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.

مهمترین اصطلاحاتی که در طراحی چرخ‌دنده بکار می‌روند عبارتند از:

دایره گام Pitch Circle: دایره‌ای فرضی که تمامی‌محاسبات بر اساس آن انجام می‌گیرد. دایره گام دو چرخ‌دنده درگیر بر هم مماس می‌باشند.

گام محیطی Circular Pitch: طول کمانی از دایره گام که بین دو نقطه متناظر از دو دندانه مجاور قرار گرفته است.

ارتفاع سر دنده Addendum: فاصله بین بالای دندانه Top Land تا دایره گام.

ارتفاع ته دنده Dedendum: فاصله بین ته دندانه Bottom Land تا دایره گام.

لقی محیطی Backlash: مقداری که فضای خالی بین دو دندانه یک چرخ‌دنده از ضخامت دندانه‌های چرخ‌دنده درگیر با آن در امتداد دایره گام بیشتر است.

چرخ‌دنده‌ها بر اساس وضعیت قرارگیری محورهای دو چرخ‌دنده درگیر نسبت به هم به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند:

• 
  
  چرخ‌دنده‌های با محورهای موازی
  
  


• 
  
  چرخ‌دنده‌های با محورهای غیرموازی
  
  

چرخ دنده ها در بسیاری از وسایل مکانِیکی استفاده می شوند.آنها کارهای متفاوت بسیاری انجام می دهند ولی مهم ترین آن کاهش دنده  در تجهیزات موتوری است.این نقشی کلیدی است زیرا اغلب یک موتور کوچک چرخان با سرعت زیاد می تواند قدرت کافی  برای وسیله را تولید کند ولی گشتاور کافی را نمی تواند. به  عنوان  مثال پیچ  گوشتی الکتریکی دنده کاهشی بسیار بزرگی دارد  زیرا که نیاز به گشتاور پیچشی  زیادی  برای پیچاندن پیچ  دارد. ولی موتور فقط مقدار کمی گشتاور  درسرعت بالا تولید می کند با دنده کاهشی سرعت خروجی  کاهش اما  گشتاور افزایش می یابد. کار دیگری که چرخ دنده ها انجام می دهند تنظیم کردن جهت چرخش است. به عنوان نمونه دردیفرانسیل بین چرخهای عقب اتومبیل شماقدرت بوسیله میل محوری که به مرکز اتومبیل متصل  است  منتقل  می شود  و  دیفرانسیل  باید 90  درجه  نیرو  را  بچرخاند  تا در چرخ ها بکار برد.پیچیدگیهای بسیاری در انواع مختلف چرخ دنده وجود دارد.در این مقاله خواهیم آموخت که دندانه های  چرخ دنده چگونه کار می کنند و درباره انواع مختلف چرخ دنده که در همه نوع ابزارهای مکانیکی یافت می شوند خواهیم آموخت.

اصول اولیه

در هر چرخ دنده نسبت دنده  با فاصله از مرکز  چرخ دنده  تا نقطه  تماس تعیین می شود.به عنوان مثال در ابزاری با دو چرخ دنده ،اگر قطر یکی از چرخ دنده ها 2 برابر دیگری باشد، ضریب دنده 2:1 خواهد بود.یکی از ابتدایی ترین انواع چرخ دنده که می توانیم ببینیم چرخی با برامدگی هایی بشکل دندانه های چوبی است.  مشکلی که  این نوع از چرخ دنده ها دارند این است که فاصله از مرکز هر چرخ دنده  تا نقطه تماس،  وقتی که چرخ دنده  می چرخد تغییر می کند. این بدان معنی است که  ضریب دنده  وقتی چرخ دنده می چرخد  تغییر می کند.یعنی سرعت خروجی  نیز  تغییر میکند. چنانچه شما در اتومبیل خود از چرخ دنده هایی شبیه به این  استفاده کنید،ثابت نگه داشتن سرعت در این شرایط  غیر ممکن خواهد بود و شما دائما باید سرعت را کم و زیاد کنید.

