Du ser växlar i nästan allt som har snurrande delar. Bilmotorer och växellådor innehåller massor av växlar. Om du någonsin öppnar en videobandspelare och tittar inuti, du kommer att se att den är full av växlar. Skruva upp, farfar och pendelklockor innehåller gott om växlar, särskilt om de har klockor eller klockor. Du har förmodligen en effektmätare på sidan av ditt hus, och om den har ett genomskinligt lock kan du se att den innehåller 10 eller 15 växlar. Växlar finns överallt där det finns motorer och motorer som producerar rotationsrörelser.
I denna upplaga av Hur saker fungerar , du kommer att lära dig om utväxlingsförhållanden och växeltåg så att du förstår vad alla dessa olika växlar gör. Du kanske också vill läsa How Gears Work för att ta reda på mer om olika typer av växlar och deras användning eller så kan du lära dig mer om utväxlingsförhållanden genom att besöka vårt utväxlingsdiagram.
Innehåll
Växlar används vanligtvis av en av fyra olika anledningar:
Du kan se effekter 1, 2 och 3 i figuren ovan. I denna figur, du kan se att de två växlarna roterar i motsatta riktningar, att den mindre växeln snurrar dubbelt så snabbt som den större växeln, och att rotationsaxel av den mindre växeln är till höger om rotationsaxeln för den större växeln.
Det faktum att en växel snurrar dubbelt så snabbt som den andra beror på förhållandet mellan växlarna - utväxling . I denna figur, de diameter växeln till vänster är dubbelt så hög som växeln till höger. Utväxlingsförhållandet är därför 2:1 (uttalas "två till ett"). Om du tittar på figuren, du kan se förhållandet:Varje gång den större växeln går runt en gång, den mindre växeln går runt två gånger. Om båda växlarna hade samma diameter, de skulle rotera med samma hastighet men i motsatta riktningar.
Att förstå konceptet med utväxling är enkelt om du förstår begreppet omkrets av en cirkel. Tänk på att omkretsen av en cirkel är lika med cirkelns diameter multiplicerat med Pi (Pi är lika med 3,14159 ...). Därför, om du har en cirkel eller ett redskap med en diameter på 1 tum, omkretsen av den cirkeln är 3,14159 tum.
Följande bild visar hur omkretsen av en cirkel med en diameter på 1,27 tum är lika med ett linjärt avstånd på 4 tum:
Låt oss säga att du har en annan cirkel vars diameter är 0,635 tum (1,27 tum / 2), och du rullar den på samma sätt som i denna figur. Du hittar det, eftersom dess diameter är hälften av cirkeln i figuren, den måste slutföra två hela varv för att täcka samma 4-tums linje. Detta förklarar varför två växlar, den ena hälften så stor som den andra, har ett utväxlingsförhållande på 2:1. Den mindre växeln måste snurra två gånger för att täcka samma sträcka när den större växeln snurrar en gång.
De flesta växlar som du ser i verkliga livet har tänder . Tänderna har tre fördelar:
För att skapa stora utväxlingar, växlar är ofta sammankopplade i växeltåg , som visas här:
Den högra (lila) växeln i tåget är faktiskt tillverkad i två delar, som visas ovan. En liten växel och en större växel är sammankopplade, den ena ovanpå den andra. Växeltåg består ofta av flera växlar i tåget, som visas i de följande två figurerna.
I fallet ovan, den lila växeln vrider sig med en hastighet dubbelt så mycket som den blå växeln. Den gröna växeln vrider sig med dubbelt så mycket som den lila växeln. Den röda växeln vrider sig dubbelt så snabbt som den gröna växeln. Växeltåget som visas nedan har ett högre växelförhållande:
I det här tåget, de mindre växlarna är en femtedel av de större växlarna. Det betyder att om du ansluter den lila växeln till en motor som snurrar med 100 varv per minut (rpm), den gröna växeln kommer att rotera med en hastighet av 500 varv / min och den röda växeln kommer att vända med en hastighet av 2, 500 varv / min. På samma sätt, du kan bifoga en 2, 500 varv / min motor till den röda växeln för att få 100 varv / min på den lila växeln. Om du kan se inuti din effektmätare och den är av äldre stil med fem mekaniska rattar, du kommer att se att de fem urtavlarna är anslutna till varandra via ett växeltåg så här, med kugghjulen som har ett förhållande på 10:1. Eftersom rattarna är direkt anslutna till varandra, de snurrar i motsatta riktningar (du kommer att se att siffrorna är omvända på rattar bredvid varandra).
