چرخ دنده‌ها

در ساختار هر وسیله‌ی مکانیکی تعداد زیادی چرخ دنده بکار رفته است. آیا تا به حال فکر کرده اید که چرا تعداد چرخ دنده در آن‌ها زیاد است؟ مهم‌ترین دلیل آن این است که همه‌ی این ابزارها، یک موتور کوچک دارند که با سرعت بالا می‌چرخد. این موتور می‌تواند توان مورد نیاز را تأمین کند، اما گشتاور آن، به اندازه‌ی کافی زیاد نیست. مثلاً در یک پیچ گوشتی برقی باید گشتاور بالا برود تا پیچ گوشتی بتواند پیچ‌ها را سفت کند، ولی موتور گشتاور کمی تولید می‌کند و در عوض سرعت بالایی دارد. کافیست از چند چرخ دنده استفاده کنیم تا این مشکل حل شود. کار دیگری که از چرخ دنده برمی آید، تغییر جهت چرخش است.

اگر دو چرخ دنده را که کنار هم قرار دارند با دقت نگاه کنید، می‌بینید که همواره یکی از آن‌ها ساعتگرد می‌چرخد و دیگری 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 همدیگر می‌چرخند، چرخ کوچکتر با سرعت بیشتر از چرخ بزرگ می‌گردد و حرکت دورانی از محور چرخ بزرگ به محور چرخ کوچک منتقل می شود.

قطر چرخ سمت چپ دو برابر چرخ دیگر است. اصطلاحاً گفته می شود نسبت این دو چرخ دنده 2:1 (بخوانید "دو به یک") است. اگر دقت کنید می‌بینید که هر بار که چرخ بزرگ یک دور می‌زند، چرخ کوچک دو دور حول محور خود می‌چرخد. بنابراین سرعت چرخش دو برابر شده است.

مفهوم نسبت چرخ دنده

اگر نحوه محاسبه محیط دایره را بدانید؛ به راحتی می‌توانید مفهوم نسبت چرخ دنده‌ها را درک کنید. محیط دایره برابر است با حاصلضرب عدد پی در قطر آن. بنابراین نسبت قطر دو چرخ دنده، در واقع همان نسبت محیط های آن‌ها است. در مدل سازی زیر رابطه‌ی بین قطر و محیط یک دایره نشان داده شده است.

همان‌طور که می بینید، قطر این دایره 27/1 اینچ است، ولی وقتی دایره می چرخد، خطی به طول 4 اینچ را طی می کند. حال 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 می کند. دو چرخ مسافت یکسانی را طی می کنند، پس چرخ کوچک دو دور می زند.

اکثر چرخ دنده های واقعی دندانه دارند، دندانه سه مزیت بزرگ دارد:

- از لغزش چرخ دنده ها جلوگیری می کند. پس محورهایی که با چرخ دنده به هم متصل شده اند، همواره همگام با یکدیگر حرکت می کنند.

- با استفاده از آن‌ها می توان به راحتی، نسبت دو چرخ دنده را حساب کرد؛ کافی است تعداد دنده های یک چرخ را بشمارید و به تعداد دنده های چرخ دوم تقسیم کنید.

- با استفاده از دنده ها می توان خطاهای کوچکی را که در هنگام ساختن چرخ ها بوجود آمده است، برطرف کرد. نسبت چرخ‌ها با تعداد دندانه ها کنترل می شود، به همین دلیل اشتباهات کوچک در تولید چرخ‌ها اهمیت چندانی ندارد.

تا این جا همه چیز ساده بود و فهم مطالب بالا برای هر فردی، راحت خواهد بود. اما آن‌هایی که با ابزارهای مکانیکی کار کرده اند، می دانند که مشکلات دیگری هم وجود دارد که باید راه حلی برای آن‌ها پیشنهاد کرد. به تدریج ایده های جدیدی برای استفاده‌ی بهتر از چرخ دنده ها ارائه شد تا این مشکلات برطرف شود.

اولین مشکل این بود که امکان ساختن چرخ های خیلی کوچک وجود نداشت. به همین دلیل، امکان افزایش نسبت دو چرخ دنده به میزان بیشتر از قبل نیز وجود نداشت. اگر شما می خواستید این مشکل را حل کنید، چه می کردید؟

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؟

در شکل زیر، چرخ بنفش دو تکه است. یک چرخ کوچک به وسط یک چرخ بزرگ‌تر متصل شده است. چرخ کناری فقط به چرخ کوچک متصل است. با این که چرخ‌های بزرگ، هم اندازه اند، اما سرعت چرخش یکی از آن‌ها دو برابر دیگری است.

در شکل زیر، سرعت چرخ بنفش، دو برابر سرعت چرخ آبی است و سرعت چرخ سبز نیز دو برابر سرعت چرخ بنفش است. سرعت چرخ سبز چند برابر سرعت چرخ آبی خواهد بود؟

اگر چرخ وسطی را کوچک‌تر کنیم (یا چرخ بیرونی را بزرگ‌تر بسازیم)، باز هم امکان افزایش نسبت چرخ دنده ها وجود دارد. در شکل زیر چرخ وسطی 5/1 برابر چرخ بیرونی است.

