گیربکس چیست؟

گیربکس در لغت نامه زبان فارسی به معنی جعبه دنده می باشد اما در اصطلاح، یکی از ابزارهای سیستم انتقال قدرت است که میان موتور (تولید کننده توان) و مصرف کننده توان (مانند دستگاه میکسر، تیکنر و غیره) قرار می گیرد. وظیفه اصلی گیربکس، ایجاد تغییر در سرعت دوران و گشتاور مورد نیاز جهت استفاده در بخش های مختلف صنعتی است.

انواع گیربکس
گیربکس ها در قالب دو دسته تولید می شوند:

گیربکس های کاهنده: این نوع از گیربکس ها بین محرک و متحرک قرار می گیرند که دور مورد نیاز را تامین می کنند و در تیپ های مختلفی ساخته می شوند. شایان ذکر است که اکثر گیربکس ها در این دسته قرار دارند.
گیربکس های افزاینده: در برخی صنایع تولید انرژی به طور مثال توربین های بادی و همچنین در صنایع بالا دستی و پالایشگاهی، نیاز به گیربکس های افزاینده یا دور بالا برای تغییرات سرعت و گشتاور به منظور رسیدن به سرعت بیشتر با گشتاور کمتر می باشد.

معرفی انواع موتور گیربکس
گیربکس ها بعد از موتور یا سر راه وسایل صنعتی قرار می گیرند که می توان با کم و زیاد کردن نسبت، توسط مکانیزم داخل گیربکس، گشتاور مورد نیاز دستگاه را بدست آورد که انواع مختلفی دارند، برخی از آنها عبارتند از:

گیربکس حلزونی (Worm Gearbox)
گیربکس حلزونی، متداول ترین و پر مصرف ترین نوع گیربکس در صنعت است. این نوع از گیربکس ، متشکل از یک ماردون فولادی که سخت کاری پیوسته شده و سنگ خورده و یک چرخ دنده حلزونی از جنس غالبا برنز ریخته گری شده است. گیربکس حلزونی (مکعبی) حرکت سینماتیکی خود را از این دو قطعه تامین می کند. در گیربکس های حلزونی به دلیل ساختار و زاویه خروجی آنها و با توجه به متعامد بودن، مناسب کاربری های فراوانی است و با توجه به کارکرد نرم در سیستم های بالابر و همچنین آسانسورها که نیاز به ایجاد گشتاور و راه اندازی نرم است، کاربرد دارند. همچنین گیربکس مکعبی در کانوایرها و سیستم های انتقال مواد کوچک نیز استفاده می شود. عدم برگشت پذیری در نسبت های تبدیل بالای 30، یکی از فاکتورهای مهم در گیربکس حلزونی به شمار می رود. از دیگر مزایای این گیربکس ها می توان به قابلیت نصب در 8 حالت متفاوت اشاره کرد که باعث استفاده راحت این گیربکس ها گردیده است.

گیربکس هلیکال یا شافت مستقیم (Helical Gearbox)
گیربکس های هلیکال شامل تعدادی چرخ دنده هستند که دارای ساختار مارپیچ یا هلیکال می باشند، به همین دلیل به این نام معرفی می شوند. این نوع چرخ دنده از دسته چرخ دنده های ساده ولی با امتداد پروفیل مورب نسبت به امتداد شفت می باشد. انتقال نیرو در این نوع جعبه دنده با توجه به ساختار هلیکال چرخ دنده های آنها با حرکت یک نقطه در امتداد سطح دنده انجام می شود.
این گیربکس ها به علت کاستن صدا و درگیری نرم چرخ دنده ها، در سیستم های انتقال نیرو به کار می روند و می توانند در دورها و توان های بالاتری نسبت به دنده های ساده استفاده شوند. اساس کار این نوع گیربکس بدین شکل می باشد که با کاهش دور، باعث افزایش گشتاور در قسمت خروجی می شود. این گیربکس بر اساس نوع طراحی در دسته گیربکس های با ابعاد متوسط قرار می گیرد و معمولا به الکتروموتورهایی با توان بین 0.35 تا 55 کیلووات کوپل می شوند. این گیربکس را بر اساس نحوه اتصال می توان به سه دسته پایه دار، فلنج دار یا ارائه با هر دو نوع (پایه فلنج) تقسیم بندی کرد.

