بررسي عوامل خستگي و انواع شكست در چرخدنده ها
چكيده :
در اين مقاله عوامل خستگي و شكست دندانه هاي چرخدنده مورد بررسي قرار گرفته است. عواملي كه باعث خستگي دندانه و در نهايت شكست آن مي شوند عبارتند از : 1ـ شكست حاصل از ممان هاي خمشي 2ـ سايش 3ـ كندگي 4ـ خراش كه هر يك از عوامل خود به چند دسته تقسيم مي شوند.
اين عوامل ممكن است بر اثر نقص هايي باشد كه در خود دندانه وجود دارد يا ممكن است بوسيله عملكرد ساير قطعاتي كه در مجموعه چرخدنده اي بكار رفته اند ايجاد شوند. وقتي با يك دندانه آسيب ديده مواجه مي شويم براحتي نمي توان در مورد علت آسيب قضاوت كرد زيرا اين امر مستلزم تجربه كافي و تحقيقات دقيق مي باشد. با اين حال در اين مقاله سعي شده است بصورت كلي با اين پديده ها آشنا شويم.
واژه هاي كليدي :
سايش، خستگي سطحي، تغيير شكل پلاستيك، شكست
مقدمه :
طراحان چرخدنده هميشه از اين موضوع تعجب مي كنند كه چرا بعضي از چرخدنده ها بهتر و بيشتر از آنچه در فرمول هاي طراحي انتظار مي رفت كار مي كنند در حاليكه تعدادي ديگر حتي وقتي در داخل محدوده طراحي، بارگذاري شده اند ناگهان دچار شكست مي شوند.
به همين دليل لازم است كه عوامل خستگي چرخدنده به دقت بررسي شود.
انجمن چرخدنده سازان آمريكا (AGMA) خستگيهاي چرخدنده را به 5 دسته كلي زير تقسيم مي نمايد:
1ـ سايش (wear)
2ـ خستگي سطحي
3 ـ تغيير شكل پلاستيك (plastic flow)
4ـ شكست دندانه
5ـ شكست هاي خستگي كه 2 يا چند عامل فوق را با هم دارند.
هر يك از اين دسته ها خود به چند نوع و شكل مختلف تقسيم مي شود كه در نهايت يك مهندس كه در زمينه چرخدنده كار مي كند با 18 شكل مختلف از خستگي چرخدنده مواجه مي شود. به همين دليل در مواجه با يك چرخدنده آسيب ديده بايد تلفيقي از علم و هنر آناليز صحيح را بكار برد. اگر آناليز خستگي بطور صحيحي انجام نشود ممكن است علت خستگي چيزي غير از علت اصلي تشخيص داده شود كه در اين صورت طراح را به سمت ساخت يك مجموعه چرخدنده اي بزرگتر از آنچه كه نياز است هدايت مي كند در حاليكه طراحي جديد نيز ممكن است داراي همان عيب قبلي باشد زيرا عامل اصلي تخريب هنوز تصحيح نشده است. به عنوان مثال يك چرخدنده كه در سرعت بالا كار مي كند ممكن است براي ماهها داراي ارتعاش قابل قبولي باشد اما ناگهان علائم ارتعاش با دامنه بالا پديدار مي شود. تحقيقات دقيق روشن مي كند در مدتي كه چرخدنده كار مي كرده دندانه ها دچار سايش شده اند و در نتيجه فاصله بين دندانه ها افزايش يافته كه همين عامل باعث افزايش دامنه ارتعاش چرخدنده شده است. پس مشكل اصلي سايش دندانه ها است نه ارتعاش و ارتعاش بايد به عنوان يك عامل ثانويه در نظر گرفته شود. نكته مهم ديگري كه بايد در نظر گرفته شود اين است كه گاهي طراحي چرخدنده صحيح است ولي چرخدنده بر اثر رفتار ساير قطعاتي كه در مجموعه چرخدنده اي شركت دارند يا ساير عوامل (محيط، خطاي نصب و استقرار و …) دچار خستگي ناخواسته مي شود. به عنوان مثال فرض كنيد محور يك توربين توسط يك اتصال كوپلينگ به محور پينيون وصل شده است، در صورتيكه اين اتصال در انتقال نيرو داراي خطاي زيادي باشد يعني نيرو را طوري انتقال دهد كه نيروهاي شعاعي و محوري بيشتر از آنچه در طراحي در نظر گرفته شده به پينيون وارد شود در آنصورت پينيون و ياتاقان محور آن به سرعت دچار سايش يا حتي شكست مي شوند. بنابراين راه حل طراحي مجدد پينيون يا تعويض ياتاقان محور آن نيست بلكه بايد در وضعيت اتصال (coupling) تجديد نظر كرد.
با اين مقدمه به سراغ انواع خستگي هايي كه در يك چرخدنده رخ مي دهد مي رويم. تذكر اين نكته ضروري است كه منظور از شكست خستگي در يك چرخدنده، گسيختگي (جدا شدن) دندانه نمي باشد بلكه هر عاملي كه باعث شود چرخدنده از شرايط كاري مطلوب خارج گردد به عنوان يك نوع شكست خستگي محسوب مي شوند. لذا سايش نيز براي چرخدنده نوعي شكست خستگي محسوب مي شود.
1ـ سايش (wear) :
از نقطه نظر يك مهندس چرخدنده، سايش عبارتست از زدوده شدن يكنواخت يا غير يكنواخت فلز از روي سطح دندانه.
علل اصلي سايش دندانه، تماس فلز به علت نامناسب بودن ضخامت لايه روغن، ذرات ساينده موجود در روغن كه با شكستن لايه روغن باعث سايش سريع يا ايجاد خراش مي گردند و سايش شيميايي به علت تركيب روغن و مواد افزوده شده است به آن مي باشند. سايش باعث كم شدن ضخامت دندانه و تغيير شكل پروفيل آن مي گردد كه در نتيجه شكل پروفيل دندانه از حالت مطلوب (مثلا منحني اينولوت) خارج شده و خواص آن از بين مي رود. سايش بخصوص در چرخدنده هايي كه بايد براي مدت نامحدود با سرعت بالا كار كنند يك پديده بسيار مهم است. البته سايش هميشه يك عامل منفي نيست بلكه وجود مقدار بسيار ظريفي سايش باعث اصلاح دندانه هاي درگير با هم و هماهنگ شدن آنها مي شود. پوليش كــــردن (polishing) كه يك نوع عمليات پرداخت بسيار ظريف است نيز به معناي سائيدن قطعه به مقدار بسيار كمي مي باشد.