دندانه های چرخ دنده های نوین پروفیل مخصوصی که دنده گستران (اینولوت involute ) نامیده  می شود  استفاده می کنند. این پروفیل  دارای  خاصیت  بسیار  مهم ثابت نگه داشتن نسبت سرعت بین دو  چرخ  دنده است. در این نوع ،  همانند چرخ میخی بالا نقطه تماس جابجا می شود ولی فرم گستران دندانه های چرخ دنده این جابجایی را جبران میکند.

چرخ دنده ساده

چرخ دنده های ساده معمولی ترین نوع  چرخ دنده می باشند.آن ها  دندانه های صافی دارند و بر روی محورهای  موازی  سوار می شوند. سابقا  چرخ دنده های  ساده  بسیاری برای بوجود آوردن دنده های کاهشی بسیار بزرگی استفاده می شد.

چرخ دنده های  ساده  در  دستگاه های  بسیاری استفاده می شوند.  مانند  پیچ گوشتی الکتریکی ، آب پاش نوسانی ، ساعت زنگی ، ماشین لباس شویی وخشک کن لباس . اما شما در اتومبیل خود تعداد  زیادی از آن  را  نخواهید  یافت  زیرا  چرخ دنده ساده واقعا  می تواند پر سروصدا باشد.هر وقت دندانه چرخ دنده یک دنده را با چرخ دنده دیگری درگیر کند دنده ها برخورد کرده و این ضربه  صدای  بلندی تولید می کند،  هم چنین  فشار  روی  چرخ دنده  را   افزایش می دهد  برای کاهش دادن صدا و فشار روی چرخ دنده اغلب چرخ دنده ها در اتومبیل شما مارپیچی می باشند.

چرخ دنده های مارپیچ

وقتی دو دنده بر روی سیستم چرخ دنده مارپیچ درگیر می شوند تماس از انتهای یکی از دنده ها شروع شده و بتدریج با چرخش چرخ دنده گسترش میابد تا زمانی که دودنده بطور کامل درگیر شوند.

درگیر شدن  تدریجی چرخ دنده های  مارپیچی  را  وادار می کند که آرام تر و ملایم تر از چرخ دنده های ساده عمل کنند. به همین دلیل چرخ دنده های مارپیچی تقریبا" در جعبه دنده های همه اتومبیل ها مورد استفاده قرارمی گیرد.

 به علت  زاویه  دنده ها در چرخ دنده های مارپیچ  وقتی که دنده ها درگیر می شوند بار  محوری بوجود می آورند. دستگاه هایی که از چرخ دنده های مارپیچ استفاده می کنند یاتاقان هایی دارند که می توانند این بار محوری  را نگه دارند.یک  نکته جالب در مورد چرخ دنده های مارپیچ این است که  اگر زوایای  دندانه های  چرخ دنده  صحیح  باشند می توا نند  روی محور عمودی سوار شده زاویه چرخش را روی 90 درجه تنظیم کنند.

چرخ دنده مخروطی

چرخ دنده مخروطی زمانی مورد استفاده قرار می گیرد که مسیر چرخش محور نیاز به تغییر کردن دارد  و معمولا برمحورهای  90 درجه سوار می شوند  ولی می توا نند طوری طراحی شوند که در زوایای  دیگر نیز به همین خوبی عمل کنند.  دندانه ها  روی  چرخ دنده های  مخروطی می توانند صاف ،  مارپیچی ویا قوسی باشند.دندانه های چرخ دنده های مخروطی صاف در حقیقت مشکلی مشابه دنده  چرخ دنده های   ساده دارند.که وقتی هر دنده   درگیر می شود  به دنده  متناظر در آن لحظه ضربه می زند.

 درست مانند  چرخ دنده ساده ، راه حل این مشکل  انحنا دادن به دندانه های چرخ دنده می باشد. این دندانه های مارپیچی درست مانند دندانه های مارپیچی درگیر می شوند تماس از یک انتها ی چرخ دنده شروع می شود و به صورت تصاعدی در سرتاسر دندانه گسترش می یابد.

