میللنگ: قلب تپندهٔ ماشینهای رفت و برگشتی
میللنگ چیست؟ از اهرم تا چرخش
برای درک میللنگ، ابتدا باید با مفهوم سادهای به نام اهرم آشنا شویم. یک چوبپاره که سنگ بزرگی را بلند میکند یا الاکلنگی که در پارک بازی میکنید، نمونههایی از اهرم هستند. اهرم نیرو را منتقل کرده و میتواند نوع حرکت را تغییر دهد. میللنگ یک نوع اهرم پیچیده و خمیده است.
تصور کنید یک میلهٔ صاف دارید که به مرکز یک چرخ متصل است. اگر شما سر دیگر میله را به جلو و عقب بکشید، چرخ شروع به چرخیدن میکند. این سادهترین شکل یک میللنگ است. بخش متصل به چرخ (مرکز) را لنگ۲ یا شاتون مینامند و فاصلهٔ مرکز لنگ تا مرکز چرخش را شعاع میللنگ۳ میگویند. این شعاع، همان طول اهرم ما است.
اجزا و اصطلاحات اصلی میللنگ
یک میللنگ واقعی در موتور خودرو، از چند قسمت کلیدی تشکیل شده است. دانستن این نامها به درک بهتر موضوع کمک میکند.
| نام جزء | توضیح و عملکرد | نماد در نقشه |
|---|---|---|
| یاتاقانهای اصلی۵ | محورهای ثابتی که میللنگ حول آنها میچرخد. مانند تکیهگاههای یک پل. | A, B, C |
| لنگ یا شاتون | بخش خمیده و برجسته. پیستون از طریق میلهای به نام شاتون به این نقطه متصل میشود. | R |
| شعاع لنگ | فاصلهٔ مرکز لنگ تا مرکز یاتاقان اصلی. این اندازه تعیینکنندهٔ میزان جابهجایی پیستون است. | r |
| وزنههای تعادل۶ | بخشهای اضافی روی میللنگ که برای جلوگیری از لرزش و ایجاد تعادل در چرخش طراحی شدهاند. | - |
رابطهٔ ریاضی ساده: از حرکت خطی به زاویه
میتوان رابطهٔ بین حرکت پیستون و چرخش میللنگ را با ریاضیات پایه نشان داد. فرض کنید شعاع لنگ $r$ باشد و میللنگ $\theta$ درجه چرخیده باشد. فاصلهٔ پیستون از نقطهٔ مرکزی (جابهجایی آن) با $x$ نشان داده میشود.
این فرمول سادهشده نشان میدهد جابهجایی پیستون به کسینوس زاویهٔ چرخش میللنگ وابسته است. وقتی $\theta = 0^\circ$ است، پیستون در بالاترین نقطه (مرگ بالا۷) و وقتی $\theta = 180^\circ$ است، در پایینترین نقطه (مرگ پایین۸) قرار دارد.
نکتهٔ جالب این است که سرعت پیستون ثابت نیست. وقتی میللنگ نزدیک نقطههای مرگ بالا و پایین است، سرعت پیستون نزدیک به صفر میشود و در میانهٔ مسیر به حداکثر خود میرسد. این یکی از دلایلی است که موتورها به فلایویل۹ (چرخ طیار) نیاز دارند تا این نوسان سرعت را هموار کند.
میللنگ در عمل: از موتور خودرو تا پمپ آب
حالا بیایید ببینیم این قطعه در دنیای واقعی کجاها حضور دارد. شناختهشدهترین کاربرد آن در موتورهای درونسوز۱۰ خودروها، موتورسیکلتها و ژنراتورها است. در این موتورها، انفجار سوخت در سیلندر، پیستون را با نیروی زیادی به پایین میراند. این نیروی خطی از طریق شاتون به لنگ میللنگ منتقل شده و باعث چرخش آن میشود. این چرخش نهایتاً از طریق جعبه دنده به چرخهای خودرو منتقل میگردد.
اما کاربرد میللنگ فقط به موتورها محدود نمیشود. در پمپهای رفت و برگشتی قدیمی، یک موتور الکتریکی میللنگ را میچرخاند. این چرخش باعث میشود پیستون پمپ به بالا و پایین حرکت کند و آب را مکش یا تزریق نماید. حتی در برخی اسباببازیهای کوکی، یک فنر محکم شده میللنگ را میچرخاند و این چرخش باعث راه رفتن عروسک یا حرکت ماشین اسباببازی میشود.
| وسیله / دستگاه | نقش میللنگ | تبدیل حرکت |
|---|---|---|
| موتور خودرو (بنزینی/دیزلی) | قلب موتور | خطی → دورانی (انرژی شیمیایی به مکانیکی) |
| پمپ آب دستی قدیمی | محرک پیستون پمپ | دورانی → خطی (دست انسان به حرکت پیستون) |
| دوچرخه | سیستم پدال و محور | خطی → دورانی (پای رکابزن به چرخش چرخدنده) |
| موتور بخار قدیمی | تبدیلکنندهٔ حرکت پیستون بخار | خطی → دورانی (انرژی بخار به چرخش چرخها) |
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. این یک اشتباه رایج است. همانطور که دیدیم، میللنگ در هر سیستمی که نیاز به تبدیل حرکت خطی به دورانی یا برعکس دارد میتواند حضور داشته باشد، از پمپها و کمپرسورها گرفته تا ماشینآلات صنعتی و حتی برخی اسباببازیها.
پاسخ: افزایش شعاع لنگ ($r$) باعث میشود پیستون مسافت بیشتری را طی کند (کورس۱۱ پیستون بیشتر میشود). این میتواند قدرت موتور را افزایش دهد اما در عین حال سرعت و شتاب موتور ممکن است کاهش یابد و فشار بیشتری به قطعات وارد شود. مانند این است که پدال دوچرخه را بلندتر کنیم؛ هر بار پدال زدن نیروی بیشتری ایجاد میکند اما پاهای شما مسیر بیشتری را طی میکنند.
پاسخ: خیر، این هم یک باور غلط است. به دلیل زاویهای که شاتون با میللنگ میسازد، در بیشتر مواقع (جز در نقاط مرگ بالا و پایین)، حرکت پیستون کمی با حرکت میللنگ «تاخیر» یا «تعجیل» دارد. این پدیده را میتوان با معادلات مثلثاتی دقیقتر بررسی کرد. به همین دلیل است که فرمول سادهشدهای که قبلا دیدیم، فقط یک تقریب اولیه است.
پاورقی
۱. میللنگ (Crankshaft)
۲. لنگ یا شاتون (Crankpin / Crank Throw)
۳. شعاع میللنگ (Crank Radius)
۴. چرخ دنده (Sprocket/Gear)
۵. یاتاقانهای اصلی (Main Bearings / Journals)
۶. وزنههای تعادل (Counterweights)
۷. مرگ بالا (Top Dead Center - TDC)
۸. مرگ پایین (Bottom Dead Center - BDC)
۹. فلایویل (Flywheel)
۱۰. موتورهای درونسوز (Internal Combustion Engines)
۱۱. کورس پیستون (Stroke)
