چرخ دنده زنجیر در صنعت، دنده (چرخ) (sprocket) و زنجیر (chain) هر یک به تنهایی معنای کاربردی چندانی ندارند و تنها زمانی که چرخدنده با زنجیر همراه میگردد معنا و مفهوم کاربردی مییابد. بنابراین چرخ زنجیر یکی از تجهیزات صنعتی و چرخی دندانهدار است که ردیف و شبکهای از زنجیرها حول آن قرار میگیرد و به واسطه دندانههای آن قدرت یا حرکت انتقال مییابد؛ بدین صورت که زنجیر همراه با ساختاری که دارد میتواند در مسیر چرخش چرخدنده با قرارگیری بر شاخکها و دندانههای آن، نیروی تولید شده را به چرخدندههای بعدی منتقل نماید.
پس در یک عبارت سادهتر، میتوان هر چرخ دندانهداری (چرخ دنده) که با مکانیزم زنجیر روی آن همراه باشد چرخ زنجیر نامید. چرخ زنجیر یک روش معمول برای انتقال نیرو و تغییر گشتاور خروجی یا سرعت یک سیستم مکانیکی است و زمانی مورد استفاده قرار میگیرد که بخواهیم بین دو محور که در جای خود ثابت هستند یا بین دو یا چند شفت چرخشی، قدرت یا حرکت را انتقال دهیم.
کاربرد چرخ دندهها :
- تغییر جهت چرخش
- افزایش یا کاهش سرعت چرخش
- انتقال حرکت دورانی به یک محور دیگر
- همزمان سازی حرکت دو محور
چرخ دنده ها در واقع قطعات ریز و درشتی هستند که باعث انتقال انرژی جنبشی از نوع دورانی از قطعه ای به قطعه دیگر می شوند.
شاید با خود بگویید این دقیقا همان کاری است که تسمه و زنجیر هم به خوبی انجام می دهند.
حدستان کاملا درست است اما کیفیت انجام عمل در این تجهیز تفاوت های خاصی با تسمه و زنجیر دارد.
وجود این قطعات به عنوان یک واسط اصلی باعث می شود انتقال انرژی روان تر صورت بگیرد و جنس مناسب چرخ دنده، امنیت دستگاه های مدرن را تا حدود زیادی تامین می کند.
روش ساخت
ساخت این قطعات صنعتی با روش های متفاوت و مختلفی انجام می شود که مهم ترین روش آن از طریق ریخته گری است اما راه های دیگری مانند رس، منگنه و براده برداری نیز وجود دارد که هرکدام ابزار و شرایط خاص خود را می طلبد.
دلیل این که عمومی ترین روش ساخت این قطعات فرآیند ریخته گری است، این است که در این روش می توان با سرعت بالا، قطعاتی به تعداد زیاد تولید کرد.البته این روش ویژه تولید قطعاتی است که در تولید آن ها نیاز به دقت چندان بالایی وجود ندارد.
انواع چرخ دنده ها
براساس شکل ظاهری ، چرخدنده ها به انواع گستران (Involute)، سیکلوئیدی (Cycloidal) و تروکوئیدی (Trochoidal) تقسیم می شوند . از نظر موقعیت محور (Shaft)، می توان آن ها را در دسته های محور موازی ، محور متقاطع ، محور غیر موازی و محور غیر متقاطع قرار داد . قدمت چرخ دنده بسیار طولانی است. آن طور که در نوشته های ارشمیدس یافت شده است، استفاده از آن در یونان باستان به دوره پیش از میلاد مسیح بر می گردد .
از انواع چرخ دنده، ساده
نوع ساده، یکی از پرکاربرد ترین انواع چرخ دنده و از نوع استوانه ای به حساب می آید. دندانه های مستقیم دارد و روی محور های موازی سوار می شود . در برخی طراحی ها ، از تعداد زیادی از این چرخ دنده برای کاهش توان استفاده می شود . هنگامی که دو چرخ دنده ساده در کنار هم به کار رود ، چرخ دنده کوچکتر که تعداد دندانه کمتری دارد، پینیون نامیده می شود.
چرخ دنده بزرگتر نیز که تعداد دندانه بیشتری دارد، چرخ دنده یا چرخ نامیده می شود. یکی از مشخصه های این نوع چرخ دنده، صدای زیاد آن است. به محض اینکه دو دندانه با یکدیگر درگیر شوند، با نیروی زیادی به هم ضربه می زنند. این ضربه، موجب تولید صدا و تمرکز تنش روی دندانه ها می شود. دندانه های این چرخ دنده، پروفایل گستران دارند و در هر لحظه فقط یکی از دندانه ها به طور کامل درگیر می شود.
در این گونه از چرخ دنده ها، هیچ نیرویی در جهت محور ایجاد نمی شود. چرخ دنده ساده در کاربرد هایی که نیاز به کاهش سرعت یا چند برابر کردن گشتاور باشد ، مناسب ترین گزینه است . به عنوان مثالی از این کاربرد ها می توان به آسیاب گلولهای (Ball Mill) یا دستگاه خردکن سنگ آهن اشاره کرد.
از انواع چرخ دنده، مارپیچ
یکی از موارد مصرف چرخ دنده های مارپیچ ، در محور های موازی است . خطوط دندانه ها در این چرخ دنده های استوانه ای ، به صورت مارپیچ هستند . این نوع چرخ دنده در مقایسه با نوع ساده ، قادر به انتقال نیروی بیشتری است و صدای کمتری تولید می کند . کمتر بودن صدا به خصوص در سرعت های متوسط و بالا به چشم می آید. از طرف دیگر، همواره بیش از یک دندانه از هر چرخ دنده درگیر است.
