برای بزرگنمایی روی تصویر کلیک کنید
انواع چرخ دنده ها
چرخدنده‌ها در بسیاری از وسایل مکانِیکی استفاده می‌شوند. آنها کارهای متفاوت بسیاری انجام می‌دهند ولی مهمترین آن کاهش دنده در تجهیزات موتوری است. این نقشی کلیدی است زیرا اغلب یک موتور کوچک چرخان با سرعت زیاد می‌تواند قدرت کافی برای وسیله را تولید کند ولی قادر به تولید گشتاور کافی نیست.
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 در سرعت بالا تولید میکند. با دنده کاهشی سرعت خروجی کاهش اما گشتاور افزایش می یابد.
کار دیگری که چرخدنده‌ها انجام می‌دهند تنظیم کردن جهت چرخش است. بعنوان نمونه در دیفرانسیل بین چرخ های عقب اتومبیل شما قدرت بوسیله میل محوری که به مرکز اتومبیل متصل است منتقل می‌شود و دیفرانسیل باید ۹۰ درجه نیرو را بچرخاند تا در چرخها بکار برد.
پیچیدگیهای بسیاری در انواع مختلف چرخدنده وجود دارد. در این مقاله خواهیم آموخت که دندانه‌های چرخدنده چگونه کار می‌کنند و درباره انواع مختلف چرخدنده که در همه نوع ابزارهای مکانیکی یافت می‌شوند خواهیم آموخت.
اصول اولیه
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 خواهد بود. یکی از ابتدایی‌ترین انواع چرخدنده که می‌توانیم ببینیم چرخی با برامدگی‌هایی بشکل دندانه‌های چوبی است.
مشکلی که این نوع از چرخدنده‌ها دارند این است که فاصله از مرکز هر چرخدنده تا نقطه تماس، وقتی که چرخدنده می‌چرخد تغییر میکند. این بدان معنی است که ضریب دنده وقتی چرخدنده می چرخد تغییر میکند. یعنی سرعت خروجی نیز تغییر میکند. چنانچه شما در اتومبیل خود از چرخدنده‌هایی 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.
دندانه‌های چرخدنده‌های نوین پروفیل مخصوصی که دنده گستران اینولوتinvolute) ) نامیده می‌شود استفاده می‌کنند. این پروفیل دارای خاصیت بسیار مهم ثابت نگه داشتن نسبت سرعت بین دو چرخدنده است. در این نوع، همانند چرخ میخی بالا نقطه تماس جابجا می‌شود ولی فرم گستران دندانه‌های چرخدنده این جابجایی را جبران میکند. برای جزئیات به این قسمت مراجعه کنید. در ادامه بعضی از انواع چرخدنده‌ها را می‌بینیم:
چرخدنده ساده
چرخدنده‌های ساده معمولی ترین نوع چرخدنده می باشند. آنها دندانه‌های صافی دارند و بر روی محورهای موازی سوار می‌شوند. سابقا چرخدنده‌های ساده بسیاری برای بوجود آوردن دنده‌های کاهشی بسیار بزرگی استفاده می‌شد.
چرخدنده‌های ساده در دستگاه‌های بسیاری استفاده می‌شوند. مانند پیچ گوشتی الکتریکی، آبپاش نوسانی، ساعت زنگی، ماشین لباسشویی و خشک کن لباس. اما شما در اتومبیل خود تعداد زیادی از آن را نخواهید یافت زیرا چرخدنده ساده واقعا می‌تواند پر سروصدا باشد. 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 چرخدنده را افزایش می‌دهد. برای کاهش دادن صدا و فشار روی چرخدنده اغلب چرخدنده‌ها در اتومبیل شما مارپیچی می‌باشند.
چرخدنده‌های مارپیچ
وقتی دو دنده بر روی سیستم چرخدنده مارپیچ درگیر می‌شوند تماس از انتهای یکی از دنده‌ها شروع شده و بتدریج با چرخش چرخدنده گسترش میابد تا زمانی که دودنده بطور کامل درگیر شوند.
درگیر شدن تدریجی چرخدنده‌های مارپیچی را وادار میکند که آرامتر و ملایم تر از چرخدنده‌های ساده عمل کنند. به همین دلیل چرخدنده‌های مارپیچی تقریبا در جعبه دنده‌های همه اتومبیل ها مورد استفاده قرارمی گیرد.
