درایوهای چرخ‌دنده‌های حلزونی: اصول، انواع و کاربردها

در زمینه انتقال قدرت مکانیکی، درایوهای چرخ‌دنده‌های حلزونی به دلیل ترکیب منحصر به فرد خود از ... متمایز هستند. جهت گیری غیر موازی شفت و نسبت‌های کاهش بالاآنها یک راه حل اساسی برای کاربردهایی که نیاز به سرعت کم، گشتاور بالا و طراحی جمع و جور دارند، ارائه می‌دهند. از بلند کردن روان آسانسورها گرفته تا تنظیم دقیق آلات موسیقی، درایوهای حلزونی نقش مهمی در کنترل حرکت قابل اعتماد و کارآمد ایفا می‌کنند.

1.0چرخ دنده حلزونی چیست؟ تعریف و اجزای اصلی آن

چرخ‌دنده حلزونی نوعی سیستم چرخ‌دنده است که برای انتقال حرکت و نیرو بین دو شفت غیرموازی و غیر متقاطع (معمولاً با زاویه ۹۰ درجه) استفاده می‌شود. این چرخ‌دنده از دو عنصر اصلی تشکیل شده است: بخش محرک، کرمو بخش رانده شده، چرخ کرمانتقال حرکت از طریق سطوح دندانه مزدوج در تماس رخ می‌دهد و اساساً یک سیستم تقویت مکانیکی مبتنی بر «درگیری مارپیچی» تشکیل می‌دهد.

2.0اصول درایوهای چرخ‌دنده‌های حلزونی: کاهش سرعت، افزایش گشتاور و قفل خودکار

مزیت کلیدی درایوهای چرخ‌دنده‌های حلزونی در توانایی آنها در ارائه ... نهفته است. کاهش سرعت زیاد و تقویت گشتاور در یک سیستم فشردهاین عملیات را می‌توان در سه مرحله توضیح داد:

• انتقال قدرت: درگیری مارپیچی
  حلزون، که توسط یک موتور یا منبع تغذیه به حرکت در می‌آید، می‌چرخد و رزوه مارپیچ آن به شیارهای چرخ حلزون فشار می‌آورد و باعث می‌شود چرخ حول محور خود بچرخد. جهت چرخش هم به جهت هدایت حلزون (رزوه چپ یا راست) و هم به ورودی چرخشی آن بستگی دارد. این را می‌توان با استفاده از «قانون دست راست/دست چپ» تعیین کرد.
• نسبت کاهش و ضرب گشتاور: تعریف شده توسط هندسه
  نسبت انتقال قدرت صرفاً توسط تعداد استارت‌های حلزون (z₁) و تعداد دندانه‌های چرخ حلزون (z₂) تعیین می‌شود، مستقل از ماژول یا قطر. فرمول آن به صورت زیر است:
  $$i = \frac{n_1}{n_2} = \frac{z_2}{z_1}$$
  برای مثال، یک حلزون تک‌راهه (z₁ = 1) که یک چرخ ۴۰ دندانه (z₂ = 40) را می‌چرخاند، منجر به نسبت ۴۰:۱ می‌شود - به این معنی که حلزون باید ۴۰ دور بچرخد تا چرخ یک دور کامل را طی کند. طبق اصل پایستگی توان (با صرف نظر از تلفات)، کاهش سرعت به ضرب گشتاور متناسب تبدیل می‌شود و این امر باعث می‌شود که حلزون‌ها بتوانند ماشین‌آلات سنگین مانند آسانسورها و پرس‌ها را به حرکت درآورند.

• قفل خودکار: جلوگیری از رانندگی معکوس
  وقتی زاویه پیشروی حلزون کوچکتر از زاویه اصطکاک مش چرخ دنده باشد، چرخ حلزون نمی‌تواند حلزون را به صورت معکوس حرکت دهد. این به عنوان ... شناخته می‌شود. اثر خود قفل شوندگیکرم‌های تک استارت، با زوایای هدایت کوچکتر، احتمال بیشتری برای قفل شدن خودکار دارند، که آنها را برای کاربردهایی که نیاز به جلوگیری از حرکت معکوس دارند (مانند بالابرهای دستی، مکانیسم‌های تنظیم) مناسب می‌کند. کرم‌های چند استارت، با زوایای هدایت بزرگتر، معمولاً قفل شدن خودکار را ارائه نمی‌دهند.

