به گزارش «خبرنامه دانشجویان ایران»؛ در دنیای وسیع مهندسی مکانیک، سیستم های انتقال قدرت وظیفه ای بسیار فراتر از جابه جایی صرف گشتاور دارند. در میان تمامی قطعاتی که در یک خط تولید یا سیستم محرک خودرو نقش ایفا می کنند، مجموعه کرانویل و پینیون (Crown Wheel and Pinion) جایگاهی استراتژیک دارد. این قطعه که به عنوان قلب سیستم های تغییر جهت نیرو شناخته می شود، وظیفه حیاتی انتقال گشتاور بین دو محور متقاطع (معمولاً با زاویه ۹۰ درجه) را بر عهده دارد.

اهمیت این مکانیزم به قدری است که کوچک ترین انحراف در طراحی، متالورژی یا ساخت آن، نه تنها منجر به ایجاد نویزهای آزاردهنده و ارتعاشات مخرب می شود، بلکه می تواند در کسری از ثانیه، کل زنجیره انتقال قدرت را با شکستی فاجعه بار مواجه کند. در این مقاله، ما به دنبال کالبدشکافی مهندسی این قطعه و بررسی تفاوت های بنیادین در رویکردهای طراحی جهانی هستیم.

۱. واژه شناسی و فلسفه طراحی؛ تقابل دو قطب صنعتی

بررسی ادبیات فنی نشان می دهد که حتی در نام گذاری این قطعه نیز دو فلسفه متفاوت وجود دارد. در مهندسی آنگلوساکسون (ایالات متحده و بریتانیا)، از اصطلاح Crown Wheel به معنای «چرخ دنده تاجی» استفاده می شود که بر هندسه ظاهری آن تمرکز دارد. در مقابل، ادبیات فنی آلمان (بر اساس استانداردهای DIN) از واژه دقیق Tellerrad به معنای «چرخ دنده بشقابی» استفاده می کند که توصیف گر دقیق هندسه سینماتیک آن است. این تفاوت لغوی، بازتابی از دقت وسواس گونه در محاسبات هندسی ژرمن ها در برابر عمل گرایی صنعتی سایر قطب هاست.

۲. تکامل هندسی؛ از چرخ دنده های ساده تا انقلاب هیپوئید

تاریخچه تکامل سیستم های انتقال قدرت، داستانی از تلاش برای دستیابی به نرمی حرکت و تحمل بارهای سنگین تر است.

• چرخ دنده های مخروطی مستقیم (Straight Bevel): نسل های اولیه که به دلیل درگیری ضربه ای دندانه ها، نویز زیادی تولید می کردند و عمر کوتاهی داشتند.
• چرخ دنده های اسپیرال (Spiral Bevel): با منحنی وار شدن دندانه ها، درگیری به صورت تدریجی آغاز شد. این امر باعث شد در هر لحظه، بیش از یک جفت دندانه درگیر باشند ($Contact Ratio > 1$) که نتیجه آن عملکردی به مراتب نرم تر و کم صداتر بود.
• ظهور طراحی هیپوئید (Hypoid): انقلاب واقعی زمانی رخ داد که محور پینیون نسبت به مرکز کرانویل دچار جابه جایی یا «آفست» (Offset) شد. این طراحی هوشمندانه دو مزیت بزرگ ایجاد کرد:
  1. استحکام بالاتر: آفست باعث می شود پینیون برای یک نسبت تبدیل مشخص، قطری بزرگ تر داشته باشد که مقاومت آن را در برابر بارهای سنگین به شدت افزایش می دهد.
  2. بهبود طراحی پکیجینگ: در خودروها، این آفست امکان پایین آوردن میل گاردان و در نتیجه پایین آمدن مرکز ثقل را فراهم کرد. با این حال، این طراحی چالش های تریبولوژیکی (روانکاری) جدیدی ایجاد کرد؛ چرا که در سیستم های هیپوئید، مؤلفه «لغزش» بسیار شدیدتر از حالت غلتشی است و استفاده از روغن های فشار بالا (EP) را الزامی می کند.

