چرخ دنده هیپوئیدی: چیست، چگونه کار می‌کند و چه کاربردهایی دارد؟

چرخ دنده هیپوئیدی یک نوع چرخ دنده است که در آن دو محور غیرموازی و غیرمتقاطع با یکدیگر تماس دارند و دندانه‌های آن‌ها به صورت مارپیچی هستند. این نوع چرخ دنده به علت داشتن مزایا و کاربردهای بسیار زیاد در صنعت و خودرو به وفور استفاده می‌شود. برای آشنایی با کرانویل پینیون و سفارش و استعام قیمت به صفحه آن رجوع کنید

در این مقاله قصد داریم تعریف، انواع، مزایا، معایب، کاربردها و نکات طراحی و محاسبه چرخ دنده هیپوئیدی را به طور جامع و کامل بررسی کنیم. اگر شما هم علاقه‌مند به یادگیری درباره این نوع چرخ دنده هستید، با ما همراه باشید.

تعریف و انواع چرخ دنده هیپوئیدی

چرخ دنده هیپوئیدی چیست؟

چرخ دنده هیپوئیدی (Hypoid Gear) یک نوع چرخ دنده است که در آن دو محور غیرموازی و غیرمتقاطع با یکدیگر تماس دارند و دندانه‌های آن‌ها به صورت مارپیچ (Helical) هستند. این نوع چرخ دنده را می‌توان به عنوان ترکیبی از چرخ دنده مخروطی (Bevel Gear) و چرخ دنده حلزون (Worm Gear) در نظر گرفت.

در چرخ دنده هیپوئیدی، محور اصلی (Pinion) که معمولا کوچکتر است، به صورت مارپیچی به محور فرعی (Gear) که معمولا بزرگتر است، متصل می‌شود. این اتصال باعث می‌شود که محور فرعی به طور کامل در زیر یا بالای محور اصلی قرار گیرد و فاصله بین محورها (Offset) ایجاد شود. این فاصله باعث می‌شود که تماس دندانه‌ها ناهمسانگرد (Non-Uniform) باشد و در نتیجه صدا و ارتعاش کمتری تولید شود.

چرخ دنده هیپوئیدی با چرخ دنده مخروطی چه تفاوتی دارد؟

چرخ دنده مخروطی (Bevel Gear) نیز یک نوع چرخ دنده است که در آن دو محور غیرموازی و متقاطع با یکدیگر تماس دارند و دندانه‌های آن‌ها به صورت استوانه‌ای (Straight)، حلزون (Spiral) یا شانه‌ای (Zerol) هستند. این نوع چرخ دنده را معمولا برای انتقال نیرو در زاویه‌های مختلف استفاده می‌کنند.

در چرخ دنده مخروطی، محور اصلی و فرعی به صورت قائم یا زاویه‌ای با هم تقاطع پیدا می‌کنند و فاصله بین آن‌ها صفر است. این باعث می‌شود که تماس دندانه‌ها همسانگرد (Uniform) باشد و در نتیجه صدا و ارتعاش بیشتری تولید شود.

بنابراین، تفاوت اصلی بین چرخ دنده هیپوئیدی و چرخ دنده مخروطی در جهت و فاصله محورهای آن‌ها است. در حالی که در چرخ دنده هیپوئیدی، محورها غیرموازی و غیرمتقاطع هستند و فاصله بین آن‌ها غیرصفر است، در چرخ دنده مخروطی، محورها غیرموازی و متقاطع هستند و فاصله بین آن‌ها صفر است.