Det finns tre maskväxlar synliga i denna vägmätare. Ser Hur mätare fungerar för mer information. Om du vill skapa ett högt utväxlingsförhållande, ingenting slår snäckväxel . I mask mask, en gängad axel går i ingrepp med tänderna på ett kugghjul. Varje gång axeln snurrar ett varv, växeln flyttar en tand framåt. Om växeln har 40 tänder, du har ett utväxlingsförhållande på 40:1 i ett mycket litet paket. Här är ett exempel från en vindrutetorkare.
En mekanisk vägmätare är en annan plats som använder många maskar:
Det finns många andra sätt att använda kugghjul. Ett specialiserat växeltåg kallas a planetväxeltåg . Planetväxlar löser följande problem. Låt oss säga att du vill ha ett utväxlingsförhållande på 6:1 med ingången i samma riktning som utgången. Ett sätt att skapa det förhållandet är med följande treväxlade tåg:
I det här tåget, den blå växeln har sex gånger diametern på den gula växeln (vilket ger ett förhållande 6:1). Storleken på den röda växeln är inte viktig eftersom den bara är där för att vända rotationsriktningen så att de blå och gula växlarna vänder samma väg. Dock, tänk dig att du vill att utgångsväxelns axel ska vara densamma som ingångsväxelns axel. En vanlig plats där samma axelkapacitet behövs är i en elektrisk skruvmejsel. Isåfall, du kan använda ett planetväxelsystem, som visas här:
I detta växelsystem, den gula växeln ( Sol ) kopplar in alla tre röda växlarna ( planeter ) samtidigt. Alla tre är fästa på en tallrik ( planetbärare ), och de engagerar sig i inuti av den blå växeln ( ringa ) istället för utsidan. Eftersom det finns tre röda växlar istället för en, detta växeltåg är extremt robust. Utgångsaxeln är fäst på det blå ringhjulet, och planetbäraren hålls stilla - detta ger samma 6:1 -utväxling. Du kan se en bild av ett tvåstegs planetväxelsystem på den elektriska skruvmejselns sida, och ett trestegs planetväxelsystem på sprinklersidan. Du hittar också planetväxelsystem inuti automatiska växellådor.
En annan intressant sak med planetväxlar är att de kan producera olika växlingsförhållanden beroende på vilken växel du använder som ingång, vilket redskap du använder som utgång, och vilken håller du kvar. Till exempel, om ingången är solväxeln, och vi håller ringväxeln stilla och fäster utgående axeln på planetbäraren, vi får ett annat utväxlingsförhållande. I detta fall, planetbäraren och planeterna kretsar kring solhjulet, så istället för att solhjulet måste snurra sex gånger för att planetbäraren ska klara det en gång, den måste snurra sju gånger. Detta beror på att planetbäraren cirkulerade solväxeln en gång i samma riktning som det snurrade, subtrahera ett varv från solväxeln. Så i det här fallet, vi får en 7:1 -reduktion.
Du kan ordna om saker igen och den här gången håll solen redskap stilla, ta utmatningen från planetbäraren och anslut ingången till ringväxeln. Detta skulle ge dig en 1,17:1 växelsänkning. En automatisk växellåda använder planetväxlar för att skapa de olika växlingsförhållandena, med hjälp av kopplingar och bromsband för att hålla olika delar av växeln stilla och ändra ingångar och utgångar.
Tänk dig följande situation:Du har två röda växlar som du vill hålla synkroniserad, men de är en bit ifrån varandra. Du kan placera en stor växel mellan dem om du vill att de ska ha samma rotationsriktning:
Eller så kan du använda två lika stora växlar om du vill att de ska ha motsatta rotationsriktningar:
Dock, i båda dessa fall kommer de extra växlarna sannolikt att vara tunga och du måste skapa axlar för dem. I dessa fall, den vanliga lösningen är att använda antingen a kedja eller a tandat bälte , som visas här:
Fördelarna med kedjor och remmar är låg vikt, möjligheten att separera de två växlarna med ett avstånd, och möjligheten att koppla ihop många växlar på samma kedja eller bälte. Till exempel, i en bilmotor, samma tandrem kan komma i ingrepp med vevaxeln, två kamaxlar och generatorn. Om du var tvungen att använda kugghjul i stället för bältet, det skulle vara mycket svårare.
För mer information om kugghjul och deras applikationer, kolla in länkarna på nästa sida!
Ursprungligen publicerat:20 nov. 2000