گیربکس آویز یا شافت موازی (Parallel Shaft Gearbox)
گیربکس های آویز به دلیل قابلیت چند محور بودن، توانایی ایجاد نسبت های تبدیل بالایی را دارند که به موازات این مسئله، قابلیت ایجاد گشتاورهای بالایی را نیز دارند و در مواردی که نیاز به گشتاورهای بالا و کارکرد به صورت دائم کار می باشد (همانند دستگاه های میکسر یا سیستم های محرک خطی در جرثقیل های سقفی چند کاره) انتخاب بسیار مناسبی است. گیربکس های آویز همانند گیربکس های هلیکال، ساختار چرخ دنده هایی با امتداد پروفیل مورب نسبت به امتداد شفت دارند و تنها تفاوتشان در این است که دارای ساختار چند محوری به صورت موازی می باشند. همچنین این نوع از جعبه دنده ها به دلیل حجم بالایی از روغن، به صورت دائمی دارای ظرفیت حرارتی بالایی نسبت به سایر جعبه دنده های هلیکال هستند که این امر باعث بالا رفتن عمر کارکرد گیربکس و عدم تخریب زود هنگام دنده ها می شود.

گیربکس کرانویل پینیون (Crown Wheel Pinion Gearbox)
گیربکس های کرانویل تشکیل شده است از تعدادی چرخ دنده هلیکال و دو چرخ دنده که قابلیت انتقال گشتاور در زاویه 90 درجه را ایجاد می کنند. به منظور انتقال نیرو در محورهای متعامد، غیر متعامد و متنافر، نیاز به سیستم درگیری دنده ها در دو سطح مورب بوده که توسط چرخ دنده های مخروطی مارپیچ تامین می گردد. درگیری پروفیل دنده های مخروطی مارپیچ به صورت همزمان بوده و عملکرد نرمی نسبت به دنده های مخروطی ساده دارند و می توانند گشتاورهای بالاتری را بدون ضربه و صدا به نرمی انتقال دهند.

گیربکس صنعتی (Industrial Gearbox)
گیربکس های صنعتی، نوعی از گیربکس هلیکالی با توان گشتاور بسیار بالا می باشند. این گیربکس ها از نظر ظاهر و کارایی به تک محور، چند محور، قورباغه ای، شتری، روسی و زد (Z) تقسیم می شوند. این نوع گیربکس معمولا بر اساس وزن ارائه می شود و حداقل وزن آن 400 کیلوگرم است. گیربکس صنعتی بنا به سفارش مصرف کننده و به صورت تک یا کوپل شده با موتور که همان موتور گیربکس یا الکتروگیربکس می باشد، تولید می گردد.

گیربکس خورشیدی (Planetary Gearbox)
امروزه در صنایع سبک و سنگین برای کاهش یا افزایش دور، در صورت بالا بودن نسبت تبدیل و توان های بسیار بالا در فضاهای محدود و راندمان بالای گیربکس، از گیربکس خورشیدی استفاده می شود. چرخ دنده های خورشیدی با قابلیت استفاده در دورها و توان های بالا یکی از پرکاربردترین چرخ دنده ها در صنایع نوین معرفی شده اند که در دو نوع تک استیج و چند استیج، طراحی و تولید می گردند. در این نوع گیربکس، امکان بدست آوردن دورهای ایده آل در محدوده بین 0.5 تا 800 دور در دقیقه وجود دارد و نسبت تبدیل در هر طبقه گیربکس، بین 3 تا 7 متغیر است.

گیربکس دور متغیر
در بعضی از صنایع نیاز است تا دور الکتروموتور، بدون ایجاد گشتاور، قبل از ورود به گیربکس کاهش یا افزایش یابد که وظیفه این کار بر عهده ابزاری به نام گیربکس دور متغیر است. گیربکس دور متغیر بر اساس نوع طراحی به دسته های دور متغیر تسمه پولی، دور متغیر واریاتور و دور متغیر هیدرولیکی تقسیم بندی می شود.

گیربکس سایکلو
گیربکس سایکلو یکی از جدیدترن و پیشرفته ترین گیربکس ها می باشد که به دلیل توزیع بار یکسان و بدون لقی، مقاومت بالایی در بارهای شدید دارد. شکل ظاهری این گیربکس همانند گیربکس خورشیدی است اما در آن به جای دنده پینیون، بلبرینگ با چرخش نامتعارف به کار رفته است.

گیربکس سروو موتور
تفاوت گیربکس سروو موتور با سایر گیربکس ها در ایجاد کاهش سرعت و تطبیق اینرسی در موتور می باشد. همچنین این گیربکس یکی از کم هزینه ترین و مقاوم ترین گیربکس ها می باشد.

