چرخ دنده و انواع آن — به زبان ساده

چرخ دنده‌ها قطعاتی هستند که برای انتقال یا تغییر جهت نیرو بین دو محور به کار می‌روند. روی محیط چرخ دنده، دندانه‌هایی با فاصله مساوی ایجاد شده است. این دندانه‌ها پس از درگیر شدن با دندانه‌های چرخ دنده مجاور، نیرو را بین یکدیگر منتقل می‌کنند. چرخ‌دنده‌ها (Gears)‌ را می‌توان به صورت‌های مختلف دسته‌بندی کرد. براساس شکل ظاهری، چرخ دنده‌ها به انواع گستران (Involute)، سیکلوئیدی (Cycloidal) و تروکوئیدی (Trochoidal) تقسیم می‌شوند. از نظر موقعیت محور (Shaft)، می‌توان آنها را در دسته‌های محور موازی، محور متقاطع، محور غیرموازی و محور غیرمتقاطع قرار داد. قدمت چرخ دنده‌ بسیار طولانی است. آن‌طور که در نوشته‌های ارشمیدس یافت شده است، استفاده از آن در یونان باستان به دوره پیش از میلاد مسیح برمی‌گردد.

چرخ‌دنده‌های به کار رفته در جعبه دنده یک اتومبیل قدیمی را در شکل زیر مشاهده می‌کنید.

انواع چرخ دنده

انواع زیادی از چرخ دنده‌ها وجود دارد. برخی از انواع پرکاربرد آن عبارتند از ساده (Spur)، مارپیچ (Helical)، شانه‌ای (Rack and Pinion)، حلزونی (Worm) و مخروطی (Bevel). محاسبه درست نیروها در طراحی‌‌های مکانیکی، به شناخت دقیق هر یک از انواع چرخ‌دنده‌ها بستگی دارد. حتی پس از انتخاب نوع چرخ دنده، عواملی مانند ابعاد (تعداد دندانه‌ها، زاویه مارپیچ و غیره)، استانداردهای دقت (DIN ،AGMA و ISO)، نیاز به ماشین‌کاری دندانه‌ها، گشتاور مجاز و راندمان نیز باید در نظر گرفته شوند. رایج‌ترین انواع چرخ دنده در ادامه معرفی می‌شوند.

فیلم آموزش سینماتیک و دینامیک ماشین ها در فرادرس

کلیک کنید

چرخ دنده ساده

چرخ دنده‌ ساده، یکی از پرکاربردترین انواع چرخ دنده و از نوع استوانه‌ای به حساب می‌آید. دندانه‌های مستقیم دارد و روی محورهای موازی سوار می‌شود. در برخی طراحی‌ها، از تعداد زیادی از این چرخ دنده‌ برای کاهش توان استفاده می‌شود. هنگامی که دو چرخ‌دنده ساده در کنار هم به کار رود، چرخ دنده کوچکتر که تعداد دندانه کمتری دارد، پینیون نامیده می‌شود. چرخ دنده بزرگتر نیز که تعداد دندانه بیشتری دارد، چرخ دنده یا چرخ نامیده می‌شود. یکی از مشخصه‌های این نوع چرخ دنده، صدای زیاد آن است. به محض اینکه دو دندانه با یکدیگر درگیر شوند، با نیروی زیادی به هم ضربه می‌زنند. این ضربه، موجب تولید صدا و تمرکز تنش روی دندانه‌ها می‌شود. دندانه‌های این چرخ دنده، پروفایل گستران دارند و در هر لحظه فقط یکی از دندانه‌ها به طور کامل درگیر می‌شود. تصویر متحرک زیر، این موضوع را به خوبی نشان می‌دهد.

در این گونه از چرخ دنده‌ها، هیچ نیرویی در جهت محور ایجاد نمی‌شود. چرخ دنده ساده در کاربردهایی که نیاز به کاهش سرعت یا چندبرابر کردن گشتاور باشد، بهترین گزینه است. به عنوان مثالی از این کاربردها می‌توان به آسیاب گلوله‌ای (Ball Mill) یا دستگاه خردکن سنگ آهن اشاره کرد.