 چرخ دنده مخروطی با دندانه های مارپیچ

در چرخ دنده های مخروطی صاف و مارپیچی محورها باید بر هم عمود باشندو هم چنین  در یک صفحه واقع شوند. اگر شما دو محور را پشت چرخ دنده امتداد دهید همدیگر را قطع خواهند کرد از طرف  دیگر  چرخ  دنده های  قوسی (hypoid gear)   می توانند  با  محور ها در صفحات مختلف (محور های متنافر) درگیر شوند.

چرخ دنده ی مخروطی هیپوئیدی در دیفرانسیل

این خصوصیت در دیفرانسیل اتومبیل های بسیاری استفاده می شود. چرخ دنده بزرگ مخروطی دیفرانسیل و چرخ دنده کوچک  ورودی (پنیون)  هر دو از نوع قوسی (هیپوئیدی) هستند.  این به پنیون ورودی اجازه می دهد که پایین تر از  محور چرخ دنده بزرگ  مخروطی سوار شود. شکل بالا پنیون ورودی درگیر با چرخ دنده مخروطی بزرگ در دیفرانسیل را نشان می دهد. زمانی که محور محرک اتومبیل به پنیون ورودی متصل می شود پایینتر قرار می گیرد . این بدان معنی است که محورمحرک در قسمت سواری جایی را اشغال نمی کند و فضای بیشتری برای سرنشینان و بار ایجاد می کند

چرخ دنده های حلزونی

چرخ دنده حلزونی  هنگامی مورد استفاده قرار می گیرد که نیاز به دنده کاهشی بزرگی باشد.برای چرخ دنده های حلزونی نسبت کاهش 20:1 و حتی تا 300:1 یا بالاتر از آن متعارف است.

بسیاری از چرخ دنده های حلزونی خاصیت  جالبی دارند که  چرخ دنده های  دیگر ندارند : پیچ حلزون براحتی می تواند چرخ دنده را بچرخاند ولی چرخ دنده نمیتواند پیچ حلزون را بچرخاند و این بدان علت است که  زاویه ی روی پیچ حلزون  بقدری کم است که وقتی چرخ دنده سعی می کند آن را  بچرخاند نیروی اصطکاک  بین چرخ دنده  و پیچ حلزون آن را در  جای خود نگه می دارد و مانع چرخش آن می شود.این خاصیت برای ماشین هایی از قبیل سیستم های نقاله مکانیکی مورد استفاده است. آن هایی که خاصیت قفل کنندگی در آنها هنگامی که موتور نمی چرخد می تواند همانند یک  ترمز برای  نقاله عمل کند. استفاده  خیلی جالب دیگر  چرخ دنده های حلزونی در دیفرانسیل تورسن(Torsen differential) که در بعضی از اتومبیلها و کامیونهای بارکش با کارایی بالا استفاده می شود است.

چرخ دنده و میله دنده

چرخ دنده  و میله دنده برای تبدیل کردن حرکت دورانی به حرکت خطی استفاده می شوند.مثال کاملی از آن  فرمان اتومبیل هاست . فلکه  فرمان چرخ دنده ای که با میله دنده درگیر است را می چرخاند. وقتی که چرخ دنده می چرخد میله دنده را به چپ یا راست می لغزاند بسته به آنکه شما فرمان را به کدام سمت می پیچانید.

چرخ دنده و میله دنده در ترازوی خانگی

چرخ دنده و میله دنده همچنین در بعضی ترازوها برای گردش صفحه مدرجی که وزن شما را نشان می دهد به کار می رود.

