Kugghjul används i massor av mekaniska enheter. De gör flera viktiga jobb, men viktigast, de ger en reduktionsminskning i motoriserad utrustning. Detta är nyckeln eftersom, ofta, en liten motor som snurrar mycket snabbt kan ge tillräckligt med ström för en enhet, men inte tillräckligt med vridmoment. Till exempel, en elektrisk skruvmejsel har en mycket stor reduktionsminskning eftersom den behöver mycket vridmoment för att vrida skruvar, men motorn ger bara ett litet vridmoment vid hög hastighet. Med en reduktionsminskning, utgångshastigheten kan minskas medan vridmomentet ökas.
Strax
En annan sak som växlar gör är att justera rotationsriktningen. Till exempel, i skillnaden mellan bakhjulen på din bil, kraften överförs av en axel som rinner ner i bilens mitt, och differentialen måste vrida den effekten 90 grader för att applicera den på hjulen.
Det finns många invecklingar i de olika typerna av växlar. I den här artikeln, vi lär oss exakt hur tänderna på växlar fungerar, och vi kommer att prata om de olika typerna av växlar du hittar i alla möjliga mekaniska prylar.
Innehåll
På alla redskap, förhållandet bestäms av avstånden från redskapets mitt till kontaktpunkten. Till exempel, i en enhet med två växlar, om en växel är dubbelt så stor som den andra, förhållandet skulle vara 2:1.
En av de mest primitiva typerna av kugghjul vi skulle kunna titta på skulle vara ett hjul med träpinnar som sticker ut ur det.
Problemet med denna typ av växel är att avståndet från mitten av varje växel till kontaktpunkten ändras när växlarna roterar. Det betyder att växelförhållandet ändras när växeln vrids, vilket innebär att utmatningshastigheten också ändras. Om du använde en sådan utrustning i din bil, det skulle vara omöjligt att hålla en konstant hastighet - du skulle accelerera och sakta ner hela tiden.
Många moderna växlar använder en speciell tandprofil som kallas en ofrivillig . Denna profil har den mycket viktiga egenskapen att upprätthålla ett konstant hastighetsförhållande mellan de två växlarna. Som pinnehjulet ovan, kontaktpunkten rör sig; men formen på den ofrivilliga kuggtanden kompenserar för denna rörelse. Se detta avsnitt för detaljer.
Låt oss nu ta en titt på några av de olika typerna av växlar.
Spurväxlar är den vanligaste typen av växlar. De har raka tänder, och är monterade på parallella axlar. Ibland, många kugghjul används samtidigt för att skapa mycket stora reduktionsminskningar.
Spurväxlar används i många enheter som du kan se över HowStuffWorks, som den elektriska skruvmejseln, dansande monster, oscillerande sprinkler, väckarklocka, tvättmaskin och torktumlare. Men du hittar inte många i din bil.
Detta beror på att kugghjulet kan vara riktigt högt. Varje gång en tandhjul tänder en tand på den andra växeln, tänderna krockar, och denna påverkan ger ett ljud. Det ökar också belastningen på kugghjulet.
För att minska buller och stress i växlarna, de flesta växlarna i din bil är spiralformad .
Tänderna på spiralväxlar skärs i en vinkel mot redskapets yta. När två tänder på ett spiralformat växelsystem går i ingrepp, kontakten börjar i tandens ena ände och sprider sig gradvis när växlarna roterar, tills de två tänderna är i fullt ingrepp.
Detta gradvisa ingrepp gör att spiralväxlar fungerar mycket smidigare och tystare än spårväxlar. Av denna anledning, spiralväxlar används i nästan alla bilöverföringar.
På grund av tändernas vinkel på spiralväxlar, de skapar en dragkraft på växeln när de nätas. Enheter som använder spiralformade kugghjul har lager som kan stödja denna dragkraft.
En intressant sak med spiralväxlar är att om vinklarna på växeltänderna är korrekta, de kan monteras på vinkelräta axlar, justera rotationsvinkeln med 90 grader.
Vinkelväxlar är användbara när riktningen för en axels rotation behöver ändras. De är vanligtvis monterade på axlar som är 90 grader från varandra, men kan också utformas för att fungera i andra vinklar.
Tänderna på koniska kugghjul kan vara hetero , spiral- eller hypoid . Raka kugghjulständer har faktiskt samma problem som kugghjulständer - när varje tand går i ingrepp, det påverkar motsvarande tand på en gång.
Precis som med kugghjul, lösningen på detta problem är att kurva kugghjulen. Dessa spiraltänder griper in precis som spiralformade tänder:kontakten startar i ena änden av växeln och sprider sig gradvis över hela tanden.