چرخ دنده مارپیچ

یکی از موارد مصرف چرخ دنده‌های مارپیچ، در محورهای موازی است. خطوط دندانه‌ها در این چرخ دنده‌های استوانه‌ای، به صورت مارپیچ هستند. این نوع چرخ دنده در مقایسه با نوع ساده، قادر به انتقال نیروی بیشتری است و صدای کمتری تولید می‌کند. کمتر بودن صدا به خصوص در سرعت‌های متوسط و بالا به چشم می‌آید. از طرف دیگر، همواره بیش از یک دندانه از هر چرخ دنده درگیر است. در نتیجه نیروی وارد به هر دندانه کمتر می‌شود تا ظرفیت این نوع چرخ دنده بالاتر رود. به دلیل شکل مارپیچی دندانه‌ها، درگیر شدن چرخ‌دنده‌ها با تماس نقطه‌ای آغاز می‌شود و آرام آرام به تماس خطی می‌رسد. در نتیجه انتقال نیرو یکنواخت‌تر خواهد بود و ارتعاشات و سایش هم کمتر اتفاق می‌افتد. در شکل زیر یک نمونه چرخ دنده مارپیچ نشان داده شده است.

ویژگی‌هایی که تا اینجا برای چرخ دنده مارپیچ برشمردیم، اشکالاتی هم ایجاد می‌کند. زاویه‌دار بودن دندانه‌ها باعث سُر خوردن محل تماس می‌شود. در نتیجه این سُر خوردن، نیروی محرک محوری و گرما ایجاد می‌شود و راندمان هم کاهش می‌یابد. به منظور کم کردن اثر نیروی محوری باید از یاتاقان استفاده کرد. یکی از روش‌های جلوگیری از ایجاد این نیروی محرک، استفاده از چرخ‌دنده مارپیچ دوبل (Herringbone gear) است که در صنعت به عنوان چرخ‌دنده جناغی هم شناخته می‌شود. در این مدل، دو چرخ دنده مارپیچ با جهت مخالف، در کنار هم قرار می‌گیرند تا نیروی محرک ایجاد شده در راستای محور، خنثی شود. شکل زیر نمونه‌ای از چرخ‌دنده‌های جناغی را نشان می‌دهد. در کاربردهایی که چرخ دنده ساده برای آن مناسب باشد ولی محورها با یکدیگر موازی نباشند، انتخاب این چرخ دنده مارپیچی در اولویت است.

چرخ دنده مخروطی

این چرخ دنده‌ها ظاهری مخروط مانند دارند و برای محورهای متقاطع مناسب هستند. چرخ دنده‌های مخروطی در جاهایی که زاویه بین دو محور متقاطع، ۹۰ درجه است، بیشترین کاربرد را دارند ولی در زاویه‌های دیگر نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. دندانه‌های این چرخدنده می‌تواند مستقیم، مارپیچ یا هیپوئیدی باشد. نوع مستقیم آن، همان مشکلات چرخدنده ساده را دارد و دندانه‌ها به یکباره با هم درگیر می‌شوند.

فیلم آموزش طراحی اجزا ۲ – استراتژی حل مساله با حل نمونه سوال در فرادرس

کلیک کنید

در نتیجه تمرکز تنش روی دندانه‌ها بسیار بالا می‌رود. نوع مستقیم و مارپیچ، زمانی استفاده می‌شوند که دو محور عمود به هم و در یک صفحه باشند. در شرایطی که دو محور در دو صفحه جداگانه باشند، از نوع هیپوئیدی استفاده می‌شود. توجه کنید که در این حالت، دو محور هیچ نقطه تقاطعی نخواهند داشت و این حالتی استثنا برای تعریف این نوع چرخدنده ایجاد می‌کند. چرخدنده مخروطی با دندانه‌های هیپوئیدی در شکل زیر نشان داده شده است.

یکی از کاربردهای چرخ دنده مخروطی، در دیفرانسیل بسیاری از خودروهاست. در دیفرانسیل خودرو که شماتیک آن را در شکل زیر می‌بینید، چرخ دنده حلقوی و چرخ دنده پینیون ورودی، هر دو از نوع هیپوئیدی هستند. این طراحی موجب می‌شود پینیون ورودی پایین‌تر از محور چرخ دنده حلقوی نصب شود. همان‌طور که می‌بینید، محور محرک هم به پینیون ورودی متصل است. به این ترتیب، محور محرک وارد اتاقک اتومبیل نمی‌شود. در نتیجه فضای بیشتری به اتاقک اختصاص داده شده است.

