چرخ دنده (معرفی، انواع، کاربرد، روش های ساخت)

امروزه چرخ دنده ها در تمامی ابزارهای مکانیکی کوچک و بزرگ همانند ساعت های دیواری و مچی، چرخ های خیاطی و گیربکس ها کاربرد وسیعی پیدا کرده اند. این قطعات بزرگ و کوچک در ماشین های مکانیکی وظایف مختلفی را انجام می دهند. اما شاید به نوعی بتوان گفت که مهم ترین وظیفه چرخدنده کاهش دنده در قطعات موتوری است. زیرا در بیشتر مواقع یک موتور کوچک دوار با سرعت بالا توانایی تامین قدرت کافی برای وسیله نقلیه را دارد. اما قادر به تولید گشتاور کافی نیست.

وظیفه دیگر چرخدنده تنظیم جهت چرخش است. به طور مثال در دیفرانسیل بین چرخ های عقب خودرو قدرت به وسیله میل محوری که به مرکز خودرو متصل است منتقل می شود و دیفرانسیل نیرو را ۹۰ درجه می چرخاند تا در چرخ ها به کار رود.
در نگارش این مقاله سعی داریم به بررسی موارد زیر بیردازیم:

• چرخ دنده از چه بخش هایی تشکیل شده است؟
• مکانیزم عملکرد چرخ دنده در وسایل مکانیکی به چه صورت است؟
• معروف ترین انواع چرخدنده ها به چه صورت هایی هستند؟
• نقاط قوت و ضعف عملکرد چرخدنده ها چیست؟
• روش های ساخت چرخدنده ها به چه صورت هایی است؟

چرخ دنده از چه اجزایی تشکیل شده است؟

داخلی ترین قسمت چرخدنده توپی است که به محور محرک متصل است. در بیرون این قسمت جان چرخدنده قرار گرفته است. در نهایت بیرونی ترین قسمت در جهت شعاعی بخش محیطی چرخدنده قرار دارد که دندانه های آن بر روی این قسمت قرار می گیرند. این قسمت عامل اصلی صدا در این قطعه است.

در طراحی چرخدنده ها یک سری اصطلاحات مهم وجود دارند که مهم ترین آن ها عبارتند از:

دایره گام: دایره ای فرضی که برابر دو چرخدنده مماس بر هم بوده و محاسبات بر اساس آن صورت می گیرد.
گام محیطی: طول کمانی از دایره گام که بین دو نقطه متناظر از دو دندانه مجاور قرار گرفته‌است.
ارتفاع سردنده: برابر فاصله بین بالای دندانه تا دایره گام است.
ارتفاع ته‌دنده: برابر فاصله بین ته دندانه تا دایره گام است.
لقی محیطی: مقداری که فضای خالی بین دو دندانه یک چرخ‌دنده از ضخامت دندانه‌های چرخ‌دنده درگیر با آن در امتداد دایره گام بیشتر است.

چرخدنده چگونه کار می کند؟

در این بخش توضیحاتی در مورد مکانیزم عملکرد چرخدنده در وسایل مکانیکی ارائه می شود. مفهومی به نام نسبت دنده (ضریب دنده ) وجود دارد که برابر با فاصله از مرکز قطعه تا نقطه تماس است. یعنی برای مثال در دو چرخ دنده که قطر یکی ۵ برابر دیگری است، ضریب دنده برابر ۵:۱ خواهد بود.

در هر چرخ دنده، نسبت دنده با فاصله از مرکز تا نقطه تماس تعیین می شود. در دو چرخدنده که با هم کار می کنند دندانه ها مرتبا نیرو را از محوری به محور دیگر منتقل می کنند. در طراحی چرخ دنده ها باید عوامل مختلفی را در نظر گرفت که مهم ترین آن ها عبارتند از:

• ارتفاع سر دنده
• ارتفاع ته دنده
• ضخامت دنده
• انحنای جانبی دنده

انواع چرخ دنده ها

دو عامل نسبت اندازه چرخ دنده و نوع دنده هایی که روی آن قرار دارند در طراحی چرخ دنده ها نقش مهمی دارند. این دو عامل بر روی بازدهی و تعیین سرعت و قدرت حروجی از موتور تاثیرگدارند. بر این اساس انواع چرخ دنده ها عبارتند از:

چرخدنده ساده

این نوع از چرخ دنده ها ساده ترین نوعی هستند که وجود دارند. در برخی طراحی ها، از تعداد زیادی از آن ها برای افزابش یا کاهش توان استفاده می شود. این نوع چرخدنده ها به علت درگیری کمتر نسبت به نوع مارپیجی سر و صدای بالایی تولید می کنند.
هم چنین به هنگام درگیری دندانه ها با نیروی زیادی به هم ضربه می زنند که باعث ایجاد تنش زیادی در آن ها می شود. از این توع چرح دنده ها بیشتر در وسایلی مثل ماشین های لباس شویی و ساعت ها استفاده می شود.

