نسبت انتقال مکانیکی در چرخ دنده ها به چه معناست؟

وظیفه چرخ دنده ها  ایجاد ارتباط بین میله های چرخنده حامل انرژی می باشد. ( در صنعت به این میله های دوران کننده حامل انرژی ، محور می گویند.)

فرض کنید دو محور (شافت یا همان میله چرخان) داریم و می خواهیم سرعت یکی از آنها را به دیگری منتقل کنیم.

در شکل زیر دو محور را می بینید که قصد داریم ارتباطی بین آنها برقرار کنیم.

ابتدا باید این محورها را بر روی پایه ای  مناسب قرار دهیم به صورتیکه تنها در جای خودشان قابلیت چرخش به دور خود را داشته باشند.

در شکل زیر یک پایه برای محور نشان داده شده است. در صنعت به پایه ای که محور بر روی آن قرار می گیرد یاتاقان گفته می شود.

و شکل زیر قرار دادن محوری را داخل یاتاقان نشان می دهد.

هر محور باید حداقل بر روی دو یاتاقان قرار بگیرد تا بتواند در جای مناسبش دوران کند.( در صنعت چرخش به دور خود را دوران می گویند.)

در شکل زیر محوری را مشاهده می کنید که توسط دو یاتاقان مهار شده و می توان در جای خود دوران کند.

پس از اینکه هر محور مانند شکل زیر توسط دو یاتاقان مهار شد ، اکنون باید  بین آنها ارتباط برقرار کنیم.

ایجاد ارتباط بین دو محور و یا به حرکت درآوردن یک محور توسط محور دیگر ، توسط وسائل و مکانیزم های مختلفی انجام می شود که یکی از آنها که مورد بحث ماست ، چرخدنده می باشد.

چرخدنده ها میله هایی دندانه دار هستند که داخل آنها سوراخی به اندازه قطر محور وجود دارد و چرخدنده بر روی آن محور سوار می شود.

در شکل زیر چرخدنده ای را مشاهده می کنید که بر روی یک محور سوار شده است. ( داخل محور قرار می گیرد.)

هنگامی که بخواهیم ارتباط بین دو محور برقرار کنیم ، باید بر روی هر دوی آنها چرخدنده ، سوار کنیم.

اندازه دنده های چرخ دنده ها باید یکسان باشد ولی قطر آنها می تواند یکی نباشد؛ اگر قطر چرخدنده ها با یکدیگر برابر باشد ، سرعت آن دو محوری که چرخدنده ها بر روی آنها سوار می شوند ، یکسان و برابر خواهد بود.

اما اگر قطر آنها برابر نباشد ، چرخ دنده ای که قطر کمتری دارد ، ( کوچکتر است ) تعداد دور بیشتری می زند و در نتیجه سرعت بیشتری دارد.

چرخدنده کوچکتر با ۲۵ دندانه باید سرعتی سه برابر چرخدنده بزرگتر با ۷۵ دندانه بچرخد ، یعنی هرگاه چرخدنده بزرگ یک دور بزند ،  چرخدنده کوچک ۳ دور زده است.

قبل از اینکه نسبت انتقال را تعریف کنیم باید با مفهوم چرخ یا محور محرک و متحرک آشنا شویم.

نیرو ، قدرت و گشتاور ، همیشه از یک محور یا یک چرخدنده به محور یا چرخدنده دیگر انتقال پیدا می کند. برای مثال در خودرو اگر یک محور به چرخ ها وصل باشد و و محور دیگر به موتور خودرو ، محور متصل به موتور خودرو ، محور محرک ( به حرکت درآورنده ) و محور متصل به چرخ خودرو محور متحرک ( به حرکت درآمده )نامیده می شود.

اکنون می توانیم نسبت انتقال بین چرخدنده ها را تعریف کنیم.

نسبت انتقال ، رابطه سرعت و قدرت بین یک محور با محور دیگری را تعریف می کند.

نسبت انتقال از تقسیم تعداد دندانه چرخ متحرک ، بر تعداد دندانه چرخ محرک به دست می آید.

در مثال بالا از آنجا که سرعت یک چرخدنده سه برابر دیگری می باشد نسبت انتقال می تواند ۳ و یا ۱/۳ باشد.

اگر محور محرک چرخدنده کوچک و محور متحرک چرخدنده بزرگ باشد ، نسبت انتقال با تقسیم تعداد دندانه چرخ متحرک ( ۷۵ دندانه ) بر تعداد دندانه چرخ محرک ( ۲۵ دندانه ) به دست می آید که برابر با ۳ خواهد بود و اگر محور محرک چرخدنده بزرگ و محور متحرک چرخدنده کوچک باشد ، نسبت انتقال ۱/۳ خواهد بود.

اکنون فرض کنید در این مکانیزم ، چرخدنده کوچک محرک باشد و چرخدنده بزرگ متحرک.

در این حالت سرعت خروجی ( از محور متحرک ) نسبت به سرعت ورودی ( از محور محرک ) کاهش پیدا کرده و مقدار این کاهش سرعت دقیقا ۱/۳ می باشد. یعنی اگر موتور خودرو به چرخدنده کوچک وصل باشد و چرخ های خودرو به چرخدنده بزرگ ، سرعت چرخ های خودرو ۱/۳ سرعت موتور خودرو می باشد؛ در این حالت نسبت انتقال نیز برابر با عدد ۳ می باشد؛ یعنی در این حالت ، مکانیزم توانسته سرعت خروجی را نسبت به سرعت ورودی به میزان ۳ برابر ، کاهش دهد.

این کاهش سرعت کل ماجرا نیست بلکه همیشه کاهش سه برابری سرعت ، با افزایش سه برابری قدرت همراه خواهد بود؛ یعنی در این مثال اگر چه سرعت خروجی ۱/۳ شد ( سه برابر کاهش پیدا کرد ) ولی قدرت خروجی نیز سه برابر شد. ( سه برابر افزایش پیدا کرد ) و این ماهیت کلی نسبت انتقال می باشد.

از این به بعد هر کجا گفته شد نسبت انتقال ۳ می باشد ، یعنی قدرت محور خروجی ۳ برابر قدرت ورودی سرعت محور خروجی ۱/۳ قدرت ورودی

تعداد دندانه چرخدنده محور خروجی سه برابر تعداد دندانه محور ورودی می باشد.

برای درک بهتر موضوع به شکل زیر نگاه کنید. همانگونه که می بینید چرخ دنده A که دارای ۲۰ دندانه می باشد ، سرعت چرخشش ۴ برابر چرخ دنده B می باشد( چرخ دنده B دارای ۸۰ دندانه می باشد) یعنی اگر چرخ دنده A ، چهار دور به درو خودش بچرخد ، چرخ دنده B تنها یک دور به دور خودش چرخیده است و در ضمن چون چرخ دنده A محرک می باشد ، در این سیستم نسبت انتقال ۴ می باشد ( ۸۰/۲۰=۴) یعنی گشتاور و نیرویی که در چرخ دنده A تولید شده است ، در چرخ دنده B می توان چهار برابر آن را برداشت نمود.

از آنجایی که محورها همیشه نسبت به یکدیگر موازی نیستند ، چرخدنده های مختلفی در صنعت استفاده می شود تا اگر محورها به یکدیگر عمود بودند و یا هر زاویه و حالتی نسبت به همدیگر داشته باشند بتوان ارتباط با نسبت انتقال دلخواه بین آنها ایجاد نمود و اساس کار همه آنها ، مانند همان چرخدنده های ساده می باشد.