مهمترین مطالب در باره گیربکس صنعتی

۱- گيربكس چيست

چرخدنده ها برای انتقال گشتاور و دور در یک مجموعه مورد استفاده قرار می گیرند. به عنوان مثال در یک اتومبیل مجموعه گیربکس، گشتاور و دور را از موتور تحویل می گیرد و به چرخ ها انتقال می دهد. گیربکس ها بسته به نوع کاربرد برای تغییر دور، گشتاور و جهت چرخش مورد استفاده قرار می گیرند. گیربکس ها می توانند شامل دو چرخدنده یا بیشتر باشند. چرخدنده ای که دور را از یک منبع خارجی دریافت می کند (مثال: الکتروموتور، توربین بادی، موتور ماشین و …) را چرخدنده محرک (Driver Gear) و چرخدنده ای که توسط چرخدنده اول در حال چرخش است را چرخدنده متحرک(Driven Gear) می نامند. در صورتیکه تعداد دور ورودی گیربکس به تعداد دور خروجی گیربکس تقسیم شود، عدد بدست آمده را نسبت تبدیل گیربکس می نامند. به عنوان مثال اگر دور ورودی در یک گیربکس ۲۰۰۰rpm باشد و دور خروجی ۵۰۰rpm باشد، نسبت تبدیل (Ratio) برابر با ۴ می باشد. از مهمترین نکات در مورد گیربکس ها می توان به موارد زیر اشاره نمود:

• گیربکس ها می توانند دور را افزایش یا کاهش دهند که به ترتیب گیربکس افزاینده و گیربکس کاهنده نامیده می شوند.
• در چرخدنده های ساده جهت چرخش چرخدنده محرک و متحرک عکس یکدیگر می باشد. به عنوان مثال اگر جهت چرخ چرخدنده ورودی ساعتگرد (Clock Wise) باشد، جهت چرخش چرخدنده خروجی پادساعتگرد (Counter Clock Wise) خواهد بود.
• در صورتیکه چرخدنده اولیه دارای قطر بیشتری نسبت به چرخدنده ثانویه باشد، گیربکس افزاینده می باشد.
• گیربکس ها می توانند زاویه محور چرخش را نیز تغییر دهند. به عنوان مثال در دیفرانسیل اتوموبیل، محور چرخش به میزان ۹۰ درجه تغییر جهت می دهد.
• در گیربکس کاهنده میزان گشتاور افزایش می یابد و در گیربکس افزاینده میزان گشتاور کاهش می یابد.

انواع گيربكس و كاربردهاي گیربکس در صنايع مختلف

گیربکس ها از مهمترین و پرکاربردترین مکانیزم ها در صنایع مختلف می باشند. گیربکس ها در صنایع نیروگاهی، صنایع پالایشگاهی، صنعت سیمان، صنایع بادی، صنایع خودروسازی، صنایع کاشی، کشاورزی، صنایع چوب و MDF ، صنعت آب و فاضلاب و بسیاری از صنایع دیگر کاربرد دارند. در ادامه انواع گیربکس و کاربردهای گیربکس در صنایع مختلف آورده شده است.

• گیربکس هلیکال (Helical Gearbox)

گیربکس هلیکال دارای چرخدنده با مارپیچ زاویه دار می باشد که موجب می شود که مصرف انرژی در این گیربکس ها حداقل باشد و از طرف دیگر سایز گیربکس نیز بهینه شود. گیربکس هلیکال دارای کاربردهای مختلفی در صنعت می باشد اما اصولا در کاربردهای سنگین مورد استفاده قرار می گیرد. گیربکس هلیکال در صنایع ساخت پلاستیک، صنعت سیمان، صنایع لاستیک سازی و سایر صنایع سنگین مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین گیربکس هلیکال در کانوایر، کولر، ميكسر و اکسترودر و برخی کاربردهای سبک دیگر نیز مورد استفاده قرار می گیرد. ساختار چرخدنده های گیربکس هلیکال به گونه ای می باشد که موجب می شود بالاترین سطح تماس بین چرخدنده ها ایجاد شود که امکان انتقال گشتاور بیشتر را ایجاد می کند و صدای کمتری نسبت به چرخدنده های ساده ایجاد می کند. گیربکس های هلیکال بسته به نوع کاربرد می توانند به صورت شافت مستقیم (Direct Shaft Gearmotor) یا گیربکس آویز (Parallel shaft) باشند. گیربکس هلیکال در کاربردهای بسیار سنگین را گیربکس صنعتی نیز می نامند.

