پردیس فناوری کیش-طرح مشاوره متخصص صنعت و مدیریت-گروه مهندسی مکانیک
چرخ دنده ها
چرخ دنده‌ها قطعاتی هستند که برای انتقال یا تغییر جهت نیرو بین دو محور به کار می‌روند. روی محیط چرخ دنده، دندانه‌هایی با فاصله مساوی ایجاد شده است. این دندانه‌ها پس از درگیر شدن با دندانه‌های چرخ دنده مجاور، نیرو را بین یکدیگر منتقل می‌کنند. چرخ‌دنده‌ها (Gears) را می‌توان به صورت‌های مختلف دسته‌بندی کرد. انواع انواع چرخدنده براساس شکل ظاهری:
- گستران (Involute)
- سیکلوئیدی (Cycloidal)
- تروکوئیدی (Trochoidal) تقسیم می‌شوند.
و از نظر موقعیت محور (Shaft)، می‌توان آنها را در دسته‌های زیر تقسیم می شود:
- محور موازی
- محور متقاطع
- محور غیرموازی
- محور غیرمتقاطع
ساختار
داخلی‌ترین قسمت چرخ‌دنده‌ها توپی است که به محور محرک متصل است. بیرونی‌ترین قسمت در جهت شعاعی، محیط چرخدنده است که دندانه‌های چرخدنده در این قسمت قرار می‌گیرند. این بخش از چرخدنده منبع اصلی ایجاد صدا است.
مهم‌ترین اصطلاحاتی که در طراحی چرخدنده بکار می‌روند عبارت‌اند از:
مدول:نسبت قطر دایره گام به تعداد دندانه‌ها. دیمانسیون آن طول است و میلی‌متر واحد کمیت آن معمولاً است. مطابق اصول:دو چرخدنده در گیر باید «هم مدول» باشند تا جفت شوند.
دایره گام: دایره‌ای فرضی که تمامی‌محاسبات بر اساس آن انجام می‌گیرد. دایره گام دو چرخدنده درگیر برهم مماس هستند.
گام محیطی: طول کمانی از دایره گام که بین دو نقطه متناظر از دو دندانه مجاور قرار گرفته‌است.
ارتفاع سردنده: فاصله بین بالای دندانه تا دایره گام.
ارتفاع ته‌دنده: فاصله بین ته دندانه تا دایره گام.
لقی محیطی: مقداری که فضای خالی بین دو دندانه یک چرخدنده از ضخامت دندانه‌های چرخدنده درگیر با آن در امتداد دایره گام بیشتر است.
انواع چرخ دنده
چرخ دنده ساده
چرخ دنده ساده، یکی از پرکاربردترین انواع چرخ دنده و از نوع استوانه‌ای به حساب می‌آید. دندانه‌های مستقیم دارد و روی محورهای موازی سوار می‌شود. در برخی طراحی‌ها، از تعداد زیادی از این چرخ دنده برای کاهش توان استفاده می‌شود. هنگامی که دو چرخدنده ساده در کنار هم به کار رود، چرخ دنده کوچکتر که تعداد دندانه کمتری دارد، پینیون نامیده می‌شود. چرخ دنده بزرگتر نیز که تعداد دندانه بیشتری دارد، چرخ دنده یا چرخ نامیده می‌شود. یکی از مشخصه‌های این نوع چرخ دنده، صدای زیاد آن است. به محض اینکه دو دندانه با یکدیگر درگیر شوند، با نیروی زیادی به هم ضربه می‌زنند. این ضربه، موجب تولید صدا و تمرکز تنش روی دندانه‌ها می‌شود. دندانه‌های این چرخ دنده، پروفایل گستران دارند و در هر لحظه فقط یکی از دندانه‌ها به طور کامل درگیر می‌شود.
چرخ دنده مارپیچ
یکی از موارد مصرف چرخ دنده‌های مارپیچ، در محورهای موازی است. خطوط دندانه‌ها در این چرخ دنده‌های استوانه‌ای، به صورت مارپیچ هستند. این نوع چرخ دنده در مقایسه با نوع ساده، قادر به انتقال نیروی بیشتری است و صدای کمتری تولید می‌کند. کمتر بودن صدا به خصوص در سرعت‌های متوسط و بالا به چشم می‌آید. از طرف دیگر، همواره بیش از یک دندانه از هر چرخ دنده درگیر است. در نتیجه نیروی وارد به هر دندانه کمتر می‌شود تا ظرفیت این نوع چرخ دنده بالاتر رود. به دلیل شکل مارپیچی دندانه‌ها، درگیر شدن چرخ‌دنده‌ها با تماس نقطه‌ای آغاز می‌شود و آرام آرام به تماس خطی می‌رسد. در نتیجه انتقال نیرو یکنواخت‌تر خواهد بود و ارتعاشات و سایش هم کمتر اتفاق می‌افتد.