چرخدنده مارپیچی

خطوط دندانه ها در این دسته به صورت مارپیچی هستند. این نوع چرخ دنده ها در مقابسه با نوع ساده، می توانند نیروی بیشتری را منتقل کنند. از طرفی به علت شکل مارپیچی دندانه ها بیشتر از یک دندانه درگیر است و انتقال نیرو در چرخ دنده یکنواخت تر خواهد بود.

چرخدنده مخروطی

این دسته ظاهری مخروطی شکل دارند. این دسته معمولا بهترین وسیله برای تغییر جهت هستند. دندانه های این نوع چرخدنده ها می تواند به صورت مستقیم، مارپیچی یا هیپوئیدی باشد. در صورتی که محور دو چرخ دنده در یک صفحه باشد از دو دسته اول و در اگر محور آن ها در یک صفحه نباشد از نوع هیپوئیدی استفاده می شود. مهم ترین کاربرد این چرخدنده ها در دیفرانسیل خودروها است.

چرخدنده حلزونی

این چرخ دنده ها زمانی مورد استفاده قرار می گیرند که تغییر زیادی در سرعت و یا قدرت تولیدی مورد نیاز باشد. در نتیجه کاهش سرعت، گشتاور تولیدی به میزان زیادی افزایش می یابد. طراحی این دسته به صورتی است که انتقال نیرو فقط از بخش حلزونی به چرخ انجام می شود. در نتیجه چرخ قادر به چرخاندن بخش حلزونی نیست. نکته مهم در این چرخدنده ها روان کاری مرتب آن هاست که باعث افزایش عمر آن ها می شود. از این چرخ دنده ها معمولا در دیفرانسیل کامیون ها و حودروهای سنگین استفاده می شود.

چرخدنده شانه ای

چرخ دنده شانه ای برای تبدیل حرکت دورانی به خطی استفاده می شود. این دسته معمولا به همراه یک چرخ دنده ساده مورد استفاده قرار می گیرند. دندانه های روی چرخ دنده ها می توانند به صورت ساده یا مارپیچ باشند. یکی از مزیت های این دسته قابلیت تحمل بار بالای آن هاست. به همین علت از این نوع در فرمان خودروها استفاده می شود. اما وجود لقی یکی از معایب این دسته از چرخ دنده هاست.

چرخدنده خورشیدی

هر چرخ دنده خورشیدی از سه بخش تشکیل شده است:

• دنده خورشیدی
• دنده سیاره ای و حامل دنده
• دنده بزرگ حلقه ای (دنده رینگی)

بسته به کاربرد، هر کدام از این سه جزء می توانند ورودی یا خروجی باشند.

روش های ساخت چرخدنده

بر حسب کاربرد و موقعیتی که چرخدنده ها در صنعت دارند، روش های مختلفی برای ساخت آن ها پیشنهاد می شود که از مهم ترین آن ها می توان به روش‌های ریخته گری، کشیدن، پرس (منگنه کردن) و روش براده برداری اشاره کرد.

روش ریخته گری

از این روش برای ساخت چرخ دنده هایی استفاده می شود که دقت زیادی ندارند. برای این کار مدل هایی از جنس چوب یا فلز استفاده شده و آن را قالب گیری می کنند. مواد ذوب شده در داخل قالب های ساخته شده ریخته شده و پس از سرد شدن ، چرخدنده مورد نظر تولید می شود.

این روش برای ساخت قطعاتی استفاده می شود که بزرگ بوده و در هنگام تولید آن ها نیاز به دقت بالایی نباشد. چرخ دنده های مورد استفاده در ماشین های کشاورزی به این روش تولید می شوند.

روش کشیدن

چرخدنده های ساخته شده با این روش باید ضخامت بیشتری نسبت به قطرشان داشته باشند. از این روش برای ساخت چرخدنده های ساعت استفاده می شود.

