שלושה חלקים, וכל אחד עושה משהו אחר
תמסורת גל-מאמץ (Strain Wave Gearing), המוכרת גם בשם harmonic gearing, היא מערכת-תמסורת מכנית המשתמשת בגליל גמיש בעל שיניים חיצוניות, המעוות על-ידי פקק אליפטי מסתובב כדי להשתלב בשיניים הפנימיות של גליל חיצוני. המנגנון מנצל את האלסטיות של המתכת ומורכב משלושה רכיבים בסיסיים: מחולל-גל, גליל גמיש וגליל קשיח. מחולל-הגל עשוי משני חלקים נפרדים — דיסקה אליפטית הקרויה פקק-מחולל-הגל, ומיסב-כדוריות חיצוני; הפקק מוכנס לתוך המיסב וכופה עליו את הצורה האליפטית, אך עדיין מאפשר לעצמו להסתובב בתוכו. הגליל הגמיש מעוצב ככוס רדודה: דפנותיה דקות מאוד, ולכן גמישות מאוד בקצה הפתוח, ואילו התחתית קשיחה יחסית וניתן לחבר אליה גל; שיניו מסודרות רדיאלית סביבו מבחוץ. הגליל הקשיח הוא טבעת עגולה נוקשה שעל צידה הפנימי שיניים.
איך זה עובד: הפרש של שתי שיניים
הגליל הגמיש מותאם היטב על מחולל-הגל, כך שכאשר הפקק מסתובב הוא מתעוות לצורת אליפסה מסתובבת ואינו מחליק על הטבעת האליפטית החיצונית של המיסב. מכיוון שצורתו אליפטית, שיניו משתלבות בשיני הגליל הקשיח רק בשני אזורים בצדדים נגדיים — על הציר הראשי של האליפסה. המפתח לתכנון הוא שבגליל הגמיש יש פחות שיניים מאשר בגליל הקשיח, לעיתים קרובות שתיים פחות. לכן בכל סיבוב מלא של מחולל-הגל נאלץ הגליל הגמיש להסתובב מעט לאחור ביחס לגליל הקשיח — שתי שיניים בדוגמה הזאת — וכך סיבוב מהיר של הפקק הופך לסיבוב איטי בהרבה של הגליל הגמיש, בכיוון ההפוך. הנוסחה פשוטה: יחס-ההקטנה הוא הפרש מספרי השיניים חלקי מספר שיני הגליל הגמיש. אם בגליל הקשיח 202 שיניים ובגמיש 200, היחס הוא מינוס אחד חלקי מאה — הגליל הגמיש מסתובב במאית ממהירות הפקק, בכיוון ההפוך.
מה זה קונה, ומה המחיר
לתמסורת גל-מאמץ יש כמה יתרונות על פני מערכות תמסורת מסורתיות כמו גלגלי-שיניים אלכסוניים או תמסורת פלנטרית: היעדר מרווח-שיניים, קומפקטיות ומשקל נמוך, יחסי-הילוך גבוהים, אפשרות לשנות את היחס בתוך אותו בית-תמסורת סטנדרטי, רזולוציה טובה וחזירוּת מצוינת בהצבה חוזרת של עומסים אינרציאליים, כושר-מומנט גבוה, וגל-כניסה וגל-יציאה קואקסיאליים. הסדר-גודל חד: בנפח שבו תמסורת פלנטרית מפיקה בדרך-כלל יחס של 10:1 בלבד, אפשר להגיע כאן ליחס שבין 30:1 ל-320:1. לצד אלה יש חיסרון מובהק אחד — נטייה ל"התפתלות" (wind-up) באזור המומנט הנמוך, כלומר קצב-קפיץ פיתולי. תמסורת גל-מאמץ נמצאת בשימוש נפוץ ברובוטיקה ובתעופה וחלל; היא יכולה לשמש להקטנת מהירות, אך גם להגדלתה או לתמסורת דיפרנציאלית.
מוסר, USM, ופטנט 2,906,143
הרעיון הבסיסי הוצג על-ידי סי. וולטון מוסר (C. Walton Musser) בעודו יועץ בחברת United Shoe Machinery Corporation. הפטנט האמריקאי עצמו, מספר 2,906,143, נושא את הכותרת Strain Wave Gearing ואת שם הממציא "C Walton Musser, Levittown, Pa."; הוא כולל 47 תביעות, הבקשה הוגשה ב-21 במרס 1955 תחת מספר סידורי 495,479, וההענקה נרשמה ב-29 בספטמבר 1959. הזכויות הומחו ל-United Shoe Machinery Corporation שבפלמינגטון, ניו-ג'רזי. השימוש המסחרי המוצלח הראשון נעשה ב-1960 בידי USM, ולאחר מכן בידי Hasegawa Gear Works ברישיון ממנה.
שמונים לאחד על הירח
המנגנון לא נשאר בקו-הייצור. ב-1971, במשימת אפולו 15 של נאס"א, הונע רכב-השטח הירחי (Lunar Roving Vehicle) במנוע חשמלי נפרד לכל גלגל, כשכל מנוע מחובר לגלגל דרך תמסורת ביחס 80:1. סדרי-הגודל ממחישים היטב מה התמסורת עושה: כל גלגל קיבל מנוע זרם-ישר עם מברשות, מתוצרת Delco, שהספקו רבע כוח-סוס — כ-190 ואט — במהירות של 10,000 סיבובים לדקה, ובצד השני יצא סיבוב גלגל איטי ובעל מומנט גבוה. ברכב היו ארבע תמסורות כאלה, וטווח הנסיעה הרשום שלו הוא 57 מייל (92 קילומטרים). במקרה של תקלה בהנעה יכלו האסטרונאוטים לשלוף פינים ולנתק את ההנעה מן הגלגל, כדי שיוכל להסתובב בחופשיות.
Harmonic Drive הוא סימן-מסחר, לא שם-סוג
השם Harmonic Drive אינו שם גנרי אלא שם-מוצר וסימן-מסחר רשום, ולכן אינו שמו של המנגנון. את התמסורות הראשונות בייצור סדרתי תחת השם הזה ייצרה החברה הגרמנית Harmonic Drive SE, שמושבה בלימבורג-אופהיים שבמרכז הסן ושנוסדה ב-1970 בלנגן בשם Harmonic Drive System GmbH. השרשרת מסובכת יותר מ"חברה גרמנית" או "חברה יפנית" גרידא: Hasegawa Gear Works הפכה עם השנים ל-Harmonic Drive Systems היפנית, וחטיבת Harmonic Drive של USM הפכה ל-Harmonic Drive Technologies. גם הבעלות חוצה יבשות — בדצמבר 2016 מכרה Interglobal Industrieholding את מניות הרוב שלה ב-Harmonic Drive SE ל-Harmonic Drive Systems Inc. שמושבה בטוקיו, והעסקה הושלמה ב-22 במרס 2017. מבנה-האחזקות המדווח הוא Harmonic Drive Systems ב-74.7 אחוזים מן החברה הגרמנית, ובעל-מניות יפני נוסף שמושבו בטוקיו ב-25.3 האחוזים הנותרים. מכאן שהשם הגנרי והמדויק של המנגנון הוא "תמסורת גל-מאמץ".