تحقیق مقاله چرخ دنده ، چرخ تسمه ، چرخ زنجیر

چرخ دنده،چرخ تسمه،چرخ زنجیر

اساس کار چرخدنده ها بر طبق حرکت غلتش و درگیری میباشد.

مزیت این نوع انتقال حذف اصطکاک و حذف حرکتهای لغزشی است.

منحنی های چرخ دنده(حداقل تماس،حداکثر اعمال نیرو)

سایش و اصطکاک(پروفیل چرخدنده ها)

سیکلوئید-اینولونت

در طراحی پروفیل چرخدنده ها بمنظور رعایت حداقل تماس و حداکثر انتقال نیرو پروفیل چرخدنده بر اساس منحنی های صنعتی سیکلوئید و اینولونت طراحی میشود این دو منحنی ازبهترین منحنی ها در ساخت پروفیل دندانه چرخدنده ها میباشد .

منحنی اینولونت این منحنی عبارت است از مسیری که یک نقطه ثابت بر روی یک نخ حول یک دایره ثابت در حال کشیده و در هنگام باز کردن طی میکند مسیری که نقطه در فضای دو بعدی ایجاد میکند یک منحنی با شعاع متغیر میباشد.

 منحنی سیکلوئید-به چهار طریق زیر قابل ایجاد است .

1-روشهای ایجاد منحنی سیکولوئید.

الف – دایره ای بشعاع R

ب-    دو دایره بشعاع   ( r  <  R)r R 

ج-    دو دایره بشعاع ( r  >  R)r R 

د-    دو دایره بشعاع یکسان((R=r

اپی سیکلوئید                                        پری سیکلوئید

هیپوسیکلوئید                                          سیکلوئید

 معمولی

( داخل هم ولی شعاع نزدیک بهم است )

سیکلوئید                                                 اینولونت

مشخصات منحنی اینولونت

1-تنظیم این چرخدنده ها ساده میباشد.

2-ساخت این نوع چرخدنده ها با روش ساده امکان پذیر است.

3-هزینه این نوع چرخدنده ها بدلیل استفاده از ابزارهای برشی استاندارد پایین است .

4-دقت این نوع چرخدنده ها نسبت به سیکلوئید کمتر است.

5-سر و صدا و ارتعاشات ناشی از این چرخدنده نسبت به چرخدنده های با منحنی سیکلوئید بیشتر است.

6-بمنظور انتقال گشتاورهای سنگین توسط چرخدنده های بزرگ از چرخدنده هایی استفاده میشود که پروفیل دنده های آن اینولونت باشد.

مشخصات منحنی سیکلوئید

1-دقت این نوع چرخدنده ها بیشتر میباشد.

2-انتقال چرخش به آرامی صورت میپذیرد.

3-تکنولوژی ساخت این نوع چرخدنده ها نیاز به دقت و هزینه بالا دارد.

4-استفاده از این نوع چرخدنده ها بدلیل دقت بالا در انتقال گشتاورهای سنگین مرسوم نمیباشد.

تقسیم بندی چرخدنده ها

انواع چرخدنده ها بر اساس نحوه انتقال گشتاور تقسیم بندی میشود

چرخدنده های ساده یا مستقیم:

چرخدنده های مارپیچ ،حلزونی ، مخروطی  ، جناقی ، شانه ای

1-چرخ دنده های ساده یا مستقیم-بر روی محور های موازی نصب میگردد از مهمترین نکات در طراحی این نوع سیستمهای انتقال قدرت سنتر کردن شافتها با یکدیگر میباشد زیرا در غیر این صورت بار اعمالی به دوشکل محوری  و شعاعی تجزیه میشود حداکثر بازده این نوع چرخدنده ها بدلیل حذف هر گونه یار محوری بر روی شافتها میباشد.