روش پرس (منگنه کردن)

در این روش ابتدا قالب چرخدنده طراحی می شود. این قالب متشکل از یک سنبه و ماتریس است. در این روش باید ضخامت چرخدنده تا اندازه ای کم باشد که به سادگی بتوان عمل پرسکاری را انجام داد.

روش براده برداری

دقت قطعات شده در این روش بالاتر از روش های دیگر است. درنتیجه چرخدنده در هنگان کار کمتر ایجاد سر و صدا کرده و راندمان آن بالاتر می رود. ساخت چرخدنده ها به این روش توسط روش های زیر انجام می شود:

• استفاده از ماشین صفحه تراش
• استفاده از ماشین های سنگ زنی
• استفاده از ماشی های فرز

انتخاب جنس چرخ دنده

گستره مواد مورد استفاده در ساخت چرخدنده ها وسیع است. بسته به کاربرد و نوع استفاده چرخ دنده می تواند از مواد مختلفی مانند چدن های خاکستری و آلیاژی، فولاد، برنج، برنز، کامپوزیت ها و یا حتی پلاستیک ساخته شود. اما در هنگام جنس قطعه باید به چند نکته توجه داشت:

• جنس چرخدنده به گونه ای انتخاب شود که قادر به تحمل فشار و انتقال نیروی لازم باشد.
• مواد مورد استفاده در ساخت چرخدنده به گونه ای انتخاب شود که قابلیت ماشین کاری داشته باشد تا پس از ماشین کاری کیفیت سطحی مناسبی داشته باشد.

مزایای استفاده از چرخدنده چیست؟

چرخ دنده ها نقشی کلیدی در وسایل مکانیکی دارند. همان طور که بیان شد، تامین گشتاور کافی در یک ماشین پیشرفته با استفاده از چرخ دنده امکان پذیر است. مزایای استفاده از چرخدنده را می توان به صورت زیر برشمرد:

• قابلیت تبدیل حرکت دورانی به خطی و بالعکس
• انتقال نیروی بیشتر در مقایسه با چرخ رنجیر و چرخ تسمه و در نتیجه انتقال سرعت و قدرت بیشتر
• انتقال نیرو در جهت های مختلف

معایب چرخدنده چیست؟

در کنار مزایای گفته شده، چرخ دنده ها با محدویت هایی نیز مواجه هستند. برخی از این معیب و محدودیت ها عبارتند از:

• در بیشتر مواقع، هنگامی که دو چرخدنده با هم درگیر هستند، چرخدنده کوچک تر به سرعت ساییده می شود. بنابراین جنس آن باید سخت تر انتخاب شود.
• ترک خوردگی و پوسته پوسته شدن که اغلب در چرخ دنده های آبکاری شده به وجود می آید.
• داغ شدن چرخدنده ها که به دلیل عدم رعایت لقی استاندارد بین دو چرخدنده و عدم روغن کاری مناسب به وجود می آید.
• ایجاد صدا که بیشتر در نوع ساده به وجود می آید.

نکات مهم برای افزایش بازدهی چرخ دنده

برای این که چرخدنده بتواند عملکرد مناسبی در گیربکس از خود نشان دهد، به نکات زیر توجه داشته باشید:

• فاصله دندانه ها دقیق و برابر باشند.
• مقطع واقعی دندانه ها با مقطع تئوری آن ها برابر باشند.
• دایره گام حقیقی بر دایره گام تئوری منطبق و با محور چرخش هم مرکز باشند. هم چنین نقطه تماس در محل درگیری دو چرخدنده، در دایره گام (قطر متوسط چرخدنده) باشند.
• محورهای مرکزی و یاتاقان ها استحکام مناسبی در برابر بارهای وارده داشته باشند.
• سطح پیشانی و دامنه دندانه ها صافی سطحی و سختی بالایی داشته باشند تا از سایش و به صدا در آمدن آن ها جلوگیری شود.

مراجع

زرین کوب؛ جواد . (۱۳۶۶) . اصول طراحی مکانیزم‌ها . جهاد دانشگاهی صنعتی اصفهان
مظهری؛ سید مسعود . محاسبات و ساخت چرخ‌دنده‌ها بر اساس استاندارد ملی مهارت . تهران: سازمان آموزش فنی و حرفه ای کشور
اچ. بی؛ هامیلتون . (۱۳۷۷) . دینامیک ماشین و مکانیزم‌ها . ترجمه شاهین خدام . تهران: نشر سماط