به علت زاویه دنده‌ها در چرخدنده‌های مارپیچ وقتی که دنده‌ها درگیر می‌شوند بار محوری بوجود می آورند. دستگاه‌هایی که از چرخدنده‌های مارپیچ استفاده می‌کنندیاتاقان هایی دارند که می‌توانند این بار محوری را نگه دارند. یک نکته جالب در مورد چرخدنده‌های مارپیچ این است که اگر زوایای دندانه‌های چرخدنده صحیح باشند می‌توانند روی محور عمودی سوار شده زاویه چرخش را روی ۹۰ درجه تنظیم کنند.
چرخدنده مخروطی
چرخدنده مخروطی زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد که مسیر چرخش محور نیاز به تغییر کردن دارد و معمولا"برمحورهای ۹۰ درجه سوار می‌شوند ولی می‌توا نند طوری طراحی شوند که در زوایای دیگر نیز به همین خوبی عمل کنند. دندانه‌ها روی چرخدنده‌های مخروطی می‌توانند صاف ، مارپیچی ویا 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 می زند.
درست مانند چرخدنده ساده، راه حل این مشکل انحنا دادن به دندانه‌های چرخدنده می باشد. این دندانه‌های مارپیچی درست مانند دندانه‌های مارپیچی درگیر می‌شوند تماس از یک انتها ی چرخدنده شروع می‌شود و به صورت تصاعدی در سرتاسر دندانه گسترش می‌یابد.
در چرخدنده‌های مخروطی صاف و مارپیچی محورها باید بر هم عمود باشندو همچنین در یک صفحه واقع شوند. اگر شما دو محور را پشت چرخدنده امتداد دهید همدیگر را قطع خواهند کرد . از طرف دیگر چرخدنده‌های قوسی (hypoid gear) می‌توانند با محور ها 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 به پنیون ورودی اجازه می‌دهد که پایین تر از محور چرخدنده بزرگ مخروطی سوار شود. شکل بالا پنیون ورودی درگیر با چرخدنده مخروطی بزرگ در دیفرانسیل را نشان می‌دهد. زمانی که محور محرک اتومبیل به پنیون ورودی متصل می‌شود پایین تر قرار می گیرد. این بدان معنی است که محور محرک در قسمت سواری جایی را اشغال نمی‌کند و فضای بیشتری برای سرنشینان و بار ایجاد میکند.
چرخدنده‌های حلزونی
چرخدنده 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 براحتی می‌تواند چرخدنده را بچرخاند ولی چرخدنده نمی‌تواند پیچ حلزون را بچرخاند و این بدان علت است که زاویه ی روی پیچ حلزون بقدری 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 برای ماشینهایی از قبیل سیستم های نقاله مکانیکی مورد استفاده است. آن‌هایی که خاصیت قفل کنندگی در آنها هنگامی که موتور نمی‌چرخد می‌تواند همانند یک ترمز برای نقاله عمل کند.
استفاده خیلی جالب دیگر چرخدنده‌های حلزونی در دیفرانسیل تورسن(Torsen differential) که در بعضی از اتومبیلها و کامیون‌های بارکش با کارایی بالا استفاده می‌شود است.
چرخدنده و میله دنده
چرخدنده و میله دنده برای تبدیل کردن حرکت دورانی به حرکت خطی استفاده می‌شوند. مثال کاملی از آن فرمان اتومبیل‌هاست. فلکه فرمان چرخدنده‌ای که با میله دنده درگیر است را می چرخاند. وقتی که چرخدنده می‌چرخد میله دنده را به چپ یا راست می‌لغزاند بسته به آن‌که شما فرمان را بکدام سمت می‌پیچانید.
چرخدنده و میله دنده همچنین در بعضی ترازوها برای گردش صفحه مدرجی که وزن شما را نشان می‌دهد به کار می‌رود.
چرخدنده‌های سیاره ای و نسبت بین دنده‌ها
هر مجموعه چرخدنده سیاره‌ای سه جزء اصلی دارد دنده خورشیدی، دنده سیاره ای و حامل دنده سیاره ای
دنده بزرگ حلقه ای (رینگی)
هر کدام از این سه جزء می‌توانند ورودی یا خروجی باشند یا می‌توانند ثابت نگه داشته شوند. انتخاب کدام قطعه ای برای کدام منظور نسبت دنده را برای چرخدنده‌ها معین میکند. به یکی از چرخدنده‌های سیاره ای منفرد نگاهی می اندازیم.
