چرخدنده یکی از قدیمیترین اجزای مکانیکی است که در صنعت خودرو،هوافضا، ساخت ماشینآلات صنعتی،ابزارهای خانکشی یا چیزهای ساده مانند ساعت کاربرد دارد. چرخدنده در همهجا موردنیاز است و در این مقاله میخواهیم شما را با چرخدنده و نیز فرایند تولید چرخدنده آشنا کنیم.
نحوه عملکرد چرخدنده
هیچ فرایند واحدی برای ساخت چرخدنده وجود ندارد زیرا بسته به نوع و کاربرد آنها به فرایندهای مختلفی نیاز دارند.
چرخدندهها عناصر مکانیکی و دندانهدار هستند که برای انتقال حرکت و قدرت بین اجزای ماشین استفاده میشوند. چرخدندهها که بهصورت جفتجفت کار میکنند، دندانهای خود را با دندانههای یکی دیگر از چرخدندهها یا اجزای دندانهدار مرتبط میکنند که از لغزش در طول فرایند انتقال جلوگیری میکند.
هر چرخدنده یا جزء دندانهدار به شفت ماشین یا میل که عضو دورانی یا رفت و برگشتی برای انتقال نیرو و گشتاور است، متصل میشود؛ بنابراین وقتی چرخدنده (یعنی دندهای که ورودی چرخش اولیه را ارائه میدهد) همراه با جزء شفت خود می چرخد، چرخدنده چرخانده شده جزء شفت خود را نیز میچرخاند.
بسته به طراحی و ساخت جفت دنده، انتقال حرکت بین چرخدندهها و شفتها میتواند منجر به تغییر جهت چرخش یا حرکت شود. بعلاوه، اگر چرخدندهها از اندازه مساوی نباشند، ماشین یا سیستم بهراحتی میتواند امکان تغییر در سرعت و گشتاور خروجی را فراهم میکند.
دنده زنی
همانطور که در پاراگرافهای قبل نیز بهتفصیل شرح دادیم، چرخدنده قطعه بسیار مهمی است که از آن برای انتقال نیرو در سیستمهای مکانیکی استفاده میشود. چرخدنده از تعداد بسیار زیادی دندانه تشکیل شدهاند. در واقع میتوانیم بگوییم همه کاربرد چرخدنده بهخاطر دندانههای آن است است. مهمترین موضوعی که در ساخت چرخدنده باید رعایت شود، فاصله بین دندانههاست. فاصله بین دندانهها باید بسیار دقیق محاسبه و ایجاد شود. به فرایند ایجاد چرخدنده از ماده اولیه خام و نیز ایجاد دندانه بر روی چرخدنده، دنده زنی میگویند. چنانچه فرایند دنده زنی بادقت انجام نگیرد، چرخدنده کار نخواهد کرد. درصورتیکه یک چرخدنده بهصورت معیوب تولید شود و در یک سیستم جاسازی گردد میتواند خسارتهای بسیار بزرگ و جبرانناپذیری را به سیستم وارد کند.
دستهبندی چرخدندهها
چرخدنده در طرحها، ساختارها و پیکربندیهای متنوعی در موجود است تا با طیف وسیعی از صنایع و کاربردها مطابقت داشته باشد. این ویژگیهای مختلف امکان دستهبندی چرخدندهها را به روشهای مختلف فراهم میکند که عبارتاند از:
- شکل چرخدنده
- طراحی و ساخت دندانه دنده
- پیکربندی محور چرخدنده
شکل چرخدنده
بیشتر انواع چرخدندهها دایرهای هستند – یعنی دندانههای چرخدنده در اطراف بدنه چرخدنده استوانهای با صفحه دایرهای قرار گرفتهاند – اما برخی از چرخدندههای غیر دایرهای نیز موجود هستند. این چرخدندهها میتوانند دارای چهرههای بیضی، مثلثی و مربعی شکل باشند.
دستگاهها و سیستمهایی که از چرخدندههای دایرهای استفاده میکنند، بهمنظور ثبات در نسبتهای دنده (یعنی نسبت خروجی به ورودی) هم برای سرعت چرخشی و هم برای گشتاور از این نوع چرخدندهها استفاده میکنند.ثابتبودن نسبت دنده به این معنی است که باتوجهبه ورودی یکسان (چه سرعت و چه گشتاور)، دستگاه یا سیستم به طور مداوم سرعت و گشتاور خروجی یکسانی را ارائه میدهد.