در شكل 1 مراحل رشد سايش در دندانه هاي چرخدنده اي با سختي قابل ماشينكاري نشان داده شده است. در مرحله اول سايش در حد پرداخت دندانه ها مي باشد كه كمترين مقدار آن در حدود خط گام رخ مي دهد. علاوه بر آن كندگيهاي ريزي در نزديك ريشه دندانه مشاهده مي شود. در مرحله دوم در سردندانه تغيير شكل پلاستيك كه البته مقدار آن بسيار كوچك است آغاز مي گردد. علاوه بر اينكه سايش و كندگي در نزديك ريشه بيشتر شده است و اين روند تا مرحله چهارم ادامه مي يابد. همانطور كه مشاهده مي كنيد در تمامي اين مراحل منطقه نزديك خط گام از كمترين سايش برخوردار است. (زيرا از نظر تئوري در نقطه گام غلتش محض و از نظر عملي مقدار ناچيزي لغزش وجود دارد) به همين علت در مرحله چهارم، منطقه خط گام بيشتر بار را انتقال خواهد داد كه اين عمل باعث افزايش تنش هاي تماسي در منطقه خط گام و اغلب منجر به كندگي اين ناحيه مي گردد. در نتيجه چرخدنده دچار شكست شده و از حالت كاري مطلوب خارج خواهد شد. كاهش بار انتقالي و افزايش كيفيت روغنكاري براي بهبود اين وضعيت بسيار مفيد خواهد بود. توجه كنيد كه سايش را مي توان مقدمه ظهور ساير شكست ها در دندانه دانست. بر اثر سائيده شدن دندانه ضخامت آن كاهش مي يابد. لذا علاوه بر كاهش مقاومت خمشي، در آغاز درگيري ضربه زيادي بر دندانه وارد مي شود كه ممكن است باعث شكست دندانه شود. علاوه بر آن تغيير شكل پروفيل دندانه باعث تمركز تنش در بعضي نقاط روي سطح دندانه مي شود كه ممكن است باعث كندگي و يا شكست دندانه شود. در صورتي كه علت سايش وجود مواد خارجي مانند براده هاي ماشين كاري ، باقيمانده هاي سنگزني و يا موادي كه به طريقي وارد فضاي كاري چرخدنده ، شده اند باشد به اين سايش، اصطكاك ساينده (abrasive wear) گويند. اما در صورتي كه عامل سايش مواد شيميايي موجود در روانساز يا مواد آلوده كننده اي مانند آب، نمك رطوبت محيطي و … باشد به آن اصطكاك خورنده (corrosvie wear) گويند. اما شايد مهمترين سايش، سايشي باشد كه ناشي از شكسته شدن موضعي لايه روغن به علت حرارت بيش از حد، مي باشد كه باعث تماس فلز با فلز و اصطكاك چسبنده به شكل يك جوش و يا پارگي و يا خراش مي شود كه اصطلاحا به اين نوع سايش scuffing گويند كه خود به چند نوع نقسيم مي شود. بطور كلي مستعدترين مكان ها براي اين نوع سايش، سر و ته دندانه مي باشد. (براي توضيحات بيشتر به منبع دوم مراجعه نمائيد.) از روش هاي جلو گيري از اين نوع سايش مي توان افزايش ويسكوزيته روغن، افزايش سختي چرخدنده، پرداخت خوب سطح دندانه و در بعضي مواقع اصلاح پروفيل دندانه و تاج گذاري دندانه (crowing) كه در اين روش وسط دندانه به صورت يك برآمدگي، بالا مي آيد و بدين ترتيب بيشتر بار توسط اين قسمت منتقل مي شود را نام برد.
2ـ تغيير شكل پلاستيك (plastic flow) :
اين نوع شكست وقتي حاصل مي شود كه سطوح تماس تسليم شده و تحت بار سنگين تغيير شكل دهند. معمولا اين نوع شكست در نوك و در دو انتهاي (طرفين) دندانه رخ مي دهد. اما در مواقعي كه نيروهاي لغزشي در سطح دندانه زياد باشند تغيير شكل در سراسر دندانه مشاهده مي شود. بطوريكه سطح دندانه بصورت موج موج در مي آيد. (به اين نوع تغيير شكل پلاستيك rippling گويند) براي جلو گيري از تغيير شكل دندانه مي توان بار اعمالي را كم كرده يا بر سختي دندانه افزود. نوع ديگري از تغيير شكل پلاستيك كه به علت سرعت لغزشي بالا در حلزون ها و چرخ حلزون ها و چرخدنده هاي هيپوئيد مشاهده مي شود شيار شيار شدن سطح دندانه است كه به اين نوع تغيير شكل Ridging (شيار شيار شدن يا چروك شدن) گويند.
3ـ شكست دندانه :
شكست دندانه چرخدنده، شكستي است كه در آن تمام يا قسمت قابل توجهي از يك دندانه بر اثر بارگذاري بيش از حد، ضربه يا اغلب بر اثر تنش هاي خمشي مكرري كه بيش از مقدار حد دوام ماده چرخدنده است، از چرخدنده جدا مي شود. اين نوع از شكست حاصل خستگي خمشي دندانه تحت بار خمشي وارد بر آن مي باشد.
در بررسي شكست دندانه بررسي چند موضوع ضروري است :
1ـ3ـ نقطه كانوني :
نقطه كانوني، نقطه اي است كه شكست از آنجا آغاز مي شود. اين نقطه ممكن است يك شيار يا پارگي در ناحيه منحني ريشه (Root fillet) ، يكي از تركهايي كه بر اثرعمليات حرارتي در سطح قطعه بوجود مي آيد و يا نقطه اتصال بين منحني ريشه دندانه به منحني پروفيل دندانه (اين نقطه از نظر تئوري ضعيف ترين نقطه در مقابل تنش هاي خمشي است) باشد.
2ـ3ـ خورندگي مخرب (Fretting corrosion) :
در طول زماني كه ترك در حال رشد است روغن به درون آن نفوذ كرده و هر گاه دندانه وارد درگيري مي شود فشار هيدروليكي زيادي توليد مي كند كه اين فشار باعث تخريب و اشاعه ترك به زير سطح دندانه چرخدنده مي شود.
3ـ3ـ شكست براثر بارگذاري بيش از حد مجاز (over load Breakage) :
اگر شكست دندانه به علت بارگذاري بيش از حد مجاز يا بر اثر ضربه رخ داده باشد معمولا سطح شكسته شده به صورت ريش ريش است، حتي اگر دندانه كاملا سخت شده باشد. با اين حال سطح شكست شبيه رشته هاي يك ماده پلاستيكي است كه جدا جدا پيچانده شده اند.
4ـ3ـ موقعيت شكست :
معمولا شكست دندانه هاي چرخدنده از ناحيه منحني ريشه بخصوص در منطقه پيوستن منحني ريشه به منحني پروفيل دندانه، آغاز مي شود. (يك تير يك سردرگير در تكيه گاه داراي ضعيف ترين مقطع است). گاهي اوقات كندگي خط گام به قدري شديد است كه باعث شروع شكست دندانه از خط گام مي شود. گاهي اوقات نيز انطباق تداخلي ناخواسته اي كه بين دندانه هاي درگير رخ مي دهد يا تنش هاي پسماند عمليات حرارتي باعث مي شود كه شكست در ناحيه ريشه در وسط دو دندانه آغاز شود. در برخي موارد نيز نقص هاي ساختاري كه در عمليات آهنگري (forging) قطعه ايجاد شده باعث مي شود كه دندانه از نقطه اي غير قابل پيش بيني بشكند.
