نقش چرخ دنده در خودرو

با شروع انقلاب صنعتی استفاده از چرخ های دندانه دار برای ایجاد درگیری و انتقال دور، ضمن حفظ نسبت سرعت ثابت رواج یافت. به عبارت دیگر چرخ دنده ها طرح تکامل یافته غلتک های اصطکاکی هستند که تحت اعمال بارهای اندک لغزش داشته لذا نسبت سرعت زاویه ای بین دو غلتک تغییر می یابد.

چرخ دنده ها یکی از بهترین گزینه ها برای انتقال حرکت مکانیکی دورانی با تماس و بدون لغزش هستند که از دیرباز نقش مهمی در صنعت داشته است. توانایی تغییر سرعت، گشتاورهای پیچشی، انتقال حرکت از محوری به محور دیگر، تغییر زاویه محورها همراه با انتقال حرکت و به طور کلی انتقال نیرو با سرعت، اندازه و جهت دلخواه از مزیت های استثنایی این وسیله است. تنوع اندازه و طرح نیز در کاربرد چرخ دنده ها بسیار زیاد است. از چرخ دنده های بسیار کوچک در ساعت های مچی آنالوگ تا چرخ دنده های بسیار بزرگ در موتور کشتی های غول پیکر. این همه کاربرد متنوع و حساس نمایانگر اهمیت نقش بدون رقیب آ نها در زندگی و صنعت است.

پیچیدگی های بسیاری در انواع مختلف چرخ دنده وجود دارد. در این گفتار 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 توضیحاتی را ارایه خواهیم کرد.

چرخ دنده ها در بسیاری از وسایل مکانِیکی استفاده می شوند. این اجزاء کارهای مختلفی انجام می دهند ولی مهم ترین آن تغییرات دور و گشتاور در تجهیزات موتوری است. این نقشی کلیدی است زیرا اغلب یک موتور کوچک دورانی با سرعت زیاد می تواند قدرت کافی برای سیستم تولید کند ولی گشتاور کافی را نمی تواند؛ به عنوان مثال پیچ گوشتی الکتریکی چرخ دنده کاهنده دور بسیار بزرگی دارد زیرا که نیاز به گشتاور پیچشی زیادی برای پیچاندن پیچ دارد ولی گشتاور تولیدی موتور در سرعت بالا مقدار کمی است. با دنده کاهنده دور، سرعت خروجی کاهش یافته اما گشتاور افزایش می یابد. کار دیگر چرخ دنده ها تعیین جهت چرخش است. به عنوان نمونه برای انتقال قدرت از دیفرانسیل به چرخ های عقب توسط میل گاردان که در محور طولی خودرو قرار دارد، دیفرانسیل باید 90 درجه جهت نیرو را تغییر داده تا در چرخ ها به کار رود.

دلایل به کار گیری چرخ دنده ها
چرخ دنده ها عموما به یکی از دلایل زیر مورد استفاده قرار می گیرند:

1. برای تغییر جهت دوران
2. برای زیاد یا کم کردن سرعت دوران
3. برای انتقال حرکت دورانی به محوری دیگر
4. برای حفظ هم زمانیِ دوران دو محور

اصول اولیه
نسبت دنده در هر چرخ دنده با فاصله مرکز چرخ دنده تا نقطه تماس -شعاع) تعیین می شود. به عنوان مثال در ابزاری با دو چرخ دنده، اگر قطر یکی از چرخ دنده ها دو برابر دیگری باشد، ضریب دنده 2:1 خواهد بود.

برای مثال یکی از ابتدایی ترین انواع چرخ دنده هاکه می توان از آن نام برد، چرخی است با برآمدگی هایی به شکل دندانه های چوبی. مشکلی که این نوع از چرخ دنده ها دارند این است که فاصله از مرکز هر چرخ دنده تا نقطه تماس، وقتی که چرخدنده می چرخد تغییر می کند. این بدان معنا است که ضریب دنده وقتی چرخ دنده های ساده چرخ دنده می چرخد تغییر می کندو متناسب با آن سرعت خروجی نیز تغییر می کند. چنان چه در یک خودرو از چرخ دنده هایی شبیه به این استفاده شده باشد، ثابت نگه داشتن سرعت در این شرایط غیر ممکن خواهد بود و دائما باید سرعت را کم و زیاد کرد. در دندانه های چرخ دنده های جدید از پروفیل مخصوصی که دنده گستران اینولوت( involute) نامیده می شود استفاده می شود. 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 جابه جا می شود ولی فرم گستران دندانه های چرخ دنده این جابه جایی را جبران می کند. . در ادامه بعضی از انواع چرخ دنده ها را بررسی خواهیم کرد.

