تبیان، دستیار زندگی

بر گرفته از http://mohandesyar.com/ 

چرخ دنده‌ها

در دل  هر ابزار مکانیکی تعداد  زیادی  چرخ دنده  وجود دارد.  تا به حال فکر کرده اید که چرا این قدر چرخ دنده در آن ها استفاده می‌شود. مهم ترین دلیل آن اینست که همه این ابزارها یک موتورکوچک دارندکه با سرعت بالا می‌چرخد. این موتور می‌تواند توان مورد نیاز را تأمین کند، اما گشتاور آن به اندازه کافی زیاد نیست. مثلاً در یک پیچ گوشتی برقی باید گشتاور بالا برود تا پیچ  گوشتی  بتوان د پیچ‌ها  را  سفت  کند،  ولی  موتور گشتاور کمی تولید  می‌کند و در عوض سرعت بالایی دارد. کافیست از چند چرخ دنده استفاده کنیم تا مشکلمان حل شود.

کار دیگری که از چرخ  دنده برمی آید تغییرجهت چرخش است. اگر دو چرخ دنده را که کنار هم  قرار دارند با دقت  نگاه کنید می‌بینید که همواره یکی از آن ها ساعتگرد می‌چرخد ودیگری پادساعتگرد.  در این مطلب می‌خواهیم  شما  را با  انواع مختلف چرخ دنده هایی که در ابزارهای مکانیکی می‌بینید آشنا کنیم.

معمولاً چرخ دنده‌ها برای یکی از کاربردهای زیر استفاده می‌شوند:

 1- تغییر جهت چرخش

 2- افزایش یا کاهش سرعت چرخش

3- انتقال حرکت دورانی به یک محور دیگر

4- همزمان سازی حرکت دو محور

  چرخها در جهت عکس هم دیگر می‌چرخند، چرخ کوچکتر با سرعت بیش تر از چرخ بزرگ می‌گردد و حرکت دورانی از محور چرخ بزرگ به محور چرخ کوچک منتقل شده است.
قطر چرخ سمت چپ دو برابر چرخ دیگر است. اصطلاحاً می‌گوییم نسبت این دو چرخ دنده 2:1 (بخوانید "دو به یک") است .اگر دقت کنید می‌بینید که هر بارکه چرخ بزرگ یک دور می‌زند، چرخ کوچک دو دور به دور خود می‌چرخد. پس سرعت چرخش دو برابر شده است.

مفهوم نسبت چرخ دنده

اگر بدانید که محیط یک دایره چگونه محاسبه  می‌شود،  به راحتی می‌توانید مفهوم  نسبت  چرخ دنده‌ها  را درک کنید. محیط دایره برابر است با حاصل ضرب عدد پی در قطر آن.  بنابراین نسبت قطر دو چرخ دنده، در واقع همان نسبت محیط های آنها است. در مدل سازی زیر رابطه بین قطر و محیط یک دایره نشان داده شده است.

قطر این دایره 27/1 اینچ است، ولی وقتی دایره می‌چرخد، خطی به طول 4 اینچ را طی می‌کند. حالا فرض کنید که این دایره در تماس با دایره دیگری قرار دارد که قطر آن نصف این مقدار، یعنی 635/0 اینچ است. اگر این چرخ را یک دور بچرخانیم خط طی شده 2 اینچ طول خواهد داشت. چون هر دو چرخ در کنار هم هستند، با گردش چرخ بزرگ، چرخ کوچک هم حرکت می‌کند. دو چرخ مسافت یکسانی را طی می‌کنند، پس چرخ کوچک دو دور می‌زند.

بیشتر چرخ دنده های واقعی دندانه دارند، دندانه سه مزیت بزرگ دارد:

از لغزش چرخ دنده‌ها جلوگیری می‌کند. پس محورهایی که با چرخ دنده به هم متصل شده اند، همواره همگام با یکدیگر حرکت می‌کنند.

