چرخ دنده داخلی چیست؟

امروزه در دنیای مهندسی مکانیک و طراحی سیستم های انتقال قدرت، شناخت دقیق اجزاء و قطعات مختلف اهمیت بسیار زیادی دارد و یکی از جذاب ترین و پیچیده ترین این قطعات، چرخ دنده داخلی است. چرخ دنده داخلی یا همان Internal Gear به نوع خاصی از چرخ دنده ها گفته می شود که دندانه های آن برخلاف چرخ دنده های معمولی که بر روی سطح خارجی استوانه قرار دارند، در سطح داخلی یک استوانه یا حلقه تعبیه شده اند.

این تفاوت ظاهری ساده، منجر به تغییرات بنیادین در نحوه عملکرد، فضای مورد نیاز و ویژگی های سینماتیکی سیستم می شود. زمانی که شما به یک چرخ دنده ساده خارجی نگاه می کنید، دندانه ها به سمت بیرون اشاره دارند و درگیری دو چرخ دنده خارجی باعث می شود که جهت چرخش شفت خروجی برعکس شفت ورودی باشد، اما در چرخ دنده های داخلی داستان کاملا متفاوت است. در این نوع مکانیزم، معمولا یک چرخ دنده کوچک تر خارجی که به آن پینیون گفته می شود، در داخل حفره چرخ دنده بزرگ تر قرار می گیرد و با دندانه های داخلی آن درگیر می شود.

یکی از ویژگی های بارز و منحصر به فرد این نوع چرخ دنده ها، این است که به دلیل قرار گرفتن پینیون در دل چرخ دنده بزرگ تر، فاصله مرکز تا مرکز دو محور کاهش می یابد و این موضوع باعث می شود تا سیستم انتقال قدرت بسیار فشرده تر و جمع و جورتر طراحی شود. این فشردگی در طراحی ماشین آلات مدرن که محدودیت فضا در آن ها یک چالش اصلی محسوب می شود، یک مزیت حیاتی است.

ساز و کار حرکتی چرخ دنده داخلی

ساز و کار حرکتی در سیستم هایی که از چرخ دنده داخلی استفاده می کنند، دارای ظرافت ها و پیچیدگی های فنی بسیار زیادی است که آن را از سایر سیستم های چرخ دنده ای متمایز می کند و درک عمیق آن برای هر مهندس مکانیکی ضروری است. در یک جفت دنده داخلی، همان طور که اشاره شد، یک چرخ دنده خارجی کوچک (پینیون) با یک چرخ دنده داخلی بزرگ (رینگ) درگیر می شود و نکته کلیدی در حرکت آن ها این است که هر دو چرخ دنده در یک جهت می چرخند.

این ویژگی هم جهت بودن چرخش ورودی و خروجی، نیاز به استفاده از چرخ دنده های هرزگرد برای اصلاح جهت را در بسیاری از طراحی ها حذف می کند و باعث ساده تر شدن ساختار کلی گیربکس می شود. از نظر سینماتیکی، درگیری دندانه ها در این سیستم نسبت به دنده های خارجی نرم تر است و دلیل آن هم شکلی است که سطوح تماس با یکدیگر دارند؛ در دنده های خارجی دو سطح محدب با هم تماس دارند، اما در دنده داخلی یک سطح محدب (پینیون) با یک سطح مقعر (دنده داخلی) در تماس است.

این تطابق هندسی باعث می شود که سطح تماس افزایش یابد و فشار تماسی هرتز (Hertzian contact stress) کاهش پیدا کند که نتیجه آن افزایش طول عمر قطعه و کاهش سایش در طول زمان است.
اگر به دنبال خدمات تخصصی در زمینه ماشین کاری و مهندسی هستید، مجموعه اقدم صنعت با تجربه طولانی در این حوزه می تواند راهگشای نیازهای صنعتی شما باشد.

مسئله مهم دیگر در ساز و کار حرکتی این قطعات، بحث “سرعت لغزش” است; در چرخ دنده های داخلی سرعت لغزش بین دندانه ها کمتر از دنده های خارجی مشابه است و این موضوع باعث کاهش اصطکاک و در نتیجه کاهش تولید گرما و افزایش راندمان کلی سیستم می شود.

مثال برای ساز و کار حرکتی چرخ دنده داخلی

برای درک بهتر عملکرد و ساز و کار حرکتی چرخ دنده داخلی، هیچ مثالی بهتر و گویاتر از سیستم دنده های خورشیدی یا سیاره ای (Planetary Gear Set) نیست که در بسیاری از گیربکس های اتوماتیک خودروها استفاده می شود. در یک مجموعه دنده خورشیدی استاندارد، ما شاهد شاهکاری از مهندسی هستیم که در آن یک چرخ دنده خورشیدی در مرکز قرار دارد، چندین چرخ دنده سیاره ای به دور آن می چرخند و همه این مجموعه توسط یک چرخ دنده داخلی بزرگ که به آن رینگ (Ring Gear) می گویند، احاطه شده است.

در این مثال، چرخ دنده داخلی نقش یک محفظه و ریل حرکت را برای دنده های سیاره ای بازی می کند و تمام گشتاور منتقل شده از طریق دنده های سیاره ای را کنترل یا منتقل می کند. فرض کنید در یک گیربکس اتوماتیک، چرخ دنده داخلی ثابت نگه داشته شود و نیروی ورودی به دنده خورشیدی وارد شود; در این حالت دنده های سیاره ای مجبور می شوند در داخل محیط دنده داخلی حرکت کنند و حامل (Carrier) را با سرعتی کمتر اما گشتاوری بسیار بالاتر به چرخش درآورند.

