مروری بر انواع چرخ دنده‌ها

مروری بر انواع چرخ دنده ها

چرخ دنده‌ها بخشی از یک مکانیزم انتقال قدرت هستند که با یک چرخ دنده دیگر در مجموعه درگیر شده و امکان ایجاد حرکت، تغییر سرعت یا تغییر جهت را فراهم می‌کنند. دو یا چند چرخ دنده که به صورت درگیر با هم کار می‌کنند، فرآیند انتقال قدرت را میسر می گردانند. با به کارگیری اتصالات جانبی و قطعات مختلف در کنار چرخ دنده و شافت، و با طراحی آن‌ها در قالب یک یا چندین طبقه در یک گیربکس، می‌توان در یک مجموعه مکانیکی به اهدافی نظیر سرعت‌های مختلف، افزایش گشتاور، تنظیم سرعت و تغییر جهت حرکت دست یافت.

طبقه‌بندی چرخ دنده‌ها

چرخ دنده ها را می‌توان بر اساس چگونگی قرار گیری محور شافت، بر اساس سرعت دنده، بر اساس نوع دنده گیری و در نهایت بر اساس موقعیت دندانه‌ها بر روی سطوح دنده، طبقه‌بندی کرد. چرخ دنده‌ها به انواع مختلفی نظیر چرخ دنده ساده (Spur gear)، چرخ دنده‌ی هلیکال (Helical gear)، چرخ دنده‌ی مخروطی (Bevel gear)، چرخ دنده‌ی هرینگبون (Herringbone gear) و … تقسیم می‌شوند که در ادامه به تفصیل درباره‌ی هر کدام از آن‌ها صحبت خواهد شد.
چرخ دنده‌ها را می‌توان بر اساس موارد زیر طبقه‌بندی کرد:
• بر اساس محور شافت
• بر اساس سرعت
• بر اساس نوع دنده گیری
• بر اساس موقعیت دندانه‌ها بر روی سطح چرخ دنده

طبقه بندی براساس محور شافت

بر اساس نوع محور شافت، چرخ دنده‌ها به انواع زیر تقسیم می‌شوند:
چرخ دنده‌ شافت موازی : وقتی دو شافت چرخ دنده که با یکدیگر درگیر هستند ، نسبت به هم موازی باشند، به آن‌ها چرخ دنده‌های شافت موازی گفته می‌شود. چرخ دنده ساده،  چرخ دنده سیاره‌ای، چرخ دنده هلیکال، چرخ دنده هرینگبون جز چرخ دنده‌های شافت موازی می‌باشند.
چرخ دنده شافت متقاطع : وقتی دو شافت چرخ دنده که با یکدیگر درگیر هستند، نسبت به هم متقاطع باشند، به آن ها چرخ دنده‌های متقاطع گفته می‌شود. چرخ دنده مخروطی، چرخ دنده مایتر (miter gear)، چرخ دنده هیپوئید (hypoid gear)  جز چرخ دنده‌های شافت متقاطع می باشند.
چرخ دنده با شافت نامتوازی و نامتقاطع : این طبقه‌بندی مربوط به حالتی است که محور دو شافت چرخ دنده درگیر، نسبت به هم نامتوازی و نامتقاطع باشند. به عنوان مثال چرخ دنده‌های مارپیچ مخروطی (Spiral Bevel gear) در این دسته قرار می گیرند.

طبقه بندی براساس محور شافت

بر اساس میزان سرعت، چرخ دنده‌ها به انواع زیر طبقه‌بندی می‌شوند:
چرخ دنده کم سرعت : وقتی سرعت خطی چرخ دنده کمتر از ۳ متر بر ثانیه باشد.
چرخ دنده‌ سرعت متوسط : وقتی سرعت خطی چرخ دنده بین ۳ تا ۱۵ متر بر ثانیه باشد.
چرخ دنده‌ سرعت بالا : وقتی سرعت خطی چرخ دنده بیشتر از ۱۵ متر بر ثانیه باشد، آن را چرخ دنده‌ی سرعت بالا می‌نامند.

طبقه بندی براساس نوع دنده‌گیری

بر اساس نوع دنده‌گیری، چرخ دنده‌ها به انواع زیر طبقه‌بندی می‌شوند:
چرخ دنده خارجی : اگر چرخدنده‌های درگیر، دو استوانه با قطر گام مربوطه فرض شوند، این استوانه‌ها در سطح خارجی با یکدیگر تماس داشته و هیچ گونه همپوشانی حجمی حاصل نمی‌گردانند.
چرخ دنده داخلی : اگر چرخدنده‌های درگیر، دو استوانه با قطر گام مربوطه فرض شوند، این استوانه‌ها درون یکدیگر بود و از لحاظ حجمی با یکدیگر همپوشانی دارند.
پینیون و شانه  (Rack and Pinion Gear) : شانه همانند تسمه یا نواری است که پینیون به صورت خطی بر روی آن حرکت می‌کند.