 با استفاده از آنها می‌توان به راحتی نسبت دو چرخ دنده را حساب کرد، کافیست تعداد دنده های یک چرخ را بشمارید و به تعداد دنده های چرخ دوم تقسیم کنید.

با استفاده از دنده‌ها می‌توان خطاهای کوچکی را که در هنگام ساختن چرخ‌ها پیش آمده برطرف کرد.  چون نسبت چرخ ها با تعداد  دندانه‌ها  کنترل می‌شود،  دیگر اشتباهات  کوچک  در تولید چرخ ها اهمیت چندانی ندارد.

تا این جا همه چیز ساده بود و هر کس می‌تواند به راحتی مطالب بالا را بفهمد. اما آن هایی كه با ابزارهای مکانیکی کار کرده اند، می‌دانند که مشکلات دیگری هم وجود دارد که باید راه حلی برای آنها پیشنهاد کرد. به تدریج ایده های جدیدی برای استفاده بهتر از چرخ دنده‌ها ارائه شد تا این مشکلات برطرف شود.

اولین مشکل  این  بود که امکان ساختن چرخ های خیلی کوچک  وجود نداشت. به همین خاطر نمی شد نسبت دو چرخ دنده را خیلی افزایش داد. اگر شما می‌خواستید این مشکل را حل کنید، چه می‌کردید؟
چرا به جای کوچک کردن یک چرخ، چرخ دیگر را بزرگتر نمی کنند؟

چرخ بنفش دو تکه است. یک چرخ کوچک به وسط یک چرخ بزرگتر متصل شده است. چرخ کناری فقط  به  چرخ کوچک متصل است.  درست است که چرخ های بزرگ هم اندازه اند، اما سرعت چرخش یکی از آنها دو برابر دیگری است. اگر تعدادی زیادی از این چرخ‌ها را در کنار هم قرار دهید، چیزی شبیه زیر خواهید داشت.

یک  نکته جالب دیگر این که اگر دقت کنید می‌بینید که در کنتور اعداد  روی چرخ های مجاور برعکس هم نوشته شده است. دلیل انجام این کار آنست که چرخها مستقیماً به هم وصل شده اند.
اما اگر بخواهید به نسبت های واقعاً بزرگ دست پیدا کنید، هیچ چیز توانایی رقابت با چرخ دنده های حلزونی را ندارد. چرخ دنده حلزونی از یک محور مارپیچی و یک چرخ دنده تشکیل شده است. با هر گردش محور، چرخ دنده یک دندانه جلو می‌رود. اگر چرخ چهل دندانه داشته باشد، در یک فضای بسیار کوچک به نسبت 40:1 دست پیدا می‌کنیم مدل سازی زیر یک چرخ دنده حلزونی را نشان می‌دهد که در برف پاک کن ماشین استفاده می‌شود.

از این چرخ دنده‌ها در کیلومتر شما ماشین نیز استفاده می‌شود .

چرخ دنده های خورشیدی

یکی از  جالب ترین چرخ دنده هایی که  اختراع شده است،  چرخ دنده خورشیدی است. فرض کنید می‌خواهید دوچرخ دنده داشته باشیدکه سرعت یکی 6 برابر دیگری باشد،اما جهت چرخش آن ها با هم یکی باشد.  برای این کار دو راه  وجود دارد.  راه حل اول اینست که از  چیزی شبیه شکل 5 استفاده کنیم.