4ـ كندگي در دندانه هاي چرخدنده (pitting) :
كندگي عبارتست از شكست خستگي حاصل از تنش هاي تماسي (hertzian stresses) كه باعث مي شود قسمت هايي از سطح دندانه چرخدنده بصورت حفره كنده شود. بر اساس شدت خسارتي كه به سطح خورده است مي توان كندگي را به سه دسته تقسيم كرد:
1ـ4 ـ كندگي اوليه :
در اين كندگي، قطر حفره ها بسيار كوچك و در حد 0.4 تا 0.8 ميليمتر مي باشد. اين كندگي در نقاطي رخ مي دهد كه تنش از حد مجاز تجاوز نمايد و بدين وسيله تمايل دارد تا با كندن اين نقاط از روي سطح، بار را دوباره پخش نمايد. بدين ترتيب با پخش هموارتر بار، عمل كندگي كاهش يافته و در نهايت متوقف مي شود. به همين دليل به اين نوع كندگي، كندگي تصحيح كننده (corrective pitting) نيز گويند.
2ـ4 ـ كندگي مخرب (destructive pitting) :
اين نوع كندگي نسبت به كندگي اوليه شديدتر و قطر حفره هاي كندگي نيز بزرگتر است و وقتي بوجود مي آيد كه تنش سطحي در مقايسه با حد دوام ماده بزرگ باشد. در اين نوع كندگي در صورتي كه بار كاهش نيابد كندگي بطور پيوسته ادامه مي يابد تا جائي كه چرخدنده بايد از سرويس خارج شود.
3ـ4 ـ كندگي خرد كننده (spalling) :
اين نوع كندگي حالت شديدتر كندگي مخرب است كه كندگي ها داراي قطر بزرگتري بوده و ناحيه قابل توجهي را در برمي گيرد. كندگي خرد كننده معمولا پس از كندگي مخرب روي مي دهد و علت آن خستگي سطحي سطوح باقيمانده (سطوح كنده نشده توسط كندگي مخرب) و يا راه يافتن حفره هاي حاصل از كندگيهاي مخرب به يكديگر مي باشد.
وقوع كندگي مخرب يا خرد كننده حاكي از عدم تحمل تنش هاي تماسي توسط سطح مي باشد در بعضي موارد افزايش سختي ماده يا استفاده از موادي كه كربوره يا نيتريده شده اند به جاي مواد فعلي مي تواند اين مشكل را حل كند در غير اين صورت يك طراحي مجدد بايد انجام شود كه در آن ضخامت دندانه يا فاصله مراكز دو چرخدنده افزايش مي يابد (افزايش فاصله مراكز بار انتقالي را كاهش مي دهد)در درگيري ميان چرخدنده و پينيون، پينيون از استعداد بيشتري براي كندگي برخوردار است زيرا معمولا به علت كوچكتر بودن نسبت به چرخدنده، تعداد دور بيشتري مي زند و در نتيجه بيشتر در معرض تنش هاي سطحي قرار مي گيرد. ثانيا در صورتي كه پينيون به عنوان راننده (driver) بكار رود (كه اغلب چنين است) جهت نيروهاي لغزش از خط گام به سمت طرفين خط گام مي باشد كه اين عامل باعث مي شود ماده در ناحيه خط گام تحت كشش قرار گرفته و آماده ترك شود. (براي توضيحات بيشتر به منبع دوم مراجعه فرمائيد)
نتيجه :
با توجه به مباحث فوق، نمودار تجربي نشان داده شده در شكل 6 را به عنوان حاصل بحث مورد توجه قرار دهيم. اين نمودار حاصل آزمايش و انجام تستهاي تجربي بر روي يك چرخدنده نوعي مي باشد كه نتايج آن براي ساير چرخدنده ها نيز قابل تعميم است. در اين نمودار كه برحسب گشتاور و سرعت خطي گام رسم شده 5 ناحيه مختلف را مشاهده مي كنيد. در ناحيه اول، از آنجا كه سرعت چرخدنده آن قدر زياد نيست كه بتواند لايه روغن هيدرو ديناميكي را تشكيل دهد. لذا اين ناحيه اغلب با خستگي سايشي مواجه مي شود. در ناحيه سوم با اينكه سرعت براي تشكيل يك لايه روغن مناسب است اما سرعت به قدري بالا است كه حرارت ناشي از آن باعث شكسته شدن لايه روغن شده و در نتيجه پديده خراش (scoring) يا جوش خوردگي رخ مي دهد. در ناحيه چهارم كندگي رخ مي دهد. اين پديده از آنجا كه يك نوع شكست خستگي است لذا وابسته به زمان و بار اعمالي مي باشد و در صورتي كه نتش هاي تماسي بيش از حد دوام ماده باشد در هر سرعتي بالاخره رخ خواهد داد. لذا اين ناحيه در تمامي نواحي بالاي حد دوام مشاهده مي شود. در ناحيه پنجم دندانه بيشترين استعداد را براي شكسته شدن دارد. علت اصلي شكست در اين ناحيه ضعيف شدن سطح مقطع دندانه بر اثر سايش، تغيير شكل پروفيل دندانه و تمركز تنش در برخي نقاط بخصوص در ناحيه ريشه بر اثر سايش يا شوك و ضربه وارد به دندانه بر اثر سايش و بالاخره خستگي خمشي مي باشد. بنابراين طراح بايد سعي كند براي يك عمر نامحدود، شرايط كاري چرخدنده را در ناحيه دوم قرار دهد.
منابع :
1_ Gear Hand book–Darle W.Dudley–Mc Graw–Hill–1993 (chapter 12)
2_ Practical Gear Hand book–Darle W. Dudley–Mc Graw–Hill 1983 (chapter 7)
3_ Testing Automotive Materials and components–D. n. H. Wright 1993 (chapters 2,3,7,8,9)
معرفي چند نمونه دستگاه تست خستگي چرخدنده
چکيده :
در اين مقاله بعضي از دستگاههاي تست انواع خستگي چرخدنده معرفي شده است. از آنجا كه معمولا اين دستگاهها حتي در محيطهاي صنعتي (مراكز توليد چرخدنده) كشور ما ناشناخته است و عموما از انجام اين تست ها خودداري مي شود آشنايي با اين دستگاهها ضروري است. در پايان مقاله كه هدف اصلي مقاله است به معرفي يك دستگاه تست دوام چرخدنده و مجموعه كامل جعبه دنده مي پردازيم كه در چند سال اخير در كشورهاي صنعتي مورد استفاده قرار گرفته و داراي مزيتهاي بسياري است.
واژه های کليدی :
تست خستگی، خستگی خمشی، تست کندگی، تست گشتاوریوتست دوام
مقدمه :
همانطور كه مي دانيد شكست هاي متنوعي در يك چرخدنده رخ مي دهد. از آنجا كه اغلب چرخدنده حساس ترين عضو يك مجموعه مكانيكي است لازم است بدقت مورد آزمايش قرار گرفته و عمرو و دوام آن در مقابل عوامل مختلف خستگي و شكست مورد بررسي قرار گيرد. بطور كلي مي توان سه نوع آزمايش براي يك چرخدنده بصورت تكي يا در حال درگيري با چرخدنده مقابلش انجام داد كه عبارتند از : تست خستگي خمشي، تست مقاومت در مقابل ضربه و تست بررسي كندگي، خراش و سايش. علاوه بر اين سه نوع تست مي توان يك تست دوام براي مجموعه جعبه دنده انجام داد كه در آن شرايط واقعي كار اعمال شده و هر يك از سه دسته تست فوق الذكر در اين تست قابل بررسي خواهد بود.
