پروژه تحلیل و بررسی انواع اتصالات در اجزای ماشین
بخشی از مقدمه:
زندگی
امروزه بدون اجزا اتصال دهنده که در اکثر احتیاجات عامه و صنعتی سهم مهمی
را دارد بسیار مشکل است. هر یک از اتصالات دارای مشخصاتی هستند که ممکن است
با مشخصات اتصالات دیگر کاملاً فرق داشته باشند. اجزای اتصال دهنده را می
توان بصورت قطعاتی که موجب متصل شدن یک یا چند جزء یک دستگاه به هم دیگر می
شوند و معمولا به دو گروه تقسیم می شود، قابل انفصال ( جداشونده) و غیر
قابل انفصال ( جدا نشونده) تقسیم کرد، بیان کنیم.
منظور از
اتصال جدا نشونده (دائمی) نوعی از اتصال است که در موقع جدا کردن قطعات از
همدیگر، هم قطعات و هم وسیله اتصال دهنده به نوعی حالت اولیه و سالم خود را
از دست می دهند مانند جوشکاری و سایر اتصالات حرارتی.
اتصال
جدا شوند ( غیر دائمی یا موقت ) اتصالی است پس از جدا کردن قطعات از همدیگر
نه آسیبی به قطعات وارد شده و نه به وسیله ی اتصال دهنده مانند اتصالات
پیچی وارد نمی شود.
ولی با این تجسم اتصال توسط میخ پرچ نوع
مخصوصی است که می توان آن را اتصال نیمه دائم نامید چون با انجام عمل فنی و
پراندن سر میخ پرچ می توان عمل جداسازی را طوری انجام داد که قطعات سالم
بمانند.
در هر حال وسایل اتصال در تمام ماشین آلات و دستگاه ها
به بنحوی مورد استفاده قرار می گیرند و نسبت به نیاز انواع آنها طوری
افزایش یافته که شناسایی همه آنها بطور جداگانه مشکل است.
هدف
ما در این جا بحث و تحلیل بررسی انواع اتصالات در اجزای ماشین بود که بیشتر
سعی شد بعد از توضیح اجمالی مطالب عمومی به مطالب جدید در مقاله ها و
کنفرانس ها بپردازیم که با جمع آوری اطلاعات از مقاله های خارجی و داخلی
درباره ی اتصالات نظیر جوشکاری، اتصال توسط پرچ، پیچ و پین ها بصورت تحلیل
تجربی و المان محدود با استفاده از نرم افزارهای مربوطه مانند Ansys ( در
استاندارد ISO ) این کار صورت گرفته است.
مقاله ای درباره چرخ دنده ها (اجزای ماشین)
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.
چرخ دنده ها
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
موارد 1 و 2 و 3 را می‌توانید در مدل سازی بالا مشاهده کنید.
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.
مفهوم نسبت چرخ دنده
اگر بدانید که محیط
یک دایره چگونه محاسبه می‌شود، به راحتی می‌توانید مفهوم نسبت چرخ
دنده‌ها را درک کنید. محیط دایره برابر است با حاصل ضرب عدد پی در قطر آن.
بنابراین نسبت قطر دو چرخ دنده، در واقع همان نسبت محیط های آنها است. در
مدل سازی زیر رابطه بین قطر و محیط یک دایره نشان داده شده است.
همانطور که می‌بینید قطر این دایره 27/1 اینچ است، ولی وقتی
دایره می‌چرخد، خطی به طول 4 اینچ را طی میکند. حالا فرض کنید که این
دایره در تماس با دایره دیگری قرار دارد که قطر آن نصف این مقدار، یعنی
635/0 اینچ است. اگر این چرخ را یک دور بچرخانیم خط طی شده 2 اینچ طول
خواهد داشت. چون هر دو چرخ در کنار هم هستند، با گردش چرخ بزرگ، چرخ کوچک
هم حرکت میکند. دو چرخ مسافت یکسانی را طی میکنند، پس چرخ کوچک دو دور
می‌زند.
بیشتر چرخ دنده های واقعی دندانه دارند، دندانه سهمزیت بزرگ دارد:
از لغزش چرخ دنده‌ها جلوگیری میکند. پس محورهایی که با چرخ دنده به هم متصل شده اند، همواره همگام با یکدیگر حرکت میکنند.