Parallel Shaft Gearbox	Helical Direct Shaft Gearbox

• گیربکس کرانویل پینیون (Helical Bevel Gearbox)

گیربکس کرانویل پینیون دارای چرخدنده های مخروطی مارپیچ می باشد و برای انتقال قدرت در محورهای متنافر مورد استفاده قرار می گیرد. از مهمترین کاربردهای گیربکس کرانویل پینیون صنایع معدنی، آسانسور و کانوایرها می باشد.

• گیربکس حلزونی (Helical Worm Gearbox)

گیربکس حلزونی برای کاهش دور با نسبت های متفاوت و انتقال قدرت بین دو محور متنافر مورد استفاده قرار می گیرد. گیربکس حلزونی شامل یک چرخ حلزون و یک پیچ می باشد که حرکتی مانند حرکت پیچ را ایجاد می کند. یکی از ویژگی های گیربکس حلزونی خاصیت خود قفل کنی یا Self-locking می باشد به این معنی که در صورتیکه عامل محرک گیربکس از حرکت بایستد، گیربکس به حرکت خود ادامه نخواهد داد. از کاربردهای گیربکس حلزونی می توان به صنایع شیمیایی، معادن، دارو سازی، آسانسور و ماشین آلات صنعتی اشاره کرد. یکی از کاربردهای رایج گیربکس های حلزونی، استفاده از دو گیربکس به صورت ترکیبی می باشد. در این حالت می توان نسبت تبدیل بزرگتری ایجاد کرد.

• گیربکس خورشیدی (Planetary Gearbox)

گیربکس خورشیدی یا گیربکس سیاره ای از لحاظ دقت، راندمان و فشردگی نسبت به سایر گیربکس ها شرایط بهتری دارد. گیربکس خورشیدی با عملکرد بهینه ای که دارد، عمر مجموعه را افزایش می دهد. با تغییر در تعداد طبقات و انتخاب چرخدنده های مختلف، بازه بسیار گسترده ای از نسبت تبدیل در این گیربکس ها را می توان بوجود آورد که نسبت تبدیل تا ۵۰۰ را می توان با یک گیربکس ایجاد نمود. گیربکس خورشیدی در صنایع مختلفی مورد استفاده قرار می گیرد که از آن جمله می توان به صنایع آب و فاضلاب، توربین بادی، بال میل، وینچ های بزرگ، صنایع چوب و MDF و صنعت سیمان اشاره نمود.

اجزاي مختلف گيربكس:

۳-۱- چرخدنده:

چرخدنده عامل اصلی در انتقال گشتاور و دور می باشد و تعیین کننده نسبت تبدیل در گیربکس می باشد. با توجه به نوع کاربرد چرخدنده های متفاوتی ایجاد شده اند که در ادامه به مهمترین آنها اشاره می شود:

چرخدنده ساده (Spur Gear):

ساده ترین نوع دنده می باشد و بر روی محورهای موازی نصب می گردد. چرخدنده ساده دارای دندانه های صاف می باشد و در دستگاه های زیادی مورد استفاده قرار می گیرد. از مهمترین نقات ضعف این چرخدنده ها سر و صدای زیاد می باشد.

چرخدنده مارپیچ (Helical Gear):

وقتی دو چرخدنده به صورت مارپیچ باشند، درگیری چرخدنده ها به صورت تدریجی انجام می شود و در نتیجه درگیری آرام تر و ملایم تر صورت می گیرد. با توجه به وجود زاویه در دنده ها، در هنگام درگیری چرخدنده ها بار محوری ایجاد می کنند و بیرینگ مورد استفاده در این گیربکس ها باید تحمل بار محوری ایجاد شده را داشته باشد. چرخدنده های مارپیچ می توانند بر روی محورهای موازی یا متنافر قرار داده شوند.

چرخدنده جناقی (Double Helical Gear):

از ترکیب دو چرخدنده مارپیچ متقارن، چرخدنده جناقی بوجود می آید. از مهمترین ویژگی های چرخدنده جناقی می توان به حذف نیروی محوری اشاره نمود.

چرخدنده مخروطی ساده (Spur Bevel Gear):

چرخدنده مخروطی در حالتیکه نیاز به تغییر نود درجه ای مسیر چرخش می باشد مورد استفاده قرار می گیرد. چرخدنده مخروطی ساده مانند چرخدنده های ساده، در هنگام درگیر شدن سر و صدای زیادی ایجاد می کند که علت این مساله درگیری یک دفعه آن می باشد.