På raka och spiralformade kugghjul, axlarna måste vara vinkelräta mot varandra, men de måste också vara i samma plan. Om du skulle förlänga de två axlarna förbi växlarna, de skulle korsa. De hypoidväxel , å andra sidan, kan ingripa med axlarna i olika plan.
Denna funktion används i många bilskillnader. Ringväxeln på differentialen och ingångsdrevet är båda hypoida. Detta gör att ingångsdrevet kan monteras lägre än ringväxelns axel. Figur 7 visar ingångsdrevet som kopplar in differentialens ringväxel. Eftersom bilens drivaxel är ansluten till ingångsdrevet, detta sänker också drivaxeln. Det betyder att drivaxeln inte tränger in i bilens kupé lika mycket, ger mer plats för människor och last.
Snäckväxlar används när stora reduktionsminskningar behövs. Det är vanligt att maskväxlar har 20:1, och till och med upp till 300:1 eller högre.
Många maskväxlar har en intressant egenskap som ingen annan växelsats har:masken kan enkelt vrida växeln, men redskapet kan inte vända mask. Detta beror på att vinkeln på masken är så ytlig att när växeln försöker snurra den, friktionen mellan växeln och mask håller masken på plats.
Denna funktion är användbar för maskiner som transportsystem, i vilken låsfunktionen kan fungera som en broms för transportören när motorn inte roterar. En annan mycket intressant användning av maskskivor är i Torsen -differentialen, som används på några högpresterande bilar och lastbilar.
Kugghjul används för att omvandla rotation till linjär rörelse. Ett perfekt exempel på detta är styrsystemet på många bilar. Ratten roterar ett kugghjul som går i ingrepp med stället. När växeln vänder, det skjuter stället antingen till höger eller vänster, beroende på vilket sätt du vrider på ratten.
Kugghjul används också i vissa vågar för att vrida på ratten som visar din vikt.
Alla planetväxlar har tre huvudkomponenter:
Var och en av dessa tre komponenter kan vara ingången, utgången eller kan hållas stilla. Att välja vilken bit som spelar vilken roll avgör växellådan för växeln. Låt oss ta en titt på en enda planetväxel.
Ett av planetväxlarna från vår växellåda har en ringväxel med 72 tänder och en solväxel med 30 tänder. Vi kan få massor av olika växlingsförhållanden från denna växel.
Också, låsning av två av de tre komponenterna tillsammans låser hela enheten med en 1:1 växelsänkning. Lägg märke till att det första växelförhållandet som anges ovan är a minskning - utmatningshastigheten är långsammare än ingångshastigheten. Den andra är en överdrivning - utmatningshastigheten är snabbare än ingångshastigheten. Det sista är en minskning igen, men utgångsriktningen är omvänd. Det finns flera andra förhållanden som kan tas ut ur denna planetväxel, men det är de som är relevanta för vår automatlåda. Du kan prova dessa i animationen nedan:
Så den här uppsättningen växlar kan producera alla dessa olika utväxlingar utan att behöva koppla in eller ur andra växlar. Med två av dessa växlar i rad, vi kan få de fyra framåtväxlarna och en bakväxel som våra växellådor behöver. Vi kommer att sätta ihop de två uppsättningarna växlar i nästa avsnitt.
På en ofrivillig profil tandhjul, kontaktpunkten börjar närmare en växel, och när växeln snurrar, kontaktpunkten rör sig bort från den växeln och mot den andra. Om du skulle följa kontaktpunkten, den skulle beskriva en rak linje som börjar nära en växel och slutar nära den andra. Detta innebär att kontaktpunktens radie blir större när tänderna går i ingrepp.
De stigdiameter är den effektiva kontaktdiametern. Eftersom kontaktdiametern inte är konstant, stigdiametern är verkligen det genomsnittliga kontaktavståndet. När tänderna börjar engagera sig, den övre växeltanden kommer i kontakt med den nedre kuggtanden inuti stigningsdiametern. Men lägg märke till att den del av den övre växeltanden som kommer i kontakt med den nedre kugghjulstanden är mycket mager vid denna tidpunkt. När växlarna vänder, kontaktpunkten glider upp på den tjockare delen av den övre växeltanden. Detta skjuter överväxeln framåt, så det kompenserar för den något mindre kontaktdiametern. När tänderna fortsätter att rotera, kontaktpunkten rör sig ännu längre bort, går utanför tonhöjdsdiametern - men profilen på bottentanden kompenserar för denna rörelse. Kontaktpunkten börjar glida på den magra delen av botten, subtrahera lite hastighet från toppväxeln för att kompensera för den ökade kontaktdiametern. Slutresultatet är att även om kontaktpunktsdiametern ändras kontinuerligt, hastigheten förblir densamma. Så en involute profil kugghjul ger en konstant förhållande rotationshastighet .
Relaterade artiklar om HowStuffWorks