۳. نبرد دو فلسفه ساخت؛ گلیسون (Gleason) در برابر کلینگلن برگ (Klingelnberg)

شاید هیچ مبحثی در دنیای کرانویل پینیون به اندازه رقابت تکنولوژیک بین سیستم آمریکایی گلیسون و سیستم آلمانی کلینگلن برگ چالش برانگیز نباشد. این دو نام، نماینده دو فلسفه تولید متفاوت هستند که هر کدام ویژگی های منحصر به فردی را به صنعت عرضه کرده اند.

الف) سیستم گلیسون؛ سلطان تولید انبوه

سیستم گلیسون که خاستگاه آن ایالات متحده است، استاندارد غالب در صنعت خودروسازی جهان محسوب می شود. ویژگی بارز دندانه های تولید شده به این روش، «عمق متغیر دندانه» (Tapered Tooth Depth) است؛ به این معنا که ارتفاع دندانه از قسمت پاشنه (قطر خارجی) به سمت پنجه (قطر داخلی) کاهش می یابد.

گلیسون دو متد اصلی را دنبال می کند:

• Face Milling: که دندانه ها به صورت تک به تک تراشیده می شوند و برای دقت های بسیار بالا و اصلاحات سطح ایده آل است.
• Face Hobbing: متدی مدرن تر و پیوسته که تمامی دندانه ها همزمان شکل می گیرند. این روش سرعت تولید را به شدت افزایش داده و برای تیراژهای میلیونی صنایع خودروسازی بی رقیب است.

ب) سیستم کلینگلن برگ؛ دقت وسواس گونه ژرمن ها

در مقابل، مهندسی آلمانی سیستم Cyclo-Palloid را معرفی کرد. تفاوت بنیادین این سیستم در «عمق ثابت دندانه» (Constant Tooth Depth) در سراسر طول آن است. منحنی دندانه در این سیستم یک «اپی سیکلوئید» کشیده است که مزایای فنی خاصی دارد:

1. استحکام خمشی بالاتر: به دلیل عدم کاهش ارتفاع دندانه در ناحیه پنجه، مقاومت قطعه در برابر بارهای سنگین به مراتب بیشتر است.
2. حساسیت کمتر به خطاهای مونتاژ: این سیستم در برابر جابه جایی های جزئی محورها (که ناشی از تغییر شکل پوسته تحت بار زیاد است) صبوری بیشتری نشان می دهد. به همین دلیل، کلینگلن برگ انتخاب اول در گیربکس های عظیم صنعتی، صنایع معدنی و دریایی است.

جدول مقایسه ای: تحلیل فنی سیستم های گلیسون و کلینگلن برگ

۴. متالورژی و علم مواد؛ شیمیِ مقاومت در برابر تنش های خردکننده

یک مجموعه کرانویل و پینیون باید فشار تماسی بیش از ۱۵۰۰ مگاپاسکال را تحمل کند. رسیدن به چنین مقاومتی تنها با انتخاب دقیق آلیاژ و فرآیندهای حرارتی پیچیده ممکن است.

آلیاژ مرجع: 18CrNiMo7-6

این آلیاژ (شماره مواد ۱.۶۵۸۷) ستون فقرات صنعت کرانویل و پینیون در اروپاست. وجود کروم و نیکل به همراه مولیبدن، ترکیبی ایده آل از «سختی پذیری سطح» و «چقرمگی مغز» ایجاد می کند. پس از عملیات حرارتی، سختی سطح دندانه باید به بالای ۶۰ راکول (HRC) برسد، در حالی که هسته قطعه باید به اندازه کافی نرم و منعطف باقی بماند تا ضربات ناگهانی باعث تردی و شکست دندانه نشود.

بحران ضخامت؛ عمق نفوذ سختی (Case Depth)

یکی از چالش های بزرگ در تولید و بازسازی این قطعات، تنظیم «عمق موثر سختی» (CHD) است.

• عمق ناکافی: منجر به پدیده Case Crushing می شود؛ جایی که لایه سخت سطحی تحت فشار، مانند یک پوسته تخم مرغ به داخل مغز نرم فرو می ریزد.
• عمق بیش از حد: باعث ترد شدن کل دندانه شده و خطر شکستگی ریشه دنده در اثر بارهای ضربه ای را به شدت افزایش می دهد.