انواع چرخ دنده هیپوئیدی بر اساس شکل و جهت دندانه‌ها

بر اساس شکل و جهت دندانه‌های چرخ دنده های هيپوئيدی، سه نوع از آن‌ها را مي‌توان شناسایي کرد:

• چرخ دنده هيپوئيدی ساده (Plain Hypoid Gear): در این نوع، دندانه‌های محور اصلی و فرعی به صورت مارپیچی هستند ولی جهت مارپیچی آن‌ها یکسان است. این نوع چرخ دنده را می‌توان به عنوان ترکیبی از چرخ دنده مخروطی حلزون و چرخ دنده حلزون ساده در نظر گرفت.
• چرخ دنده هيپوئيدی بول (Bull Hypoid Gear): در این نوع، دندانه‌های محور اصلی به صورت مارپیچی هستند ولی دندانه‌های محور فرعی به صورت استوانه‌ای هستند. این نوع چرخ دنده را می‌توان به عنوان ترکیبی از چرخ دنده مخروطی ساده و چرخ دنده حلزون ساده در نظر گرفت.
• چرخ دنده هيپوئيدی بول هليکال (Bull Helical Hypoid Gear): در این نوع، دندانه‌های محور اصلی و فرعی به صورت مارپیچی هستند ولی جهت مارپیچی آن‌ها مخالف است. این نوع چرخ دنده را می‌توان به عنوان ترکیبی از چرخ دنده مخروطی حلزون و چرخ دنده حلزون بول در نظر گرفت.

مزایا و معایب چرخ دنده هيپوئيدی

مزایای چرخ دنده هيپوئيدی

چرخ دنده هيپوئيدی به علت شکل و جهت خاص دندانه‌های خود، برخی از مزایای قابل توجه زیر را نسبت به سایر انواع چرخ دنده ها دارد:

• کاهش صدا و ارتعاش: در چرخ دنده هيپوئيدی، تماس بین دندانه‌ها ناهمسانگرد است و در نتیجه صدا و ارتعاش کمتری تولید می‌شود. این خصوصیت باعث می‌شود که چرخ دنده هيپوئيدی مناسب برای استفاده در جعبه‌های دنده خودرو باشد که نیاز به کارکرد ساکت و راحت دارند.
• کاهش فضای مورد نیاز برای نصب: در چرخ دنده هيپوئيدی، محور فرعی به طور کامل در زیر یا بالای محور اصلی قرار می‌گیرد و در نتیجه فضای کمتری را برای نصب نیاز دارد. این خصوصیت باعث می‌شود که چرخ دنده هيپوئيدی مناسب برای استفاده در فضاهای محدود باشد.

معایب چرخ دنده هيپوئيدی

چرخ دنده هيپوئيدی علیرغم داشتن مزایای زیاد، برخی از معایب زیر را نیز دارد:

• نیاز به روغنکاری وسیع و منظم: در چرخ دنده هيپوئيدی، تماس بین دندانه‌ها به صورت الاستوهیدرودینامیک است و در نتیجه نیاز به روغنکاری وسیع و منظم دارد. این خصوصیت باعث می‌شود که چرخ دنده هيپوئيدی هزینه بالای نگهداری و تعمیر داشته باشد.
• تولید حرارت زیاد در اثر اصطکاک: در چرخ دنده هيپوئيدی، تماس بین دندانه‌ها به صورت الاستوهیدرودینامیک است و در نتیجه حرارت زیادی در اثر اصطکاک تولید می‌شود. این خصوصیت باعث می‌شود که چرخ دنده هيپوئيدی نیاز به سامانه خنک‌کننده داشته باشد.
• هزینه بالای ساخت و تعمیر: در چرخ دنده هيپوئيدی، شکل و جهت خاص دندانه‌ها باعث می‌شود که ساخت و تعمیر آن‌ها پیچیده و زمان‌بر باشد. این خصوصیت باعث می‌شود که چرخ دنده هيپوئيدی هزینه بالای ساخت و تعمیر داشته باشد.