از مشخصات نامطلوب این چرخدنده ها ایجاد سر صدای زیاد در ضمن کار میباشد.همچنین چنانچه فاصله آزاد یا لغی بین چرخدنده ها بیش از حد مجاز باشد سر وصدا شکستگی دنده و کاهش راندمان ایجاد میشود. همچنین اگر فاصله آزاد یا میزان لغی کمتر از حد مجاز باشد ایجاد اصطکاک و افزایش تنش بیش از اندازه و گرم شدن چرخدنده ها را بهمراه دارد.در چرخدنده های ساده برای محاسبه نیروی اعمال شده به چرخدنده ها همان FT  یا F  تماس نیروی مماس و تانژانت میباشد که در شعاع چرخدنده ( r) گشتاور T  را بوجود میآورد.                                                T=Fr

1-چرخ دنده های مارپیچ – در چرخدنده های مارپیچی انتقال گشتاور در روی محورهای متنافر انجام میشود در این نوع چرخدنده بدلیل سطح تماس بیشتر سر و صدا و ارتعاش کمتری دارد این چرخدنده ها به نسبت چرخدنده های ساده بدلیل تجزیه نیرو به گشتاور راندمان کمتری دارد اما توان و قدرت آن به نسبت چرخدنده ساده بیشتر است این نوع چرخدنده ها وضعیت محورها به شکل موازی، متنافر، متعامد و یا متقاطع میباشد.

شکل

انتقال گشتاور- در این نوع چرخدنده با توجه بنوع راستگرد و یا چپگرد امکان پذیر میباشد چنانچه انتقال گشتاور در محورهای متنافر بکمک چرخ دنده های مارپیچی مد نظر میباشد هر دو نوع یا باید مارپیچ چپ و یا مارپیچ راست باشند.

چرخدنده های مخروطی-پروفیل کامل این چرخدنده ها تشکیل مخروطی ناقص با توجه به شیارهای قرار گرفته بر روی مخروط ناقص بصورت ساده و یا مورب میباشد وضعیت محورها در این نوع چرخدنده بصورت محورهای موازی، متعامد و یا متنافر میباشند، چنانچه چرخدندها بر روی محورهای متنافر قرار گیرند چرخدنده های هیپوئیدی و در مواردی که چرخدنده های مخروطی با دنده های مستقیم باشند تنها بر روی محورهای متعامد و یا متقاطع قرار میگیرند.

چرخ دنده های حلزونی- چرخدنده هایی هستند که با یک پیچ حلزونی درگیرمیشوند ودرنسبتهای انتقال زیاد مورد استفاده قرار میگیرند.وضعیت محورها در این نوع چرخ دنده هابه شکل متعامد(عمود)میباشد . دراین سیستم بازده به نسبت چرخهای ساده بیشتر است.

مثال. چنانچه در چرخهای حلزونی بخواهیم نسبت 20/1 داشته باشیم کافی است تعداد شیارهای پیچ حلزون 1 عدد تعداد دنده های روی چرخ 20 دنده ایجاد می شود

چنانچه نسبت انتقال را بخواهیم با چرخ دنده ساده چنین      نسبت انتقالی را ایجاد کنیم،اگر تعداد چرخ دنده کوچک10 عدد باشد نسبت انتقال در چرخ دنده حلزونی

                                                      k تعداد شیار پیچ

                                                                                  ---------=-------------------------  = i

                                                                                  z      تعداد دنده های چرخ دنده

چرخ دنده جناقی: چرخ دندهایی هستند که شکل محیطی دندانه ها بصورت 8.7 باشد در واقع دو ردیف چرخ دنده از نوع مارپیچ که بصورت راستگرد ویا چپگرد میباشد در چرخ دنده های مارپیچ بدلیل تفکیک شدن نیروی گشتاور به دو مولفه شعاعی و محوری بازده سیستم کاهش پیدا میکند اما در این نوع سیستم بدلیل قرار گرفتن مارپیچ چپ و راست در کنار یکدیگر مولفه نیروی محوری حذف و خنثی میشود این نوع چرخ دنده ها در انتقال گشتاورهای سنگین بکار میرود

چرخ دنده شانه ای – چرخ دنده هایی هستند که در آن یک چرخ دنده از نوع ساده (یا یک مارپیچ از) و چرخ دنده دیگر شعاع بی نهایت ( خط راست ) میباشد در این نوع چرخ دنده انتقال حرکت دورانی به حرکت مستقیم تبدیل میشود و یا بالعکس

جنس چرخ دنده ها – با توجه به نیاز و شرایط کاری بصورت خانواده فلزی و غیر فلزی تقسیم میشوند در خانواده فلزات چرخ دنده ها از جنس آلیاژ آهنی ( فولاد یا چدن ) و یا از جنس آلیاژهای غیر آهنی ( برنج و آلمینیوم ) و در میان چرخ دنده های غیر فلزی معمولا از پلیمر یا چوب و یا پلاستیک و یا فیبر استفاده میشود

بمنظور ایجاد شرایط بهینه در ساخت چرخ دنده موارد ذیل لحاظ میشود.