3.0انواع اصلی درایوهای چرخ‌دنده‌های حلزونی: طبقه‌بندی‌های ساختاری

چرخ‌دنده‌های حلزونی را می‌توان بر اساس طراحی ساختاری حلزون و چرخ حلزون دسته‌بندی کرد. هر نوع بسته به ظرفیت بار، راندمان و دقت مورد نیاز، مزایای متمایزی ارائه می‌دهد.

بر اساس ساختار کلی درایو

• چرخ دنده حلزونی بدون گلوگاههر دو نوع حلزونی و چرخ حلزونی فاقد گلوگاه (شیار) هستند. ساده‌ترین طراحی با حداقل سطح تماس، مناسب برای کاربردهای سبک و با دقت پایین مانند نوار نقاله‌های معمولی.
• چرخ دنده حلزونی تک گلوگاهیچرخ حلزونی دارای یک پروفیل گلویی مقعر است که تا حدی به دور حلزون می‌پیچد و در مقایسه با نوع بدون گلویی، سطح تماس را افزایش می‌دهد. این چرخ حلزونی، راندمان و ظرفیت بار بهبود یافته‌ای را فراهم می‌کند که معمولاً در سیستم‌های صنعتی که نیاز به دقت بالاتری دارند، مانند محرک‌ها و مکانیسم‌های بالابر، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• چرخ دنده حلزونی دو دهانههر دو نوع حلزونی و چرخ حلزونی دارای طرح‌های گلوگاهی (حلقه‌ای مقعر و محدب) هستند. این پیکربندی حداکثر سطح تماس و بالاترین ظرفیت بار را ارائه می‌دهد و نیاز به تولید دقیق دارد. این نوع برای تجهیزات سنگین مانند پرس‌های صنعتی و ماشین‌های ابزار دقیق مناسب است.

توسط طراحی کرم

• کرم پوششی (کرم ساعت شنی)قطر حلزون از مرکز به سمت انتها افزایش می‌یابد و یک پروفیل "ساعت شنی" تشکیل می‌دهد. این امر باعث ایجاد سطوح تماس بزرگتر با چرخ حلزون می‌شود و در نتیجه راندمان انتقال بالاتر می‌رود. معمولاً در سناریوهای بار متوسط تا سنگین استفاده می‌شود.
• کرم دو پوششی (کرم سطحی مزدوج): ترکیبی از یک حلزونی پوششی با یک چرخ حلزونی کاملاً پوششی. سطوح دندانه در طول درگیری تماس یکنواختی را حفظ می‌کنند و در مقایسه با حلزونی‌های پوششی استاندارد، ظرفیت بار و دقت بالاتری را ارائه می‌دهند. معمولاً در کاربردهای با دقت بالا و بار سنگین مانند اتصالات رباتیک و کاهنده‌های سنگین استفاده می‌شود.

توسط طراحی چرخ کرم

• چرخ حلزونی تخت فرزکاری شده: تولید شده با فرز، با زاویه مارپیچ 0 درجه و سطح دندانه صاف. درگیری در نقاط محدودی رخ می‌دهد که منجر به دقت کم و هزینه پایین می‌شود. فقط برای مصارف سبک مانند درایوهای اسباب‌بازی مناسب است.
• چرخ حلزونی تخت هوب شده: تولید شده با فرزکاری، دقت گام بالاتر، سطوح صاف‌تر و مقاومت سایشی بهتری نسبت به چرخ‌های فرزکاری شده ارائه می‌دهد. مناسب برای کاربردهای با بار متوسط و دقت عمومی مانند گیربکس‌های استاندارد.
• چرخ کرم محدبدارای یک پروفیل منحنی است که وقتی با یک حلزونی مقعر (مانند طراحی دو گلو) جفت می‌شود، "درگیری دو شیار" ایجاد می‌کند. این امر بالاترین نسبت تماس، بهترین راندمان و حداکثر ظرفیت بار را فراهم می‌کند و آن را برای سیستم‌های با دقت بالا و سنگین مانند مکانیزم‌های تغذیه ماشین ابزار ایده‌آل می‌کند.

