چرخدنده‌ها در وسایل مختلف مکانیکی استفاده می‌شوند. این قطعات کوچک و بزرگ در دستگاه‌ها و ماشین‌ها کارهای متفاوتی انجام می‌دهند، که مهمترین آن کاهش دنده در تجهیزات موتوری است. نقش چرخ دنده‌ها کلیدی است، زیرا در بیش‌تر موارد یک موتور کوچک دوار با سرعت زیاد توانایی تأمین قدرت کافی برای وسیله را دارد، اما قادر به تولید گشتاور کافی نیست.

چرخدنده

به عنوان مثال پیچ گوشتی الکتریکی، دنده کاهشی بسیار بزرگی دارد چرا که نیاز به گشتاور پیچشی زیادی برای پیچاندن پیچ است، اما موتور فقط مقدار کمی گشتاور در سرعت بالا تولید می‌کند که با استفاده از دنده کاهشی سرعت خروجی کاهش و گشتاور افزایش می‌یابد.

کاربرد دیگر چرخدنده‌ها تنظیم کردن جهت چرخش است. برای نمونه در دیفرانسیل بین چرخ‌های عقب اتومبیل، قدرت به وسیله میل محوری که به مرکز اتومبیل متصل است منتقل می‌شود و دیفرانسیل باید ۹۰ درجه نیرو را بچرخاند تا در چرخ‌ها به کار برد.

چرخ دنده های دیفرانسیل خودرو

پیچیدگی‌های بسیاری در انواع مختلف چرخدنده وجود دارد. در این مقاله در مورد این‌که دندانه‌های چرخدنده چگونه کار می‌کنند و همچنین انواع مختلف چرخدنده که در انواع ابزارها و تجهیزات مکانیکی به کار برده می‌شوند توضیحاتی ارائه می‌شود.

مفاهیم اولیه در مورد چرخدنده ها

در هر چرخدنده نسبت دنده با فاصله از مرکز چرخدنده تا نقطه تماس تعیین می‌شود. به عنوان مثال در ابزاری با دو چرخدنده، اگر قطر یکی از چرخدنده‌ها ۲ برابر دیگری باشد، ضریب دنده ۲:۱ (یک به دو) خواهد بود.

طراحی چرخ‌دنده

در دو چرخدنده‌ای که با هم کار می‌کنند و عمل انتقال نیرو را انجام می‌دهند، دندانه‌ها نیروهای لازم را از محوری به محور دیگر منتقل می‌کنند و در این چرخدنده‌ها هنگام کار و درگیری بر روی یکدیگر عمل غلتیدن و لغزش صورت می‌گیرد که بسته به نوع نسبت درگیری ساختمانی یا منحنی‌های متفاوت پیدا می‌کنند. برای طراحی یک چرخدنده عوامل مختلفی را باید در نظر گرفت که عبارتند از: ۱.  ارتفاع سر دنده ۲.  ارتفاع ته دنده ۳. ضخامت دنده ۴. منحنی یا انحنای جانبی دنده

چرخدنده ها اکثراً با دو منحنی اینولوت یا سیکلوئید طراحی و ساخته می‌شوند. برای ساخت چرخ‌دنده‌های بزرگ و نیز مواردی که انتقال قدرت زیاد مد نظر باشد از منحنی اینولوت استفاده می‌شود و برای ساخت چرخ‌دنده‌های ظریف مانند چرخدنده‌های ساعت از منحنی سیکلوئید استفاده می‌شود.

پروفیل چرخدنده گستران (اینولوت)

دندانه‌های چرخدنده‌های نوین از پروفیل مخصوصی که دنده گستران (اینولوت involute) نامیده می‌شود، استفاده ezgif.com-optimizeمی‌کنند. این پروفیل دارای خاصیت بسیار مهم ثابت نگه داشتن نسبت سرعت بین دو چرخ‌دنده است. در این نوع، نقطه تماس جابجا می‌شود ولی شکل گسترانِ دندانه‌های چرخ‌دنده این جابه‌جایی را جبران می‌کند. علت نام‌گذاری این شکل به گستران این است که اگر به یک دندانه از این نوع چرخ‌دنده نگاه کنیم، می‌بینیم که پهنای دندانه از نوک به سوی قاعده گسترش می‌یابد.