اگر ورودی را به یکی دیگر از چرخ دنده های این مجموعه متصل کنید،  نسبت جدیدی بدست می‌آید. به این ترتیب می‌توانید با استفاده از همین مجموعه و فقط با تعویض ورودی، خروجی و قسمت ثابت سرعت های مختلفی را در خروجی ایجاد کنید. مثلاً اگر ورودی به خورشید  وصل باشد، حلقه ثابت نگه داشته شود و محور خروجی به صفحه متصل شود، صفحه و سیاره‌ها به دور خورشید می‌چرخند،  در این صورت خورشید  برای چرخاندن  صفحه باید هفت دور  بچرخد نه شش دور.  چون صفحه، خورشید  را  یک بار در جهت چرخش خود چرخانده است،  پس یک دورازچرخش خورشید خنثی می‌شود. بدین ترتیب ما یک کاهش 7:1  درچرخ ایجاد کرده ایم. می‌توانید خورشید را ثابت نگه دارید، ورودی را به چرخ دنده حلقوی متصل کنید و خروجی را به صفحه. در این صورت یک کاهش 1/17:1 بدست می‌آید. حالت های مختلف استفاده از این مجموعه در مدل سازی زیر نشان داده شده است. البته توجه کنید نسبت و تعداد چرخ دنده های مدل سازی با شکل تفاوت دارد.

چرخ دنده خورشیدی قلب یک دنده اتوماتیک است. سایر قسمتهای موجود در دنده اتوماتیک ماشین فقط وظیفه تعویض ورودی و خروجی و یا ثابت نگه داشتن چرخ دنده های مختلف را بر عهده دارند.

زنجیر و چرخ

چرخ دنده‌ها کارهای  متنوعی انجام می‌دهند. فرض کنید که می‌خواهید حرکت دو چرخ قرمز را با هم همگام کنید، ولی آن ها از یکدیگر فاصله دارند. اگریک چرخ دنده بزرگ بین آن ها قرار دهید می‌توانید ارتباط بین آنها را برقرار کنید. در این حالت جهت چرخش دو چرخ یکسان است. اما اگر بخواهید جهت چرخش آنها عکس یک دیگر باشد می‌توانید از دو چرخ دنده کوچک تر استفاده کنید.
ولی در هر حال  به تعدادی چرخ دنده اضافی نیاز دارید . این چرخ دنده‌ها  به محورهای جدیدی نیاز دارند.  پس استفاده  از این  روش،  وزن دستگاه  شما را هم زیاد  می‌کند.  در چنین مواردی معمولاً از یک زنجیر یا تسمه استفاده می‌کنند.

زنجیر سبک تر از چرخ دنده است و در ضمن  می‌توان یک زنجیر  را به تعداد  زیادی چرخ دنده بست تا همه آن ها را با هم  بچرخاند. مثلاً در  موتور ماشین یک تسمه  هم دینام  را می‌چرخاند و هم دو میل  بادامک را. اگر می‌خواستید  به جای تسمه از  چرخ دنده استفاده کنید، این کار خیلی مشکل تر بود. علاوه  بر این هر وقت که بخواهید ارتباط دو چرخ را قطع کنید می‌توانید زنجیر را جدا کنیداین ویژگی به ما کمک می‌کندکه خیلی ساده تر ابزارهای مان را تعمیرکنیم. اگر دوست دارید درباره انواع چرخ دنده‌ها بدانید.

انواع چرخ دنده ها

وقتی می خواهند یک چرخ دنده انتخاب کنند، به چند نکته اساسی توجه می کنند.
 اولین نکته  نسبت چرخ دنده ها است. نسبت  چرخ دنده ها  قدرت و سرعت خروجی را تعیین می کند.
نکته دوم  شکل دنده هایی  است که  روی  چرخ دنده  قرار گرفته اند.  چرخ  دنده های قدیمی ظاهری شبیه شکل روبرو داشتند.  چنین چرخ دنده ای برای کارهای ساده خوب است،  اما وقتی بخواهیم در یک ابزار پیچیده از آن استفاده کنیم کارآیی چندانی ندارد.

اینجا نوبت به انتخاب نوع چرخ دنده ها می رسد. چرخ دنده ها انواع مختلفی دارند که هر یک از آنها برای شرایط خاصی به کار می رود.