از سوی دیگر، دستگاهها و سیستمهایی که از دندههای غیر دایرهای استفاده میکنند، نسبت سرعت و گشتاور متغیر دارند. سرعت و گشتاور متغیر دندههای غیر دایرهای را قادر میسازد تا الزامات حرکتی خاص یا نامنظم مانند افزایش و کاهش متناوب سرعت خروجی، چند سرعت و حرکت معکوس را انجام دهند.
طراحی دندان در چرخدنده
دندانههای چرخدنده اصلیترین قسمت ساختار چرخدنده است. درحالیکه در بخش قبل، چرخدندهها بر اساس شکل کلی بدنه چرخدنده دستهبندی شدند، این بخش ویژگیهای مربوط به طراحی و ساخت دندانه آنها را توضیح میدهد. چندین گزینه متداول طراحی و ساخت برای دندانههای چرخدنده وجود دارد، از جمله:
- ساختار دندانهها
- قراردادن دندانهها
- مشخصات دندانه
ساختار دندان دنده
بسته به ساختار چرخدنده، دندانههای چرخدنده یا مستقیماً و از همان ماده خامی که در ساختار بدنه چرخدنده به کار رفته بریده میشود؛ یعنی چرخدنده و دندانههای آن بهصورت طبیعی به هم متصلاند و یا بهعنوان اجزای جداگانه ساخته شده و در قسمت خالی چرخدنده قرار میگیرند. برای بیشتر کاربردها، هنگامی که یک چرخدنده از کار میافتد، میتوان آن را به طور کامل تعویض کرد. بااینحال، مزیت استفاده از چرخدندهها با اجزای دندانهای مجزا، توانایی تعویض جداگانه دندانها با فرسودگی هر یک بهجای جایگزینی کل قطعه دنده است. این قابلیت ممکن است به کاهش هزینه کلی تعویض دنده در طول زمان کمک کند؛ زیرا چرخدندههای جداگانه با هزینه کمتری در مقایسه با یک چرخدنده کامل در دسترس هستند. بعلاوه، این امکان را فراهم میکند که بدنههای دنده تخصصی، سفارشی یا در مواردی که یافتن آن دشوار است، حفظ و نگهداری شوند.
قراردادن دندان دنده
دندانههای چرخدنده بر روی سطح بیرونی یا داخلی بدنه چرخدنده بریده و یا جاسازی میشوند. در چرخدندههای خارجی، دندانهها روی سطح بیرونی بدنه چرخدنده قرار میگیرند. از سوی دیگر، در چرخدندههای داخلی، دندانهها بر روی سطح داخلی بدنه چرخدنده قرار میگیرند و به سمت داخل به سمت مرکز چرخدنده قرار میگیرند. در جفت چرخدندهها، قرارگرفتن دندانههای چرخدنده روی هر یک از بدنههای چرخدنده تا حد زیادی حرکت چرخدنده را تعیین میکند.
هنگامی که هر دو چرخدنده در یک جفت از نوع خارجی هستند، دنده محرک و چرخدنده محرک (و محور یا جزء پایه مربوطه آنها) در جهت مخالف میچرخند یا حرکت میکنند. اگر یک برنامه نیاز به چرخش یا حرکت ورودی و خروجی در یکجهت داشته باشد، معمولاً از یک چرخدنده ثابت (یعنی دندهای که بین دنده محرک و چرخدنده محرک قرار میگیرد) برای تغییر جهت چرخش چرخدنده استفاده میشود.
مشخصات دندانه چرخدنده
مشخصات دندانی یک چرخدنده به شکل مقطع دندانههای چرخدنده اشاره دارد و بر انواع ویژگیهای عملکرد دنده، از جمله نسبت سرعت و اصطکاک تأثیر میگذارد. درحالیکه تعداد زیادی پروفیل دندان برای طراحی و ساخت چرخدندهها وجود دارد، سه نوع اصلی از پروفیلهای دندانی مورداستفاده قرار میگیرد – اینولوت، تروکوئید و سیکلوئید.
در صنعت، اکثر چرخدندههای تولید شده از پروفیل دندانه اینولوت هستند. این چرخدندهها هم به دلیل سهولت ساخت و هم به دلیل نرمی عملکرد آنها بیشتر مورداستفاده قرار میگیرند. در مقایسه با برخی از پروفیلهای دیگر، پروفیل اینولوت دارای منحنیهای کمتری است که ساخت دندانههای چرخدنده اینولوت را سادهتر و در نتیجه تجهیزات ساخت لازم را ارزانتر میکند که هزینه کلی تولید را کاهش میدهد. مزیت دندانههای چرخدنده در ثابتبودن زاویه فشار آنها در طول درگیری دنده و توانایی تحمل تغییر در فاصلهٔ مراکز دنده بدون تأثیر بر ثابتبودن نسبت دنده برای گشتاور و سرعت است. ثابتبودن زاویه فشار به چرخدندههای پیچخورده اجازه میدهد تا نرمتر از چرخدندههای دارای پروفیلهای دندانی دیگر کار کنند و تحمل تغییرات باعث انعطافپذیری بیشتر در مشخصات طراحی چرخدنده میشود.
