چرخ دنده خودرو چیست و چه وظیفه ای در خودرو دارد؟

چرخ دنده خودرو چیست و چه وظیفه ای در خودرو دارد؟

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 خودرو 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 می باشد . این همه کاربرد متنوع و حساس نمایانگر اهمیت نقش بدون رقیب آن ها در زندگی و صنعت است  .پیچیدگی های بسیاری در انواع مختلف چرخ دنده وجود دارد .

چرخ دنده ها در بسیاری از وسایل مکانِیکی استفاده می شوند . این اجزاء کار های 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

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 ها که 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 کند و 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 .

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 می دانید ، 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 گفته شد ، 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 100 دور در دقیقه وصل کنید ، چرخ دنده بنفش با سرعت 500 دور در دقیقه و چرخ دنده ی سبز با سرعت 2500 دور  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 100 دور در دقیقه را در چرخ دنده آبی ایجاد کنید .

اگر داخل کنتور برق های قدیمی را بررسی کنید ، 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 1:10 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  90 درجه تنظیم کنند .

چرخ دنده مخروطی

چرخ دنده های 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 باشند و 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 . 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 تواند چرخ 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 نقاله مکانیکی 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 .

 مزایا و معایب چرخدنده ها

1- داغ شدن و ایجاد حرارت بین دو چرخدنده : به علت رعایت نکردن لقی استاندارد بین دو چرخدنده و عدم روغن کاری مناسب ممکن است این اتفاق رخ دهد .

2- صدا های ناهنجار : در چرخدنده‌ های ساده صدا بیش ‌تر و در چرخدنده‌ های مارپیچ و جناغی صدای تولید شده کمتر است .

3- ترک خوردن و پوسته پوسته شدن : این امر اغلب در چرخدنده‌ های آبکاری شده به وجود می ‌آید .

4- سائیدگی دندانه ‌ها : در بیش‌ تر مواردی که دو چرخدنده با هم درگیر می‌ شوند ، چرخدنده ‌ای که قطرش کوچک تر است زودتر سائیده می ‌شود به همین جهت چرخدنده کوچک ‌تر باید سخت ‌تر انتخاب شود .

1- انتقال نیروی بیشتر : در مقایسه با چرخ تسمه و چرخ زنجیر و درایوهای مشابه دیگر ، در صورت استفاده از چرخدنده می‌ توان سرعت بیشتر و قدرت بیشتری را انتقال داد . همچنین هنگام استفاده از چرخدنده اتلاف نیرو کمتر است و در نهایت دوام و عمر مجموعه بیشتر خواهد بود .

2- انتقال نیرو درجهت های مختلف : از چرخدنده‌ ها می ‌توان برای انتقال نیرو در محور های موازی و متنافر و متقاطع تحت زوایای مختلف استفاده نمود .

3- شکستن نسبت ‌ها

4- تبدیل حرکت دورانی به خطی و بالعکس

بیشتر بخوانید:

پیستون چیست و چگونه کار می کند + وظیفه پیستون خودرو ، انواع پیستون

منبع: کارگیک