مدیر پاسارگاد صنعت ز لحاظ نظری، گیربکس های حلزونی «خود قفل شونده» را نمی توان به صورت معکوس حرکت داد. اما در جایی که ایمنی مهم است، تنها به این بیانیه ی نظری اعتماد نکنید.
برای محک زدن و بررسی سطح دانش خود درباره ی چگونگی عملکرد چرخدنده های حلزونی گزاره های کوتاهی را مرور کنیم:
یک چرخدنده ی خود قفل شونده ی تحت بار، نمی تواند در خلاف جهتی که برای چرخش آن در نظر گرفته شده بچرخد. (درست یا نادرست؟)
اگر یک چرخدنده ی حلزونی، خود قفل شونده یا بازگشت ناپذیر باشد به این معناست که نمی تواند حلزونی را به حرکت در آورد. (درست یا نادرست؟)
معمولاً در عمل نمی توان چرخدنده ی حلزونی بازگشت ناپذیر ایمن طراحی کرد. (درست یا نادرست؟)
در شرایط مشخص، همه ی عبارت های بالا درست هستند. اولین گزاره از مقاله ی «چرخدنده های خود قفل شونده: چه هستند، چه می کنند» PTD، 89/5 (Self-locking gears: what they are, what they do) استخراج شده است. دومین و سومین عبارت از کتاب راهنمای ماشین آلات (Machinery’s Handbook)، ویرایش 24اُم آمده اند.
گیربکس حلزونی خود قفل شونده
با این اوصاف، چگونه می توان این عبارت های به ظاهر متناقض را با هم تطبیق داد: بار نمی تواند در جهت عکس بچرخد و در عین حال، طراحی چرخدنده ی بازگشت ناپذیر عملی نیست؟ توضیح این تناقض در درک تفاوت میان طراحی نظریِ چرخدنده و جنبه های عملی در کاربردهای مهندسی نهفته است.
حتما بخوانید: گیربکس های حلزونی چه زمانی خود قفل شونده هستند و این عملکرد در کجا مفید است؟
فهرست محتوا پنهان
1 کاربردها درس های سختی به ما می آموزند
2 آزمایش زاویه ی اصطکاک
3 نظریه ی چرخدنده ی حلزونی
4 دستورالعمل های طراحی با گیربکس حلزونی
کاربردها درس های سختی به ما می آموزند
در چند سال اخیر، مهندسانِ تحلیل شکست، دو حادثه ی مربوط به چرخدنده های حلزونی را که منجر به مجروحیت کاربر شده بود بررسی نمودند. در هر کدام از این دو مورد، طراح یک گیربکس حلزونی از کاتالوگ انتخاب کرده و در بالابر مخصوص بالا و پائین بردن افراد استفاده کرده بود. در هر دو مورد، تصور طراح بر این بود که ممکن نیست بار (شخص به علاوه ی سکو) به خودی خود پائین برود. هر دو طراح برای نگهداشتن بار در موقعیت دلخواه به چرخدنده های حلزونی خود قفل شونده اطمینان کرده و واقعاً معتقد بودند که نیازی به تعبیه ی ترمز الکتروموتور برای چرخدنده ی حلزونی در این کاربردِ حساس نیست. در نتیجه این درک نادرست از عملکرد گیربکس های حلزونی باعث ایجاد خسارت و آسیب رسیدن به افراد شده بود.
آزمایش زاویه ی اصطکاک
برای درک تفاوت میان نظریه و کاربرد مرسوم چرخدنده های حلزونی، بیایید ابتدا یک آزمایش انجام دهیم. یک سکه ی کوچک را روی کتابی که روی میز خوابانیده اید قرار دهید. یک گوشه ی کتاب را به آرامی بالا بیاورید تا سکه شروع به سُر خوردن به سمت پایین بکند. سپس، همان سمت کتاب را کمی پایین بیاورید تا سکه در جای خود ثابت بماند. به محض قرار گرفتن کتاب در حالتی که سکه دیگر سُر نخورد و در جای خود ثابت بماند، زاویه ی تشکیل شده بین کتاب و میز، زاویه ی اصطکاک استاتیک خوانده می شود. اندازه ی این زاویه بستگی به مقدار اصطکاک میان سکه و کتاب دارد.