در پروفیل دندانه‌های چرخدنده گستران نقطه تماس از نزدیکی یکی از دندانه‌ها شروع شده و با چرخش چرخدنده، نقطه تماس از آن چرخدنده دور شده و به دیگری نزدیک می‌شود. خطی که نقطه تماس دو چرخ‌دنده ایجاد می‌کند به شکل یک خط مستقیم است و معنی آن این است که شعاع نقطه تماس با درگیر شدن دندانه‌ها بزرگتر می‌شود. شکل پروفیل دندانه چرخدنده گستران به گونه‌ای است که یک نسبت سرعت دورانی ثابت تولید می‌کند.

در طراحی چرخدنده‌های ساده گستران معمولاً پروفیل (نیم‌رخ) دنده به صورت متقارن طراحی می‌شود. ولی طراحی نامتقارن این‌گونه چرخ‌دنده‌ها هم می‌تواند مزایای مثل افزایش ظرفیت تحمل بار، کاهش اندازه و وزن و کاهش چشمگیر میزان ارتعاشات را داشته باشد.

معایب و مزایای چرخدنده ها

برخی از عیوب و موارد خرابی در چرخدنده‌ها عبارتند از:خوردگی دنده

  1. داغ شدن و ایجاد حرارت بین دو چرخدنده: به علت رعایت نکردن لقی استاندارد بین دو چرخدنده و عدم روغنکاری مناسب ممکن است این اتفاق رخ دهد.
  2. صداهای ناهنجار: در چرخدنده‌های ساده صدا بیش‌تر و در چرخدنده‌های مارپیچ و جناغی صدای تولید شده کمتر است.
  3. ترک خوردن و پوسته پوسته شدن: این امر اغلب در چرخدنده‌های آبکاری شده به وجود می‌آید.
  4. سائیدگی دندانه‌ها: در بیش‌تر مواردی که دو چرخدنده با هم درگیر می‌شوند، چرخدنده‌ای که قطرش کوچکتر است زودتر سائیده می‌شود به همین جهت چرخدنده کوچک‌تر باید سخت‌تر انتخاب شود.

وقتی صحبت از معایب به میان می‌آید ذکر محاسن نیز ضروری است. برخی از محاسن اصلی چرخدنده‌ها عبارتند از:

  1. انتقال نیروی بیشتر: در مقایسه با چرخ تسمه و چرخ زنجیر و درایوهای مشابه دیگر، در صورت استفاده از چرخدنده می‌توان سرعت بیشتر و قدرت بیشتری را انتقال داد. همچنین هنگام استفاده از چرخدنده اتلاف نیرو کمتر است و در نهایت دوام و عمر مجموعه بیشتر خواهد بود.
  2. انتقال نیرو درجهت های مختلف : از چرخدنده‌ها می‌توان برای انتقال نیرو در محور های موازی و متنافر و متقاطع تحت زوایای مختلف استفاده نمود.
  3. شکستن نسبت‌ها
  4. تبدیل حرکت دورانی به خطی و بالعکس

راندمان و عملکرد مناسب چرخدنده ها در گیربکس

برای عملکرد مناسب چرخنده‌ها در گیربکس یا جعبه دنده پنج شرط زیر باید اعمال شود:

  1. مقطع حقیقی دندانه‌ها باید با مقطع تئوری یکی باشد.
  2. فاصله دندانه‌ها باید یکسان و درست باشد.
  3. دایره گام حقیقی باید بر دایره گام تئوری منطبق و با محور چرخش چرخدنده هم‌مرکز باشد. همچنین نقطه تماس دو چرخدنده درگیر، در دایره گام (قطر متوسط چرخدنده) باشد.
  4. سطح پیشانی و دامنه دندانه ها باید صاف و دارای سختی کافی برای مقاومت در مقابل سایش و جلوگیری از ایجاد صدا در هنگام چرخش باشند.
  5. محورهای مرکزی و یاتاقان‌ها دارای استحکام کافی باشند تا در اثر بارهای وارده هنگام کار بتوانند فاصله مرکز تا مرکز مطلوب را حفظ کنند.

gear-efficiency

روش‌های ساخت چرخدنده ها

روشهای مختلفی برای ساخت چرخدنده وجود دارد که هرکدام دارای معایب و مزایایی هستند و می‌توان با توجه به نوع چرخ‌دنده، جنس، دقت مورد نیاز، امکانات موجود و هزینه ساخت بهترین روش را انتخاب کرد.