1-جنسی انتخاب شود که در تولید آن بطریق ماشینکاری ویا ریختگی شرایط لازم را داشته باشد .

2-جنس چرخ دنده ها باید بگونه ای انتخاب گردد که قادر به تحمل فشار و انتقال و نیروی لازم را داشته باشد .

در میان آلیاژهای آهنی فولادها نقش بسزایی را ایجاد میکند فولادها با توجه به میزان درصد کربن و وجود عناصر آلیاژی بدوسته فولادهای کربنی و آلیاژی تقسیم میشوند فولادهای کربنی به سه گروه کم کربن و کربن متوسط و پرکربن تقسیم میشود. هرچه میزان کربن فولاد بیشتر می شود سختی پذیری آن نیز افزایش پیدا می کند در میان فولاد های آلیاژی فولادهای نیکل و کرم، فولادهای کروم سیلیسیویم نقش بیشتری دارند. از روشهای تولید چرخ دنده ها عملیات سخت کاری سطحی فرایندی اجتناب ناپذیر است بدین ترتیب ساختار داخلی چرخدندها ساختاری نرم و داکتیل و لایه سطحی آن سختی بالایی دارد از روشهای ایجاد ترکیبات به این شکل فرایند سمانتاسیون میباشد بدین ترتیب که فولاد را در محیط کربن دهی (جامد، مایع،گاز) قرار می دهند و درصد کربن سطح را با توجه به سختی مورد نیاز تعیین میکنند سپس قطعه را در درجه حرارت بالا قرار داده وفرایند کوینچ رااعمال میکنند (آب یا روغن) بدین ترتیب ساختاری با سختی سطحی بالاومغز نرم ایجاد می شود. در ادامه در فولادهای آلیاژی با توجه به استحکام مورد نیاز فولادهای آلیاژی کیفی تولید میکنیم برای ایجاد فولاد با شرایط استحکامی بالا عناصری نظیر وانادیم،تیتانیم و نایودیم ( عناصر تقویت شونده ) در میان آلیاژهای آهنی آلیاژ آلمینیوم و آلیاژ های مس (برنز) کاربرد زیادی دارند در میان آلیاژهای آلمینیوم چنانچه انتقال گشتاور تنها بصورت چرخدنده های کمکی استفاده شود افزایش سختی سطح مطرح است و در صورتی که سختی سطح مورد نیاز باشد آلیاژی تحت عنوان دورالومین با ترکیب شیمیایی 4/0 درصد مس 6/0 درصد منگنز و 3/0 درصد سیلیسیوم مورد استفاده قرار میگیرد این آلیاژ مانند فولاد میتوان آبداده و سختکاری نمود از خواص دیگر این نوع آلیاژ افزایش سختی بعد از گذشت زمان میباشد یکی از روشهای ایجاد سختی اعمال پوشش بر روی سطح میباشد از روشهای اعمال پوشش میتوان روشهای غوطه وری ،پاشش و آنادایز استفاده کرد در هر روش با توجه به ضخامت پوشش ایجاد شده بر روی سطح فرآیند finishing یا تمام کاری انجام میشود در آلیاژهای آلمینیوم فرایند آنادایزینگ بدو شکل تزیینی و یا صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد در مواردی که سختی سطحی بالایی مد نظر باشد عملیات آنادایزینگ انجام میشود .

آلیاژهای مس – در میان آلیاژهای مس آلیاژهای برنج و برنز بیشترین مصرف را دارند آلیاژهای برنج ترکیب مس و روی وآلیاژهای برنز، ترکیب قلع و مس میباشد این آلیاژها در مواردی مواردی استفاده قرار میگیرند که سایش زیادی مطرح نباشد و به سایر چرخدنده ها آسیب نرساند در میان آلیاژهای برنز با توجه به اضافه کردن آلمینیوم –فسفر –منگنز-به سه گروه فسفر برنز، آلمینیوم برنز، منگنز برنز تقسیم میشوند در میان مواد غیر فلزی چرخدنده هایی از جنس چوب فیبر و یا مواد نساجی تهیه میشود این چرخها زمانی استفاده میشوند که بمنظور انتقال گشتاور بین دو چرخدنده و یا زمانیکه سرعتهای زیاد بالا و فشار کم مطرح باشد از مزایای استفاده از این نوع چرخدنده ها میتوان کاهش سر و صدا و ارتعاش و کاهش وزن سیستم انتقال قدرت میباشد کاربرد این نوع چرخدنده ها بصورت محیط هایکه در برابر آب سیل شده باشد در غیر اینصورت باید جنس انتخابی در برابر نفوذ آب مقاوم باشد بمنظور حفظ چرخدنده های فیبری و یا چوبی در برابر نفوذ آب چرخدنده ها را آغشته به روغن مینمایند.

عیوب چرخ دندها – 1 شکسته شدن دنده ها 2-ایجاد حرارت 3- پوسته پوسته شدن 4-وجود صداهای ناهنجار 5- ایجاد شیار و یا گودی 6-

ادمه این جزوه در قسمت دوم جزوه تعمیرات مکانیک نوشته شده است

طراحی یک چرخ دنده و انجام محاسبات آن و معلوم شدن مشخصات چرخ دنده مورد نیاز در زمینه ساخت چرخ دنده تشخیص یک تکه ساختن و یا دو تکه ساختن آن از اهمیت بسزایی برخوردار است. ساخت دوتکه چرخ دنده بعلت دور ریز کمتر توجیه اقتصادی داشته و مورد تایید طراحان می باشد. اما در ساخت چرخ دنده دوتکه محدودیتهای طراحی وجود دارد که طراح با عنایت به آنها قادر خواهد بود بدون فوت وقت و هزینه نسبت به انتخاب صحیح نوع ساخت چرخ دنده موردنظر اقدام نماید.

از آنجا که ساخت دوتکه چرخ دنده از اولویت برخوردار است لذا باید گفت وظیفه طراح در مرحله نخست تشخیص امکان ساخت دوتکه چرخ دنده طراحی شده می باشد. بدین ترتیب داشتن ابزاری برای این تشخیص بصورت دقیق و صحیح و با سرعت اهمیت بسیار زیادی خواهد داشت. آنچه در ذیل خواهد آمد کوششی در این راستا می باشد.

با توجه به شکل ضخامتهای hub-web-rim چرخ دنده که ضمیمه شده است می توان گفت:

Dshaft + 2*H + 2*F + 2*Tweb + 2*A + 2*A + 2*m = Dcp
که در این رابطه:

Dshaft = shaft diameter
H & F & A : are defined from relations in refrence
Tweb = web thickness
m = module
Dcp = pitch cicuit diameter

لذا اگر: z = No. tooth

Dshaft + 2*(0.44 Dshaft) + 2*0.65(3.14)(Dcp/z) + 2*Tweb + 4*0.5(3.14)(Dcp/z) + 2*(Dcp/z)

1.88Dshaft + 2*Tweb = ( 1- (12.36/z) )Dcp

( (Dcp = (1.88Dshaft + 2*Tweb) / ( 1- (12.36/z

از رابطه بدست آمده می توان نتایج زیر را بدست آورد:

از آنجا که Dcp مثبت است لذا بایستی:

z > 12.36

از آنجا که تعداد دنده ها یک عدد طبیعی است لذا:

...و z = 13 , 14 , 15
اگر z = 13 :

Dcp = (1.88Dshaft + 2*Tweb) / 0.049
Dcp = 38.37Dshaft + 40.82Tweb
اگر ∞ <=z :

Dcp = 1.88Dshaft + 2*Tweb
در طراحی چرخ دنده های دو تکه از روابط فوق استفاده خواهد شد. در این چرخ دنده ها اگر ضخامت web صفر در نظر گرفته شود در واقع حداقل قطر دایره گام در چرخ دنده های دو تکه بدست خواهد آمد.
Tweb= 0
اگر z = 13 :

Dcp min = 38.37Dshaft
اگر ∞ <=z :

Dcp min = 1.88Dshaft
لذا در چرخ دنده های دو تکه نسبت قطر دایره گام مینیمم به قطر شفت در بازه زیر خواهد بود:

1.88 تا 38.37 نوسان خواهد داشت.

از آنجا که قطر دایره گام مینیمم است لذا انتهای بازه کاربردی نداشته و از رابطه فوق می توان این نتیجه را گرفت که:

در چرخ دنده های دو تکه نسبت قطر دایره گام به قطر شفت همواره بزرگتر از 1.88 خواهد بود.

Dshaft / Dcp> = 1.88

-------------------------------------------------------------------
محاسبات طراحی چرخدنده براساس کتاب:

Machinery”s Handbook By Erik Obery,Frank Lin DJones
22th edition published by INDUSTRIAL PRESS INC
صورت گرفته است.