Hogyan működik a fogaskerék
A fogaskerekeket a mechanikus eszközök széles körében használják. Számos fontos feladatot látnak el, de ami a legfontosabb, a motoros berendezésekhez sebességcsökkentést biztosítanak. Ez azért kulcsfontosságú, mert jellemzően a nagyon gyorsan forgó kis motorok elegendő teljesítményt tudnak biztosítani a készüléknek, de nem elegendő nyomatékot. Például egy elektromos csavarhúzó sebességcsökkentése nagyon nagy, mert nagy nyomatékot igényel a csavar elfordítása, de a motor nagyon kis nyomatékot termel nagy fordulatszámon. A sebességfokozat csökkentésével a kimenő fordulatszám csökkenthető, miközben a nyomaték nő.
Egy másik dolog, amit a fogaskerék csinál, az a forgásirány beállítása. Például egy autó hátsó kerekei közötti differenciálműben az erőt az autó közepén futó tengelyen keresztül továbbítják, és a differenciálműnek 90 fokkal el kell forgatnia az erőt, hogy a kerekekre vonatkoztassa.
A különböző típusú fogaskerekekkel sok bonyolultság létezik. Ebben a cikkben megtudjuk, hogy pontosan hogyan működnek a fogaskerekek fogai, és megvitatjuk a különféle mechanikus eszközökben található fogaskerekek típusait.
Bármely sebességfokozaton az áttételt a sebességfokozat középpontja és az érintkezési pont távolsága határozza meg. Például egy két fokozatú eszközben, ha az egyik átmérője kétszerese a másiknak, akkor az arány 2:1.
A fogaskerekek egyik legprimitívebb típusa, amelyet láthatunk, egy fatüske kilógó kerék.
Ezekkel a fogaskerekekkel az a probléma, hogy forgásuk során az egyes fogaskerekek középpontja és az érintkezési pont közötti távolság változik. Ez azt jelenti, hogy az áttételi arány változik a fogaskerekek fordulásakor, ami azt jelenti, hogy a kimeneti sebesség is változik. Ha ilyen sebességfokozatokat használ egy autóban, lehetetlen állandó sebességet tartani --, folyamatosan gyorsít és lassít.
Sok modern fogaskerék speciális fogformákat használ, amelyeket involutumnak neveznek. A profilnak megvan az a nagyon fontos tulajdonsága, hogy állandó sebességarányt tart fenn a két fokozat között. Csakúgy, mint a fenti szögkerék, az érintkezési pont mozog; De az evolvens fogak alakja kompenzálja ezt a mozgást. További információért lásd ezt a részt.
Most nézzünk meg néhány különböző típusú fogaskereket.
A homlokkerekes fogaskerekek a leggyakoribb hajtóművek. Egyenes fogakkal rendelkeznek, és párhuzamos tengelyekre vannak felszerelve. Néha sok homlokkerekes fogaskereket használnak egyszerre, hogy nagyon nagy sebességcsökkentést érjenek el.
Homlokkerekes fogaskerekeket használnak a HowStuffWorks-nél mindenhol megtalálható eszközökben, például elektromos csavarhúzókban, táncoló szörnyekben, lengő locsolókban, felhúzható ébresztőórákban, mosógépekben és szárítógépekben. De nem sokat találsz az autódban.
Ez azért van, mert a homlokfogaskerekek nagyon hangosak lehetnek. Minden alkalommal, amikor egy fogaskerék foga egy másik fogaskereken lévő foghoz kapcsolódik, ezek a fogak összeütköznek, és ez az ütközés zajt kelt. Ezenkívül növeli a fogaskerekek fogainak igénybevételét.
Az autók legtöbb fogaskereke spirális, hogy csökkentse a zajt és a nyomást.
A spirális fogaskerék fogai szöget zárnak be a fogaskerék felületével. Amikor egy csigafogaskerék-rendszer két foga összekapcsolódik, az érintkező a fog egyik végén kezdődik, és a fogaskerék forgásakor fokozatosan kitágul, amíg a két fog teljesen összekapcsolódik.
Ez a fokozatos kapcsolódás lehetővé teszi, hogy a spirális fogaskerekek simábban és halkabban működjenek, mint a homlokkerekek. Ezért szinte minden gépjármű sebességváltó csavaros fogaskereket használ.