برخی ازاین روش ها عبارتند از:روش های ساخت چرخدنده

  1. توسط فرزهای افقی وعمودی (به کمک دستگاه تایلکوف)
  2. توسط دستگاه‌های هابینگ
  3. توسط دستگاه‌های مخصوص دنده زنی
  4. توسط دستگاه‌های صفحه تراش و کله زنی
  5. توسط دستگاه‌های اسپارک
  6. توسط دستگاه‌های خانکشی
  7. توسط ریخته گری
  8. توسط قالب‌های fine blanking

انتخاب جنس چرخدنده‌

برای ساخت چرخدنده‌ها از مواد مختلفی مانند انواع فولادها و آلیاژهای غیرآهنی و همچنین مواد کامپوزیت می‌توان استفاده کرد. اما در هنگام انتخاب جنس باید به چند نکته توجه کرد:

  1. جنس چرخدنده‌ را باید طوری انتخاب کرد که قادر به تحمل فشار و انتقال نیروی لازم باشد.
  2. مواد تشکیل دهنده چرخدنده را باید طوری انتخاب کرد که قابلیت ماشینکاری را داشته باشد تا پس از عمل ماشینکاری از نظر کیفیت سطح، کیفیت مناسبی داشته باشد. استفاده از مواد فوق سخت مستلزم استفاده از روشهای غیر سنتی ماشینکاری و در نهایت افزایش زمان تولید و افزایش هزینه‌ها خواهد شد.

معمولاً برای ساخت چرخدنده هایی که در ماشین‌های ابزار به کار می‌روند از فولادهای ریختگی با ۰.۳ تا ۰.۴۵ درصد کربن و همچنین فولادهای آلیاژی همراه با نیکل و کرم را برای چرخدنده هایی که بایستی بار زیادی را تحمل کنند و در مقابل سایش مقاوم باشند استفاده می‌کنند. در مواردی هم از چدن ها استفاده می‌شود.

انواع چرخدنده

چرخدنده‌ها را به چند صورت می‌توان طبقه بندی کرد. ممکن است بر حسب شکل ظاهری، نوع کاربرد و یا روش ساخت، آن‌ها را طبقه بندی کرد. اما دراکثر مواقع چرخدنده ها بر حسب شکل ظاهری طبقه بندی می‌شوند.

چرخدنده های ساده، مارپیچ، شانه ای، مخروطی (Bevel)، مخروط مارپیچ (Helical Bevel)، حلزون-چرخ حلزون (حلزونی Worm)، جناغی و اختلافی از مهم‌ترین انواع چرخدنده‌ها می‌باشند.

در ادامه بعضی از انواع چرخدنده‌ها را می‌بینیم:

چرخدنده ساده (Spur Gear)چرخدنده ساده

چرخدنده‌های ساده معمولی‌ترین نوع چرخ دنده‌اند. آن‌ها دندانه‌های صافی دارند و بر روی محورهای موازی سوار می‌شوند. چرخدنده‌های ساده در دستگاه‌های بسیاری مثل پیچ گوشتی الکتریکی، آبپاش نوسانی، ساعت زنگی، ماشین لباسشویی، خشک کن لباس و … استفاده می‌شوند. اما در اتومبیل تعداد زیادی از آن را نخواهید یافت، زیرا چرخدنده‌های ساده هنگام کار می‌توانند سر و صدای زیادی تولید کنند. هر وقت دندانه چرخدنده یک دنده را با چرخدنده دیگری درگیر کند، دنده‌ها برخورد کرده و این ضربه صدای بلندی تولید می‌کند. همچنین فشار روی چرخ دنده را افزایش می‌دهد. برای کاهش دادن صدا و فشار، بیشتر چرخدنده‌ها در اتومبیل از نوع مارپیچی می‌باشند.