چرخ دنده های ساده

این چرخ دنده ها ساده ترین چرخ دنده هایی هستند که دیده اید. آنها دندانه های مستقیم دارند و محور دو چرخ نیز موازی با یک دیگر قرار گرفته اند. گاهی تعداد زیادی از آن ها را در کنار هم قرار می دهند تا سرعت را کاهش و قدرت را افزایش دهند.

در تعداد  زیادی از وسایل از  این چرخ دنده ها استفاده می شود. مثلاً ساعت های کوکی، ساعت های اتوماتیک، ماشین لباس شویی، پنکه و ... . اما در اتومبیل به کار نمی آیند، چون سر و صدای زیادی دارند.  هر بار که دندانه یک چرخ به دندانه چرخ روبرو می رسد، صدای کوچکی در اثر برخورد ایجاد می شود.  می توانید  مجسم کنید وقتی تعداد زیادی از این چرخ دنده ها  با هم کار کنند، چه سر و صدایی راه می اندازند؟ تازه این برخورد ها  در دراز مدت،  باعث شکستن دندانه ها می شود. برای کاهش سر و صدا و افزایش عمر چرخ دنده ها در بیشتر اتومبیل ها از چرخ دنده های مارپیچ استفاده می کنند.

چرخ دنده های مارپیچ

دندانه این  چرخ  دنده ها اریب است.  وقتی یکی از آن ها  می چرخد،  ابتدا نوک دندانه ها با هم تماس پیدا میکنند سپس به تدریج دو دندانه کاملاً  در  هم جفت می شوند. این درگیری تدریجی همان چیزی است که هم سرو صدا را کم میکند و هم باعث می شودکه این چرخ دنده ها نرم تر کار کنند. 
در ماشین  تعداد  زیادی  چرخ  دنده  مارپیچ  وجود  دارد.  به خاطر  مایل بودن  دندانه ها، هنگام درگیری  نیروی زیادی به آن ها وارد می شود. به همین علت در وسایلی که از چرخ  دنده های مارپیچی  استفاده می کنند  بلبرینگ هایی  تعبیه شده است تا این  فشار را تحمل کند. اگر زاویه دندانه ها را به دقت تنظیم کنیم، می توان دو چرخ دنده را به دو محور عمود بر هم وصل کرد تا جهت چرخش 90 درجه تغییر کند.

چرخ دنده های مخروطی

این چرخ دنده ها بهترین وسیله تغییر جهت هستند.  معمولاً از آن ها برای تغییر جهت 90 درجه استفاده می شود، ولی می توان طراحی را طوری انجام داد که در زاویه های دیگر نیز کار کنند.
دندانه های آن ها ممکن است مستقیم یا پیچ دار باشد. اما اگر دندانه ها صاف باشد همان مشکل چرخ دنده های ساده را دارند. در دندانه های پیچ دار این مشکل برطرف شده است، ولی در هر دوی آن ها باید محور چرخ دنده ها در یک صفحه قرار داشته باشد.

گاهی می خواهیم محور  چرخ ها  در یک صفحه نباشند.  در چنین شرایطی  از چرخ  دنده هایی مانند شکل روبرو استفاده می کنیم.

در دیفرانسیل بسیاری از اتومبیل ها از این چرخ دنده ها استفاده می شود. این طراحی امکان آن را ایجاد می کند که  محور چرخ  دنده بیرونی پایین تر از محور چرخ دنده حلقوی قرار داده شود. شکل روبرو محور بیرونی ورودی را نشان می دهد که در تماس با چرخ حلقوی قرار گرفته است. از آن جایی که محور محرک (Drive Shaft) ماشین به چرخ بیرونی متصل می شود، پایین آمدن چرخ بیرونی امکان پایین آوردن محور محرک را هم ایجاد می کند، پس می توان محور را پایین تر آورد و در عوض فضای بیشتری را به سرنشینان اتومبیل اختصاص داد.