در نتیجه نیروی وارد به هر دندانه کمتر می شود تا ظرفیت این نوع چرخ دنده بالاتر رود . به دلیل شکل مارپیچی دندانه ها ، درگیر شدن چرخ دنده ها با تماس نقطه ای آغاز می شود و آرام آرام به تماس خطی می رسد. در نتیجه انتقال نیرو یکنواخت تر خواهد بود و ارتعاشات و سایش هم کمتر اتفاق می افتد. در شکل زیر یک نمونه چرخ دنده مارپیچ نشان داده شده است.
ویژگی هایی که تا اینجا برای چرخ دنده مارپیچ برشمردیم ، اشکالاتی هم ایجاد می کند . زاویه دار بودن دندانه ها باعث سر خوردن محل تماس می شود . در نتیجه این سر خوردن، نیروی محرک محوری و گرما ایجاد می شود و راندمان هم کاهش می یابد . به منظور کم کردن اثر نیروی محوری باید از یاتاقان استفاده کرد . یکی از روش های جلوگیری از ایجاد این نیروی محرک ، استفاده از چرخ دنده مارپیچ دوبل (Herringbone gear) است که در صنعت به عنوان چرخ دنده جناغی هم شناخته می شود .
در این مدل، دو چرخ دنده مارپیچ با جهت مخالف ، در کنار هم قرار می گیرند تا نیروی محرک ایجاد شده در راستای محور، خنثی شود . در کاربرد هایی که چرخ دنده ساده برای آن مناسب باشد ولی محور ها با یکدیگر موازی نباشند ، انتخاب این چرخ دنده مارپیچی در اولویت است .
از انواع چرخ دنده، مخروطی
این چرخ دنده ها ظاهری مخروط مانند دارند و برای محور های متقاطع مناسب هستند . چرخ دنده های مخروطی در جاهایی که زاویه بین دو محور متقاطع، ۹۰ درجه است، بیشترین کاربرد را دارند ولی در زاویه های دیگر نیز مورد استفاده قرار می گیرند. دندانه های این چرخ دنده می تواند مستقیم، مارپیچ یا هیپوئیدی باشد. نوع مستقیم آن، همان مشکلات چرخ دنده ساده را دارد و دندانه ها به یک باره با هم درگیر می شوند.
در نتیجه تمرکز تنش روی دندانه ها بسیار بالا می رود. نوع مستقیم و مارپیچ ، زمانی استفاده می شوند 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 می شود. توجه کنید که در این حالت، دو محور هیچ نقطه تقاطعی نخواهند داشت و این حالتی استثنا برای تعریف این نوع چرخ دنده ایجاد می کند.
یکی از کاربردهای چرخ دنده مخروطی به عنوان یکی از انواع چرخ دنده ها در دیفرانسیل بسیاری از خودروهاست. در دیفرانسیل خودرو، چرخدنده حلقوی و چرخ دنده پینیون ورودی، هر دو از نوع هیپوئیدی هستند. این طراحی موجب می شود پینیون ورودی پایینتر از محور چرخ دنده حلقوی نصب شود. همان طور که می بینید، محور محرک هم به پینیون ورودی متصل است. به این ترتیب، محور محرک وارد اتاقک اتومبیل نمی شود. در نتیجه فضای بیشتری به اتاقک اختصاص داده شده است.
از انواع چرخ دنده، حلزونی
هنگامی که نیاز به کاهش زیاد دنده باشد ، از چرخ دنده های حلزونی استفاده می شود . چرخ دنده حلزونی برای نسبت های کاهش 20:1 تا 300:1 به کار می رود . این چرخ دنده ها در نتیجه کاهش سرعت ، گشتاور را نیز به مقدار زیادی افزایش می دهند . باید دقت کرد که نصب این سیستم و روغن کاری آن به درستی و منظم انجام شود . در این حالت، چرخ دنده حلزونی یکی از نرم ترین و کم صداترین انواع چرخ دنده خواهد بود . در این مجموعه از یک حلزون (محور بالا) و چرخ حلزون (چرخ دنده پایین) استفاده می شود.
ویژگی مهم این قطعات این است که انتقال نیرو فقط از حلزون به چرخ حلزون انجام می شود . معمولاً بیشتر طراحی ها طوری انجام می شود که چرخ حلزون قادر به چرخاندن حلزون نباشد . این ویژگی به عنوان ویژگی خود ترمزی شناخته می شود . هرچه زاویه پیشروی در حلزون کمتر باشد، این خاصیت بیشتر می شود. در مقابل هرچه زاویه پیشروی بزرگتر باشد، خاصیت خود ترمزی کمتر خواهد بود . شکل زیر، این زاویه را در حلزون نشان می دهد . از خاصیت خودترمزی می توان برای جلوگیری از حرکت برعکس استفاده کرد . به عنوان مثال در سیستم نوار نقاله برای ترمز یا توقف اضطراری، از این چرخ دنده ها استفاده می شود.
شانه ای
چرخ دنده شانه ای که یکی دیگر از انواع چرخ دنده ها می باشد به منظور تبدیل حرکت دایره ای به حرکت خطی یا برعکس به کار می رود . معمولاً این چرخ دنده ها به همراه یک چرخ دنده ساده (پینیون) مورد استفاده قرار می گیرند . به همین دلیل به کل مجموعه ، شانه و پینیون (Rack & Pinion) گفته می شود . دندانه های روی چرخ دنده می تواند مستقیم یا مارپیچ باشد . یکی از کاربرد های این نوع چرخ دنده ها در ترازو های عقربه ای است .