با استفاده از آنها می‌توان به راحتی نسبت دو چرخ دنده را حساب کرد،
کافیست تعداد دنده های یک چرخ را بشمارید و به تعداد دنده های چرخ دوم
تقسیم کنید.
با استفاده از دنده‌ها می‌توان خطاهای کوچکی را که در
هنگام ساختن چرخها پیش آمده برطرف کرد. چون نسبت چرخ ها با تعداد
دندانه‌ها کنترل می‌شود، دیگر اشتباهات کوچک در تولید چرخ ها اهمیت
چندانی ندارد.
تا این جا همه چیز ساده بود و هر کس می‌تواند به راحتی
مطالب بالا را بفهمد. اما آن هایی که با ابزارهای مکانیکی کار کرده اند،
می‌دانند که مشکلات دیگری هم وجود دارد که باید راه حلی برای آنها پیشنهاد
کرد. به تدریج ایده های جدیدی برای استفاده بهتر از چرخ دنده‌ها ارائه شد
تا این مشکلات برطرف شود.
اولین مشکل این بود که امکان ساختن چرخ های
خیلی کوچک وجود نداشت. به همین خاطر نمی شد نسبت دو چرخ دنده را خیلی
افزایش داد. اگر شما می‌خواستید این مشکل را حل کنید، چه می‌کردید؟
چرا به جای کوچک کردن یک چرخ، چرخ دیگر را بزرگتر نمی کنند؟
به شکل روبرو نگاه کنید. آیا متوجه شدید که مسئله چطور حل شد؟
چرخ بنفش دو تکه است. یک چرخ کوچک به وسط یک چرخ بزرگتر متصل
شده است. چرخ کناری فقط به چرخ کوچک متصل است. درست است که چرخ های بزرگ
هم اندازه اند، اما سرعت چرخش یکی از آنها دو برابر دیگری است. اگر تعدادی
زیادی از این چرخها را در کنار هم قرار دهید، چیزی شبیه زیر خواهید داشت.
سرعت چرخ بنفش دو برابر سرعت چرخ آبی است و سرعت چرخ سبز هم دو برابر سرعت
چرخ بنفش. سرعت چرخ سبز چند برابر سرعت چرخ آبی خواهد بود؟
اگر چرخ
وسطی را کوچکتر کنیم (یا چرخ بیرونی را بزرگتر بسازیم)، می‌شود باز
هم نسبت چرخ دنده‌ها را بزرگ کرد. در شکل زیر چرخ وسطی 5/1 چرخ بیرونی
است.
پس اگر چرخ بنفش را به موتوری وصل کنید که با سرعت 100 دور
در دقیقه بچرخد، چرخ قرمز 2500 در دقیقه خواهد چرخید. اگر موتور را به
چرخ قرمز وصل کنید، می‌توانید سرعت چرخش را 25 بار کاهش دهید. تا
به حال درون کنتور برق خانه خود را دیده اید؟ در کنتور معمولاً پنج
چرخ دنده وجود دارد که به همین شکل به هم متصل شده اند.
نسبت چرخ دنده های کنتور 10:1 است. می‌توانید بگویید چرا؟
یک نکته جالب دیگر این که اگر دقت کنید می‌بینید که در کنتور اعداد روی
چرخ های مجاور برعکس هم نوشته شده است. دلیل انجام این کار آنست که چرخها
مستقیماً به هم وصل شده اند.
اما اگر بخواهید به نسبت های واقعاً بزرگ
دست پیدا کنید، هیچ چیز توانایی رقابت با چرخ دنده های حلزونی را ندارد.
چرخ دنده حلزونی از یک محور مارپیچی و یک چرخ دنده تشکیل شده است. با هر
گردش محور، چرخ دنده یک دندانه جلو می‌رود. اگر چرخ چهل دندانه داشته باشد،
در یک فضای بسیار کوچک به نسبت 40:1 دست پیدا می‌کنیم مدل سازی زیر یک چرخ
دنده حلزونی را نشان میدهد که در برف پاک کن ماشین استفاده می‌شود.
از این چرخ دنده‌ها در کیلومتر شما ماشین نیز استفاده می‌شود .