دنده های متوالی
برای به دست آوردن نسبت های بزرگ بین دنده ها، گاهی چرخ دنده ها به صورت متوالی و متصل به کار برده می شوند، دنده سمت چپ (بنفش) در این سری، همان طور که در شکل نشان داده شده، در واقع از دو قسمت تشکیل شده است.

یک چرخ دنده کوچک و یک چرخ دنده بزرگ بر روی هم سوار شده و به هم متصلند.

همان طور که در شکل زیر نشان داده شده، دنده های متوالی اغلب به صورت زنجیروار و از چرخ دنده های متعدد و گوناگون، تشکیل شده اند. در حالت بالا، چرخ دنده بنفش با سرعت دو برابر چرخ دنده آبی می چرخد. چرخ دنده سبز با سرعت دو برابر چرخ دنده بنفش دوران می کند. چرخ دنده قرمز با سرعت دو برابر چرخ دنده سبز چرخش می کند.

در این زنجیره، اندازه چرخ دنده های کوچک تر یک پنجم چرخ دنده های بزرگ تر است. این بدان معنا است که اگر چرخ دنده آبی را به یک موتور با چرخش ١۰۰ دور در دقیقه وصل کنید، چرخ دنده بنفش با سرعت ۵۰۰ دور در دقیقه و چرخ دنده ی سبز با سرعت ۲۵۰۰دور در دقیقه و چرخ دنده قرمز با سرعت 12500 دور در دقیقه خواهند چرخید. به همان طریق می توانید یک موتور با چرخش 12500 دور در دقیقه را به چرخ دنده قرمز وصل کرده و سرعت ١۰۰ دور در دقیقه را در چرخ دنده آبی ایجاد کنید. اگر داخل کنتور برق های قدیمی را بررسی کنیم، خواهیم دید که دارای پنج صفحه مکانیکی است که با یکدیگر درگیر هستند. پنج صفحه را که بدین شکل به صورت متوالی و با نسبت دنده ١۰:١ به یکدیگر متصل بوده و درحال حرکت هستند. به دلیل این که صفحات (دنده ها) به طور مستقیم به هم وصلند، در جهت های مخالف هم می چرخند (خواهید دید که جهت دوران در چرخ دنده های مجاور که درگیری خارجی دارند در جهت عکس یکدیگر است).

چرخ دنده ساده
چرخ دنده های ساده، معمولی ترین نوع چرخ دنده هستند. این چرخ دنده ها دندانه های مستقیمی دارند و بر روی محورهای موازی سوار می شوند. سابقا برای به وجود آوردن حالت کاهش دور از چرخ دنده های ساده بسیار بزرگی استفاده می شد. چرخ دنده های ساده در دستگاه های بسیاری مانند پیچ گوشتی الکتریکی، آب پاش نوسانی، ساعت زنگی، ماشین لباس شویی و خشک کن لباس به کارمی رود اما در خودرو نمی توان تعداد زیادی از آن ها را یافت کرد زیرا چرخ دنده ساده دارای سروصدای زیادی است. هر وقت دندانه چرخ دنده یک دنده را با چرخ دنده دیگری درگیر کنند دنده ها برخورد کرده و این ضربه صدای بلندی تولید می کند، همچنین فشار روی چرخ دنده را افزایش می دهد. برای کاهش صدا و فشار اغلب در خودرو از چرخ دنده های مورب و مارپیچ استفاده می شود.

چرخ دنده های مورب
وقتی دو دنده بر روی سیستم چرخ دنده مورب درگیر می شوند تماس از انتهای یکی از دنده ها شروع شده و به تدریج با چرخش چرخ دنده گسترش می یابد تا زمانی که دودنده به طور کامل درگیر شوند.

درگیر شدن تدریجی چرخ دنده های مورب را وادار می کند که آرام تر و ملایم تر از چرخ دنده های ساده عمل کنند. به همین دلیل چرخ دنده های مورب تقریبا در جعبه دنده همه خودرو ها مورد استفاده قرارمی گیرد. به علت زاویه دنده ها در چرخ دنده های مورب وقتی که دنده ها درگیر می شوند بار محوری به وجود می آورند. در دستگاه هایی که از چرخ دنده های مورب استفاده می شود یاتاقان هایی دارند که می توانند این بار محوری را تحمل کنند. یک نکته جالب در مورد چرخ دنده های مورب این است که اگر زوایای دندانه های چرخ دنده صحیح باشند می توا نند روی محور عمودی سوار شده زاویه چرخش را روی 90درجه تنظیم کنند.