طبقه بندی براساس موقعیت چرخ دنده در سطح دنده

بر اساس موقعیت چرخ دنده‌ در سطح دنده، چرخ دنده‌ها به انواع زیر طبقه‌بندی می‌شوند:
چرخ دنده با دندانه های راست : مانند چرخ دنده ساده (Spur)
چرخ دنده با دندانه های مورب :  مانند چرخ دنده هلیکال (Helical) و هرینگبون  (Herringbone)
چرخ دنده با دندانه های منحنی شکل : مانند چرخ دنده مارپیچ مخروطی (Spiral Bevel)

انواع چرخ دنده و کاربردهای آن

در ادامه به انواع مختلف چرخ دنده های پر کاربرد در صنعت اشاره می‌شود.
چرخ دنده ساده – Spur Gear
چرخ دنده هلیکال  – Helical Gear
چرخ دنده هرینگبون –   Herringbone Gear
چرخ دنده مخروطی – Bevel Gear
چرخ دنده مایتر – Miter Gear
چرخ دنده هیپوئید – Hypoid Gear
اسپروکت – Sprocket
دنده صفحه‌ای – Face Gear
چرخ دنده حلزونی – Worm Gear
چرخ دنده خارجی – External Gear
چرخ دنده داخلی – Internal Gear
شانه و پینیون – Rack and Pinion
چرخ دنده حلقه‌ای – Epicyclical Gear
اسپیلاین یا هزارخاری انولوت – Involute spline
اسپیلاین راست – Straight Sides Spline

چرخ‌دنده ساده – Spur Gear

بیشترین کاربرد و استفاده را در صنعت به خود اختصاص داده است.
دندانه‌ها نسبت به راستای محوری بدون زاویه می باشند.
نوعی دنده با محور موازی و دندانه‌های راست می‌باشد.
طراحی ساده، تولید ارزان و نگهداری آسان از جمله مزایای چرخ دنده ساده می باشد.
تنها بارهای شعاعی را بر روی بلبرینگ‌ها تحمل می‌کند.
به عنوان چرخ دنده کم سرعت شناخته می‌شود.
در هر سرعتی قابل استفاده بوده اما نسبت به سایر چرخ دنده‌ها صدای بیشتری تولید می‌کنند.
این نوع دنده‌ها در تجهیزاتی استفاده می‌شوند که کارهای ساده و در مقیاس کوچک مورد نیاز باشد.

چرخ‌دنده هلیکال – hELICAL GEAR

چرخ دنده هلیکال تقریباً شبیه چرخ دنده ساده می باشد، با این تفاوت که دندانه ها نسبت به راستای محوری زاویه دار می باشند.
دندانه‌ها با زاویه‌ای نسبت به صفحه قرار دارند، که باعث می‌شود محل برخورد دندانه‌ها در چرخ دنده هلیکال بیشتر از چرخ دنده ساده باشد.
چرخ دنده هلیکال می‌تواند حرکت را حتی در محورهای موازی منتقل کند. دندانه‌ها در زاویه چرخ دنده هلیکال به آرامی با یکدیگر تماس پیدا می کنند.
در مقیاس مشابه، چرخ دنده هلیکال می‌تواند بار سنگین‌تری را نسبت به چرخ دنده ساده تحمل کند.
چرخ دنده هلیکال بارهای شعاعی و تراست را بر روی بلبرینگ ایجاد می‌کند، به همین دلیل برای آن ها بایستی از تراست بلبرینگ استفاده ‌شود.
این نوع دنده‌ها در تجهیزاتی استفاده می‌شوند که بارهای سنگین و سرعت بالا مورد نیاز باشد

چرخ‌دنده جناغی – Herringbone Gear

از لحاظ ظاهری چرخ دنده جناغی شبیه به اتصال محوری دو چرخ دنده هلیکال به هم می باشد. بدین خاطر آنها به عنوان چرخ دنده هلیکال دوگانه نیز شناخته می‌شوند. یکی از مزایای این نوع دنده‌ها این است که از تراست های جانبی به هنگام عملکرد سیستم محافظت می‌کند، در حالی که چرخ دنده هلیکال خود، تراست و نیروی رانشی جانبی ایجاد می‌کند. در این نوع چرخ دنده، بار تحمیلی به بلبرینگ‌ها وارد نمی شود.