به عنوان مثال در کیلومتر شمار رو به رو (شکل 4) سه جفت از این چرخ
دنده‌ها را می‌بینید:
چرخ دنده های خورشیدی
یکی از جالب ترین
چرخ دنده هایی که اختراع شده است، چرخ دنده خورشیدی است. فرض کنید
می‌خواهید دوچرخ دنده داشته باشیدکه سرعت یکی 6 برابر دیگری باشد،اما جهت
چرخش آن ها با هم یکی باشد. برای این کار دو راه وجود دارد. راه حل اول
اینست که از چیزی شبیه شکل 5 استفاده کنیم.
چرخ آبی 6 برابر چرخ زرد
است. اندازه چرخ قرمز مهم نیست.وظیفه چرخ قرمز آنست که جهت چرخش را تغییر
دهد تا جهت چرخش نهایی با جهت چرخش زرد یکی باشد. ولی اگر بخواهید محور
چرخ دنده خروجی با محور چرخ دنده ورودی یکسان باشد مجبورید از چرخ دنده های
خورشیدی استفاده کنید.
به شکل 6 توجه کنید. در این سیستم چرخ زرد (خورشید) به طور هم زمان، هر سه چرخ قرمز (سیاره ها) را می‌چرخاند.
هر سه این چرخ دنده‌ها به یک صفحه (Planet carrier) متصل اند و با
دندانه های درون چرخ دنده آبی جفت شده اند (توجه کنید که در حالت عادی
دندانه‌ها روی سطح بیرونی چرخ دنده بودند نه درون آن). این چرخ حلقه (Ring)
نام دارد و محور خروجی به آن متصل است. محور خروجی به حلقه آبی متصل است
و صفحه ثابت نگه داشته می‌شود. به این ترتیب یک نسبت 6:1 بدست می‌آید.
اگر ورودی را به یکی دیگر از چرخ دنده های این مجموعه متصل کنید، نسبت
جدیدی بدست می‌آید. به این ترتیب می‌توانید با استفاده از همین مجموعه و
فقط با تعویض ورودی، خروجی و قسمت ثابت سرعت های مختلفی را در خروجی ایجاد
کنید. مثلاً اگر ورودی به خورشید وصل باشد، حلقه ثابت نگه داشته شود و
محور خروجی به صفحه متصل شود، صفحه و سیاره‌ها به دور خورشید می‌چرخند، در
این صورت خورشید برای چرخاندن صفحه باید هفت دور بچرخد نه شش دور. چون
صفحه، خورشید را یک بار در جهت چرخش خود چرخانده است، پس یک دورازچرخش
خورشید خنثی می‌شود. بدین ترتیب ما یک کاهش 7:1 درچرخ ایجاد کرده ایم.
می‌توانید خورشید را ثابت نگه دارید، ورودی را به چرخ دنده حلقوی متصل کنید
و خروجی را به صفحه. در این صورت یک کاهش 1/17:1 بدست می‌آید. حالت های
مختلف استفاده از این مجموعه در مدل سازی زیر نشان داده شده است. البته
توجه کنید نسبت و تعداد چرخ دنده های مدل سازی با شکل تفاوت دارد.
چرخ دنده خورشیدی قلب یک دنده اتوماتیک است. سایر قسمتهای
موجود در دنده اتوماتیک ماشین فقط وظیفه تعویض ورودی و خروجی و یا ثابت نگه
داشتن چرخ دنده های مختلف را بر عهده دارند.
زنجیر و چرخ
چرخ دنده‌ها
کارهای متنوعی انجام می‌دهند. فرض کنید که می‌خواهید حرکت دو چرخ قرمز را
با هم همگام کنید، ولی آن ها از یکدیگر فاصله دارند. اگریک چرخ دنده بزرگ
بین آن ها قرار دهید می‌توانید ارتباط بین آنها را برقرار کنید. در این
حالت جهت چرخش دو چرخ یکسان است. اما اگر بخواهید جهت چرخش آنها عکس یک
دیگر باشد می‌توانید از دو چرخ دنده کوچک تر استفاده کنید.
ولی در هر
حال به تعدادی چرخ دنده اضافی نیاز دارید . این چرخ دنده‌ها به محورهای
جدیدی نیاز دارند. پس استفاده از این روش، وزن دستگاه شما را هم زیاد
میکند. در چنین مواردی معمولاً از یک زنجیر یا تسمه استفاده میکنند.