چرخدنده‌ مارپیچ (Helical Gear)

چرخ دنده مارپیچ هلیکالوقتی دو دنده بر روی سیستم چرخدنده مارپیچ درگیر می‌شوند تماس از انتهای یکی از دنده‌ها شروع شده و به تدریج با چرخش چرخدنده گسترش می‌یابد تا زمانی که دو دنده بطور کامل درگیر شوند.
درگیر شدن تدریجی، چرخدنده‌های مارپیچی را وادار می‌کند که آرام‌تر و ملایم‌تر از چرخدنده‌های ساده عمل کنند. به همین دلیل چرخدنده‌های مارپیچی تقریباً در جعبه دنده‌های (گیربکس) همه اتومبیل‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
به دلیل زاویه دنده‌ها در چرخ‌دنده‌های مارپیچ، وقتی که دنده‌ها با یکدیگر درگیر می‌شوند بار محوری به وجود می‌آورند. به همین دلیل دستگاه‌هایی که از چرخدنده‌های مارپیچ استفاده می‌کنند، با استفاده از یاتاقان‌هایی این بار محوری را مهار می‌کنند. در چرخدنده‌های مارپیچ اگر زوایای دندانه‌های چرخ دنده صحیح باشد، می‌توانند روی محور عمودی سوار شده و زاویه چرخش را روی ۹۰ درجه تنظیم کنند.

چرخدنده مخروطی (‌Bevel Gear)

چرخدنده های مخروطیچرخدنده مخروطی زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد که مسیر چرخش محور نیاز به تغییر دارد و معمولاً برمحورهای ۹۰ درجه سوار می‌شوند، اما می‌توانند طوری طراحی شوند که در زوایای دیگر نیز به خوبی عمل کنند. دندانه‌ها روی چرخدنده‌های مخروطی می‌توانند صاف، مارپیچی و یا قوسی باشند. دندانه‌های چرخدنده‌های مخروطی صاف، در حقیقت مشکلی مشابه دنده چرخدنده‌های ساده دارند که وقتی هر دنده درگیر می‌شود به دنده متناظر در آن لحظه ضربه می‌زند. درست مانند چرخدنده ساده، راه حل این مشکل انحنا دادن به دندانه‌های چرخدنده است. این دندانه‌های مخروطی درست مانند دندانه‌های مارپیچی درگیر می‌شوند؛ تماس از یک انتهای چرخ دنده شروع شده و به صورت تصاعدی در سرتاسر دندانه گسترش می‌یابد.

در چرخدنده‌های مخروطی صاف و مارپیچی محورها باید بر هم عمود باشند و همچنین در یک صفحه واقع شوند. اگر دو محور را پشت چرخدنده امتداد دهید همدیگر را قطع خواهند کرد. از طرف دیگر چرخدنده‌های قوسی (hypoid gear) می‌توانند با محورها در صفحات مختلف (محور های متنافر) درگیر شوند. این خصوصیت در دیفرانسیل اتومبیل‌های بسیاری استفاده می‌شود. چرخدنده بزرگ مخروطی دیفرانسیل و چرخدنده کوچک ورودی (پنیون)، هر دو از نوع قوسی (هیپوئیدی) هستند. این امر به چرخدنده پنیون ورودی اجازه می‌دهد که پایین تر از محور چرخدنده بزرگ مخروطی سوار شود. این بدان معنی است که محور محرک در قسمت سواری جایی را اشغال نمی‌کند و فضای بیشتری برای سرنشینان و بار ایجاد می‌کند.