1- تست خستگي خمشي دندانه :
براي تست خستگي خمشي بايد به دو نكته توجه داشت :
1- اغلب دندانه هاي چرخدنده هاي انواع وسائل نقليه در بيشتر مواقع عمر كاري تحت خمش يك طرفه قرار مي گيرند.به عنوان مثال براي يك خودروي معمولي، جهت گردش ميل لنگ موتور هميشه ثابت است به همين دليل چرخدنده هائي كه در جعبه دنده قرار دارند هميشه در يك جهت بارگذاري مي شوند. تنها چرخدنده هاي موجود در مجموعه ديفرانسيل كه معمولا پينيون و كرانويل ناميده مي شوند به علت وجود دنده عقب در هر دو جهت دچار خمش مي شوند. اما اين بارگذاري معكوس تنها 1 - 1/0 درصد عمر کاري آنها شامل مي شود كه قابل صرف نظر كردن است. وسائل نقليه مخصوصي كه در معادن نمك يا سنگ گچ استفاده مي شوند تقريبا مقادير برابري از زمان را صرف كاردر جهت پس و پيش مي كنند. اما با اين حال گشتاور زياد را موقعي بكار مي برند كه در حال حركت رو به جلو (عمل بيل زدن)مي باشند. بنابراين اغلب مناسب است كه چرخـدنـده هاي اتومبيل از نظر خستگي خمشي در يك جهت تست شوند.
2- كارآمدترين روش درتست دندانه ها، تست دندانه هاي هر چرخدنده بصورت جداگانه (نه در حال درگيري با چرخدنده مقابل) مي باشد. اگر دستگاه تست طوري باشد كه براي انجام تست خستگي خمشي به چرخدنده مقابل احتياجي نباشد حداقل دو مزيت در اين كار وجود دارد :
الف) با آزمايش تعداد مناسبي از چرخدنده مورد نظر مي توان يك منحني S-N (منحني خستگي) براي آن تهيه كرد.
ب ) هنگامي كه تنها يك چرخدنده براي رسم منحني S-N مورد آزمايش قرار مي گيرد نقاطي كه براي رسم منحني S-N بدست مي آيند نسبت به حالتي كه دو چرخدنده باهم تحت آزمايش قرار گيرند از پراكندگي كمتري برخوردار بوده و منحني دقيق تري بدست مي آيد.
با توجه به اين مقدمه، روش اساسي در تست خمشي چرخدنده بخصوص چرخدنده ساده اين است كه آن را بصورتيكه در شكل 1 نشان داده شده نگه داريم كه در آن صورت دندانه مورد آزمايش به عنوان يك تير يك سر در گير محسوب مي شود كه نزديك نوك آن بارگذاري شده و نيروي عكس العمل مساوي و مخالفي كه توسط دندانه ديگر تامين مي شود نزديك ريشه آن اعمال مي شود. همانطور كه مشاهده مي كنيد اين تركيب مناسب باعث شده كه ممان خمشي وارد بر دندانه تكيه گاه به حداقل رسيده و بقاي آن را تضمين نمايد. البته در صورتي كه دندانه مجاور دندانه اي كه قرار است به عنوان تكيه گاه مورد استفاده قرار گيرد قبلا تست خستگي خمشي شده باشد بخصوص وقتي كه دندانه مجاور شكسته شده باشد، نبايد از آن دندانه به عنوان دندانه تكيه گاه استفاده كرد زيرا دندانه داراي تنش هاي پسماند يا تغيير شكل هندسي يا هر دو مي باشد. فولادهاي ابزار با كيفيت خوب كه تركيب آلياژي آنها به يكي از صورتهاي زير باشد براي جنس سندان تكيه گاه (Support Anvil) مناسب هستند :
W 0.4% 0.75 % Cr 0.85% Mn 1% C
يا
V 0.25% 0.8% Mo 12.5 % Cr 1.9% C
اين روش تست توسط Buenneke Etal ابداع شده است. روش ديگري كه بخصوص براي تست خستگي خمشي چرخدنده هاي مارپيچ استفاده مي شود استفاده از يك چرخدنده ثانويه به عنوان تكيه گاه مي باشد. اين چرخدنده براحتي به يكي از صفحات جانبي فيكسچر جوش داده مي شود. با استفاده از اين روش، نياز به استفاده از يك سندان (تكيه گاه ) غير معمولي و پيچيده براي تست چرخدنده هاي مارپيچ از بين مي رود. بار عكس العمل روي 2 دندانه از دو چرخدنده پخش شده و اكثر آن بر روي خط گام مؤثر دو دندانه اعمال مي شود. براي بارگذاري دندانه مورد آزمايش بهتر است از يك محرك (actuator) هيدروليكي-پالسي استفاده شود. پروفسور م . آلريش (M.ULRICH) كه در دهه 40 در آلمان (اشتوتگارت) اين روش را ابداع نمود براي بارگذاري از فشار يك سيستم هيدروليكي استفاده مي كرد كه در آن ارتعاشات 600 بار در دقيقه (600 c.p.m) توسط يك پمپ غوطه ور (Plunger Pump) تزريق مي شد كه البته مقدار ضربات اعمالي متغير و كاملا قابل كنترل نبود. اما همانطور كه اشاره شد امروز محرك هاي الكتروهيدروليكي بهترين سيستم را براي انجام اين تست فراهم كرده اند كه در آن نيروي اعمالي به خوبي قابل كنترل است. علاوه بر اين كه اين سيستم قادراست براي انجام تست ضربه، نيرو را با سرعت بسيار زيادي اعمال نمايد. توجه كنيد كه محرك هاي اين كار احتياج به طراحي مخصوص دارند زيرا بار بايد در زمان هاي بسيار كوتاه و بطور پياپي بر دندانه وارد شود(دور موتور يك اتومبيل بطور متوسط RPM 3000 است. لذا چرخدنده هاي ورودي جعبه دنده هر ثانيه 50 دور مي زنند. يعني هردندانه بايد 50 بار در ثانيه بارگذاري شود) اين كار باعث سايش سريع سر پيستون و كاسه نمدهاي سطح استوانه اي پيستون پمپ مي شود كه تنظيم دستگاه را با مشكل مواجه مي كند و به همين دليل استفاده از روش هاي خود تنظيمي در داخل سيستم بار گذاري بسيار مفيد است. از اين روش مي توان براي تست خستگي خمشي چرخدنده هاي هيپوئيد يا مارپيچ نيز استفاده كرد. هر چند از اين دستگاه مي توان براي تست مقاومت در مقابل ضربه نيز استفاده كرد اما دستگاههاي مخصوصي نيز براي تست ضربه ساخته شده اند كه توضيحات بيشتري دراين مورد و در مورد نكات بسيار مهمي كه براي انجام آزمايش ضربه ضروري است در منبع شماره 1 آورده شده است.