زنجیر سبک تر از چرخ دنده است و در ضمن می‌توان یک زنجیر را به تعداد
زیادی چرخ دنده بست تا همه آن ها را با هم بچرخاند. مثلاً در موتور
ماشین یک تسمه هم دینام را می‌چرخاند و هم دو میل بادامک را. اگر
می‌خواستید به جای تسمه از چرخ دنده استفاده کنید، این کار خیلی مشکل تر
بود. علاوه بر این هر وقت که بخواهید ارتباط دو چرخ را قطع کنید می‌توانید
زنجیر را جدا کنیداین ویژگی به ما کمک می‌کندکه خیلی ساده تر ابزارهای مان
را تعمیرکنیم. اگر دوست دارید درباره انواع چرخ دنده‌ها بدانید.
انواع چرخ دنده ها
وقتی می خواهند یک چرخ دنده انتخاب کنند، به چند نکته اساسی توجه می کنند.
اولین نکته نسبت چرخ دنده ها است. نسبت چرخ دنده ها قدرت و سرعت خروجی را تعیین می کند.
نکته دوم شکل دنده هایی است که روی چرخ دنده قرار گرفته اند. چرخ
دنده های قدیمی ظاهری شبیه شکل روبرو داشتند. چنین چرخ دنده ای برای
کارهای ساده خوب است، اما وقتی بخواهیم در یک ابزار پیچیده از آن استفاده
کنیم کارآیی چندانی ندارد.
اینجا نوبت به انتخاب نوع چرخ دنده ها می رسد. چرخ دنده ها انواع مختلفی دارند که هر یک از آنها برای شرایط خاصی به کار می رود.
چرخ دنده هایساده
این چرخ دنده ها ساده ترین چرخ دنده هایی هستند که دیده اید. آنها دندانه
های مستقیم دارند و محور دو چرخ نیز موازی با یک دیگر قرار گرفته اند. گاهی
تعداد زیادی از آن ها را در کنار هم قرار می دهند تا سرعت را کاهش و قدرت
را افزایش دهند.
در تعداد زیادی از وسایل از این چرخ دنده ها
استفاده می شود. مثلاً ساعت های کوکی، ساعت های اتوماتیک، ماشین لباس شویی،
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 می رسد، صدای کوچکی در اثر
برخورد ایجاد می شود. می توانید مجسم کنید وقتی تعداد زیادی از این چرخ
دنده ها با هم کار کنند، چه سر و صدایی راه می اندازند؟ تازه این برخورد
ها در دراز مدت، باعث شکستن دندانه ها می شود. برای کاهش سر و صدا و
افزایش عمر چرخ دنده ها در بیشتر اتومبیل ها از چرخ دنده های مارپیچ
استفاده می کنند.
چرخ دنده های مارپیچ
دندانه این چرخ دنده ها اریب است. وقتی یکی از آن ها می چرخد، ابتدا
نوک دندانه ها با هم تماس پیدا میکنند سپس به تدریج دو دندانه کاملاً در
هم جفت می شوند. این درگیری تدریجی همان چیزی است که هم سرو صدا را کم
میکند و هم باعث می شودکه این چرخ دنده ها نرم تر کار کنند.
در ماشین
تعداد زیادی چرخ دنده مارپیچ وجود دارد. به خاطر مایل بودن
دندانه ها، هنگام درگیری نیروی زیادی به آن ها وارد می شود. به همین علت
در وسایلی که از چرخ دنده های مارپیچی استفاده می کنند بلبرینگ هایی
تعبیه شده است تا این فشار را تحمل کند. اگر زاویه دندانه ها را به دقت
تنظیم کنیم، می توان 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 دنده ها بهترین وسیله تغییر جهت هستند. معمولاً از آن ها برای تغییر
جهت 90 درجه استفاده می شود، ولی می توان طراحی را طوری انجام داد که در
زاویه های دیگر نیز کار کنند.
دندانه های آن ها ممکن است مستقیم یا
پیچ دار باشد. اما اگر دندانه ها صاف باشد همان مشکل چرخ دنده های ساده را
دارند. در دندانه های پیچ دار این مشکل برطرف شده است، ولی در هر دوی آن ها
باید محور چرخ دنده ها در یک صفحه قرار داشته باشد.
گاهی می خواهیم محور چرخ ها در یک صفحه نباشند. در چنین شرایطی از چرخ دنده هایی مانند شکل روبرو استفاده می کنیم.