یکی از چرخدنده‌های سیاره ای جعبه دنده ما یک چرخدنده بزرگ حلقه ای با ۷۲ دننده (کرانویل) و یک چرخدنده خورشیدی با ۳۰ دنده دارد. می‌توانیم نسبت دنده‌های بسیاری از این جعبه داشته باشیم.
همچنین قفل شدن هر دو جزء با هم همه ی قطعه را قفل خوا هد کرد و نسبت دنده ۱:۱ خواهد شد.
توجه کنید که اولین نسبت دنده‌ای 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 بیشتر از سرعت ورودی است و آخری نیز دوباره کاهشی است ولی مسیر خروجی معکوس شده است. نسبت دنده‌های مختلف بسیاری از مجموعه چرخدنده بالا می‌توان استخراج کرد ولی آن‌هایی که می بینید مربوط به جعبه دنده ی اتوماتیک می باشند.
پس این یکی از مجموعه‌های چرخدنده است که می‌تواند همه ی این نسبت دنده‌های مختلف را بدون درگیر کردن یا خلاص کردن چرخدنده‌های دیگر تولید کند. با دو تا از این مجموعه چرخدنده‌ها در یک ردیف ما می‌توانیم ۴ دنده جلو و یک دنده عقب (معکوس) مورد نیاز در جعبه دنده را داشته باشیم. در قسمت بعدی دو مجموعه از چرخدنده‌ها را با هم قرار خواهیم داد.
جزئیات پروفیل چرخدنده گسترانی (اینولوت)
در پروفیل دندانه‌های چرخدنده گسترانی نقطه تماس ازنزدیکی یکی از دندانه‌ها شروع شده و با چرخش چرخدنده نقطه تماس از آن چرخدنده دور شده و به دیگری نزدیک می‌شود. اگر شما نقطه تماس را دنبال کنید، نشانگر یک خط مستقیم است که از یکی از چرخدنده‌ها شروع شده و در کنار دیگری پایان می یابد. این بدان معنی است که شعاع نقطه تماس با درگیر شدن دندانه‌ها بزرگتر می‌شود.
قطر دایره گام قطر تماس موثر است. از آنجایی که قطر تماس ثابت نمی باشد قطر دایره گام واقعا فاصله تماس متوسط است. وقتی که دندانه‌ها ابتدا شروع به درگیر شدن می‌کنند دندانه چرخدنده بالایی به دندانه چرخدنده پایینی در داخل قطر دایره گام برخورد میکند. اما توجه کنید که آن قسمت از دنده بالا که با دنده پایین تماس پیدا میکند، در آن نقطه بسیار لاغر است. با چرخش چرخدنده نقطه تماس به سمت قسمت ضخیم تر دندانه چرخدنده بالایی لغزیده می‌شود. این امر دنده بالایی را به جلو رانده بنا براین جبرانی برای قطر تماس اندکی کوچکتر می باشد. با ادامه دادن دندانه‌ها به چرخیدن نقطه تماس دور تر شده حتی از قطر دایره گام خارج می‌شود. اما پروفیل دندانه‌های پایینی جبرانی برای این جابجایی است. نقطه تماس شروع به لغزیدن به سمت قسمت لاغر دندانه پایینی میکند مقدار کمی از سرعت چرخدنده بالایی برای جبران قطر تماس افزوده شده،کم میکند. نتیجه نهایی این است که حتی اگر قطر نقطه تماس بطور ممتد تغییر کند سرعت ثابت باقی می ماند. بنابراین پروفیل دندانه چرخدنده گسترانی یک نسبت سرعت دورانی ثابت تولید میکند.
چرخ دنده های ساده
این چرخ دنده‌ها ساده ترین چرخ دنده هایی هستند که دیده اید. آنها دندانه های مستقیم دارند و محور دو چرخ نیز موازی بایکدیگر قرار گرفته اند. گاهی تعداد زیادی از آنها را در کنار هم قرار می‌دهند تا سرعت را کاهش و قدرت را افزایش دهند.