بنابراین اگر چرخ بنفش را به موتوری وصل کنید که با سرعت 100 دور در دقیقه بچرخد، چرخ قرمز 2500 دور در دقیقه خواهد چرخید. اگر موتور را به چرخ قرمز وصل کنید، می توانید سرعت چرخش را 25 بار کاهش دهید. آیا تا به حال درون کنتور برق خانه‌ی 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. آیا می توانید بگویید چرا؟

یک نکته‌ی جالب دیگر این است که یا کمی دقت می بینید که در کنتور، اعداد روی چرخ‌های مجاور، برعکس هم نوشته شده است. دلیل انجام این کار آن است که چرخ‌ها مستقیماً به یکدیگر 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 دنده‌ی حلزونی از یک محور مارپیچی و یک چرخ دنده تشکیل شده است. که با هر گردش محور، چرخ دنده یک دندانه جلو می رود. اگر چرخ چهل دندانه داشته باشد، در یک فضای بسیار کوچک به نسبت 40:1 دست پیدا می کنیم. مدل سازی زیر یک چرخ دنده‌ی حلزونی را نشان می دهد که در برف پاک کن ماشین استفاده می شود.

از این چرخ دنده ها در کیلومتر شما و ماشین نیز استفاده می شود . به عنوان مثال در کیلومتر شمار زیر سه جفت از این چرخ دنده ها را می بینید:

چرخ دنده های خورشیدی

یکی از جالب ترین چرخ دنده هایی که اختراع شده است، چرخ دنده‌ی خورشیدی است. فرض کنید می خواهید دو چرخ دنده داشته باشید که سرعت یکی 6 برابر دیگری باشد، اما جهت چرخش آنها با هم یکی باشد. برای این کار دو راه وجود دارد. راه حل اول این است که از چیزی شبیه شکل زیر استفاده کنیم.

چرخ آبی 6 برابر چرخ زرد است. اندازه‌ی چرخ قرمز مهم نیست. وظیفه‌ی چرخ قرمز آن است که جهت چرخش را تغییر دهد تا جهت چرخش نهایی با جهت چرخش زرد یکی باشد. ولی اگر بخواهید محور چرخ دنده‌ی خروجی با محور چرخ دنده ورودی یکسان باشد مجبورید از چرخ دنده های خورشیدی استفاده کنید.

به شکل زیر توجه کنید. در این سیستم چرخ زرد (خورشید) به طور همزمان، هر سه چرخ قرمز (سیاره ها) را می چرخاند.

تمام این سه چرخ دنده به یک صفحه (Planet carrier) متصل اند و با دندانه های درون چرخ دنده آبی جفت شده اند (توجه کنید که در حالت عادی دندانه ها 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 می شود. به این ترتیب یک نسبت 6:1 بدست می آید.

اگر ورودی را به یکی دیگر از چرخ دنده های این مجموعه متصل کنید، نسبت جدیدی بدست می آید. به این ترتیب می توانید 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 سیاره ها به دور خورشید می چرخند، 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 دور از چرخش خورشید خنثی می شود. بدین ترتیب ما یک کاهش 7:1 در چرخش ایجاد کرده ایم. می توانید 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 می آید. حالت‌های مختلف استفاده از این مجموعه در مدل‌سازی زیر نشان داده شده است. البته توجه کنید نسبت و تعداد چرخ دنده های مدل‌سازی با شکل تفاوت دارد.

چرخ دنده‌ی خورشیدی، قلب یک دنده‌ی اتوماتیک است. سایر قسمت‌های موجود در دنده‌ی اتوماتیک ماشین، فقط وظیفه‌ی تعویض ورودی و خروجی و یا ثابت نگه داشتن چرخ دنده های مختلف را بر عهده دارند.

زنجیر و چرخ

چرخ دنده ها کارهای متنوعی انجام می دهند. فرض کنید می خواهید حرکت دو چرخ قرمز را با هم همگام کنید، ولی آن‌ها از یکدیگر فاصله دارند. اگر یک چرخ دنده‌ی بزرگ بین دو چرخ قرار دهید می توانید ارتباط بین آن‌ها را برقرار کنید. در این حالت جهت چرخش دو چرخ یکسان است.

اما اگر بخواهید جهت چرخش آنها عکس یکدیگر باشد می توانید از دو چرخ دنده‌ی کوچکتر استفاده کنید.

ولی در هر حال به تعدادی چرخ دنده اضافی نیاز دارید. این چرخ دنده ها به محورهای جدیدی نیاز دارند. پس استفاده از این روش، وزن دستگاه شما را هم زیاد می کند. در چنین مواردی معمولاً از یک زنجیر یا تسمه استفاده می کنند.

زنجیر سبک تر از چرخ دنده است و در ضمن می توان یک زنجیر را به تعداد زیادی چرخ دنده بست تا همه‌ی آن‌ها را با هم بچرخاند. مثلاً در موتور ماشین یک تسمه هم دینام را می چرخاند و هم دو میل بادامک را. اگر می خواستید 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 می توانید زنجیر را جدا کنید. این ویژگی به ما کمک می کند که خیلی ساده تر وسیله های خود را تعمیر کنیم. اگر دوست دارید درباره انواع چرخ دنده ها بدانید، اینجا را بخوانید.

نویسندگان:صادق بهداد-علی کرباسی

چرخ دنده‌ها

چرخ دنده‌ها

چرخ دنده های خورشیدی

زنجیر و چرخ

مطالب مشابه :

آمار کلی از دانشگاه ها و موسسات و مراکز آموزش عالی قزوین

چرخ دنده‌ها

درباره مکانیک سیالات....

آموزش هیدرولیک (پمپ دنده ای)

جزئیات پنج خودروی هیبریدی محققان کشور/ هیبریدی‌ها جایگزین بنزین سوزها

پلیمرهای متحرک در اثر تابش نور

لیست منابع امتحانی و برنامه ارایه دروس کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانیک

جعبه دنده ( گیر بکس )

آموزش هیدرولیک ( موتور دنده ای )

سوالات لوله كشي و نصاب وسايل بهداشتي درجه 2