چرخدنده‌ حلزونی (Worm Gear)

چرخ و حلزونچرخدنده حلزونی هنگامی مورد استفاده قرار می گیرد که نیاز به دنده کاهشی بزرگی باشد. برای چرخدنده‌های حلزونی نسبت کاهش ۲۰:۱ و حتی تا ۳۰۰:۱ یا بالاتر از آن متعارف است. بسیاری از چرخدنده‌های حلزونی خاصیت جالبی دارند که چرخدنده‌های دیگر ندارند: پیچ حلزون به راحتی می‌تواند چرخ دنده را بچرخاند ولی چرخ دنده نمی‌تواند پیچ حلزون را بچرخاند. علت این خاصیت که مانند یک ترمز عمل کرده و به عدم برگشت پذیری یا برگشت ناپذیری معروف است آن است که زاویه‌ی روی پیچ حلزون به قدری کم است که وقتی چرخ‌دنده سعی می‌کند آن را بچرخاند نیروی اصطکاک بین چرخدنده و پیچ حلزون آن را در جای خود نگه می‌دارد و مانع چرخش آن می‌شود. این خاصیت گیربکس‌ حلزونی برای ماشین‌هایی از قبیل سیستم‌های نقاله مکانیکی (کانوایر) و بالابرها مورد استفاده است.
استفاده دیگر چرخدنده‌های حلزونی در دیفرانسیل تورسن (Torsen differential) است که در بعضی از اتومبیل‌ها و کامیون‌های بارکش با کارایی بالا استفاده می‌شود.

چرخدنده و میله دنده (Rack and Pinion)

چرخ و شانهچرخدنده و میله دنده که به چرخدنده شانه‌ای نیز معروف است، برای تبدیل کردن حرکت دورانی به حرکت خطی استفاده می‌شوند. فرمان اتومبیل‌ مثال خوبی از کاربرد آن‌هاست. فلکه فرمان، چرخ‌دنده‌ای که با میله دنده درگیر است را می چرخاند، وقتی که چرخدنده می‌چرخد، بسته به آن‌که شما فرمان را به کدام سمت می‌پیچانید، میله دنده را به چپ یا راست می‌لغزاند.
چرخ‌دنده و میله دنده همچنین در بعضی ترازوها برای گردش صفحه مدرجی که وزن را نشان می‌دهد به کار می‌رود.

چرخدنده‌های خورشیدی یا سیاره‌ای (Planetary)

هر مجموعه چرخ‌دنده خورشیدی سه جزء اصلی دارد:
۱. دنده خورشیدی،  ۲. دنده سیاره‌ای و حامل دنده سیاره‌ای ۳. دنده بزرگ حلقه‌ای (رینگی)
چرخدنده خورشیدی
هر کدام از این سه جزء می‌توانند ورودی یا خروجی باشند یا می‌توانند ثابت نگه داشته شوند. نسبت دنده برای چرخدنده‌ها با توجه به انتخاب جز مورد نظر و همچنین ورودی یا خروجی بودن آن تعیین می‌شود.

برای مثال در یک گیربکس خورشیدی با یک چرخدنده بزرگ حلقه‌ای با ۷۲ دنده (کرانویل) و یک چرخدنده خورشیدی با ۳۰ دنده می‌توان به نسبت‌های زیر دست پیدا کرد:

نسبت دندهمحاسباتثابتخروجیورودی 
۳.۴:۱

۱ + R/S

حلقه (R)حامل سیاره‌ای (C)خورشیدی (S)A
۰.۷۱:۱

۱ / (۱ + S/R)

SRCB
۲.۴:۱-R/S-CRSC

همچنین قفل شدن هر دو جزء با هم همه‌ی اجزا را قفل خواهد کرد و نسبت دنده ۱:۱ خواهد شد.
باید به این نکته توجه کرد که اولین نسبت دنده‌ای که در جدول بالا ثبت شده است کاهشی است، یعنی سرعت خروجی از سرعت ورودی کمتر است. دومین نسبت دنده افزایشی است یعنی سرعت خروجی بیشتر از سرعت ورودی است و آخرین نسبت دوباره کاهشی است، ولی مسیر خروجی معکوس شده است. نسبت دنده‌های مختلف بسیاری از مجموعه چرخ دنده بالا می‌توان استخراج کرد ولی مواردی که در جدول آمده است مربوط به گیربکس اتوماتیک می‌باشند.

برای مشاوره در مورد تأمین انواع گیربکس و تجهیزات صنعتی با کارشناسان سام تجهیز تماس حاصل فرمایید.

1 پاسخ به چرخدنده ها؛ کاربرد و کارکرد، روش‌های ساخت و انواع
  1. ممنون از زحمات شما.عالی بود.


[بالا]

ارسال دیدگاه

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *