چرخدنده وسیله‌ای است برای انتقال توان دَوَرانی از یک محور به محور دیگر که طی آن، مقدار گشتاور یا سرعت دَوَرانی یا جهت چرخش یا راستای محوری می‌تواند تغییر کند. تسمه و زنجیر نیز همین کار را می‌کنند، اما با کیفیتی متفاوت.
مکانیزم چرخ دنده ها سیستمی است که حداقل از دو چرخ دنده تشکیل شده است که بصورت جفت کار می کنند. به همین دلیل آن را مکانیزم چرخ دنده می نامند.
از نظر انتقال قدرت ، مکانیزم چرخ دنده شامل یک چرخ دنده محرک و یک یا چند چرخ دنده متحرک می باشد. معمولاً به کوچک ترین چرخ دنده مکانیزم، پینتون و به چرخ دنده دیگر چرخ می گویند.
امروزه بیشتر دستگاه های موجود در صنعت دارای چرخ دنده هستند و با پیشرفت روز افزون صنعت، چرخ دنده ها نقش انکار ناپذیری دارند. چرخ دنده ها بر حسب موقعیت مکانی محور ها نسبت به یکدیگر در شکل های گوناگونی طراحی و ساخته می شوند و حرکت چرخشی یک محور را به محور دیگر از طریق اتصال دندانه ها منتقل می کنند.
تاریخچه
تاریخچه چرخ دنده ها حدود سه هزار سال پیش برآورد می شود. در تمدن های قدیم برای نخستین بار چرخ دنده های چوبی ساخته شد. رومیان چرخ دنده های چوبی را برای به حرکت درآوردن سنگ آسیاب ساختند. یک نمونه از بالابر چوبی برای انسان در شکل زیر نمایش داده شده است.
در قرن هجدهم و همزمان با انقلاب صنعتی در اروپا، نیاز شدید به چرخ دنده فلزی احساس شد ،که با استفاده از روش ریخته گری، چرخ دنده چدنی به تولید آن پرداختند. سپس ماشین تراش اختراع شد و به کمک این ماشین ها چرخ دنده های فولادی را تولید کردند. در قرن نوزدهم، با توسعه کشتی های بخار و ماشین های ابزار ، کاربرد چرخ دنده ها نیز توسعه یافت. با آغاز قرن بیستم ،خودرو و هواپیما به وجود آمد و دریچه نوینی در صنعت چرخ دنده سازی گشوده شد. مرحله به مرحله ماشین های نوین چرخ دنده سازی تولید شد و سبب ساخت چرخ دنده های مناسب ،با جنس های مختلفی شد. که امروزه این گونه شاهد این پیشرفت صنعتی چرخ دنده ها هستیم. در شکل زیر مشخصات یک چرخ دنده نشان داده شده است.
ساختار
داخلی‌ترین قسمت چرخدندهها توپی است که به محور محرک متصل است. در بیرون این قسمت جان چرخدنده قرار گرفته‌است. بیرونی‌ترین قسمت در جهت شعاعی، محیط چرخدنده است که دندانه‌های چرخدنده در این قسمت قرار می‌گیرند. این بخش از چرخدنده منبع اصلی ایجاد صدا است.
مهم‌ترین اصطلاحاتی که در طراحی چرخدنده بکار می‌روند
مدول: نسبت قطر دایره گام به تعداد دندانه‌ها؛ که دیمانسیون آن طول است و میلی‌متر واحد کمیت آن است. مطابق اصول: دو چرخدنده در گیر باید «هم مدول» باشند تا جفت شوند.
دایره گام: دایره‌ای فرضی که تمامی محاسبات بر اساس آن انجام می‌گیرد. دایره گام دو چرخدنده درگیر برهم مماس هستند.
گام محیطی: طول کمانی از دایره گام که بین دو نقطه متناظر از دو دندانه مجاور قرار گرفته‌است.
ارتفاع سردنده: فاصله بین بالای دندانه تا دایره گام.
ارتفاع ته‌دنده: فاصله بین ته دندانه تا دایره گام.
لقی محیطی: مقداری که فضای خالی بین دو دندانه یک چرخدنده از ضخامت دندانه‌های چرخدنده درگیر با آن در امتداد دایره گام بیشتر است.
چرخدندهها بر اساس وضعیت قرارگیری محورهای دو چرخدنده درگیر نسبت به هم به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند:
- چرخ‌دنده‌های با محورهای موازی
- چرخ‌دنده‌های با محورهای غیرموازی
انواع چرخ دنده
چرخ‌دندهٔ ساده
این چرخ دنده‌ها ساده ترین چرخ دنده هایی هستند که دیده اید. آنها دندانه های مستقیم دارند و محور دو چرخ نیز موازی با یکدیگر قرار گرفته اند. گاهی تعداد زیادی از آنها را در کنار هم قرار می‌دهند تا سرعت را کاهش و قدرت را افزایش دهند. در تعداد زیادی از وسایل از این چرخ دنده‌ها استفاده می‌شود. مثلاً ساعت های کوکی، ساعت های اتوماتیک، ماشین لباسشویی، پنکه و … . اما در اتومبیل به کار نمی آیند، چون سر و صدای زیادی دارند.