2- تست كندگي : خراش و سايش چرخدنده ها
هر چند کندگي (pitting يا نوع شديد تر آن كه spalling ناميده مي شود) خراش (كه شامل galling يا همان نقض هاي درون حفره اي نيز مي شود) و سايش (wear) سه نوع شكست سطحي براي چرخدنده ها محسوب مي شوند. ولي اين سه شكست با هم ارتباطي ندارند (هر چند سايش و خراش داراي نقاط مشتركي مي باشند). دليلي كه باعث شده اين سه نوع شكست در يك شاخه قرار بگيرند اين است كه تجهيزاتي كه براي تست هر يك از اين سه نوع شكست بكار مي رود مشابه هم هستند.
کندگي اساسا يك خستگي سطحي است كه توسط تنش هاي هرتزين بالا ايجاد مي شود در حاليكه خراش و سايش هاي سنگين از ضعيف و بي اثر شدن لايه روغن بوجودمي آيند. با اين وجود، همه اين شكست ها توابعي از جنس چرخدنده، مقدار بار و روغن كاري و سرعت (كه بر خراش تاثير مي گذارد) مي باشند. بنابراين در بررسي اين نوع شكست ها، روغن كاري از اهميت فوق العاده اي برخوردار است. يك تفاوت عمده بين تست هاي كندگي و خراش اين است كه تست كندگي از آنجا كه تست خستگي فلز مي باشد براي دوره هاي طولاني و تحت بار ثابت انجام مي شود. در حاليكه تست سايش تست روغنكاري بوده و براي يك سري از دوره هاي كوتاه (نوعا 10 دقيقه اي) و همراه با افزايش بار در هر مرحله، انجام مي شود.
1ـ2ـ روش تست :
ساده ترين روش براي بررسي سه شكست سطحي فوق استفاده از وسايلي است كه حركت دو دندانه(دو چرخدنده) را شبيه سازي مي كنند. به عنوان مثال به جاي بررسي مستقيم دو چرخدنده مي توان 2 ديسك يا 2 استوانه را با هم درگير كرد و كندگي و خرا ش را بر روي آنها بررسي مي شود. (همانطوركه مي دانيدچرخدنده ها حالت تكامل يافته استوانه هائي هستندكه براي انتقال قدرت استفاده مي شوند). يا در بعضي از دستگاهها، براي بررسي سايش از سه ساچمه استاندارد كه درون يك ظرف به هم فشرده شده اند استفاده مي شود كه ساچمه چهارم بر آنها فشار مي آورد. اين روش shell, four _ ball test ناميده مي شود. اما در هيچ يك از اين تست ها، شكل هندسي دندانه چرخدنده كه نقش مهمي در مقاومت در مقابل اين سه شكست دارد، دخالت داده نمي شود. به همين دليل بهترين و دقيق ترين روش، استفاده ازشرايط واقعي يعني تست چرخدنده هاي واقعي مي باشد. براي بررسي هر يك ازاين شكستها چرخدنده بايد تحت بار و سرعت واقعي كار كند. در حالت كلي ممكن است بار توسط يك موتورالكتريكي تامين شده و توسط يك دينامومتر الكتريكي يا آبي از طريق چرخدنده خروجي جذب شود. اين روش كه تست جذب قدرت (Power absorbtion testing) ناميده مي شود داراي محدوديت هاي زير است :
1ـ در صورتي كه چرخدنده ها بزرگ باشند تجهيزات انجام آزمايش (موتور و دينامومتر و…) نيز بزرگ شده و فضاي زيادي را اشغال مي كنند.
2ـ هزينه انجام تست بالا است.
3ـ قدرت خروجي كه مقدار قابل توجهي است در دينامومتر جذب و به هدر مي رود. وجود اين محدوديت ها باعث ايجاد روش جديدي در انجام تست هاي خستگي سطحي چرخدنده و بطور كلي تست يك جعبه دنده كامل شد كه به روش تست گشتاوري يا تست گشتاور قفل شده (locked torquetest or torque testing) معروف است. براي درك بهتر اين روش به شكل 3 توجه كنيد که يك نمونه از اين دستگاه را كه براي تست كندگي چرخدنده در اروپا مرسوم است نشان مي دهد. در اين ماشين 2 جعبه دنده كاملا مشابه كه تنها يك جفت چرخدنده دارند بكار گرفته مي شود. يكي از جعبه دنده ها كه چرخدنده هاي تست را شامل مي شود بر روي يك پايه چدني مستقر شده و جعبه دنده برگردان قدرت كه براي كامل كردن مدار بكار رفته بر روي يكي از محورهاي جعبه دنده تست سوار مي شود. چرخدنده هاي جعبه دنده برگردان قدرت همان چرخدنده هاي تست هستند با اين تفاوت كه اولا جنس آنها مقاوم تر است. ثانيا ضخامت آنها بيشتر است(عريض تر هستند) زيرا اين چرخدنده ها بايد براي انجام تعداد زيادي آزمايش مورد استفاده قرارگيرند. برا ي انجام اين آزمايش نيروئي كه ممكن است مكانيكي، الكتر يكي يا هيدورليكي باشد به بازوي گشتاوري اعمال مي شود. اعمال اين نيرو باعث پيچش جعبه دنده برگردان قدرت حول محوري كه بر روي آن مستقر شده مي شود. اين پيچش باعث پيچش محور دوم جعبه دنده ها مي شود كه به جعبه دنده برگردان قدرت وصل است. اين عمل باعث مي شود دندانه هاي چرخدنده بطور مماسي بارگذاري شوند. همانطور كه مشاهده مي كنيد محوردوم داراي 2 اتصال گاردان (Universal Joint) است تا بتواند خطاها و تنظيم هاي غلط ايجاد شده را برطرف كند. حال كافي است كه يك موتور معمولي بكاربريم تا تنها به اندازه توان استاتيكي و ديناميكي تلف شده در ياتاقان ها و چرخدنده ها توليد توان نمايد. يكي از مزيت هاي اين روش اين است كه مي توان گشتاور را پس از راه اندازي چرخه روغن كاري و پس از اينكه دنده ها به سرعت مورد نظر رسيدند اعمال نمود زيرا مهندسين دريافته اند كه اگر گشتاور را قبل از شروع حركت به سيستم اعمال كنند باعث ايجاد مشكلاتي در ياتاقان مي شود. بطور كلي مزيت هاي اين روش تست عبارتست از :
1ـ هر نوع دنده و جعبه دنده اي بدون مشكل محدوديت جا قابل ارزيابي است.
2ـ تست به آساني انجام پذير بوده و احتياج به وسائل بزرگ و پيچيده مانند دينامومترهاي بزرگ يا موتورهاي توليد قدرت بالا ندارد.
3ـ صرفه جوئي در توان قابل توجه بوده و اغلب بالاي 90 درصد است.(هر جفت چرخدنده حدود 2 درصد از توان انتقالي را بصورت اصطكاك هدر مي دهند. بنابراين در تست يك جعبه دنده كامل نرخ توان استهلاكي بالاتر مي رود).