نحوه عملکرد گیربکس
گیربکس، ماشینی است که برای انتقال توان مکانیکی از یک منبع تولید توان به یک مصرف کننده و همچنین برآورده ساختن گشتاور و سرعت دورانی مورد نیاز مصرف کننده به کار می رود. گیربکس در واقع یک واسطه منبع توان و مصرف کننده توان می باشد که بین منبع توان و مصرف کننده موجب ایجاد انعطاف پذیری می شود.به دلیل هماهنگ بودن گشتاور و سرعت دورانی منبع تولید توان با مصرف کننده، نیاز به ماشینی که بتواند این هماهنگی را به صورت یک واسطه برقرار کند امری ضروری به نظر می رسد و دستگاهی که این خواسته را می تواند تامین کند، گیربکس نام دارد.

اجزای تشکیل دهنده گیربکس

• شفت خروجی
• کاسه نمد
• درپوش خروجی
• پوسته گیربکس
• پین بوش
• چرخ سیکلوئیدی
• بیرینگ خارج از مرکز
• رینگ اسپیسر
• ست دنده های پین
• پوسته پین ها
• دری پشت
• فن خنک کننده
• شفت ورودی

استانداردهای گیربکس
در سال 1943 میلادی، استانداردی با نام AGMA421.01 برای گیربکس های صنعتی ارائه شد که با استفاده از آن می توان مقدار توان گیربکس بر حسب اسب بخار و مقدار تنش های مجاز را اندازه گیری کرد. همچنین در این استاندارد نکاتی در خصوص عملیات حرارتی نیز ارائه شده است.

استاندارد AGMA 421.05 در سال 1963 با تغییراتی جهت تصحیح نمودن استانداردهای قبلی و نیز برای توسعه در نحوه طراحی و عملکرد گیربکس ارائه شد. برای مثال در گیربکس هلیکال بر اساس استاندارد AGMA 421.05 داریم:

• اگر گیربکس تک مرحله ای باشد، سرعت خطی گام 35 متر در ثانیه یا بیشتر و سرعت دورانی آن باید 4500 دور باشد.
• اگر گیربکس چند مرحله ای باشد، در حداقل یک مرحله، سرعت خطی گام 35 متر در ثانیه یا بیشتر و در مراحل دیگر نباید کمتر از 8 متر در ثانیه باشد.
  نحوه نگهداری گیربکسبر اساس نوع گیربکس و شرایط محیط، برای طولانی تر شدن عمر مفید آن اقداماتی صورت می پذیرد. به طور مثال در گیربکس خورشیدی، بازدید سطح
• روغن باید به صورت دوره ای و در زمان کوتاه باشد.

مفهوم لقی در گیربکس
به فضای خالی بین دو چرخ دنده درگیر، لقی (Backlash) می گویند. این لقی می تواند به دو صورت استاتیکی و دینامیکی باشد. اگر صرفا لقی مطلق اندازه گیری شود به آن لقی استاتیکی و اگر اختلاف بین نیروی انتقالی محاسبه گردد، لقی پویا یا دینامیکی گویند.

معمولا در بین انواع چرخ دنده ها به دلیل آسان نمودن فرآیند ساخت و ماشین کاری، بر اساس استاندارد ساخت، لقی وجود دارد. فضا لقی موجود در بین چرخ دنده ها را می توان با روغن، پوشش داد. روغن علاوه بر خنک کاری قطعات موجب کاهش اصطکاک میان دنده ها می شود.

تاریخچه ساخت گیربکس
شواهد تاریخی نشان می دهد مردم یونان باستان اجسامی شبیه به چرخدنده های امروزی که از جنس چوب بود را ساختند و با چربی حیوانی، سطح تماس بین زوج دنده ها را روغن کاری می کردند. با این ابزار، اجسام سنگینی همچون مصالح را جا به جا کرده یا برای انتقال آب از سطحی به سطح دیگر استفاده می کردند. گیربکس های امروزی در واقع از قرن هجدهم میلادی همزمان با انقلاب صنعتی در انگلستان و در صنعت نساجی ساخته شدند. اگر چه چرخ دنده های امروزی پیشرفت بسیاری از نمونه های گذشته کرده است اما یقینا در آینده، نسل جدیدی از گیربکس با قابلیت های بهتر و با ابعاد مناسب تری را شاهد خواهیم بود.