در دیفرانسیل بسیاری از اتومبیل ها از این چرخ دنده ها استفاده می شود.
این طراحی امکان آن را ایجاد می کند که محور چرخ دنده بیرونی پایین تر از
محور چرخ دنده حلقوی قرار داده شود. شکل روبرو محور بیرونی ورودی را نشان
می دهد که در تماس با چرخ حلقوی قرار گرفته است. از آن جایی که محور محرک
(Drive Shaft) ماشین به چرخ بیرونی متصل می شود، پایین آمدن چرخ بیرونی
امکان پایین آوردن محور محرک را هم ایجاد می کند، پس می توان محور را پایین
تر آورد و در عوض فضای بیشتری را به سرنشینان اتومبیل اختصاص داد.
چرخ دنده هایحلزونی
این چرخ دنده ها زمانی مورد استفاده قرار می گیرند 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 می رسد.
این چرخ دنده ها یک
خاصیت جالب هم دارند که در هیچ چرخ دنده دیگری پیدا نمی شود. (چرخ
بالایی حلزون) می تواند به راحتی چرخ دیگر (چرخ دنده حلزونی) را حرکت دهد،
ولی چرخ پایینی نمی تواند حلزون را بچرخاند. زاویه دنده های روی حلزون
آن قدر کوچک است که وقتی چرخ پایینی بخواهد آن را بچرخاند، اصطکاک به
حدی زیاد می شود که از حرکت حلزون جلوگیری می کند. این ویژگی به ما
امکان استفاده از این چرخ دنده ها را در جاهایی که به یک قفل خودکار نیاز
داریم می دهد. فرض کنید از این چرخ دنده در یک بالابر استفاده کرده ایم؛
وقتی موتور بالابر از کار بیفتد، چرخ دنده ها قفل می شوند و نمی گذارند
بار پایین بیاید. معمولاً در دیفرانسیل کامیون ها و خودروهای سنگین از این
چرخ دنده ها استفاده می شود.
چرخ دنده شانه ای
این چرخ دنده ها برای تبدیل حرکت دورانی به حرکت خطی استفاده می شوند. یک
مثال خوب برای این چرخ دنده ها فرمان اتومبیل است. فرمان، چرخ دنده ای را
می چرخاند که با چرخ شانه ای در تماس است. وقتی شما فرمان را می چرخانید،
با توجه به جهت چرخش فرمان، شانه به سمت چپ و یا راست حرکت می کند و
باعث حرکت چرخها می شود. در برخی از ترازوها نیز برای چرخاندن عقربه از
سیستم مشابهی استفاده می شود.
چرخ دنده ها عموماً برای یکی از چهار دلیل زیر استفاده می شوند:
۱. برای تغییر جهت دوران
۲. برای زیاد یا کم کردن سرعت دوران
٣. برای انتقال حرکت دورانی به محوری دیگر
4. برای حفظ هم زمانیِ دوران دو محور
موارد ۱، ۲ و٣ را می توانید در شکل بالا مشاهده کنید. در این
شکل چرخیدن دنده ها را در خلاف جهت همدیگر می بینید، واینکه چرخ دنده ی
کوچک تر با سرعت دو برابر چرخ دنده ی بزرگ تر می چرخد، و بعلاوه محور دوران
چرخ دنده ی کوچک تر، در سمت راست محور دوران چرخ دنده ی بزرگ تر قرار
دارد.دلیل این امر که سرعت یک چرخ دنده دو برابر چرخ دنده ی دیگر است، در
نسبت بین دنده هاست نسبت دنده ها. در این شکل، قطر چرخ دنده ی سمت راست دو
برابر قطر چرخ- دنده ی سمت چپ است. بنابراین نسبت دنده ها ۲:١ است
(بخوانید” دو به یک”). اگر به شکل دقّت کنید، می توانید این نسبت را
ببینید: هر بار که چرخ دنده ی بزرگ تر یک دور می زند، چرخ دنده ی کوچک تر
دو دور می زند. اگر هر دو چرخ دنده قطر یکسانی داشتند، دوران آنها با سرعت
برابر امّا در جهت مخالف صورت می گرفت.
داخلی‌ترین قسمت چرخ‌دنده توپی Hub می‌باشد که به محور محرک
متصل می‌باشد. در بیرون این قسمت جان چرخ‌دنده Web قرار گرفته است.