همانطور كه اشاره شد از اين روش براي بررسي كندگي، خراش و سايش بطور وسيعي استفاده مي شود. تنها مشكلي كه دراين زمينه وجود دارد اين است كه تعريف ميزان و مقياس شكست در هر يك از اين سه نوع شكست بسيار مشكل است. مثلا كندگي از كندگي ريز شروع شده و تا كندگي هائي كه قسمت زيادي از سطح را در برمي گيرد ادامه مي يابد. سايش از خط خط شدن (Scoring) آغاز شده و تا سايش هاي سنگين ادامه مي يابد. به همين دليل واقعا غير ممكن است كه براي ماشين تنظيمي صورت بگيرد كه وقتي مقدار مشخصي كندگي يا سايش يا خراش رخ داد بطور اتوماتيك توقف كند. به همين دليل تعيين مقدار كندگي، سايش يا خراش كه باعث شكست مي شود از نظر متخصصين متفاوت است. به عنوان مثال امروزه 2 نوع دستگاه براي بررسي اين سه نوع شكست در اروپا متداول است كه IAE و FZG نام دارند و تقريبا شبيه دستگاهي هستند كه در شكل 3 معرفي شد (در اين دستگاهها هر دو جعبه دنده بر روي پايه صلب قرار دارند و گشتاور مستقيما به يكي از محورها اعمال مي شود. پس از اعمال گشتاور و پيچش محور، محور توسط دو فلنچ متحرك به جعبه دنده ها پيچ مي شود تا پيچش در آن باقي بماند. آنگاه وزنه از روي سيستم برداشته مي شود) در دستگاه FZG شكست كندگي بر اساس درصدي از سطح دندانه (tooth flank) كه كنده مي شود تعيين مي گردد. لذاسطح دندانه پس از هر دوره بارگذاري توسط ميكروسكوپ بدقت بررسي مي شود. در حاليكه در بعضي از ماشين ها، شكست كندگي بر اساس بزرگي كندگي رخ داده تعريف مي شود. يا در مورد خراش يا سايش، مقياس در ماشين IAE بررسي چشمي است. لذا كاملا وابسته به تجربه اپراتور است. در حاليكه در ماشين FZG مقياس ميزان جرمي است كه در هر دوره بارگذاري سائيده يا خراشيده شده است. لذا پس از هر دوره بار گذاري، چرخدنده بوسيله ترازوهاي بسيار دقيق وزن مي شود.
3ـ تست دوام عمومي چرخدنده :
در بسياري از مواقع لازم است كه يك جعبه دنده كامل مورد آزمايش قرار گيرد. دلايلي كه لزوم تست يك مجموعه چرخدنده اي كامل را ايجاب مي كند عبارتند از:
1ـ به علت تنوع شكست هائي كه در چرخدنده رخ مي دهد، اغلب نوع شكست غير قابل پيش بيني است.
2ـ خيز محور جعبه دنده بر روي بار گذاري دندانه بسيار موثر است.
بنابراين براي درك واقعيت، جعبه دنده كامل همراه با ياتاقان هاي مناسب، محورها و سيستم روغنكاري مناسب بايد تست شود.
1ـ3ـ روش تست :
براي تست انواع جعبه دنده ها، دستگاههاي متنوعي ساخته شده است كه در اين مقاله تنها به يك نمونه از آنها اشاره مي شود. براي استفاده از روش گشتاور قفل شده دو جعبه دنده (كه يكي از آنها جعبه دنده موردآزمايش است) بصورت پشت به پشت به هم متصل مي شوند. يعني محورهاي خروجي به هم و محورهاي ورودي نيز به هم متصل مي شوند.در شكل 4 روشي كه براي تست جعبه دنده هاي بزرگ كاميون ها بكارمي رود نشان شده است. شفت هاي خروجي دو جعبه دنده توسط يك اتصال محكم از نوع يونيورسال به هم متصل شده اند. شفت هاي ورودي نيز توسط كوپلينگهایي از جنس تاير، 2 جفت محرك تسمه دنده اي با پهناي دندانه mm 125 و يك شفت صلب برگرداننده قدرت، به هم متصل شده اند. جعبه دنده دستگاه تست (Slave Gearbox) كه در جهت عكس چرخانده مي شود (جريان از خروجي به ورودي است) به طور محكمي مستقر شده است. اما جعبه دنده تست در دو ميله بندي متوازي الاضلاعي (مستطيلي) لولا شده تا بتواند بر اثر اعمال گشتاور حول محور شفت اصلي بپيچد. يكي از كوپلينگ ها به سوراخهاي چاكداري (Slotted holes) مجهز شده تا وقتي گشتاور اعمال مي شود از برگشتن سيستم در جهت كاهش گشتاور جلــو گيري كند. نيرو به يك بازوي گشتاوري كه در امتـداد يـكي از ميله هاي ميله بندي قرار دارد اعمال مي شود و گشتاور ورودي توسط يك Load Cell و يك مسافت سنج راديوئي با برد كوتاه خوانده مي شود. در اين دستگاه يك موتور kw 45 براي انتقال kw 119 قدرت مورد نيازاست. علت بازدهي پايين اين دستگاه تعداد زياد چرخدنده هایي است كه درون جعبه دنده ها قرار دارند. براي جلو گيري از خسارت ديدن جعبه دنده ها در هنگام شكست ناگهاني يكي از چرخدنده ها از كلاچ هاي overload (كلاچهایي هستند كه در صورتي كه بار بيش از مقدار مجاز باشد عمل كرده و اتصال محور به منبع حركت را قطع مي كنند) و سوئيچهاي قطع جريان استفاده شده استپ. براي خنك كاري جعبه دنده ها آب توسط لوله هايي كه بالاي هر جعبه دنده قراردارد بر روي جعبه دنده ها خالي شده و در آبشخوري كه زير آنهاقراردارد جمع مي شود. يكي ازمزيت هاي اين طراحي اين است كه بار اعمالي تنها بايد به قدري باشد كه گشتاور ورودي جعبه دنده مورد آزمايش را تامين نمايد. در اين صورت گشتاور خروجي كه معمولا بسيار بيشتر است خود بخود ايجاد مي شود.
براي بهبود وضعيت دستگاه مي توان به جاي استفاده از انتقال قدرت تسمه اي از انتقال چرخ زنجير يا انتقال چرخدنده اي استفاده كرد. (انتقال تسمه اي بسيار ارزان، موثر قابل اعتماد و ساده است. ولي تنظيم شفت ها بايد بدقت زياد انجام شود. علاوه بر اين كه در انتقال تسمه اي صداي زيادي توليد مي شود). همچنين مي توان از بارگذاري الكتروهيدروليك استفاده نمود. بهترين روش بارگذاري استفاده ازمحرك (actuator) هيدرو ليكي است كه گشتاور پيچشي ايجاد مي كند و با محور ورودي يكي ازجعبه دنده ها كوپل مي شود(شكل 5). در اين صورت جعبه دنده تست نيز مانند جعبه دنده دستگاه بر روي پايه محكم مي شود و ديگر احتياج به لولا شدن جعبه دنده تست به ميله بندي متوازي الاضلاعي كه قبلا شرح داديم نمي باشد. دراين صورت علاوه بر ساده تر شدن اعمال گشتاور، فرصت اعمال گشتاورهاي برنامه ريزي شده يا اتفاقي نيز به داخل سيستم فراهم مي شود.