چرخ‌دنده مخروطی – bEVEL GEAR

چرخ دنده مخروطی بیشتر در موقعیت‌هایی استفاده می‌شود که قدرت بایستی در زوایای دقیقی منتقل شده و دو شافت ورودی و خروجی با یکدیگر متقاطع باشند. چرخ دنده مخروطی می‌تواند در زوایا قرارگیری مختلفی نسبت به شافت خروجی طراحی شود، اما با این حال این چرخ دنده‌ها عمدتا در زاویه ۹۰ درجه طراحی و ساخته می شوند.
نسبت انتقال قدرت در چرخ دنده مخروطی می‌توانداز مقدار ۱ به ۱۰ تا ۱ به ۵۰۰ متغیر  باشد.
چرخ دنده مخروطی به دو نوع تقسیم می‌شود:
چرخ دنده مخروطی با دندانه‌های راست ( Straight bevel gear )
چرخ دنده مخروطی با دندانه‌های مارپیچ  ( Spiral bevel gear )
چرخ دنده مخروطی با دندانه ی مارپیچ نسبت به چرخ دنده مخروطی با دندانه های راست، صدای کمتری داشته و بار سنگین‌تری را تحمل می‌کند. این چرخ دنده به چرخ دنده مخروطی با دندانه‌ اریب  ( Skew bevel gear ) نیز شناخته می‌شود.

چرخ‌دنده مایتر – miter gear

چرخ دنده مایتر، نوعی چرخدنده دنده مخروطی است که تنها با نسبت ۱ به ۱ قدرت را به زاویه ۹۰ درجه انتقال می‌دهد.

چرخ‌دنده هیپوئید – Hypoid Gear

چرخ دنده‌های هیپوئید مشابه چرخ دنده‌های مخروطی می باشند، با این تفاوت که محورهای شافت آن‌ها از یکدیگر نمی‌گذرد و  یا به عبارتی دیگر محورهای آن متقاطع نمی‌باشند. گیربکس‌ها با چرخدنده‌های هیپوئید برای عملکرد در زاویه ۹۰ درجه شافت ورودی و خروجی طراحی شده‌اند. نسبت انتقال ۱ به ۶۰ یا بیشتر از آن را می‌توان از چرخدنده هیپوئیدی دریافت کرد. این دست از چرخ دنده‌ها عمدتا در گیربکس اتومبیل ها استفاده می شوند.

اسپروکت – Sprocket

دنده اسپروکت یا دنده خورشیدی، یک نوع دنده خاص  با دندانه های کوتاه است که برای راندن تسمه و زنجیر به کار گرفته می شود. این چرخ دنده ها عمدتا در سیستم های نوار نقاله‌ای کاربرد دارند.

چرخ دنده صفحه‌ای – Face gear

چرخ دنده صفحه ای،  مشابه یک صفحه دایره‌ای شکل تخت می‌باشد که به واسطه‌ی شکل ظاهری این امکان را فراهم می‌آورد تا قدرت در زاویه دقیق و با حرکت دوار انتقال یابد. این چرخ دنده به ندرت در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد.

چرخ دنده حلزونی – worm gear

چرخ‌دنده‌ حلزونی برای انتقال قدرت در زاویه ۹۰ درجه به کار می‌رود که در آن دو شافت، محور یکدیگر را قطع می‌کنند. شافت‌های چرخ‌دنده‌های حلزونی در یک صفحه موازی قرار دارند و همچنین می‌توانند با هر زاویه‌ای بین صفر تا زاویه ی قائم تغییر موقعیت دهند. چرخ‌دنده حلزونی اغلب با یک چرخ‌دنده ساده یا چرخ‌دنده هلیکال ترکیب شده که به آن چرخ حلزون گفته می شود. مجموعه چرخ دنده حلزونی و چرخ حلزون آن، یک روش ساده و مناسب برای دستیابی به نسبت‌ گشتاور بالا و سرعت پایین می باشد.

پینیون و شانه – Rack and Pinion

رک یا شانه در اصل یک چرخ‌دنده شبیه تسمه راست است که برای انتقال قدرت و سرعت در خط مستقیم استفاده می‌شود. توان و گشتاور می‌تواند با به کارگیری سیستم شانه و پینیون به صورت خطی انتقال یابد. در این سیستم پینیون می چرخد و شانه را در یک مسیر مستقیم به حرکت وا می دارد.  چنین مکانیزم هایی برای تغییر چرخش فرمان در خودروها و حرکت میله متصل به تایر مورد استفاده واقع می‌شود.  این نوع چرخ‌دنده‌ها در تخته ماشین تراش و میز دستگاه فرز نیز کاربرد دارد.

چرخ‌دنده‌های گردشی – Epicyclical Gear

در چرخ‌دنده گردشی، یک یا چند محور از چرخ‌دنده‌های درگیر حرکت می‌کنند. مثال‌هایی از این نوع چرخ‌دنده شامل چرخ‌دنده خورشیدی، سیاره‌ای و دیفرانسیل مکانیکی می باشد.

هزارخاری – Spline

هزار خاری‌ها  شافت‌های شیارداری هستند که اغلب به عنوان رابط اتصال در بسیاری از تجهیزات انتقال قدرت به کار گرفته می شوند. عمده ترین کاربرد هزار خاری اتصال موتور به گیربکس می باشد. فرم دندانه‌های هزارخاری یا اینولوت یا به شکل دندانه‌های راست و ساده است. هزارخاری‌های اینولوت شبیه چرخدنده های ساده هستند اما زاویه فشار آنها متفاوت می باشد.