منحنی تروکوئید بهگونهای طراحی شده است که توسط نقطهای در فاصله ثابت) a از مرکز یک دایره با شعاع معین ((r) تشکیل میشود. سیکلوئیدها نیز یک زیرمجموعه تروکوئیدها هستند.
- اگر a<r باشد، منحنی تشکیل شده بهعنوان سیکلوئید کورتات شناخته میشود
- اگر a=r باشد، منحنی تشکیل شده یک سیکلوئید است
- اگر a>r، منحنی تشکیل شده یک سیکلوئید پرولات است
در مقایسه با پروفیل اینولوت، این پروفیلها بهندرت برای طراحی و ساخت چرخدنده استفاده میشوند مگر در کاربردهای تخصصی. بهعنوانمثال، چرخدندههای تروکوئیدی اغلب در پمپها و چرخدندههای سیکلوئیدی در دمندههای تحتفشار و ساعتها استفاده میشوند. علیرغم کاربردهای محدود، پروفیلهای تروکوئیدی و سیکلوئیدی این پروفیلها مزایایی نسبت به پروفیل اینورلوت دارند، از جمله دوام بیشتر دندان و حذف تداخل.
پیکربندی محورهای چرخدنده
پیکربندی محورهای یک چرخدنده به جهت محورها – که محورهای چرخدنده در امتداد آنها قرار میگیرند و چرخدندهها بهدور آنها میچرخند – نسبت به یکدیگر اشاره دارد. سه پیکربندی محور اصلی وجود دارد که توسط چرخدندهها استفاده میشود:
- موازی
- متقاطع
- غیر موازی، غیر متقاطع
پیکربندی موازی
همانطور که با نام مشخص است، پیکربندیهای موازی شامل چرخدندههای متصل به شفتهای دوار روی محورهای موازی در همان صفحه است. چرخش شفت محرک (و چرخدنده محرک) در جهت مخالف محور محرک (و چرخدنده رانده) است و بازده انتقال قدرت و حرکت معمولاً بالا است. برخی از انواع چرخدندههایی که از تنظیمات موازی استفاده میکنند عبارتاند از: چرخدندههای خار، چرخدندههای مارپیچ، چرخدندههای داخلی و برخی از انواع چرخدندههای قفسهای و پینیون.
پیکربندی متقاطع
در پیکربندیهای متقاطع، شفت چرخدندهها روی محورهای متقاطع در همان صفحه قرار دارند. مانند پیکربندی موازی، این پیکربندی عموماً بازده انتقال بالایی دارد. چرخدندههای مخروطی – از جمله چرخدندههای میتر، مخروطی مستقیم و چرخدندههای مخروطی مارپیچی – از جمله دندههایی هستند که از پیکربندیهای متقاطع استفاده میکنند. کاربردهای معمولی برای جفت دندههای متقاطع شامل تغییر جهت حرکت در سیستمهای انتقال قدرت است.
پیکربندی غیر موازی و غیر متقاطع
جفت چرخدندهها با پیکربندی غیر موازی و غیر متقاطع دارای شفتهایی هستند که روی محورهایی متقاطع هستند (یعنی موازی نیستند) اما در یک صفحه نیستند (یعنی متقاطع نمیشوند). برخلاف پیکربندیهای موازی و متقاطع، این پیکربندی عموماً دارای راندمان انتقال قدرت و حرکت کم است. برخی از نمونههای دندههای غیر موازی و غیر متقاطع شامل چرخدندههای پیچی، چرخدندههای حلزونی و چرخدندههای هیپوید هستند.
فراتر از ویژگیهای طراحی ذکر شده در بالا، چندین گزینه دیگر وجود دارد که یک متخصص صنعت یا عامل تدارکات ممکن است هنگام طراحی و انتخاب یک چرخدنده برای کاربرد خاص خود در نظر بگیرد. برخی از خصوصیات دیگری که ممکن است در نظر گرفته شوند عبارتاند از مصالح ساختمانی، درمانهای سطحی، تعداد دندانها، زاویه دندان و نوع روانکننده و روش روانکاری.