در تعداد زیادی از وسایل از این چرخ دنده‌ها استفاده می‌شود. مثلاً ساعت های کوکی، ساعت های اتوماتیک، ماشین لباسشویی، 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 می‌رسد، صدای کوچکی در اثر برخورد ایجاد می‌شود. می‌توانید مجسم کنید وقتی تعداد زیادی از این چرخ دنده‌ها با هم کار کنند، چه سر و صدایی راه می‌اندازند؟ تازه این برخورد‌ها در دراز مدت، باعث شکستن دندانه‌ها می‌شود. برای کاهش سر و صدا و افزایش عمر چرخ دنده‌ها در بیشتر اتومبیلها از چرخ دنده های مارپیچ استفاده می‌کنند.
چرخ دنده های مارپیچ
دندانه این چرخ دنده‌ها اریب است. وقتی یکی از آنها می‌چرخد، ابتدا نوک دندانه‌ها با هم تماس پیدا می‌کنند سپس به تدریج دو دندانه کاملاً در هم جفت می‌شوند. این درگیری تدریجی همان چیزی است که هم سر و صدا را کم میکند و هم باعث می‌شود که این چرخ دنده‌ها نرم تر کار کنند. شکل 2
در ماشین تعداد زیادی چرخ دنده مارپیچ وجود دارد. به خاطر مایل بودن دندانه ها، هنگام درگیری نیروی زیادی به آنها وارد می‌شود. به همین علت در وسایلی که از چرخ دنده های مارپیچی استفاده می‌کنند بلبرینگ هایی تعبیه شده است تا این فشار را تحمل کند. اگر زاویه دندانه‌ها را به دقت تنظیم کنیم، می‌توان 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 دنده‌ها بهترین وسیله تغییر جهت هستند. معمولاً از آنها برای تغییر جهت 90 درجه استفاده می‌شود، ولی می‌توان طراحی را طوری انجام داد که در زاویه های دیگر نیز کار کنند. شکل 3
دندانه های آنها ممکن است مستقیم یا پیچ دار باشد. اما اگر دندانه‌ها صاف باشد همان مشکل چرخ دنده های ساده را دارند. در دندانه های پیچ دار این مشکل برطرف شده است، ولی در هر دوی آنها باید محور چرخ دنده‌ها در یک صفحه قرار داشته باشد. شکل 4
گاهی می‌خواهیم محور چرخها در یک صفحه نباشند. در چنین شرایطی از چرخ دنده هایی مانند شکل روبرو استفاده می‌کنیم. شکل 5
در دیفرانسیل بسیاری از اتومبیلها از این چرخ دنده‌ها استفاده می‌شود. این طراحی امکن آن را ایجاد میکند که محور چرخ دنده بیرونی پایین تر از محور چرخ دنده حلقوی قرار داده شود. شکل روبرو محور بیرونی ورودی را نشان می‌دهد که در تماس با چرخ حلقوی قرار گرفته است. از آنجایی که محور محرک (Drive Shaft) ماشین به چرخ بیرونی متصل می‌شود، پایین آمدن چرخ بیرونی امکان پایین آوردن محور محرک را هم ایجاد میکند، پس می‌توان محور را پایینتر آورد و در عوض فضای بیشتری را به سرنشینان اتومبیل اختصاص داد.
چرخ دنده های حلزونی
این چرخ دنده‌ها زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرند 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 می‌رسد. شکل 6
این چرخ دنده‌ها یک خاصیت جالب هم دارند که در هیچ چرخ دنده دیگری پیدا نمی شود. چرخ بالایی (حلزون) می‌تواند بهراحتی چرخ دیگر (چرخ دنده حلزونی) را حرکت دهد، ولی چرخ پایینی نمی تواند حلزون رابچرخاند. زاویه دنده های روی حلزون آنقدر کوچک است که وقتی چرخ پایینی بخواهد آن را بچرخاند، اصطکاک به حدی زیاد می‌شود که از حرکت حلزون جلوگیری میکند. این ویژگی به ما امکان استفاده از این چرخ دنده‌ها را در جاهایی که به یک قفل خودکار نیاز داریم می‌دهد. فرض کنید از این چرخ دنده در یک بالابر استفاده کرده ایم؛ وقتی موتور بالابر از کار بیفتد، چرخ دنده‌ها قفل می‌شوند و نمی گذارند بار پایین بیاید. معمولاً در دیفرانسیل کامیونها و خودروهای سنگین از این چرخ دنده‌ها استفاده می‌شود.
