چگونه یک گیربکس مناسب انتخاب کنیم؟
باید توجه داشت که فرایند انتخاب یک گیربکس مناسب از میان انواع گیربکس می تواند روند بسیار پیچیده و دشواری باشد. انتخاب نادرست یک جعبه دنده نیز می تواند به خرید یک جعبه دنده گران تر یا ضعیف تر از حد مورد نیاز ختم شود. علاوه بر این، باید ویژگی های خاصی برای کاربردهای مختلف در نظر گرفته شوند. به طور نمونه، جعبه دنده ای که برای کاربردهای انتقال توان انتخاب می‌شود، باید بتواند قابلیت خود قفل شوندگی داشته باشد درحالیکه در کاربردهای کنترل حرکت، توانایی مدیریت حرکت دینامیکی در اولویت است.
در ادامه به جنبه های مختلف انتخاب گیربکس می پردازیم:
جنبه های مختلف انتخاب یک گیربکس
یکی از اولین مسائلی که هنگام تعیین اندازه یک گیربکس پیش می آید، تعیین اندازه بر اساس بار یا تعیین اندازه بر اساس موتور است. تعیین اندازه بر اساس موتور، آسان تر بوده و به انتخابی ختم می شود که به درستی کار خواهد کرد اما ممکن است این انتخاب، بزرگ تر از حد مورد نیاز باشد. همچنین در این شرایط، کیفیت جعبه دنده برای کاربرد، بیشتر از حد قابل قبول خواهد بود. در مقابل، انتخاب بر اساس میزان بار، این تضمین را می دهد که اندازه جعبه دنده کاملاً مناسب کاربرد بوده و هزینه اولیه کاملاً بهینه خواهد شد.
چندین جنبه مختلف برای تعیین اندازه یک جعبه دنده وجود دارد که در شرایط مختلف، متفاوت هستند. در ادامه این موارد را بررسی می کنیم.
1. ضریب سرویس
قبل از انتخاب سایز گیربکس برای یک کاربرد خاص، مشتری باید ضریب سرویس را مشخص کند. ضریب سرویس را می توان به صورت مقدار بار کاربرد به مقدار بار نامی تعریف کرد. این ضریب باید در شرایطی مانند وجود بارهای غیریکنواخت، ساعات کاری و دمای بالا به صورت دقیق مشخص شود.
ضریب سرویس 1 به معنی این است که ظرفیت گیربکس تنها به اندازه بار مورد نیاز است. در این حالت، هیچ حاشیه ای برای سایر موارد در نظر گرفته نشده و ممکن است در شرایط غیر منتظره، جعبه دنده گرم شده و خراب شود. برای اکثر کاربردهای صنعتی، ضریب سرویس 4/1 کافی است. این مقدار ضریب سرویس، نشان می دهد که جعبه دنده توانایی تحمل 4/1 برابر بار کاربرد مشخص شده را دارد. عوامل محیطی بسیاری در انتخاب ضریب سرویس تأثیر دارند. این ضریب به خود جعبه دنده نیز وابسته است و معمولاً توسط سازنده مشخص می شود.
2. دمای محیط
دمای بالای محیط، فشار داخل گیربکس را افزایش می دهد و این افزایش فشار، نیازمند ضریب سرویس بالاتری است. همچنین برای دماهای مختلف، جنس آب بندی ها و روغن ها متفاوت خواهد بود.
محیطی که گیربکس در آن کار خواهد کرد، یکی از دیگر عواملی است که اندازه آن را تعیین می کند. محیط های خشن می توانند سایش و خوردگی گیربکس را به میزان زیادی افزایش دهند. گیربکس هایی که در محیط هایی قرار گرفته اند که دارای گرد و غبار و آلودگی زیادی هستند، نیازمند مواد خاصی برای جلوگیری از خوردگی و رشد باکتری هستند. جعبه دنده هایی که در صنایع غذایی و نوشیدنی کار می کنند، باید مطابق با استانداردهای بهداشتی، از رنگ ها و روغن های خاصی استفاده کنند. همچنین در محفظه های خلأ، از روغن های خاصی استفاده شده و به دلیل پایین بودن فشار هوا، روش های خاصی برای انتقال حرارت و دفع گرمای ایجاد شده در گیربکس به کار گرفته می شوند. این موارد تنها تعدادی از محدودیت ها و قیدهایی هستند که در انتخاب یک جعبه دنده باید در نظر گرفته شوند و در صورتی که هرکدام نادیده گرفته شوند، طول عمر جعبه دنده، کاهش یافته و یا به کلی دچار ایراد خواهد شد.
