دلباختگان مکانیک خودرو

چرخ دنده ها چگونه کار می کنند؟

چرخ دنده ها در بسیاری از وسایل مکانِیکی استفاده می شوند.آنها کارهای متفاوت بسیاری انجام می دهند ولی مهمترین 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.بعنوان 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 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.بعنوان نمونه در دیفرانسیل بین چرخ های عقب اتومبیل شما قدرت بوسیله میل محوری که به مرکز اتومبیل متصل است منتقل می شود و دیفرانسیل باید 90 درجه نیرو را بچرخاند تا در چرخها 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. 

پویا نمایی چرخ دنده ی ساده ی چوبی

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 می کند.برای جزئیات به این قسمت مراجعه کنید.در ادامه بعضی از انواع چرخ دنده ها را میبینیم.

چرخ دنده ساده  

چرخ دنده های ساده معمولی ترین نوع چرخ دنده می باشند.آنها دندانه های صافی دارندو 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 ی ساده

چرخ دنده های ساده در دستگاه های بسیاری استفاده می شوند.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 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، همچنین 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.

چرخ دنده مارپیچ

درگیر شدن تدریجی چرخ دنده های مارپیچی را وادار می کند که آرامتر 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.

 بعلت 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 کنندیاتاقان 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 مارپیچ عمودی

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.

چرخ دنده مخروطی

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 همچنین 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 اتومبیلهای 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 پایین تر قرار می گیرد .این بدان معنی است که محور محرک 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.

چرخ دنده حلزونی

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 آنرا 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 ماشینهایی از قبیل سیستم های نقاله مکانیکی مورد استفاده است. آنهایی 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 اتومبیلهاست . 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 بکدام 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 از این سه جزء می توانند ورودی یا خروجی باشند یا می توانند 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.

همچنین 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 بیشتر 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.

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 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.