איזה מנוע אני צריך?

מבוא

פונים אלי לקוחות עם השאלה הפשוטה כביכול שחוזרת די הרבה:
"איזה מנוע אני צריך בשביל … ?".
אנשים בונים דברים שונים ומשונים, רובוט קטן, טרקטורון לילד, נדנדה אוטומטית לתינוק, או מישהו שרוצה להחליף מנוע של מתקן השווארמה וכועס על כך שאני לא מפנה אותו למנוע שהוא צריך…

אני מדלג על עניין בחירת סוג המנוע (סרוו, DC, צעדים), על זה אפשר לקרוא במדריך מחלקת מנועים. גם את הגודל/מתח/זרם נניח בצד. במדריך זה אתרכז בשאלה היותר קשה, שבסופו של דבר כל תהליך הבחירה יתרכז אליה: איזה כוח דרוש לי מהמנוע?

ממליץ לקרוא את הפרק "כוח המנוע" במדריך מחלקת מנועים כדי להבין את היחידות (ק"ג-ס"מ) בהם כוח המנוע מוצג במפרט של המנועים באתר.

ובכן, אני לא יכול לדעת איזה כוח צריך כדי להזיז ילד בטרקטורון או לסובב מתקן שווארמה. וכשאני מנסה להסביר את זה ללקוחות, הם ממשיכים להפציץ בפרטים שלא עוזרים כל כך… "רובוט קטן, כ-2 ק"ג", "ילד בן 5, כ-20 קילו", "שווארמה מסתובבת בקלות, לא צריך הרבה כוח"...

כל התשובות האלה לא עוזרות בכלל. אני מקווה שזה די ברור שדרוש כוח שונה כדי להניע את הרובוט או טרקטורון בעליה מאשר על רצפה ישרה בבית. או האם זו רצפה חלקה או דשא, שטיח, חול, אבנים או כל דבר אחר שידרוש הרבה יותר כוח. האם הגלגלים קשיחים או מתנפחים? גם למתקן שווארמה יש התנגדות בסיבוב שנגזרת מהמשקל או מחיכוך של המיסבים עם השומן שכנראה נכנס לשם. את כל הנתונים האלה אי אפשר לנחש ככה סתם…

אז מה עושים? איך בסופו של דבר אפשר לבחור מנוע? 3 כיוונים שונים: להגזים, למצוא את הנתון או למדוד.

להמשך המדריך אתייחס לכוח של מנועי  DC או סרוו, שהוא למעשה מנוע DC עם בקר פנימי, למרות שהכיוון לא שונה בהרבה לסוגי מנועים אחרים.

בואו נגזים

הגישה הפשוטה ביותר היא פשוט להגזים ולקחת מנוע הרבה יותר גדול וחזק ממה שצריך. אני בדרך כלל שולח את הלקוחות לחפש פרויקט דומה באינטרנט כדי לראות באיזה מנוע השתמשו שם ולבחור משהו דומה או יותר חזק.

לבחור את המנוע הכי חזק מהקטגוריה של גודל/מתח לא תמיד יהיה הפתרון הנכון. הכוח של המנוע בא ביחס הפוך למהירות, כלומר המנוע הכי חזק באותה המחלקה יהיה גם הכי איטי. וזה בגלל שבאותה המחלקה/קטגוריה בדרך כלל מה שמשתנה זה תיבת ההעברה ולא המנוע עצמו. מנועי DC בדרך כלל מסתובבים במהירויות מטורפות של עשרות אלפי סיבובים לדקה. אין יותר מדי שימוש למהירות כזו, לכן מרכיבים על המנוע תיבת העברה (גיר), שמקטין את המהירות ומעלה את הכוח. גיר עם יחס העברה נמוך יספק יותר מהירות, אבל פחות כוח. גיר עם יחס העברה גבוה יספק יותר כוח ופחות מהירות.
אז עם מנוע חזק יכול להיות שהטרקטורון יוכל לטפס בעליות ולנסוע על הדשא, אבל הילד כנראה לא יהיה כל כך מרוצה מזה שהוא לא יכול לעקוף נמלה…

Lets go bigger! בואו נבחר מנוע גדול יותר!
ככלל אצבע, מנוע גדול יותר פיזית יהיה חזק יותר ממנוע בגודל קטן ממנו. כל זה לפני תיבת ההעברה. לדוגמה, המנוע הכי חזק שיש לנו בקוטר 25 מ"מ עם יחס תיבה של 1:100 יוכל לספק כוח סיבוב של 21 ק"ג-ס"מ במהירות של כ-100 סל"ד, כאשר מנוע בקוטר 37 מ"מ עם יחס תיבה של 1:100 יוכל לספק כוח סיבוב של 97 ק"ג-ס"מ במהירות של 84 סל"ד. כמעט פי 5 במהירות דומה יחסית!