کاربردهای چرخ دنده هيپوئيدی در صنعت و خودرو

کاربردهای چرخ دنده هيپوئيدی در صنعت

چرخ دنده هيپوئيدی به علت داشتن مزایایی مانند کاهش صدا و ارتعاش، افزایش راندمان و قدرت انتقال و کاهش فضای مورد نیاز برای نصب، در بسیاری از صنایع و ماشین‌های مختلف کاربرد دارد. برخی از این کاربردها عبارتند از:

• ماشین‌های ابزار و تولید: چرخ دنده هيپوئيدی در ماشین‌های ابزار و تولید مانند فرز، تراش، سوراخ‌کاری، خم‌کاری و برش‌کاری استفاده می‌شود. این چرخ دنده ها به این ماشین‌ها کمک می‌کنند که با دقت و سرعت بالا قطعات مورد نظر را شکل دهند.
• توربین‌های بادی و برق‌گیرها: چرخ دنده هيپوئيدی در توربین‌های بادی و برق‌گیرها استفاده می‌شود. این چرخ دنده ها به این توربین‌ها کمک می‌کنند که با راندمان بالا نیروی باد را به نیروی الکتریکی تبدیل کنند.
• جعبه‌های دنده صنعتی و کشاورزی: چرخ دنده هيپوئيدی در جعبه‌های دنده صنعتی و کشاورزی استفاده می‌شود. این چرخ دنده ها به این جعبه‌های دنده کمک می‌کنند که با قابلیت تغییر سرعت و گشتاور، نیرو را به سایر قطعات منتقل کنند.

کاربردهای چرخ دنده هيپوئيدی در خودرو

چرخ دنده هيپوئيدی به علت داشتن مزایایی مانند کاهش صدا و ارتعاش، افزایش راندمان و قدرت انتقال و کاهش فضای مورد نیاز برای نصب، در بسیاری از قطعات خودرو کاربرد دارد. برخی از این کاربردها عبارتند از:

• جعبه‌های دنده خودرو و موتورسیکلت: چرخ دنده هيپوئيدی در جعبه‌های دنده خودرو و موتورسیکلت استفاده می‌شود. این چرخ دنده ها به این جعبه‌های دنده کمک می‌کنند که با قابلیت تغییر سرعت و گشتاور، نیرو را به چرخ‌های خودرو منتقل کنند.
• محور عقب خودرو و کامیون: چرخ دنده هيپوئيدی در محور عقب خودرو و کامیون استفاده می‌شود. این چرخ دنده ها به این محور کمک می‌کنند که با کاهش سرعت و افزایش گشتاور، نیرو را به چرخ‌های عقب منتقل کنند.
• سامانه‌های فرمان خودرو و قطار: چرخ دنده هيپوئيدی در سامانه‌های فرمان خودرو و قطار استفاده می‌شود. این چرخ دنده ها به این سامانه‌ها کمک می‌کنند که با تغییر جهت نیرو، حرکت خودرو یا قطار را کنترل کنند.

نکات طراحی و محاسبه چرخ دنده هيپوئيدی

عوامل مؤثر بر طراحی چرخ دنده هيپوئيدی

طراحی چرخ دنده هيپوئيدی یک فرآیند پیچیده و دقیق است که باید با توجه به عوامل مختلف انجام شود. برخی از این عوامل عبارتند از:

• جنس و استحکام مواد: جنس و استحکام مواد مورد استفاده برای ساخت چرخ دنده هيپوئيدی باید با توجه به شرایط کارکرد، نیرو، سرعت، دما، رطوبت و غیره انتخاب شود. معمولا از فولاد‌های آلیاژی، روی، برنج، آلومینیوم و پلاستیک برای ساخت چرخ دنده هيپوئيدی استفاده می‌شود.
• شکل و ابعاد هندسی دندانه‌ها: شکل و ابعاد هندسی دندانه‌های چرخ دنده هيپوئيدی باید با توجه به نسبت دندانه‌ای، زاویه مارپیچ، زاویه فشار، شعاع پایه، شعاع رأس، شعاع کف، شعاع خارجی، شعاع درونی، تعداد دندانه‌ها و عرض پهنای تسمه‌ای (Face Width) طراحی شود.
• استانداردها و روش‌های ساخت: استانداردها و روش‌های ساخت چرخ دنده هيپوئيدی باید با توجه به کیفیت، قابلیت اطمینان، زمان و هزینه مورد نظر تعیین شود. معمولا از روش‌های قالبزنی، ریخته‌گری، فورج، ماشین‌کاری، سنگ‌زنی و تراشکاری برای ساخت چرخ دنده هيپوئيدی استفاده می‌شود.