۵. هنر و علم مونتاژ؛ جایی که میلی مترها سرنوشت سازند

برخلاف بسیاری از قطعات مکانیکی که با تلرانس های ساخت ثابت مونتاژ می شوند، مجموعه کرانویل و پینیون نیازمند فرآیند «تنظیم در محل» (Shim Adjustment) است. این فرآیند ترکیبی از دقت ریاضی و تجربه کارگاهی است.

۵-۱. فلسفه لقی جانبی (Backlash)

لقی جانبی که در ادبیات فنی آلمان به آن Flankenspiel می گویند، فاصله هوایی بسیار اندک بین دندانه های درگیر است. این فاصله به دو دلیل حیاتی طراحی می شود:

1. جبران انبساط حرارتی: قطعات فولادی در حین کار گرم می شوند و بدون این لقی، دنده ها قفل شده و اصطکاک باعث سوختن روغن می شود.
2. تشکیل فیلم روغن: فضای کافی برای جریان یافتن روانکار و ایجاد لایه محافظ بین دندانه ها.

عواقب تنظیم غلط:

• لقی بسیار کم: باعث داغ شدن شدید (Overheating) و گریپاژ سریع دندانه ها می شود.
• لقی بسیار زیاد: منجر به ایجاد صدای ضربه (Clunk) در هنگام تغییر بار و افزایش خطر شکستگی دندانه در اثر بارهای ضربه ای می گردد. مقادیر استاندارد در اکثر کاربردهای صنعتی معمولاً بین $0.07$ تا $0.13$ میلی متر تنظیم می شود.

۵-۲. پیش بار بلبرینگ پینیون (Pinion Preload)

پینیون معمولاً بر روی دو بلبرینگ مخروطی سوار می شود. برای جلوگیری از هرگونه حرکت محوری پینیون تحت بارهای سنگین، این بلبرینگ ها باید تحت «پیش بار» باشند. نکته کلیدی اینجاست که پیش بار با گشتاورِ بستن مهره اندازه گیری نمی شود، بلکه با «گشتاور دورانی» (Rotational Torque) سنجیده می شود؛ یعنی نیرویی که برای چرخاندن پینیون لازم است.

برای بلبرینگ های نو، این گشتاور معمولاً در محدوده $1.7$ تا $2.8$ نیوتن متر تنظیم می شود. هرگونه خطا در این بخش، منجر به لقی شفت و در نهایت تخریب الگوی تماس دنده ها خواهد شد.

۵-۳. تحلیل الگوی تماس (Contact Pattern)؛ نقشه راه سلامت

مهم ترین مهارت در اورهال دیفرانسیل، تفسیر «الگوی تماس» است. متخصصان با آغشته کردن دندانه ها به خمیر رنگی تخصصی و چرخاندن آن ها تحت بار، محل درگیری دندانه ها را مشاهده می کنند. موقعیت این لکه رنگی، اسرار تنظیمات پینیون را فاش می کند:

• تماس در ریشه (Root): نشان دهنده درگیری بیش از حد عمیق پینیون است که نیاز به کاهش ضخامت شیم ها دارد.
• تماس در پنجه (Toe): نشان دهنده لقی بسیار کم یا دوری بیش از حد پینیون است.
• قانون طلایی: تغییر ضخامت شیم پینیون، الگوی تماس را در راستای «ارتفاع دندانه» جابه جا می کند، در حالی که تغییر لقی کرانویل، الگو را در راستای «طول دندانه» حرکت می دهد.