هر بار که دندانه یک چرخ به دندانه چرخ روبرو می‌رسد، صدای کوچکی در اثر برخورد ایجاد می‌شود. می‌توانید مجسم کنید وقتی تعداد زیادی از این چرخ دنده‌ها با هم کار کنند، چه سر و صدایی راه می‌اندازند؟ تازه این برخورد‌ها در دراز مدت، باعث شکستن دندانه‌ها می‌شود.
چرخ دنده های مارپیچ
دندانه‌های این چرخدنده برخلاف چرخدنده ساده موازی با محور چرخدنده نیستند، بلکه هر دندانه به شکل مقطعی از مارپیچ است. این قابلیت باعث می‌شود دندانه‌ها به آرامی با هم درگیر شوند، در حالی که دندانه‌های چرخدنده ساده به یکباره با هم درگیر شده و از هم جدا می‌شوند. این مسئله باعث می‌شود که چرخدندهها مارپیچ نسبت به چرخ‌دنده‌های ساده آرام‌تر و با صدای کمتر کار کنند. محور این چرخدندهها می‌تواند به صورت موازی یا متقاطع قرار گیرد. در مقایسه با چرخ‌دنده‌های ساده، چرخ‌دنده‌های مارپیچ بیشتر دارای کاربرد در سرعت‌های بالا و توان‌های بالا است. همچنین به دلیل آنکه این چرخدندهها با سر و صدا و ارتعاشات کمتری کار می‌کنند، در مواردی که کنترل سر و صدای بالا حائز اهمیت است از این‌گونه چرخدنده استفاده می‌گردد.
چرخ دنده های مخروطی
این چرخ دنده‌ها بهترین وسیله تغییر جهت هستند. معمولاً از آنها برای تغییر جهت 90 درجه استفاده می‌شود، ولی می‌توان طراحی را طوری انجام داد که در زاویه های دیگر نیز کار کنند.
دندانه های آنها ممکن است مستقیم یا پیچ دار باشد. اما اگر دندانه‌ها صاف باشد همان مشکل چرخ دنده های ساده را دارند. در دندانه های پیچ دار این مشکل برطرف شده است، ولی در هر دوی آنها باید محور چرخ دنده‌ها در یک صفحه قرار داشته باشد.
در دیفرانسیل بسیاری از اتومبیلها از این چرخ دنده‌ها استفاده می‌شود. این طراحی امکان آن را ایجاد می‌کند که محور چرخ دنده بیرونی پایین تر از محور چرخ دنده حلقوی قرار داده شود.
چرخ دنده های حلزونی
چرخ دنده‌های حلزونی، یکی از انواع چرخ دنده‌ها با قابلیت‌های نیمه منحصر به فرد می‌باشد که انتقال قدرت را از دو محور که با هم زاویهٔ ۹۰ درجه دارند را میسر می‌سازد. از ویژگی‌های این نوع چرخ دنده‌ها می‌توان به یکسو بودن انتقال (از پیچ به چرخ) اشاره کردکه از جمله موارد استفادهٔ این چرخدندهها در مکانیزم‌های بالا بر وخود قفل شونده (مانند جرثقیل‌ها) می‌باشد. دیگر ویژگی این چرخ دنده‌ها کاهش چشمگیر نسبت دور می‌باشد که نسبت کاهش ۳۰۰:۱ وحتی بالاتر را میسر می‌سازد.
ین چرخ دنده‌ها یک خاصیت جالب هم دارند که در هیچ چرخ دنده دیگری پیدا نمی شود. چرخ بالایی (حلزون) می‌تواند به راحتی چرخ دیگر (چرخ دنده حلزونی) را حرکت دهد، ولی چرخ پایینی نمی تواند حلزون رابچرخاند. زاویه دنده های روی حلزون آنقدر کوچک است که وقتی چرخ پایینی بخواهد آن را بچرخاند، اصطکاک به حدی زیاد می‌شود که از حرکت حلزون جلوگیری می‌کند. این ویژگی به ما امکان استفاده از این چرخ دنده‌ها را در جاهایی که به یک قفل خودکار نیاز داریم می‌دهد. فرض کنید از این چرخ دنده در یک بالابر استفاده کرده ایم؛ وقتی موتور بالابر از کار بیفتد، چرخ دنده‌ها قفل می‌شوند و نمی گذارند بار پایین بیاید.
چرخ دنده شانه ای
این چرخ دنده‌ها برای تبدیل حرکت دورانی به حرکت خطی استفاده می‌شوند. یک مثال خوب برای این چرخ دنده‌ها فرمان اتومبیل است. فرمان، چرخ دنده ای را می‌چرخاند که با چرخ شانه ای در تماس است. وقتی شما فرمان را می‌چرخانید، با توجه به جهت چرخش فرمان، شانه به سمت چپ و یا راست حرکت می‌کند و باعث حرکت چرخها می‌شود. در برخی از ترازوها نیز برای چرخاندن عقربه از سیستم مشابهی استفاده می‌شود.