چرخ دنده مخروطی
چرخ دند ههای مخروطی زمانی مورد استفاده قرار می گیرند که نیاز به تغییر مسیر چرخش محور است 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 مستقیم، مورب ویا قوسی باشند. دندانه 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.

درست مانند چرخ دنده ساده، راه حل این مشکل انحنا دادن به دندانه های چرخ دنده است. این دندانه های مورب درست مانند دندانه های مارپیچی درگیر می شوند تماس از یک انتهای چرخ دنده شروع می شود و به صورت تصاعدی در سرتاسر دندانه گسترش می یابد. در چرخ دنده های مخروطی مستقیم و مورب محورها باید بر هم عمود باشندو همچنین در یک صفحه واقع شوند. اگر شما دو محور را پشت چرخدنده 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.

این خصوصیت در دیفرانسیل خودروهای مختلف استفاده می شود. چرخ دنده بزرگ مخروطی دیفرانسیل و چرخ دنده کوچک ورودی (پنیون) هر دو از نوع مورب قوسی (هیپو ییدی) هستند. این خاصیت به پینیون ورودی اجازه می دهد که پایین تر از محور چرخ دنده بزرگ مخروطی سوار شود. در شکل بالا چرخ دنده پینیون درگیر با چرخ دنده مخروطی بزرگ در دیفرانسیل را نشان می دهد. زمانی که محور محرک (میل کاردان) به پینیون ورودی متصل می شود پایین تر از محور کرانویل قرار می گیرد. این بدان معنا است که محور محرک در قسمت اتاق جایی کمتری را اشغال می کند و فضای بیشتری برای سرنشینان و بار ایجاد می شود.

چرخ دنده های حلزونی
چرخ دنده حلزونی هنگامی مورد استفاده قرار می گیرد که نیاز به نسبت کاهش دور بالایی باشد. برای چرخ دنده های حلزونی نسبت کاهش 20:1 و حتی تا 300:1 یا بالاتر از آن متعارف است. بسیاری از چرخ دنده های حلزونی خاصیت خوبی دارند که در دیگر چرخ دنده ها وجود ندارد به طوری که پیچ حلزون به راحتی می تواندچرخ دنده را بچرخاند ولی چرخ دنده نمی تواند پیچ حلزون را بچرخاند. این بدان علت است که زاویه روی پیچ حلزون به قدری 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 داشته و مانع چرخش آن می شود. این خاصیت برای خودروهایی از قبیل سیستم های نوار نقالهمکانیکی مورد استفاده است. آن هایی که خاصیت قفل کنندگی در آن ها هنگامی که موتور نمی چرخد می تواند همانند یک ترمز برای نقاله عمل کند. استفاده خیلی مهم دیگر چرخ دنده های حلزونی کاربرد آن ها در دیفرانسیل تورسن Torsen differential که در بعضی ازخودروها و کامیون های بارکش با کارایی بالا استفاده می شود است.

صفحه دنده:
صفحه دنده دارای دندانه هایی است که صفحه چرخ دنده را قطع می کنند. آن ها بسیار مشابه چرخ دنده مخروطی اند. پینیون با صفحه دنده درگیر می شود و زاویه بین دو محور 90 درجه است.

چرخ دنده و میله دنده
چرخ دنده و میله دنده برای تبدیل حرکت دورانی به خطی استفاده می شوند. مثال کاملی از آن فرمان خودروهاست. 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 آن که فرمان را به کدام سمت بچرخد.

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.

جزییات 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 معنا است که شعاع نقطه تماس با درگیر شدن دندانه ها بزرگ تر می شود. قطر دایره گام قطر تماس موثر است. از آن جایی که قطر تماس ثابت نیست قطر دایره گام فاصله تماس متوسط واقعی 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 بنابراین جبرانی برای قطر تماس اندکی کوچک تر است. 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 جابه جایی 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 به طور ممتد تغییر کند سرعت ثابت باقی می ماند. بنابراین پروفیل دندانه چرخ دنده گسترانی یک نسبت سرعت دورانی ثابت تولید می کند.