نتيجه :
همانطور كه در اين مقاله مشاهده كرديد روش هاي تست خستگي هاي چرخدنده و جعبه دنده ها بسيار ساده و ارزان انجام پذير است. با توجه به اين كه امروزه در كشور ما چندين واحد صنعتي در مورد توليد چرخدنده فعاليت مي كنند و باتوجه به لزوم بهبود كيفيت چرخدنده هاي توليدي، ضرورت انجام اين تست ها واضح است. متاسفانه تنها يك نمونه از اين دستگاهها در كشور ما وجود دارد كه با قيمت بالائي از كشور آلمان خريداري شده است. در حاليكه امكان ساخت اين نوع دستگاهها در داخل كشور وجود دارد.
منابع :
( Testing Automotive Materials and Component_Don. H_Wright 1993 (Chapters 9, 8, 7, 3, 2ـ
(Gear Hand book_Darle W. Dudley_Mc Grow_Hill_1993(Chapte 12
چرخدنده ها چگونه کار می کنند؟
چرخدنده ها در بسیاری از وسایل مکانِیکی استفاده می شوند.آنها کارهای متفاوت بسیاری انجام می دهند ولی مهمترین آن کاهش دنده در تجهیزات موتوری است.این نقشی کلیدی است زیرا اغلب یک موتور کوچک چرخان با سرعت زیاد می تواند قدرت کافی برای وسیله را تولید کند ولی گشتاور کافی را نمیتواند. بعنوان مثال پیچ گوشتی الکتریکی دنده کاهشی بسیار بزرگی دارد زیرا که نیاز به گشتاور پیچشی زیادی برای پیچاندن پیچ دارد. ولی موتور فقط مقدار کمی گشتاور در سرعت بالا تولید می کند.با دنده کاهشی سرعت خروجی کاهش اما گشتاور افزایش می یابد.
کار دیگری که چرخدنده ها انجام می دهند تنظیم کردن جهت چرخش است.بعنوان نمونه در دیفرانسیل بین چرخ های عقب اتومبیل شما قدرت بوسیله میل محوری که به مرکز اتومبیل متصل است منتقل می شود و دیفرانسیل باید ۹۰ درجه نیرو را بچرخاند تا در چرخها بکار برد.
پیچیدگیهای بسیاری در انواع مختلف چرخدنده وجود دارد.در این مقاله خواهیم آموخت که دندانه های چرخدنده چگونه کار می کنند و درباره انواع مختلف چرخدنده که در همه نوع ابزارهای مکانیکی یافت می شوند خواهیم آموخت.
● اصول اولیه
در هر چرخدنده نسبت دنده با فاصله از مرکز چرخدنده تا نقطه تماس تعیین می شود.به عنوان مثال در ابزاری با دو چرخدنده ،اگر قطر یکی از چرخدنده ها ۲ برابر دیگری باشد، ضریب دنده ۲:۱ خواهد بود.یکی از ابتدایی ترین انواع چرخدنده که می توانیم ببینیم چرخی با برامدگی هایی بشکل دندانه های چوبی است.
مشکلی که این نوع از چرخدنده ها دارند این است که فاصله از مرکز هر چرخدنده تا نقطه تماس ،وقتی که چرخدنده می چرخد تغییر می کند.این بدان معنی است که ضریب دنده وقتی چرخدنده می چرخد تغییر می کند.یعنی سرعت خروجی نیز تغییر میکند. چنانچه شما در اتومبیل خود از چرخدنده هایی شبیه به این استفاده کنید،ثابت نگه داشتن سرعت در این شرایط غیر ممکن خواهد بود و شما دائما باید سرعت را کم و زیاد کنید.
دندانه های چرخدنده های نوین پروفیل مخصوصی که دنده گستران (اینولوت involute ) نامیده می شود استفاده می کنند.این پروفیل دارای خاصیت بسیار مهم ثابت نگه داشتن نسبت سرعت بین دو چرخدنده است.در این نوع ، همانند چرخ میخی بالا نقطه تماس جابجا می شود ولی فرم گستران دندانه های چرخدنده این جابجایی را جبران می کند.برای جزئیات به این قسمت مراجعه کنید.در ادامه بعضی از انواع چرخدنده ها را میبینیم
● چرخدنده ساده
چرخدنده های ساده معمولی ترین نوع چرخدنده می باشند.آنها دندانه های صافی دارندو بر روی محورهای موازی سوار می شوند.سابقا چرخدنده های ساده بسیاری برای بوجود آوردن دنده های کاهشی بسیار بزرگی استفاده می شد.
چرخدنده های ساده در دستگاه های بسیاری استفاده می شوند.مانند پیچ گوشتی الکتریکی ، آبپاش نوسانی ، ساعت زنگی ، ماشین لباسشویی و خشک کن لباس .اما شما در اتومبیل خود تعداد زیادی از آن را نخواهید یافت زیرا چرخدنده ساده واقعا" می تواند پر سروصدا باشد.هر وقت دندانه چرخدنده یک دنده را با چرخدنده دیگری درگیر کند دنده ها برخورد کرده و این ضربه صدای بلندی تولید می کند، همچنین فشار روی چرخدنده را افزایش می دهد .برای کاهش دادن صدا و فشار روی چرخدنده اغلب چرخدنده ها در اتومبیل شما مارپیچی می باشند.
● چرخدنده های مارپیچ
وقتی دو دنده بر روی سیستم چرخدنده مارپیچ درگیر می شوند تماس از انتهای یکی از دنده ها شروع شده و بتدریج با چرخش چرخدنده گسترش میابد تا زمانی که دودنده بطور کامل درگیر شوند.
درگیر شدن تدریجی چرخدنده های مارپیچی را وادار می کند که آرامتر و ملایم تر از چرخدنده های ساده عمل کنند.به همین دلیل چرخدنده های مارپیچی تقریبا" در جعبه دنده های همه اتومبیل ها مورد استفاده قرارمی گیرد.
بعلت زاویه دنده ها در چرخدنده های مارپیچ وقتی که دنده ها درگیر می شوند بار محوری بوجود می آورند.دستگاه هایی که از چرخدنده های مارپیچ استفاده می کنندیاتاقان هایی دارند که می توانند این بار محوری را نگه دارند.یک نکته جالب در مورد چرخدنده های مارپیچ این است که اگر زوایای دندانه های چرخدنده صحیح باشند می توا نند روی محور عمودی سوار شده زاویه چرخش را روی ۹۰ درجه تنظیم کنند.
● چرخدنده مخروطی
چرخدنده مخروطی زمانی مورد استفاده قرار می گیرد که مسیر چرخش محور نیاز به تغییر کردن دارد و معمولا"برمحورهای ۹۰ درجه سوار می شوند ولی می توا نند طوری طراحی شوند که در زوایای دیگر نیز به همین خوبی عمل کنند. دندانه ها روی چرخدنده های مخروطی می توانند صاف ، مارپیچی ویا قوسی باشند.دندانه های چرخدنده های مخروطی صاف در حقیقت مشکلی مشابه دنده چرخدنده های ساده دارند.که وقتی هر دنده درگیر می شود به دنده متناظر در آن لحظه ضربه می زند.
درست مانند چرخدنده ساده، راه حل این مشکل انحنا دادن به دندانه های چرخدنده می باشد. این دندانه های مارپیچی درست مانند دندانه های مارپیچی درگیر می شوند تماس از یک انتها ی چرخدنده شروع می شود و به صورت تصاعدی در سرتاسر دندانه گسترش می یابد.