ویژگی‌هایی که تا اینجا برای چرخ دنده مارپیچ برشمردیم، اشکالاتی هم ایجاد می‌کند. زاویه‌دار بودن دندانه‌ها باعث سُر خوردن محل تماس می‌شود. در نتیجه این سُر خوردن، نیروی محرک محوری و گرما ایجاد می‌شود و راندمان هم کاهش می‌یابد. به منظور کم کردن اثر نیروی محوری باید از یاتاقان استفاده کرد. یکی از روش‌های جلوگیری از ایجاد این نیروی محرک، استفاده از چرخدنده مارپیچ دوبل (Herringbone gear) است که در صنعت به عنوان چرخدنده جناغی هم شناخته می‌شود. در این مدل، دو چرخ دنده مارپیچ با جهت مخالف، در کنار هم قرار می‌گیرند تا نیروی محرک ایجاد شده در راستای محور، خنثی شود. شکل زیر نمونه‌ای از چرخ‌دنده‌های جناغی را نشان می‌دهد. در کاربردهایی که چرخ دنده ساده برای آن مناسب باشد ولی محورها با یکدیگر موازی نباشند، انتخاب این چرخ دنده مارپیچی در اولویت است.
چرخ دنده مخروطی
این چرخ دنده‌ها ظاهری مخروط مانند دارند و برای محورهای متقاطع مناسب هستند. چرخ دنده‌های مخروطی در جاهایی که زاویه بین دو محور متقاطع، ۹۰ درجه است، بیشترین کاربرد را دارند. ولی در زاویه‌های دیگر نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. دندانه‌های این چرخدنده می‌تواند مستقیم، مارپیچ یا هیپوئیدی باشد. نوع مستقیم آن، همان مشکلات چرخدنده ساده را دارد و دندانه‌ها به یکباره با هم درگیر می‌شوند. در نتیجه تمرکز تنش روی دندانه‌ها بسیار بالا می‌رود. نوع مستقیم و مارپیچ، زمانی استفاده می‌شوند که دو محور عمود به هم و در یک صفحه باشند. در شرایطی که دو محور در دو صفحه جداگانه باشند، از نوع هیپوئیدی استفاده می‌شود. توجه کنید که در این حالت، دو محور هیچ نقطه تقاطعی نخواهند داشت و این حالتی استثنا برای تعریف این نوع چرخدنده ایجاد می‌کند. یکی از کاربردهای چرخ دنده مخروطی، در دیفرانسیل بسیاری از خودروهاست.
چرخ دنده حلزونی
هنگامی که نیاز به کاهش زیاد دنده باشد، از چرخ دنده‌های حلزونی استفاده می‌شود. چرخدنده حلزونی برای نسبت‌های کاهش 20:1 تا 300:1 به کار می‌رود. این چرخ دنده‌ها در نتیجه کاهش سرعت، گشتاور را نیز به مقدار زیادی افزایش می‌دهند. باید دقت کرد که نصب این سیستم و روغن‌کاری آن به درستی و منظم انجام شود. در این حالت، چرخدنده حلزونی یکی از نرم‌ترین و کم‌صداترین انواع چرخ‌دنده‌ها خواهد بود.
ویژگی مهم این چرخ دنده‌ها این است که انتقال نیرو فقط از حلزون به چرخ حلزون انجام می‌شود. معمولاً بیشتر طراحی‌ها طوری انجام می‌شود که چرخ حلزون قادر به چرخاندن حلزون نباشد. این ویژگی به عنوان ویژگی خودترمزی شناخته می‌شود. هرچه زاویه پیشروی در حلزون کمتر باشد، این خاصیت بیشتر می‌شود. در مقابل هرچه زاویه پیشروی بزرگتر باشد، خاصیت خودترمزی کمتر خواهد بود. شکل زیر، این زاویه را در حلزون نشان می‌دهد. از خاصیت خودترمزی می‌توان برای جلوگیری از حرکت برعکس استفاده کرد. به عنوان مثال در سیستم نوار نقاله برای ترمز یا توقف اضطراری، از این چرخ دنده‌ها استفاده می‌شود.
چرخ دنده شانه‌ای
چرخ دنده شانه‌ای به منظور تبدیل حرکت دایره‌ای به حرکت خطی یا برعکس به کار می‌رود. معمولاً این چرخ دنده‌ها به همراه یک چرخدنده ساده (پینیون) مورد استفاده قرار می‌گیرند. به همین دلیل به کل مجموعه، شانه و پینیون (Rack & Pinion) گفته می‌شود. دندانه‌های روی چرخ دنده می‌تواند مستقیم یا مارپیچ باشد. یکی از کاربردهای این نوع چرخ دنده‌ها در ترازوهای عقربه‌ای است.