چرخ دنده های حلزونی

این چرخ  دنده ها  زمانی  مورد استفاده  قرار می گیرند که  بخواهیم تغییر زیادی در سرعت و یا قدرت ایجاد کنیم.  معمولاً نسبت شعاع دو چرخ دنده 20:1 است و گاهی حتی به 300:1 و بیشتر نیز می رسد.
این چرخ دنده ها یک خاصیت جالب  هم دارند که در هیچ چرخ  دنده  دیگری  پیدا  نمی شود. (چرخ بالایی حلزون) می تواند به راحتی چرخ دیگر (چرخ دنده حلزونی) را  حرکت دهد، ولی چرخ  پایینی نمی تواند حلزون را  بچرخاند.  زاویه دنده های روی حلزون آن قدر کوچک است که وقتی  چرخ پایینی بخواهد آن را بچرخاند،  اصطکاک به  حدی  زیاد  می شود که از حرکت حلزون جلوگیری می کند. این ویژگی  به ما امکان استفاده از این چرخ دنده ها را در جاهایی که به یک قفل خودکار نیاز داریم می دهد. فرض کنید از این چرخ دنده در یک بالابر استفاده کرده ایم؛ وقتی موتور بالابر از کار بیفتد،  چرخ دنده ها قفل می شوند و نمی گذارند بار پایین بیاید. معمولاً در  دیفرانسیل کامیون ها و خودروهای سنگین از این چرخ دنده ها استفاده می شود.

چرخ دنده شانه ای

این چرخ دنده ها برای تبدیل حرکت دورانی به حرکت خطی استفاده می شوند. یک مثال خوب برای این چرخ دنده ها فرمان اتومبیل است.  فرمان، چرخ دنده ای را می چرخاند که با چرخ شانه ای در تماس است. وقتی شما فرمان  را  می چرخانید،  با  توجه به جهت چرخش  فرمان،  شانه به سمت چپ و یا راست حرکت می کند و باعث حرکت چرخها می شود. در برخی از ترازوها نیز برای چرخاندن عقربه از سیستم مشابهی استفاده می شود.

چرخ دنده ها عموماً برای یکی از چهار دلیل زیر استفاده می شوند:

۱.     برای تغییر جهت دوران

۲.     برای زیاد یا کم کردن سرعت دوران

٣.     برای انتقال حرکت دورانی به محوری دیگر

4.     برای حفظ هم زمانیِ دوران دو محور

چرخ دنده ی کوچک تر با سرعت دو برابر چرخ دنده ی بزرگ تر می چرخد، و بعلاوه محور دوران چرخ دنده ی کوچک تر، در سمت راست محور دوران چرخ دنده ی بزرگ تر قرار دارد.دلیل این امر که سرعت یک چرخ دنده دو برابر چرخ دنده ی دیگر است، در نسبت بین دنده هاست نسبت دنده ها. در این شکل، قطر چرخ دنده ی سمت راست دو برابر قطر چرخ- دنده ی سمت چپ است. بنابراین نسبت دنده ها ۲:١ است (بخوانید" دو به یک"). اگر به شکل دقّت کنید، می توانید این نسبت را ببینید: هر بار که چرخ دنده ی بزرگ تر یک دور می زند، چرخ دنده ی کوچک تر دو دور می زند. اگر هر دو چرخ دنده قطر یکسانی داشتند، دوران آنها با سرعت برابر امّا در جهت مخالف صورت می گرفت.   

داخلی‌ترین قسمت چرخ‌دنده توپی ‌Hub می‌باشد که به محور محرک متصل می‌باشد. در بیرون این قسمت جان چرخ‌دنده Web قرار گرفته است. بیرونی‌ترین قسمت در جهت شعاعی، محیط چرخ‌دنده Rim می‌باشد که دندانه‌های چرخ‌دنده در این قسمت قرار می‌گیرند. این بخش از چرخ‌دنده منبع اصلی ایجاد صدا می‌باشد.