A spirális fogaskerekek fogszögei miatt tolóerőt hoznak létre a fogaskerekek bekapcsolásakor. A csavarkerekes fogaskerekes fogaskerekeket használó berendezések csapágyakkal rendelkeznek, amelyek elbírják ezt a tolóerőt.
A csavarkerekes fogaskerekek egyik érdekessége, hogy ha a fogaskerekek fogai helyesen vannak beállítva, akkor a függőleges tengelyre szerelve 90 fokra állíthatjuk a forgási szöget.
A kúpfogaskerekek akkor hasznosak, ha a tengely forgásirányát meg kell változtatni. Általában 90 fokos távolságban lévő tengelyekre vannak felszerelve, de más szögben is használhatók.
A kúpfogaskerekek fogai lehetnek egyenesek, spirálisak vagy hipoidok. A homlokkerekes fogaskerék fogakkal valójában ugyanaz a probléma, mint a homlokkerekes fogaskerekek fogaival --, amikor minden egyes fog összeakad, egyszerre találja el a megfelelő fogat.
Csakúgy, mint a homlokfogaskerekeknél, erre a problémára a fogaskerekek fogainak meghajlítása a megoldás. Ezek a spirális fogak ugyanúgy kapcsolódnak össze, mint a spirális fogak: az érintkezés a fogaskerék egyik végén kezdődik, és fokozatosan kiterjed az egész fogra.
A homlok- és spirál kúpkerekes fogaskerekek esetében a tengelyeknek merőlegesnek kell lenniük egymásra, de egy síkban is kell lenniük. Ha a két tengelyt kihúzod a fogaskerékből, akkor metszik egymást. A hipoid fogaskerekek viszont különböző síkokban kapcsolhatják össze a tengelyeket.
Ezt a funkciót számos autóipari differenciálműben használják. A differenciálmű fogaskereke és bemeneti fogaskereke hipoid. Ez lehetővé teszi a bemeneti fogaskerék felszerelését a gyűrű tengelye alá. Mivel az autó hajtótengelye a bemenő fogaskerékhez van kötve, ez a hajtótengelyt is leengedi. Ez azt jelenti, hogy a hajtótengely nem hatol be túlságosan az autó utasterébe, így több hely szabadul fel az emberek és a rakomány számára.
A fogasléc és a fogaskerék a forgás lineáris mozgássá alakítására szolgál. Jó példa erre számos autó kormányrendszere. A kormánykerék forgatja azokat a fokozatokat, amelyek a fogaslécet kapcsolják. Ahogy a fogaskerék forog, jobbra vagy balra csúsztatja a fogaslécet, attól függően, hogyan forgatja a kereket.
Egyes mérlegek fogaslécet és fogaskereket is használnak az Ön súlyát mutató tárcsa elforgatásához.
Bolygóhajtóművek és áttételi arányok
Minden bolygókerekes hajtómű három fő összetevőből áll:
A napfelszerelés
Bolygókerekek és bolygókerekes fogaslécek
Tányérkerék
E három összetevő mindegyike lehet bemeneti, kimeneti vagy állhat is. Az, hogy melyik alkatrész melyik szerepet tölti be, meghatározza a fogaskerék-készlet áttételi arányát. Nézzük meg az egyes bolygókerekes hajtóműveket.
A sebességváltónk egyik bolygókerekes készlete 72 fogú gyűrűvel és 30 fogú napkerékkel rendelkezik. Ebből a váltókészletből sokféle áttételt kaphatunk.
Ezen túlmenően, ha a három alkatrész közül bármelyik kettőt együtt reteszeli, az egész készüléket 1:1 arányú sebességcsökkentés mellett rögzíti. Vegye figyelembe, hogy a fent felsorolt első sebességfokozat egy lassulás --, a kimeneti sebesség kisebb, mint a bemeneti sebesség. A második az overdrive --, a kimenet gyorsabb, mint a bemenet. Aztán végül megint lemegy, de a kimenet az ellenkező irányba megy. Számos más áttétel is létezik ehhez a bolygóműves készlethez, de ezek az áttételek az automata sebességváltóinkhoz. Ezeket kipróbálhatod az alábbi animációban:
Így ez a sebességfokozat-készlet mindezeket a különböző áttételeket képes előállítani anélkül, hogy bármilyen más fokozatot kapcsolna be vagy ki. Két ilyen váltókészlet egymás utáni használatával megkaphatjuk a sebességváltóhoz szükséges négy előre- és egy hátrameneti fokozatot. A következő részben összerakjuk a két fogaskerékkészletet.