۶. علائم زنگ خطر؛ وقتی کرانویل و پینیون با ما حرف می زنند

خرابی در این مجموعه هرگز ناگهانی نیست و همواره با سیگنال های صوتی و ارتعاشی همراه است:

1. صدای زوزه ممتد (Whine): معمولاً در سرعت های خاص شنیده می شود و نشانه سایش ناهماهنگ دندانه ها یا تنظیم نادرست فاصله بین کرانویل و پینیون است.
2. صدای تق تق یا کوبش (Clunk): اغلب هنگام شروع حرکت یا تعویض جهت بار شنیده می شود که نشانه شکستگی جزئی در نوک دندانه ها یا لقی بیش از حد (Backlash) است.
3. صدای غرش بم (Grumble): این صدا که با افزایش سرعت فرکانس آن تغییر می کند، معمولاً مربوط به خرابی یاتاقان های پینیون است و ربط مستقیمی به خودِ چرخ دنده ها ندارد، اما در صورت عدم رسیدگی، باعث نابودی آن ها خواهد شد.

۷. چالش های نوین؛ کرانویل و پینیون در عصر پیشرانه های الکتریکی (EV)

با گذشت زمان و ظهور پیشرانه های الکتریکی، الزامات NVH (نویز، ارتعاش و خشونت) برای مجموعه های کرانویل و پینیون به شدت سخت گیرانه شده است. در سیستم های سنتی، صدای موتور احتراقی بسیاری از نویزهای پس زمینه دیفرانسیل را پوشش می داد؛ اما در سکوت مطلق خودروهای برقی، کوچکترین نویز دنده (Gear Whine) به یک چالش بزرگ تبدیل شده است.

پدیده نویز ارواح (Ghost Noise)

تحقیقات نوین نشان می دهد که یکی از منابع اصلی نویز در گیربکس های بسیار دقیق، پدیده ای به نام «نویز ارواح» است. این نویز ناشی از خطاهای هندسی دندانه نیست، بلکه از ناهمواری های میکرونی (Surface Waviness) ناشی می شود که در زمان سنگ زنی روی دندانه ایجاد شده اند. برای مقابله با این موضوع، امروزه از فرآیندهای Superfinishing و پرداخت نهایی با دقت نانومتر استفاده می شود تا اصطکاک و نویز به حداقل ممکن برسد.

۸. مطالعه موردی؛ نجات یک دیفرانسیل صنعتی با تحلیل الگوی تماس

در یک واحد معدنی، گیربکس یکی از ماشین آلات سنگین پس از تعمیرات دوره ای دچار افزایش دمای غیرعادی در پوسته دیفرانسیل شد. با وجود اینکه قطعات کاملاً نو بودند، دستگاه پس از چند ساعت کار به دمای ۹۵ درجه سانتی گراد می رسید.

تیم متخصص با باز کردن دریچه بازدید و استفاده از خمیر رنگی، الگوی تماس (Contact Pattern) را بررسی کرد. مشخص شد که به دلیل ضخامت نادرست شیم ها، تماس دندانه ها در ناحیه «ریشه» (Root) متمرکز شده است. این موضوع باعث می شد که فیلم روغن به سرعت تحت فشار خرد شده و تماس فلز با فلز ایجاد شود. با تنظیم مجدد ضخامت شیم ها و بازگرداندن الگوی تماس به مرکز دندانه، دمای دستگاه به محدوده نرمال (۶۵ درجه) بازگشت و از تخریب قطعاتی که چندین هزار دلار ارزش داشتند، جلوگیری شد.

۹. چک لیست استراتژیک؛ تضمین طول عمر کرانویل و پینیون

برای پیشگیری از خرابی های زودهنگام، رعایت این سه اصل حیاتی است:

1. روانکاری تخصصی (EP Lubrication): به دلیل مکانیزم لغزشی در دنده های هیپوئید، حتماً از روغن های دارای سطح کیفی API GL-5 استفاده کنید. این روغن ها حاوی افزودنی های فشار بالا هستند که از جوش خوردن میکروسکوپی دندانه ها جلوگیری می کنند.
2. کنترل دمای عملیاتی: افزایش ناگهانی دمای پوسته دیفرانسیل همواره اولین نشانه از به هم خوردن تنظیمات داخلی یا تخریب روانکار است.
3. پایش ذرات فرسایشی: در هر نوبت تعویض روغن، وجود ذرات براق یا براده های فلزی را چک کنید. این ذرات نشان دهنده شروع پدیده پیتینگ (حفره زایی) در سطح کرانویل یا پینیون هستند.