4.0فرآیندهای تولید درایوهای چرخ‌دنده‌های حلزونی: دقت، عملکرد را تعریف می‌کند

سطوح دندانه‌های حلزون و چرخ حلزون، سطوح منحنی مزدوج هستند که برای اطمینان از دقت مناسب در شبکه‌بندی، به فرآیندها و تجهیزات تخصصی نیاز دارند. روش‌های تولید حلزون و چرخ‌های حلزون تفاوت قابل توجهی دارند.

فرآیندهای تولید کرم
نکته کلیدی، حفظ دقت و ثبات دندانه‌های مارپیچ است که بر اساس دقت به سه سطح طبقه‌بندی می‌شوند:

• دقت پایین (پایه‌های ۹ تا ۱۲): تولید شده توسط فرزکاری، با استفاده از برش‌دهنده‌های دیسکی (برای ماژول‌های کوچک) یا برش‌دهنده‌های انگشتی (برای ماژول‌های بزرگتر) مستقیماً روی دستگاه فرز. بدون نیاز به تجهیزات خاص، مناسب برای کاربردهای سبک مانند وینچ‌های دستی.
• دقت متوسط (کلاس‌های ۷-۸): با فرزکاری با یک صفحه حلزونی (ابزاری که به چرخ حلزون متصل است) تولید می‌شود. این فرآیند شامل ایجاد حرکت (چرخش صفحه به علاوه تغذیه قطعه کار) در یک دستگاه فرزکاری چرخ دنده است. راندمان بالا و دقت قابل اعتماد، این روش را به روش اصلی برای تولید انبوه، به عنوان مثال، حلزون‌های فرمان خودرو، تبدیل کرده است.
• دقت بالا (کلاس‌های ۴ تا ۶): تولید شده توسط سنباده کاری + سنگ زنیپس از سنباده‌زنی، پرداخت نهایی با استفاده از چرخ سنگ‌زنی حلزونی روی یک سنگ‌زن مخصوص انجام می‌شود تا خطاها اصلاح شده و زبری سطح کاهش یابد (Ra ≤ 0.8 μm). مناسب برای ماشین‌های ابزار دقیق و رباتیک.

فرآیندهای تولید چرخ حلزون
چرخ حلزون باید از اتصال دقیق با حلزون اطمینان حاصل کند. دو رویکرد اصلی استفاده می‌شود:

• چرخ کرم انتگرالبرای کاربردهای کوچک و سبک (مثلاً گیربکس‌های مینیاتوری)، یک قطعه خام مستقیماً به شکل نهایی خود در می‌آید و نیازی به مونتاژ ندارد.
• چرخ کرم کامپوزیتیبرای کاربردهای بزرگ و سنگین (مثلاً تجهیزات بالابری). از دو بخش ساخته شده است:
  • (1) یک لبه دنده برنزی، که برای دقت، شیاردار (و گاهی تراشیده) شده است؛
  • (2) یک توپی چدنی یا فولادی، که برای قطر خارجی و سوراخ‌های پیچ، روی دستگاه تراش چرخانده شده است؛
  • (3) از طریق اتصالات تداخلی یا پیچ و مهره مونتاژ می‌شود و مقاومت در برابر سایش را با هزینه متعادل می‌کند.

تجهیزات تولید کلیدی

• پردازش پایه: ماشین‌های فرز چرخ‌دنده (مارپیچ‌های با دقت پایین)، ماشین‌های تراش (توپی).
• پردازش هستهماشین‌های فرزکاری چرخ‌دنده (چرخ‌های حلزونی و حلزونی با دقت متوسط/بالا)، ماشین‌های تراشیدن چرخ حلزونی (پرداخت چرخ).
• پردازش با دقت بالا: سنگ فرزهای حلزونی (کرم های دقیق)، پرس های هیدرولیک (مونتاژ چرخ های کامپوزیتی).

5.0انتخاب مواد: ایجاد تعادل بین مقاومت در برابر سایش و عملکرد ضد تشنج

مجموعه چرخ‌دنده‌های حلزونی برای ایجاد تعادل بین دوام و خواص ضد سایش، به یک «جفت سخت-نرم» متکی هستند.