چرخدنده مخروطی مارپیچ (Helical Bevel Gear):

چرخدنده مخروطی در حالتیکه نیاز به تغییر نود درجه ای مسیر چرخش می باشد مورد استفاده قرار می گیرد. در چرخدنده مخروطی مارپیچ همانند چرخدنده های مارپیچ درگیری به صورت تدریجی انجام می شود.

چرخ دنده پیچ و حلزون(Worm Gear):

چرخدنده حلزوني براي موارديكه نياز به كاهش دور بالا باشد مورد استفاده قرار مي گيرد. در يك مجموعه پيچ و حلزون مي توان به نسبت تبديل ۲۰ نيز دست پيدا كرد. پيچ حلزون به راحتي مي تواند چرخ حلزون را بچرخاند، اما چرخ دنده نمي تواند پيچ را بچرخاند كه به اين ويژگي خاصيت خودقفلي مي گويند كه كاربردهاي بسياري مانند بالابرها دارد.

چرخ دنده شانه ای(Rack and Pinion Gear):

چرخدنده شانه اي براي تبديل حركت دوراني به خطي و برعكس مورد استفاده قرار مي گيرد. از جمله مهمترين كاربردهاي چرخدنده شانه اي در فرمان خودروها مي باشد.

۳-۲- شافت(Shaft):

در طراحي و ساخت شافت بايد محاسبات مربوط به طول، جنس و قطر شافت انجام شود. در وحله اول بايد طول شافت مشخص گردد كه اين طول خود تابع كمينه عرض دنده ها، نياز به بيرينگ ها براي ساپرت شافت، كليرنس هاي مربوط به روغنكاري و محدوديت هاي ابعادي گيربكس مي‌باشد.

پس از مشخص نمودن طول شافت ها، بايد نمودارهاي نيرويي و گشتاوري براي شافت رسم گردند. توجه شود كه در اين دياگرام ها و ساير محاسبات نيرويي، از وزن خود شافت ها و چرخدنده ها صرف نظر مي‌گردد. پس از انجام مراحل مذكور تعيين متريال بايد صورت بگيرد. بر طبق AS 1403، فولادي كه شافت از آن ساخته مي شود، بايد داراي قابليت ازدياد طول (Elongation) بالاي ۵ درصد باشد. علاوه بر آن، ماده مذكور بايد تنش كششي بالايي داشته باشد، مقاوم به خوردگي باشد و ترجيحاً هم جنس دنده ها باشد. با توجه به اين ويژگي ها، فولادهاي كم آلياژي مي‌توانند مناسب اين كار باشند.

۳-۳- بیرینگ(Bearing):

در گيربكس ها از بيرينگ غلطشي و لغزشي استفاده مي شود اما بيرينگ هاي غلطشي متداول تر مي باشند. بيرينگ هاي مختلف داراي ويژگي هاي خاص خود هستند كه موجب مي‌شود هر نوع از آنها براي يك كاربرد مشخص مناسب باشند. در انتخاب بيرينگ براي گيربكس بايد به پارامترهاي عدم هم محوري شعاعي(Misalignment)، جابجایی محوري (Axial Displacement)، بارهاي شعاعي و محوري، محدوديت ابعادي، سرعت چرخشي و ميزان صداي توليد شده توجه نمود.

۳-۴- سیل(Seal):

به طور كلي ۵ نوع روش سيل كردن در شافت هاي در حال چرخش وجود دارد كه عبارتند از : Labyrinth seals, Felt seals, Lip seals, Ferro Fluid seals, Mechanical seals. در انتخاب سيل ها بايد به دماي محيط كاري سيل، ماده اي كه قرار است سيل شود، فشار، سرعت شافت و ميزان صافي سطح شافت دقت شود و سيل مناسب انتخاب گردد.

Labyrinth seal
Felt seal

Lip Seal
Ferro fluid seal
Mechanical seal

۳-۵- پوسته(Casing):

آخرين مرحله در طراحي گيربكس، طراحي پوسته آن مي‌باشد. در طراحي پوسته بايد توجه شود كه پوسته به عنوان ساپورتي براي بيرينگ ها، شافت ها و دنده ها عمل مي‌كند، نشيمنگاه گسكت هاي آب بندي مي‌باشد، از طريق فين‌هاي طراحي شده در آن موجب انتقال حرارت مي‌گردد، سوراخ هايي براي تهويه هوا بايد داشته باشد و لاگ هايي براي بلند كردن بايد در آن طراحي شده باشند.