بیرونی‌ترین قسمت در جهت شعاعی، محیط چرخ‌دنده Rim می‌باشد که دندانه‌های
چرخ‌دنده در این قسمت قرار می‌گیرند. این بخش از چرخ‌دنده منبع اصلی ایجاد
صدا می‌باشد.
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.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.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 ی ساده
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.
چرخ دنده مارپیچ
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 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 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.
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 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.
نسبت های چرخ دنده ها
هر ترکیب از چرخ
دنده های فولادی در سیستم انتقال قدرت به یک چندشاخه منصوب می شود. در هر
خوشه یا چند شاخه یک چرخ دنده قطورتر با یک چرخ دنده کم قطرتر درگیر می
شود. اختلاف در اندازه این دو دنده یک نسبت دنده را ایجاد می کند.
مقدار گشتاور عامل بر محور برونداد به این نسبت بستگی دارد.
در پایین
ترین دنده (معمولا اولین دنده خوانده می شود)، یک چرخ دنده کوچکتر، چرخ
دنده بزرگتری را می چرخاند. این نسبت سبب می شود که محور برونداد با
سرعت کمتری نسبت به محور درونداد اما با گشتاور یا قدرت بیشتری بچرخد. در
سومین یا چهارمین دنده، بسته به سیستم انتقال قدرت، میله دنده، دو دنده را
که هم اندازه اند را درگیر می کند که هیچ تغییری در گشتاور و یا سرعت
محورایجاد نمیکند. در اوردرایو که ممکن است دنده پنجم خوانده شود، یک
چرخ دنده بزرگتر، چرخ دنده کوچکتری را به حرکت در می آورد.
این نسبت،
گشتاور را کاهش میدهد اما محور درونداد را قادر می سازد که آرامترازمحور
برونداد بچرخد. اوردرایو، زمانی که سرعت زمینی وسیله نقلیه به طور مساعد
زیاد است و به قدرت کمی برای نگه داشتن آن نیاز دارد، بسیار مفید است.
در دنده عقب، یک ترکیب دنده مخصوص سیستم انتقال قدرت را قادر به
چرخاندن محور برونداد در جهت وارونه، می سازد که وسیله نقلیه را به عقب
حرکت می دهد. همچنین سیستم های انتقال قدرت یک وضعیت خلاص دارند که در آن
هیچ گشتاوری به محور برونداد انتقال نمی یابد.
همزمان سازی
سیستم های انتقال قدرت دستی نوین کاملا همگام شده هستند؛ یعنی آنها به
گونه ای طراحی شده اند که دنده ها زمانی که جابجا میگردند به آرامی درگیر
می شوند. این موضوع با سرعت یکسان دنده ها پیش ازدرگیر شدن یا با درگیری
همیشگی دنده ها واستفاده ازانتخابگری ازچند نوع برای انتخاب یک دسته دنده
اختصاص یافته، انجام می شود. همگاه سازی تغییر مکان دهی دنده ها را آسان تر
ساخته و طول عمر دنده های چرخ دنده را افزایش می دهد.
دنده های چندگانه
تمام سیستم های انتقال دستی مدرن دارای چهار یا پنج تندی و برخی نیز بیشتر
می باشند. کامیون های مخصوص کار سنگین ، برای بدست آوردن بیشترین مقدار
قدرت کشنده از موتور، به تعداد دنده بسیار بیشتری نیاز دارند. بسیاری تا
بیست دنده حرکت به جلو و چند دنده عقب دارند.
محدودیتهای استفاده از ماردون و چرخ دنده :
گیربکسهای چرخ دنده و ماردونی برای آسانسورهائی با سرعت 1/6
متر بر ثانیه بسیار مناسب بوده و از کیفیت بالائی برخوردارند . این گیربکس
ها با نرمی ، آرامی و بدون لغزش کار خود را انجام می دهند . فاکتورهای
اساسی بی صدا بودن آن ها ، سرعت کم چرخ دنده و دقت بالا در ساخت چرخ دنده
است .برای آسانسورهائی باسرعت 2 متر بر ثانیه یا بیشتر ،کاهش سرعت توسط
ماردون چرخ دنده باید کم تر باشد تا بتوان سرعت خروجی بالاتری به دست
آورد . در این حالت چرخ دنده با سرعت بیشتری به چرخش در می آید و در نتیجه
تولید سر و صدای بیشتری می کنند .