برای آشنایی با انواع گیربکس کاهنده و گیربکس افزاینده به صفحات آن رجوع کنید.

فرمول‌ و روابط محاسباتی چرخ دنده هيپوئيدی

محاسبه چرخ دنده هيپوئيدی یک فرآیند پیچیده و دقیق است که باید با استفاده از فرمول‌ها و روابط محاسباتی مناسب انجام شود. برخی از این فرمول‌ها و روابط عبارتند از:

محاسبه نسبت دندانه‌ای و سرعت خروجی: نسبت دندانه‌ای (Gear Ratio) چرخ دنده هيپوئيدی برابر است با تقسیم تعداد دندانه‌های محور فرعی به تعداد دندانه‌های محور اصلی. سرعت خروجی (Output Speed) چرخ دنده هيپوئيدی برابر است با ضرب سرعت ورودی (Input Speed) در نسبت دندانه‌ای. فرمول‌های زیر را می‌توان برای محاسبه این مقادیر استفاده کرد:

محاسبه فشار، تماس، تغذيه، تغيير شکل، استحکام، عملکرد، راندمان، ضيافت، زمان عملکرد، طول عمر، قابليت اطمينان، کيفيت، هزينه و غيره: محاسبه این مقادیر بستگی به شکل و جهت دندانه‌های چرخ دنده هيپوئيدی دارد و باید با استفاده از روش‌های تجزیه و تحلیل استاتیکی، دینامیکی، حرارتی و سایشی انجام شود. برای این منظور، می‌توان از نرم‌افزار‌های مخصوص طراحی و محاسبه چرخ دنده ها استفاده کرد.

مثال‌های عملی و حل مسئله

حل مسئله چرخ دنده هيپوئيدی یک فعالیت جذاب و آموزنده است که به شما کمک می‌کند که بهتر با خصوصیات و کاربردهای این نوع چرخ دنده آشنا شوید. برای این منظور، می‌توانید از کتاب‌ها و منابع آموزشی مانند [3] یا [4] استفاده کنید.

• مثال: در چرخ دنده هيپوئيدی ساده زیر، تعداد دندانه‌های محور اصلی 10 عدد و تعداد دندانه‌های محور فرعی 40 عدد است. اگر سرعت ورودی محور اصلی 1000 دور بر دقیقه باشد، سرعت خروجی محور فرعی چقدر است؟

حل: برای حل این مسئله، ابتدا باید نسبت دندانه‌ای چرخ دنده هيپوئيدی را محاسبه کنیم. بر اساس فرمول زیر، نسبت دندانه‌ای برابر است با:

Gear Ratio=Number of Teeth on Gear/Number of Teeth on Pinion​=40/10​=4

سپس باید سرعت خروجی محور فرعی را محاسبه کنیم. بر اساس فرمول زیر، سرعت خروجی برابر است با:

Output Speed=Input Speed×Gear Ratio=1000×4=4000 rpm

بنابراین، سرعت خروجی محور فرعی در این مثال برابر با 4000 دور بر دقیقه است.

مالعه بیشتر درمورد Hypoid Gearboxes در ویکی پدیا.

نتیجه‌گیری و منابع

در این مقاله، ما به بررسی تعریف، انواع، مزایا، معایب، کاربردها و نکات طراحی و محاسبه چرخ دنده هيپوئيدی پرداختیم. ما دیدیم که چرخ دنده هيپوئيدی یک نوع چرخ دنده است که در آن دو محور غیرموازی و غیرمتقاطع با یکدیگر تماس دارند و دندانه‌های آن‌ها به صورت مارپیچی هستند. ما نشان دادیم که چرخ دنده هيپوئيدی به علت داشتن خصوصیات و کاربردهای خاص، در صنعت و خودرو به وفور استفاده می‌شود. ما همچنین با استفاده از فرمول‌ها و روابط محاسباتی مناسب، چگونگی حل مسئله و مثال‌های عملی را نشان دادیم.