این مثال به وضوح نشان می دهد که چگونه دنده داخلی امکان ایجاد نسبت های تبدیل دور بسیار بزرگ را در فضایی بسیار کوچک فراهم می کند. اگر به جای دنده داخلی، می خواستیم همین نسبت تبدیل را با دنده های ساده خارجی ایجاد کنیم، نیاز به گیربکسی با طول بسیار بیشتر و محورهای متعدد داشتیم که هم وزن خودرو را افزایش می داد و هم فضای زیادی را اشغال می کرد.

کاربرد چرخ دنده داخلی چیست؟

کاربردهای چرخ دنده داخلی در صنعت بسیار گسترده و حیاتی است و دلیل اصلی این گستردگی، مزایای مکانیکی منحصر به فردی است که این قطعه نسبت به سایر انواع چرخ دنده ها ارائه می دهد. یکی از مهم ترین کاربردهای این نوع چرخ دنده، در سیستم هایی است که نیاز به کاهش سرعت زیاد و افزایش گشتاور در یک مرحله دارند، زیرا هندسه خاص آن اجازه می دهد تا نسبت تماس (Contact Ratio) بیشتری داشته باشیم و نیروی بیشتری را بدون افزایش ابعاد فیزیکی منتقل کنیم.

در صنایع سنگین و ماشین آلات راه سازی، از چرخ دنده های داخلی در فاینال درایو (Final Drive) چرخ های بولدوزرها و لودرها استفاده می شود تا گشتاور عظیم موتور را به چرخ ها منتقل کنند؛ در این شرایط، چرخ دنده داخلی نه تنها گشتاور را افزایش می دهد، بلکه به دلیل قرار گرفتن سایر اجزا در درون آن، از آن ها در برابر گرد و خاک و آسیب های فیزیکی محافظت می کند.

ایمنی بالاتر یکی دیگر از جنبه های کاربردی این قطعات است، چرا که دندانه ها و نقاط درگیری در سمت داخل قرار دارند و احتمال گیر کردن لباس یا اعضای بدن اپراتور در آن ها بسیار کمتر از دنده های خارجی است که دندانه هایشان کاملا در معرض دید و تماس هستند.

برای سفارش و مشاوره در زمینه ساخت چرخ دنده می توانید از خدمات تخصصی استفاده کنید تا قطعه ای دقیق و متناسب با نیاز خود داشته باشید. علاوه بر این، چرخ دنده های داخلی در پمپ های هیدرولیک دنده ای (Internal Gear Pumps) کاربرد وسیعی دارند؛ در این پمپ ها که به پمپ های ماه و ستاره نیز معروف هستند، چرخش پینیون در داخل دنده داخلی باعث ایجاد خلاء و مکش روغن شده و سپس با کاهش حجم فضای بین دنده ها، روغن را با فشار بالا به سمت خروجی هدایت می کند.

چرخ دنده داخلی در چه وسایلی کاربرد دارد

دامنه وسایلی که در آن ها از چرخ دنده داخلی استفاده می شود بسیار متنوع است و از ابزارهای کوچک خانگی تا توربین های عظیم بادی را شامل می شود که نشان دهنده انعطاف پذیری بالای این قطعه مکانیکی است. یکی از آشناترین وسایل برای عموم مردم، دوچرخه های دنده ای شهری است که از سیستم دنده داخلی در توپی چرخ عقب (Internal Geared Hub) استفاده می کنند؛ در این دوچرخه ها تمام مکانیزم تغییر دنده درون توپی و داخل یک یا چند چرخ دنده داخلی قرار گرفته است که باعث می شود زنجیر نیازی به جابجایی نداشته باشد و سیستم از آب، گل و ضربه محافظت شود که نگهداری آن را بسیار آسان می کند.

در مقیاسی بزرگتر، توربین های بادی برای افزایش سرعت چرخش پره ها (که بسیار کند است) به سرعتی که برای ژنراتور مناسب باشد، از گیربکس های سیاره ای عظیم استفاده می کنند که جزء اصلی آن ها رینگ های دندانه داخلی با قطر چند متر است؛ این قطعات باید بتوانند بارهای متغیر و بسیار سنگین باد را برای سال های طولانی تحمل کنند. در صنعت هوافضا نیز، موتورهای توربوپراپ هواپیماها برای کاهش دور توربین و انتقال آن به ملخ هواپیما از گیربکس هایی بهره می برند که مبتنی بر چرخ دنده داخلی هستند، زیرا وزن کم و حجم کوچک در هواپیما اولویت اول طراحی است.

علاوه بر این موارد، در صنعت خودروهای هیبریدی مانند تویوتا پریوس، از یک سیستم تقسیم قدرت (Power Split Device) استفاده می شود که قلب تپنده آن یک مجموعه دنده سیاره ای شامل چرخ دنده داخلی است; این سیستم به طور هوشمندانه نیروی موتور بنزینی و موتورهای الکتریکی را ترکیب یا تفکیک می کند تا به بهینه ترین مصرف سوخت دست یابد.