برای چنین سیستم هائی با سرعت بالا یا اصطلاحاً بدون گیربکس بهتر است از موتورهائی با سرعت پایین تر استفاده گردد .
مواد به کار رفته در ساخت چرخ دنده و ماردون و علت آنها :
بطور کلی دنده ها باید از موادی تشکیل شده باشند که بتوانند
برخورد دائمی با یکدیگر را تحمل کنند . در مورد دنده های مارپیچی از
آنجائی که به مقدار زیادی حرکت لغزیدن اتفاق می افتد مواد تشکیل دهنده
دنده و ماردون باید به گونه ای باشد که اصطحکاک کمی ایجاد کند در نتیجه جنس
آن ها باید در ارتباط با یکدیگر مشخص شود .
برای این منظور جنس تمام
قطعات در جدول 1 آورده شده است . تجربه نشان داده است که استفاده از
مارپیچی با جنس فولاد برون سخت و چرخ دنده ای با جنس فسفر برنز ترکیب
بسیار مناسبی است .
محل قرار گرفتن ماردون نسبت به چرخ دنده ، محاسن و معایب :
ماردون روی چرخ دنده : با برداشتن صفحه بازرسی ماردون به خوبی
دیده شده و بازبینی برخی از دندانه های چرخ دنده نیز ممکن می باشد . روغن
کاری مستقیماً و به راحتی نخواهد بود .
چون محور گیربکس در سطح نسبتاً پایین تری قرار می گیرد در اندازه طول گیربکس تا حدودی صرفه جویی می شود .
ماردون زیر چرخ دنده : با برداشتن صفحه بازرسی به خوبی می توان چرخ دنده را بازبینی کرد ولی ماردون به کلی ناپیداست .
کف جعبه در حکم بستر روغنی است و ماردون و دندانه های چرخ دنده در روغن شناورند در نتیجه روغن کاری بسیار راحت است .
در سرعتهای بالا امکان نشتی روغن نیز وجود دارد .
استفاده‌ها و مشخصات چرخ دنده ها
وقتی
که فرستادن یا انتقال یک توان یا حرکت از یک شفت چرخنده به دیگری مورد نظر
ماست تعدادی راه برای یک طراح قابل دسترسی است که این راهها شامل تسمه های
تخت ـ تسمه v شکل ـ تسمه های دندانه دار ـ زنجیره های محرک ـ چرخهای محرک
اصطکاکی و چرخ دنده‌ها می شود . اگر حرکت لغزشی نرم و آرام ـ سرعت بالا ـ
با دقت زمانی بالا ـ راندمان بالا یا طراحی با حجم کم از معیارهای مهم طراح
باشد با انتخاب یک سیستم چرخ دنده ای به معیارهای بالا نزدیک می شوید و
انجام شدن این معیارها در این سیستم از دیگر سیستم ها بهتر انجام می شود
.از طرف دیگر زنجیرهای چرخنده و تسمه ها از نظر کارکردی کم ارزش می‌باشند و
موقعی استفاده از آنها به صرفه است که شفت های ورودی و خروجی پهنای زیادی
دارند . چرخهای دوار اصطکاکی ساده ماننده چرخهای داخلی و خارجی که در شکل b
و a 1-15 کشیده شده‌اند ممکن است انتقال یک توان از استوانه شماره 1
(چرخان) به استوانه شماره 2 (چرخنده ) را به صورت نرم و آرام مهیا کند .
اگر در محل اتصال p هیچ گونه لغزشی صورت نگیرد .
برای حالت بدون لغزش بزرگی سرعت مماسی برای دو عضو در تماس برابری باشند بنابراین داریم
-15-3 مجموعة چرخ دنده ها ـ نسبت های تبدیل.
در زیر این وضعیت‌ها مشخصات سرعتهای دو زاویه‌ای ( دانستن یا مشخص کردن ورودی‌ها ) اجازه میدهد که سومین را مشخص کنیم .
برای مثال یک چیدمان معمولی این است که چرخ دنده خورشیدی را ثابت می
کنیم و بازوی حمال را با یک منبع نیروی انتخابی حرکت می دهیم و خروجی را از
یک چرخ دنده مخروطی می‌گیریم. اما دیگر چیدمان‌ها نیز همچنین کاربرد دارند
.
