأحزمة الأسنان المنحنية من سلسلة HTD، إلا أن اعتمادها لا يزال غير شائع نسبيًا؛ علاوة على ذلك، هناك نقص ملحوظ في المعايير المعمول بها لأحزمة التوقيت ذات الأسنان المنحنية الصغيرة جدًا (وتحديدًا تلك الأصغر من سلسلة 3M).

لقد تطور تصميم الأسنان المنحنية بشكل أكبر إلى سلسلة RPP، والتي تتميز بملف تعريف أسنان مكافئ مقعر القمة يولد مستويات ضوضاء أقل، كما هو موضح في الشكل 15.

الشكل 15: شكل سن RPP المقعر العلوي المكافئ

6. الخاتمة

تتمتع الأحزمة ذات الأسنان شبه المنحرفة بتاريخ استخدام أطول في الصين، ولا تزال الأكثر استخدامًا. ومع ذلك، فإن التفوق المتأصل للأحزمة ذات الأسنان المنحنية لا جدال فيه. لذا، ينبغي تطبيق سياسات فعّالة لتشجيع ودعم اعتماد الأحزمة ذات الأسنان المنحنية كبديل للأحزمة ذات الأسنان شبه المنحرفة، لا سيما في قطاع الصناعات الصغيرة، وذلك لتسريع وضع المعايير ذات الصلة وتسهيل تطوير وتحديث قطاع التصنيع المحلي.