כמובן שלא תמיד פתרון כזה אפשרי. לא תמיד אפשרי פיזית להכניס מנוע גדול יותר לתוך הפרויקט, או שאולי יש דרישות משקל שצריך לעמוד בהם. וגם, המנוע הגדול צורך יותר זרם, שיכול להיות שאין אפשרות לספק.

למצוא את הנתון

למקרים שתיארתי כמובן שלא נוכל למצוא נתון מדעי של איזה כוח דרוש לנו מהמנוע, אבל יש מקרים שנתון כזה כן קיים.

בואו נניח שהמשימה שלנו היא לבנות מתקן שלוחץ על כפתור כלשהו שמפעיל משהו אחר. אם נצליח להגיע למפרט הטכני של הכפתור שצריך להפעיל, אז רוב הסיכויים שנוכל למצוא שם את הכוח הדרוש להפעלה שלו.
הנה מקרה שמאוד יכול להיות שהיה אפשר להשיג את הנתון של הכוח הדרוש:

מתוך פרוייקט אורות אוטומטיים באתר instructables.com

מה שדחף אותי לכתוב את המדריך היה אימייל מלקוח מלפני כמה ימים ששאל איזה מנוע צריך כדי לעשות מתקן כמו בסרטון זה:


מי שלא מכיר, זה סרטון יוטיוב של מארק רובר שנמאס לו שגונבים לו את החבילות מפתח הבית ובנה מתקן שמבין שלל הדברים המגניבים שהוא עושה, הוא גם משפריץ נוזל מסריח כדי לגרום לגנבים לזרוק את החבילה, כך הוא יכול להחזיר את 4 הטלפונים הניידים שיש במתקן.

גם במקרה כזה מאוד יכול להיות שאפשר היה למצוא יצרן או יבואן של אריזות בקבוקים כדי לבדוק איתם איזה כוח דרוש כדי ללחוץ על פקק הבקבוק.

אבל… מה עושים אם בכל זאת אין לנו את הנתון הדרוש? או שאי אפשר להשיג נתון כזה כמו במקרה של רובוט או טרקטורון שאתם בונים? מודדים!

למדוד את הכוח

נתחיל עם דוגמה של מתקן בו סיבוב המנוע צריך להרים משהו כדי שיהיה קל יותר להבין. קוביה עם וו עומדת על שולחן ומנוע עם ציר כלשהו שמחובר לוו של הקוביה צריך לנתק אותה מהשולחן. אם ידוע לנו המשקל של הקוביה, נניח 200 גרם, ואורך הזרוע הוא 1 ס"מ, אז אנחנו צריכים מנוע עם כוח של לפחות 0.2 ק"ג-ס"מ כדי להרים את הקוביה. אם הזרוע יהיה באורך של 3 ס"מ, החישוב הוא לינארי וצריך מנוע עם כוח של לפחות 0.6 ק"ג-ס"מ.



מה היינו עושים אם לא היינו יודעים את משקל הקוביה? היינו מודדים! אם זה רק קוביה כמו בדוגמה שלנו, אז אפשר פשוט להניח אותה על משקל שולחני ולדעת כמה היא שוקלת, אבל מה אם היינו צריכים להרים עם המנוע מתקן כלשהו? לפתוח מנעול? או ללחוץ על השפריצר עם נוזל מסריח?

הרמה של קוביה מייצרת התנגדות על ציר המנוע רק לפי המשקל של הקוביה. בפתיחת מנעול תהיה התנגדות של המנגנון, חיכוך וכו'. בלחיצה על פקק הבקבוק תהיה התנגדות של הקפיץ שיש בפקק, חיכוך של המנגנון, אולי גם לחץ בבקבוק משפיע איך שהוא.
בשני המקרים האחרונים אין לנו "משהו" שאפשר להניח על משקל שולחני, אנחנו צריכים למדוד את ה"התנגדות" הזו המתנגדת לסיבוב המנוע בתוך המערכת. במקרה כזה אפשר להשתמש במשקל יד/משקל תליה, כזה שמודד את משקל השקיות או מזוודות. חפשו בגוגל "משקל תליה" לדוגמאות.