حال، در شرایطی که کتاب در زاویه ی اصطکاک نگهداشته شده است، ضربه ی ملایمی به کتاب بزنید و توجه کنید که سکه به سمت پائین سُر می خورد. ارتعاش (ضربه) سبب تغییر اصطکاک از حالت استاتیک به دینامیک می شود؛ مقدار اصطکاک دینامیک از استاتیک کمتر است، در نتیجه امکان سُر خوردن سکه فراهم می گردد.
بست رزوه ای (threaded fastener) هم به همین صورت عمل می کند. زاویه ی حلزونی رزوه ی این بست آنقدر کوچک است که از چرخش آن تحت بار استاتیک جلوگیری می نماید. اما در صورت افزایش ارتعاش، بست شل می شود. زاویه ی حلزونی و ضریب اصطکاک، عناصر کلیدی در تعیین زاویه ی اصطکاک هستند که سبب می شود «اشیا در جای خود باقی بماند.»
زاویه اصطکاک
نظریه ی چرخدنده ی حلزونی
تعدادی مرجع وجود دارند که کمک می کنند نظریه ی هندسه ی چرخدنده ی حلزونی را درک کنید. نمونه هایی از این مراجع عبارتند از مبانی طراحی ماشین از یوف هیندهد(Machine Design Fundamentals by Uffe Hindhede) (که نوشتار بسیار خوبی دارد و نیاز به مهارت های ریاضی بسیار کمی دارد)، کتاب راهنمای ماشین آلات و مقاله ی PTD 89/5 که قبلاً به آن اشاره شد.
همه ی تحلیل های نظری درباره ی چرخدنده های حلزونی خود قفل شونده مربوط به شرایط استاتیک هستند. در چنین تحلیل هایی، اگر ضریب اصطکاک بین چرخدنده ی حلزونی و خود حلزونی بزرگتر از تانژانت زاویه ی پیشروی (lead angle) حلزونی باشد، بار وارد بر چرخدنده ی حلزونی نمی تواند حلزونی را بچرخاند. به عبارت دیگر، زاویه ی اصطکاک باید بزرگتر از زاویه ی پیشروی باشد تا از حرکت به عقب جلوگیری شود.
یک گیربکس حلزونی را با زاویه ی پیشروی 5 درجه و ضریب اصطکاک استاتیک 0.13 در نظر بگیرید. آرک تانژانت ضریب اصطکاک 7.4 درجه است که برابر با زاویه ی اصطکاک می باشد. از آنجایی که زاویه ی اصطکاک بزرگتر از زاویه ی پیشروی است، چرخدنده ی حلزونی که زاویه ی پیشروی آن برابر با 5 درجه باشد، از لحاظ استاتیکی خود قفل شونده محسوب می گردد. با این حال، اگر این گیربکس خود قفل شونده تحت اثر شوک یا ارتعاش قرار گیرد، ممکن ضریب اصطکاک میان حلزونی و چرخدنده ناگهان افت کند. اگر مقدار این ضریب به 0.08 برسد، زاویه ی اصطکاک (آرک تانژانت 0.08) کم شده و به مقدار 4.6 درجه می رسد که از زاویه ی پیشروی، یعنی 5 درجه، کمتر است. در طول زمانی که ضریب اصطکاک 0.08 است، چرخدنده ها دیگر خود قفل شونده نیستند و حرکت به عقب رخ خواهد داد. اگر حرکت به عقب شروع شود، معمولاً ادامه خواهد یافت زیرا ضریب اصطکاک با افزایش سرعت کاهش می یابد.
زاویه پیشروی حلزونی
متقابلاً، در شرایطی که شوک و ارتعاش وجود نداشته باشد، احتمالاً عملکرد خود قفل شوندگی همانطور که انتظار می رود انجام خواهد شد. البته، چنین عملکردی در شرایط بدون ارتعاش به ندرت اتفاق می افتد. در ضمن، عوامل دیگری مانند دما نیز می توانند اصطکاک را تحت تأثیر خود قرار دهند.
جهت مشاوره فنی و همچنین استعلام موجودی و قیمت انواع گیربکس با کارشناسان سام تجهیز تماس حاصل فرمایید.
دستورالعمل های طراحی با گیربکس حلزونی