3. نوع بار و بارهای شُک دار
بارهای شُک دار با مقدار بالا یا بارهای ضربه ای می توانند سایش چرخ دنده های گیربکس یا یاتاقان های شفت را افزایش دهند. اگر این مورد در نظر گرفته نشود، طول عمر گیربکس به میزان زیادی کاهش می یابد و برای در نظر گرفتن آن باید مقدار ضریب سرویس افزایش یابد. بارهای یکنواخت به بارهایی گفته می شود که در طول زمان ثابت می مانند در حالی که در یک کاربرد خاص، بارهای غیریکنواخت، تغییر می کنند. نمونه یک بار ثابت، یک بالابر است که در حال بالا کشیدن وزن ثابتی است. نمونه یک بار غیریکنواخت نیز انواع دستگاه های برش هستند که در طول این فرایند، مقدار نیروی اعمالی برای برش، تغییرات بسیار زیادی دارد.
4. مکانیزم خروجی بار
مکانیزم خروجی بار می تواند انواع مختلفی مانند زنجیر، پولی و تسمه یا چرخ دنده داشته باشد. این مکانیزم می تواند میزان حداکثر باری که یک گیربکس تحمل می کند را تغییر دهد. علاوه بر این، این مکانیزم ها، نیروهای مختلفی به شفت اعمال می کنند که باید برای هرکدام محاسبه شود. اکثر مکانیزم ها باعث ایجاد نیروی شعاعی زیادی می شوند اما برخی از آن ها مانند چرخ دنده های مخروطی می توانند نیروی محوری زیادی ایجاد کنند. به همین دلیل هر مکانیزم خاص به قطعات و یاتاقان های مخصوص به خود نیاز دارد تا بتوان به صورت مناسب، بارهای محوری و شعاعی را خنثی کرد.
5. شفت خروجی
در انتخاب یک گیربکس، اندازه شفت و قطر داخلی آن (در صورت توخالی بودن شفت) باید برابر با نیاز یک کاربرد خاص باشد. علاوه بر سایز شفت، جنس فلز آن و خاردار یا بدون خار بودن آن نیز باید مشخص شوند. در برخی مواقع، طراح برای انتخاب شفت با سایز مناسب، ممکن است مجبور به انتخاب گیربکسی با اندازه بزرگ تر یا نوع متفاوت شود. البته ممکن است تغییر شفت دستگاه، گزینه به صرفه تری باشد.
6. نوع بدنه
در انتخاب یک گیربکس، باید مشخص شود که نحوه نصب آن به چه صورتی است. یک جعبه دنده می تواند دارای شاسی یا فلنج بوده و یا تنها با استفاده از چند سوراخ در بدنه به زمین یا قسمتی از دستگاه متصل شود. نحوه اتصال بدنه ممکن است در تعدادی از کاربردها، استفاده از بسیاری از گیربکس ها را محدود کرده و نیاز به قاب‌ها و براکت های مخصوص اتصال را ایجاد کند.
در شش مورد قبل، جنبه های مختلف انتخاب یک گیربکس را بررسی کردیم و همان طور که مشخص شد، بسیاری از این موارد به صورت قید، طراح را محدود می کنند. در بخش بعد، موارد مخصوص به دو کاربرد رایج را بررسی می کنیم.
7. انتقال توان
برخی از متغیرهایی که بر اندازه یک گیربکس تأثیر می گذارند، وابسته به کاربرد و صنایعی هستند که گیربکس در آن کار خواهد کرد. برای صنعت انتقال توان، دور خروجی، توان موتور، اندازه قاب و میزان شوک بار ازجمله این عوامل هستند.
الف) دور خروجی
نسبت کاهش دور یک گیربکس باید توسط مشتری انتخاب شود. معمولاً دور استاندارد ورودی گیربکس های انتقال توان، 1750 دور بر دقیقه در فرکانس 60 هرتز است. هرگونه تغییراتی باید قبل از تعیین نسبت دورها اعمال شوند و در صورتی که هر عاملی در تعیین دور یک جعبه دنده نادیده گرفته شود، خروجی مورد نظر مشتری قابل دسترس نخواهد بود.