در چرخدنده های مخروطی صاف و مارپیچی 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 چرخدنده های قوسی (hypoid gear) می توانند با محور ها در صفحات مختلف (محور های متنافر) درگیر شوند.
این خصوصیت در دیفرانسیل اتومبیلهای بسیاری استفاده می شود.چرخدنده بزرگ مخروطی دیفرانسیل و چرخدنده کوچک ورودی (پنیون) هر دو از نوع قوسی (هیپوئیدی) هستند. این به پنیون ورودی اجازه می دهد که پایین تر از محور چرخدنده بزرگ مخروطی سوار شود.شکل بالا پنیون ورودی درگیر با چرخدنده مخروطی بزرگ در دیفرانسیل را نشان می دهد. زمانی که محور محرک اتومبیل به پنیون ورودی متصل می شود پایین تر قرار می گیرد .این بدان معنی است که محور محرک در قسمت سواری جایی را اشغال نمی کند و فضای بیشتری برای سرنشینان و بار ایجاد می کند.
چرخدنده های حلزونی (ترجمه از لیلا علیزاده ساروی)
چرخدنده حلزونی هنگامی مورد استفاده قرار می گیرد که نیاز به دنده کاهشی بزرگی باشد.برای چرخدنده های حلزونی نسبت کاهش ۲۰:۱ و حتی تا ۳۰۰:۱ یا بالاتر از آن متعارف است.
● چرخدنده حلزونی
بسیاری از چرخدنده های حلزونی خاصیت جالبی دارند که چرخدنده های دیگر ندارند: پیچ حلزون براحتی می تواند چرخدنده را بچرخاند ولی چرخدنده نمیتواند پیچ حلزون را بچرخاند و این بدان علت است که زاویه ی روی پیچ حلزون بقدری کم است که وقتی چرخدنده سعی می کند آنرا بچرخاند نیروی اصطکاک بین چرخدنده و پیچ حلزون آن را در جای خود نگه می دارد و مانع چرخش آن می شود.
این خاصیت برای ماشینهایی از قبیل سیستم های نقاله مکانیکی مورد استفاده است. آنهایی که خاصیت قفل کنندگی در آنها هنگامی که موتور نمی چرخد می تواند همانند یک ترمز برای نقاله عمل کند.
استفاده خیلی جالب دیگر چرخدنده های حلزونی در دیفرانسیل تورسن(Torsen differential) که در بعضی از اتومبیلها و کامیونهای بارکش با کارایی بالا استفاده می شود است.
چرخدنده و میله دنده (ترجمه از لیلا علیزاده ساروی)
چرخدنده و میله دنده برای تبدیل کردن حرکت دورانی به حرکت خطی استفاده می شوند.مثال کاملی از آن فرمان اتومبیلهاست . فلکه فرمان چرخدنده ای که با میله دنده درگیر است را می چرخاند. وقتی که چرخدنده می چرخد میله دنده را به چپ یا راست می لغزاند بسته به آنکه شما فرمان را بکدام سمت می پیچانید.
چرخدنده و میله دنده همچنین در بعضی ترازوها برای گردش صفحه مدرجی که وزن شما را نشان می دهد به کار می رود.
● چرخدنده های سیاره ای و نسبت بین دنده ها
▪ هر مجموعه چرخدنده سیارهای سه جزء اصلی دارد :
- دنده خورشیدی
- دنده سیاره ای و حامل دنده سیاره ای
- دنده بزرگ حلقه ای (رینگی)
هر کدام از این سه جزء می توانند ورودی یا خروجی باشند یا می توانند ثابت نگه داشته شوند.انتخاب کدام قطعه ای برای کدام منظور نسبت دنده را برای چرخدنده ها معین می کند.به یکی از چرخدنده های سیاره ای منفرد نگاهی می اندازیم.
یکی از چرخدنده های سیاره ای جعبه دنده ما یک چرخدنده بزرگ حلقه ای با ۷۲ دننده (کرانویل) و یک چرخدنده خورشیدی با ۳۰ دنده دارد . می توانیم نسبت دنده های بسیاری از این جعبه داشته باشیم.
همچنین قفل شدن هر دو جزء با هم همه ی قطعه را قفل خوا هد کرد و نسبت دنده ۱:۱ خواهد شد
توجه کنید که اولین نسبت دنده ای که در جدول بالا ثبت شده است کاهشی است یعنی سرعت خروجی از سرعت ورودی کمتر است.دومین نسبت دنده پرسرعت است یعنی سرعت خروجی بیشتر از سرعت ورودی است و آخری نیز دوباره کاهشی است ولی مسیر خروجی معکوس شده است.نسبت دنده های مختلف بسیاری از مجموعه چرخدنده بالا می توان استخراج کرد ولی آنهایی که می بینید مربوط به جعبه دنده ی اتوماتیک می باشند. در پویا نمایی زیر می توانید مشاهده کنید:
پس این یکی از مجموعه های چرخدنده است که می تواند همه ی این نسبت دنده های مختلف را بدون درگیر کردن یا خلاص کردن چرخدنده های دیگر تولید کند.با دو تا از این مجموعه چرخدنده ها در یک ردیف ما می توانیم ۴ دنده جلو و یک دنده عقب (معکوس) مورد نیاز در جعبه دنده را داشته باشیم.در قسمت بعدی دو مجموعه از چرخدنده ها را با هم قرار خواهیم داد.
● جزئیات پروفیل چرخدنده گسترانی (اینولوت)
درپروفیل دندانه های چرخدنده گسترانی نقطه تماس ازنزدیکی یکی از دندانه ها شروع شده و با چرخش چرخدنده نقطه تماس از آن چرخدنده دور شده و به دیگری نزدیک می شود.اگر شما نقطه تماس را دنبال کنید، نشانگر یک خط مستقیم است که از یکی از چرخدنده ها شروع شده و در کنار دیگری پایان می یابد.این بدان معنی است که شعاع نقطه تماس با درگیر شدن دندانه ها بزرگتر می شود.
قطر دایره گام قطر تماس موثر است .از آنجایی که قطر تماس ثابت نمی باشد قطر دایره گام واقعا فاصله تماس متوسط است.وقتی که دندانه ها ابتدا شروع به درگیر شدن می کنند دندانه چرخدنده بالایی به دندانه چرخدنده 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 چرخدنده نقطه تماس به سمت قسمت ضخیم تر دندانه چرخدنده بالایی لغزیده می شود.این امر دنده بالایی را به جلو رانده بنا براین جبرانی برای قطر تماس اندکی کوچکتر می باشد.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 جابجایی است.نقطه تماس شروع به لغزیدن به سمت قسمت لاغر دندانه پایینی می کند مقدار کمی از سرعت چرخدنده بالایی برای جبران قطر تماس افزوده شده،کم می کند.نتیجه نهایی این است که حتی اگر قطر نقطه تماس بطور ممتد تغییر کند سرعت ثابت باقی می ماند.بنابراین پروفیل دندانه چرخدنده گسترانی یک نسبت سرعت دورانی ثابت تولید می کند.
منبع:
ترجمه از لیلا علیزاده ساروی
پارسی خودرو