چرخ دنده حلزونی

هنگامی که نیاز به کاهش زیاد دنده باشد، از چرخ دنده‌های حلزونی استفاده می‌شود. چرخدنده حلزونی برای نسبت‌های کاهش 20:1 تا 300:1 به کار می‌رود. این چرخ دنده‌ها در نتیجه کاهش سرعت، گشتاور را نیز به مقدار زیادی افزایش می‌دهند. باید دقت کرد که نصب این سیستم و روغن‌کاری آن به درستی و منظم انجام شود. در این حالت، چرخدنده حلزونی یکی از نرم‌ترین و کم‌صداترین انواع چرخ‌دنده‌ها خواهد بود. این نوع چرخ‌دنده به صورت مجموعه نشان داده شده در شکل زیر به کار می‌رود. در این مجموعه از یک حلزون (محور بالا) و چرخ حلزون (چرخ دنده پایین) استفاده می‌شود.

ویژگی مهم این چرخ دنده‌ها این است که انتقال نیرو فقط از حلزون به چرخ حلزون انجام می‌شود. معمولاً بیشتر طراحی‌ها طوری انجام می‌شود که چرخ حلزون قادر به چرخاندن حلزون نباشد. این ویژگی به عنوان ویژگی خودترمزی شناخته می‌شود. هرچه زاویه پیشروی در حلزون کمتر باشد، این خاصیت بیشتر می‌شود. در مقابل هرچه زاویه پیشروی بزرگتر باشد، خاصیت خودترمزی کمتر خواهد بود. شکل زیر، این زاویه را در حلزون نشان می‌دهد. از خاصیت خودترمزی می‌توان برای جلوگیری از حرکت برعکس استفاده کرد. به عنوان مثال در سیستم نوار نقاله برای ترمز یا توقف اضطراری، از این چرخ دنده‌ها استفاده می‌شود.

چرخ دنده شانه‌ای

چرخ دنده شانه‌ای به منظور تبدیل حرکت دایره‌ای به حرکت خطی یا برعکس به کار می‌رود. معمولاً این چرخ دنده‌ها به همراه یک چرخ‌دنده ساده (پینیون) مورد استفاده قرار می‌گیرند. به همین دلیل به کل مجموعه، شانه و پینیون (Rack & Pinion) گفته می‌شود. دندانه‌های روی چرخ دنده می‌تواند مستقیم یا مارپیچ باشد. یکی از کاربردهای این نوع چرخ دنده‌ها در ترازوهای عقربه‌ای است. مطابق شکل زیر وقتی وزنه‌ای از این ترازوها آویزان شود، چرخدنده شانه‌ای در راستای طولی حرکت می‌کند. این حرکت طولی موجب حرکت دایره‌ای در پینیون و در نهایت حرکت عقربه می‌شود. از مزیت‌های این نوع چرخ دنده می‌توان به تحمل بار زیاد و محدود نبودن حرکت طولی آن اشاره کرد. از سوی دیگر، بروز لقی (Backlash) یکی از معایب این سیستم به حساب می‌آید.

مثال دیگر چرخدنده شانه‌ای، فرمان اتومبیل است. با چرخیدن فرمان، پینیون متصل به آن شروع به چرخش می‌کند. در نتیجه این حرکت دایره‌ای، چرخدنده شانه‌ای در جهت طولی (چپ یا راست)، به حرکت درمی‌آید. نمونه‌ای از چرخدنده شانه‌ای در تصویر زیر نشان داده شده است.

در مقاله‌های بعدی مجله فرادرس، هریک از انواع چرخ دنده به طور مفصل بررسی خواهند شد.

در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه مهندسی مکانیک، آموزش‌های زیر نیز پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های دروس مهندسی مکانیک
• مجموعه آموزش‌های نرم‌افزارهای مهندسی مکانیک
• آموزش چرخ‌دنده ها در طراحی اجزا ۲ – استراتژی حل مساله با حل نمونه سوال
• آموزش استاندارد ASME Section 8 برای طراحی و ساخت مخازن تحت فشار
• نسبت چرخ‌دنده — به زبان ساده
• حرکت دایره ای – به زبان ساده
• چرخ‌دنده حلزونی – از صفر تا صد
• آشنایی با تبدیلات تنش — مبانی مقاومت مصالح