ب) توان موتور و اندازه قاب
سایز جعبه دنده و اندازه ورودی باید قبل از محاسبه ضریب سرویس، انتخاب شوند. ممکن است موتورهایی با توان بالا منجر به ایجاد گرمای زیادی شوند که این گرما، منجر به کاهش کمیت های مکانیکی می شود. ظرفیت جدید کاهش یافته در اثر گرمای ایجاد شده به ظرفیت دمایی مشهور بوده و باید در محاسبات، در نظر گرفته شود.
8. بار کلی شفت
سایزبندی گیربکس باید این نکته را تائید کند که بار ورودی هیچ آسیبی به قطعات وارد نخواهد کرد. اگر باری که در شرایط اضطراری به شفت وارد می شود، بیشتر از ظرفیت نامی گیربکس باشد، منجر به آسیب به گیربکس خواهد شد.
9. کنترل سرعت
برای صنعت کنترل سرعت، دور ورودی، اینرسی، گشتاور دینامیکی، بار مخصوص شفت و قطر شفت موتور می توانند بر فرایند انتخاب گیربکس اثر بگذارند.
الف) سرعت ورودی
سرعت ورودی نباید بالاتر از مقدار نامی جعبه دنده باشد. در غیر این صورت، به دلیل افزایش فشار، چرخ دنده ها ساییده شده و طول عمر جعبه دنده کاهش می یابد. یکی از عواملی که می تواند باعث افزایش ناگهانی سرعت ورودی شود، در نظر نگرفتن افزایش سرعت به وسیله مکانیسم خروجی است. به همین دلیل، انتخاب مکانیسم خروجی مناسب اهمیت بالایی دارد.
ب) اینرسی
برای کنترل بهتر خروجی، توصیه می شود که اینرسی جعبه دنده کمتر از یک دهم اینرسی سیستم باشد. رعایت این نکته برای حفظ و بالا بردن دقت در کاربردهای کنترلی، ضروری است. اندازه و نسبت کاهنده، مهم‌ترین عوامل مؤثر در اینرسی یک گیربکس هستند. ممکن است که محدودیت‌های طراحی کنترلی، نیاز به یک گیربکس کوچک تر یا گیربکسی با اندازه مشخص داشته باشند. انتخاب الکتروموتور در چنین کاربردهایی بر اساس توانایی های دینامیکی انجام می شود و ممکن است الکتروموتور انتخاب‌شده، توانایی ایجاد چندین برابر گشتاور موردنیاز را داشته باشد تا اینرسی روتور آن افزایش یابد. در کار کردن با چنین سیستم هایی که گشتاور موتور بالاتر از گشتاور نامی گیربکس است، بهتر است برای آسیب نرسیدن به گیربکس، گشتاور خروجی موتور، محدود شود.
ج) حرکت دینامیکی
ایجاد حرکت دوره ای نیاز به ضریب سرویس بالاتری از کاربردهایی با دور ثابت دارد؛ زیرا در حرکت دوره ای به دلیل توقف و شروع به کار مکرر، سایش چرخ دنده ها و آب بندی ها بیشتر است. از بین حرکت های دوره ای مختلف، حرکت رفت و برگشتی بیشترین ضریب سرویس را نیاز دارد.
د) بار ویژه شفت
گشتاورهای خمشی و بارهای محوری و شعاعی حتماً باید با مقادیر نامی یک جعبه دنده مقایسه شوند. در صورت خطا در برآورد مقادیر صحیح، ممکن است شفت، شکسته یا یاتاقان ها و دنده ها آسیب ببینند. در صورتی که شرایط کاری بسیار خشن باشد، از ضریب سرویس بالاتر و یاتاقان های مخصوص استفاده می شود.
ه) قطر و طول شفت موتور
شفت موتور باید در گیربکس جای بگیرد و طول شفت نیز باید به اندازه ای باشد که بتواند به اندازه کافی درگیری ایجاد کند. اگر این شرایط رعایت نشوند، ممکن است بین خروجی موتور و ورودی گیربکس، لغزش وجود داشته باشد. اگرچه این عامل باعث تغییر ضریب سرویس نخواهد شد، اما می تواند باعث تلفات توان در سیستم شود. برخی از سازندگان برای حل چنین مشکلاتی از ورودی های بزرگ تر در گیربکس ها استفاده می کنند تا در صورت نیاز به استفاده از موتوری بزرگ تر، گیربکس، مناسب شفت ورودی باشد.