چرخ دنده های سیاره ای و نسبت بین دنده ها

هر مجموعه چرخ دنده سیارهای سه جزء اصلی دارد :

         دنده خورشیدی

         دنده سیاره ای و حامل دنده سیاره ای

        دنده بزرگ حلقه ای (رینگی)

 هر کدام ازاین سه جزء میتوانند ورودی یا خروجی باشندیا میتوانند ثابت نگه داشته شوند.انتخاب کدام قطعه ای برای کدام  منظور نسبت دنده را برای چرخ دنده ها معین می کند.به یکی از چرخ دنده های سیاره ای منفرد نگاهی می اندازیم.یکی از چرخ دنده های سیاره ای جعبه دنده ما یک چرخ دنده بزرگ حلقه ای با 72 دننده (کرانویل) و یک چرخ دنده خورشیدی با 30 دنده دارد . می توانیم نسبت دنده های بسیاری از این جعبه داشته باشیم.

  هم چنین قفل شدن هر دو جزء با هم همه ی قطعه را قفل خوا هد کرد و نسبت دنده 1:1 خواهد شد. توجه کنید که اولین نسبت دنده ای  که  در جدول  بالا ثبت شده است  کاهشی است یعنی  سرعت  خروجی از سرعت  ورودی کمتر است. دومین نسبت دنده پرسرعت است یعنی سرعت خروجی بیش تر از سرعت ورودی است  و آخری نیز دوباره کاهشی  است  ولی مسیر  خروجی معکوس شده است.نسبت دنده های مختلف بسیاری از مجموعه چرخ دنده بالا می توان استخراج کرد ولی آنهایی که می بینید مربوط به جعبه دنده ی اتوماتیک می باشند.

 پس این یکی از مجموعه های چرخ دنده است که می تواند همه ی این نسبت دنده های مختلف را  بدون درگیر کردن  یا  خلاص کردن چرخ دنده های  دیگر تولید کند. با دو تا از این مجموعه چرخ دنده ها در یک ردیف ما می توانیم 4 دنده جلو و یک دنده عقب (معکوس) مورد نیاز در جعبه دنده را داشته باشیم.در قسمت بعدی دو مجموعه از چرخ دنده ها را با هم قرار خواهیم. داد.  

جزئیات پروفیل چرخ دنده گسترانی (اینولوت)

درپروفیل دندانه های چرخ دنده گسترانی نقطه تماس ازنزدیکی یکی از دندانه ها شروع شده و با چرخش  چرخ دنده نقطه تماس از آن چرخ دنده  دور شده و به دیگری نزدیک می شود.اگر شما نقطه تماس را دنبال کنید،  نشانگر یک خط مستقیم است که از یکی از چرخ دنده ها شروع شده و در کنار دیگری پایان می یابد.این بدان معنی است که شعاع نقطه تماس با درگیر شدن دندانه ها بزرگتر می شود.

 ثابت  نمی باشد  قطر دایره گام واقعا فاصله تماس متوسط است. وقتی که دندانه ها ابتدا شروع به درگیر شدن می کنند  دندانه چرخ دنده بالایی به دندانه چرخ دنده پایینی در داخل قطر دایره گام برخورد می کند.اما توجه کنید که آن قسمت از دنده بالا که با دنده پایین تماس پیدا می کند، در آن نقطه بسیار لاغر است.با چرخش چرخ دنده نقطه تماس به سمت قسمت ضخیم تر دندانه چرخ دنده  بالایی لغزیده می شود. این امر دنده  بالایی را  به جلو رانده بنا براین جبرانی برای قطر تماس اندکی کوچکتر می باشد. با ادامه دادن دندانه ها  به چرخیدن نقطه تماس دور تر شده حتی از قطر دایره گام خارج می شود.اما پروفیل دندانه های پایینی جبرانی برای این جابجایی است.نقطه تماس شروع به لغزیدن به سمت قسمت لاغر دندانه پایینی می کند مقدار کمی از سرعت چرخ دنده بالایی برای جبران قطر  تماس افزوده شده، کم می کند.نتیجه نهایی این است که حتی اگر قطر نقطه تماس  بطور ممتد تغییر کند سرعت ثابت  باقی می ماند. بنابراین پروفیل دندانه چرخ دنده گسترانی یک نسبت سرعت دورانی ثابت تولید می کند.