• مواد کرمنیاز به سختی و مقاومت در برابر سایش بالا. انتخاب‌های رایج شامل فولاد ۴۵ (سخت‌کاری القایی، HRC 55-60) و ۲۰CrMnTi (کربن‌دهی و کوئنچ شده، HRC 58-62) برای سطوح دندانه‌ای با دوام طولانی است.
• مواد چرخ حلزونی: به عملکرد بالای ضد اصطکاک و ضد سایش نیاز دارند. گزینه‌های رایج شامل برنز قلع (ZCuSn10Pb1، برای سرعت بالا و کار سنگین)، برنز آلومینیوم (برای سرعت متوسط و بار متوسط) و چدن (برای سرعت پایین و کار سبک) است. در کاربردهای سبک، نایلون ممکن است برای جلوگیری از خرابی‌های ناشی از سایش استفاده شود.

6.0کاربردهای معمول درایوهای چرخ‌دنده حلزونی: ارزش تعریف‌شده بر اساس مورد استفاده

با تشکر از آنها ساختار جمع و جور، نسبت کاهش بالا، عملکرد روان و قابلیت قفل خودکار، درایوهای چرخ دنده حلزونی به طور گسترده در چندین بخش کاربرد دارند:

کاربردهای صنعتی

• انتقال و بلند کردننوار نقاله‌ها (کاهش سرعت با افزایش گشتاور)، آسانسورها و بالابرها (قفل خودکار برای ایمنی، کنترل سرعت روان).
• ماشین آلات سنگینپرس‌های صنعتی (گشتاور خروجی بالا)، سیستم‌های تغذیه ماشین ابزار (حرکت با دقت بالا برای دقت ماشینکاری).
• تجهیزات ویژهموارد انتقال نیرو در خودروهای چهار چرخ محرک (سیستم انتقال قدرت با محور متقاطع)، سیستم‌های ترمز (قفل خودکار برای جلوگیری از حرکت معکوس).

کاربردهای مصرفی و دقیق

• کوک کردن آلات موسیقی: کوک‌های گیتار و ویولن (خود قفل شونده برای حفظ کشش سیم، تنظیم دقیق).
• دستگاه‌های ایمنیدرب‌های امنیتی اتوماتیک (خود قفل شونده برای جلوگیری از باز شدن اجباری).
• ماشین آلات روزمرهوینچ تریلر قایق (بلند کردن بارهای سنگین با افزایش گشتاور)، چرخ ماهیگیری (چرخش نرم با قابلیت ضد معکوس شدن).

7.0نتیجه‌گیری: مزایا و محدودیت‌های درایوهای چرخ‌دنده‌های حلزونی

مزایای کلیدی:

1. نسبت‌های کاهش تک مرحله‌ای بزرگ (۱۰-۱۰۰) در یک فرم فشرده
2. کارکرد روان و بی‌صدا
3. قابلیت قفل شدن خودکار ذاتی
4. چیدمان شفت قائمه بدون مکانیزم‌های پیچیده معکوس کردن

محدودیت‌های اصلی:

1. اصطکاک لغزشی بالا بین سطوح دندانه، که منجر به راندمان پایین‌تر می‌شود (معمولاً 60-70% برای حلزونی‌های تک‌راهه)
2. سایش نسبتاً سریع، نیاز به روغن کاری منظم
3. به دلیل تولید گرما و خطر جوش آوردن، برای کاربردهای پرسرعت یا پرقدرت مناسب نیست

به طور کلی، درایوهای چرخ دنده حلزونی یک مدل کلاسیک را نشان می‌دهند. بده‌بستان «کارایی در ازای عملکرد»، همچنان یک راه حل ضروری برای کاربردهای کم سرعت، با بار متوسط تا سبک است که در آن طراحی جمع و جور، ایمنی و قابلیت اطمینان بسیار مهم هستند.

 

منابع

www.machinerylubrication.com/Read/1080/worm-gears

en.wikipedia.org/wiki/Worm_drive

www.wmberg.com/resources/blogs/guide-to-worm-gear-drives

www.iqsdirectory.com/articles/gear/worm-gears.html