יש אבל…
רוב המוצרים בימינו הולכים ונהיים דיגיטליים. גם המוצר הפשוט שנועד לשקול שקיות או מזוודות. הבעיה עם מכשירים דיגיטליים היא שהם צריכים יציבות כדי להראות את המדידה הנכונה. במקרה של קוביה על השולחן, או קפיץ של ספריי הסירחון, הכוח שיופעל יהיה פחות או יותר אחיד, כך שמשקל דיגיטלי יעשה את העבודה. אבל במקרים של תנועה כלשהי, כמו מנגנון המנעול, רובוט או טרקטורון, בתחילת התנועה תמיד דרוש כוח גדול יותר מאשר המשך התנועה, כך שמכשיר פשוט כמו משקל מזוודות דיגיטלי לא יראה לכם את הכח ההתחלתי (המקסימלי) שהפעלתם כדי להזיז טרקטורון עם ילד, אלא יראה לכם את הכוח שמופעל אחרי זה כשהמערכת מתייצבת בתנועה (אם המכשיר יצליח להתייצב בכלל). ולמצוא משקל יד אנלוגי בימינו זו לא משימה קלה. בסופו של דבר כשהייתי צריך, הזמנתי מעליאקספרס, וגם שם הייתי צריך לדפדף קצת כדי להגיע למוצר המתאים.

ומה עושים אם צריך פתרון מהיר יותר מאשר לחכות להגעת המשקל מסין או שהאנלוגיים יעלמו מהמדפים? צריך לאלתר…

אפשר לבנות משקל משלכם בעזרת רכיב Load Cell, מגבר ומיקרובקר. נכון, זה עדיין דיגיטלי, אבל אפשר יהיה להציג את כל הערכים שתרצו, כולל ממוצעים גם אם המדידה לא יציבה וגם את המקסימום שהרכיב הרגיש, וכך לקבל סדרי גודל של הכוח.



דרך אחרת שהייתי מנסה היא לקחת מנוע שהכוח שלו ידוע, לדוגמה מנוע סרוו הפשוט הזה מספק כוח של 5 ק"ג-ס"מ. זה אומר שעם זרוע של 1 ס"מ ממרכז ציר המנוע נקבל כוח של 5 ק"ג, 2 ס"מ מהמרכז 2.5 ק"ג, 5 ס"מ מהמרכז 1 ק"ג וכך הלאה בצורה לינארית.



הייתי מרכיב זרוע ארוך על המנוע ונותן לו ללחוץ על הפקק של השפריצר כאשר אני מרחיק אותו כל פעם עוד ועוד מהמנוע. באיזה שהוא שלב למנוע כבר לא יהיה כוח ללחוץ על הפקק כדי להפעיל אותו. מודדים את המרחק של הנקודה הזו ממרכז ציר המנוע (ביחידות של ס"מ), מחלקים את הכוח של המנוע (5 ק"ג-ס"מ) במרחק שמדדנו, וזה בערך הכוח הדרוש לנו כדי לבצע את פעולת הלחיצה על הפקק.

אל תחיו על הקצה

גם אם יש לכם את הנתונים המדוייקים של הכוח הדרוש לביצוע פעולה כלשהי, אם זה ממפרט טכני, או מדידה, תקחו מרווחי ביטחון כדי שהמנוע יהיה יותר חזק ממה שאתם באמת צריכים. כמה יותר חזק? זה כבר קשה להגדיר בלי לדעת מה עושה המנוע. תצאו מההנחה שהמדידות לא ממש מדוייקות. לא כל המנועים מיוצרים זהים, כך שיכול להיות שיהיו הפרשים של עשרות אחוזים בין היכולות של שני מנועים מאותו הדגם.

מקווה שמדריך זה יעזור לכם לבחור את המנוע המתאים ביותר לפרוייקט ויבהיר למה אי אפשר לנחש איזה מנוע צריך למתקן שווארמה…