Jak działają przełożenia

Widzisz koła zębate w prawie wszystkim, co ma obracające się części. Na przykład silniki samochodowe i skrzynie biegów zawierają wiele biegów. Jeśli kiedykolwiek otworzysz magnetowid i zajrzysz do środka, zobaczysz, że jest pełen biegów. Zegary nakręcane, dziadkowe i wahadłowe zawierają wiele kół zębatych, zwłaszcza jeśli mają dzwonki lub dzwonki. Prawdopodobnie masz miernik mocy z boku domu, a jeśli ma przezroczystą osłonę, możesz zobaczyć, że zawiera 10 lub 15 biegów. Przekładnie są wszędzie tam, gdzie są silniki i silniki wytwarzające ruch obrotowy. W tym wydaniu Jak działają rzeczy, dowiesz się o biegach, przełożeniach i przełożeniach, abyś mógł zrozumieć, co robią wszystkie różne biegi, które widzisz.

Koła zębate są zwykle używane z jednego z czterech różnych powodów:

1. Aby odwrócić kierunek obrotów
2. Zwiększanie lub zmniejszanie prędkości obrotowej
3. Aby przenieść ruch obrotowy do innej osi
4. Aby utrzymać zsynchronizowany obrót dwóch osi

Na powyższym rysunku widać efekty 1, 2 i 3. Na tym rysunku widać, że dwa koła zębate obracają się w przeciwnych kierunkach, mniejszy bieg obraca się dwa razy szybciej niż większy i że oś obrotu mniejszego koła zębatego znajduje się na prawo od osi obrotu dla większego koła zębatego. Fakt, że jeden bieg obraca się dwa razy szybciej niż drugi wynika z stosunek między biegami lub przełożenie (Sprawdź naszą tabelę przełożeń, aby uzyskać więcej informacji). Na tej figurze średnica koła zębatego po lewej stronie jest dwukrotnie większa od średnicy koła zębatego po prawej stronie. Dlatego przełożenie wynosi 2: 1 (wymawiane „dwa do jednego”). Jeśli spojrzysz na figurę, zobaczysz stosunek: za każdym razem, gdy większy bieg obraca się raz, mniejszy obraca się dwukrotnie. Widać, że gdyby oba koła zębate miały tę samą średnicę, obracałyby się z tą samą prędkością, ale w przeciwnych kierunkach.

Zrozumienie pojęcia przełożenia jest łatwe, jeśli zrozumiesz koncepcję obwód koła. Pamiętaj, że obwód koła jest równy średnicy koła pomnożonej przez Liczba Pi (Pi jest równe 3,14159…). Dlatego jeśli masz koło lub koło zębate o średnicy jednego cala, obwód tego koła wyniesie 3,14159 cala. Poniższy rysunek pokazuje, jak obwód koła o średnicy 1,27 cala jest równy odległości liniowej 4 cali: Powiedzmy, że masz inny okrąg o średnicy 1,27 cala / 2 = 0,635 cala i zwinąłeś go w tak samo jak na tym rysunku. Można by stwierdzić, że ponieważ jego średnica jest równa połowie koła na rysunku, musi wykonać dwa pełne obroty, aby pokryć tę samą 4-calową linię. To wyjaśnia, dlaczego dwa biegi, o połowę mniejsze od drugiego, mają przełożenie 2: 1. Mniejszy bieg musi obrócić się dwa razy, aby pokonać ten sam dystans, gdy większy bieg obraca się raz.

Większość kół zębatych, które widzisz w prawdziwym życiu, ma zęby. Zęby mają trzy zalety:

1. Zapobiegają ślizganiu się kół zębatych - dlatego osie połączone zębatkami są zawsze dokładnie ze sobą zsynchronizowane.
2. Umożliwiają one dokładne określenie przełożeń - wystarczy policzyć liczbę zębów w obu zębatkach i podzielić. Więc jeśli jedno koło zębate ma 60 zębów, a drugie 20, przełożenie, gdy te dwa koła są połączone ze sobą, wynosi 3: 1.
3. Sprawiają, że drobne niedoskonałości w rzeczywistej średnicy i obwodzie dwóch kół zębatych nie mają znaczenia. Przełożenie jest kontrolowane przez liczbę zębów, nawet jeśli średnice są nieco przesunięte.

Aby uzyskać duże przełożenia, koła zębate są często połączone ze sobą przekładnie zębate, jak pokazano tutaj:

Prawe (fioletowe) koło zębate w pociągu jest w rzeczywistości wykonane z dwóch części, jak pokazano. Małe koło zębate i większe koło zębate są ze sobą połączone, jedna na drugiej. Przekładnie zębate często składają się z wielu przekładni w pociągu, jak pokazano na poniższych dwóch rysunkach:

W powyższym przypadku fioletowe koło zębate obraca się dwukrotnie szybciej niż niebieskie. Zielone koło obraca się dwukrotnie szybciej niż fioletowe. Czerwony bieg obraca się dwukrotnie szybciej niż zielony. Przedstawiona poniżej przekładnia ma wyższe przełożenie:

W tym pociągu mniejsze koła zębate są o jedną piątą wielkości większych. Oznacza to, że jeśli podłączysz fioletowy bieg do silnika obracającego się z prędkością 100 obr / min (obroty na minutę), zielony bieg będzie obracał się z prędkością 500 obr / min, a czerwony będzie obracał się z prędkością 2500 obr / min. W ten sam sposób można podłączyć silnik 2500 obr / min do czerwonego koła zębatego, aby uzyskać 100 obr / min na fioletowym biegu. Jeśli widzisz wnętrze swojego miernika mocy i jest on w starszym stylu z pięcioma mechanicznymi tarczami, zobaczysz, że pięć tarcz jest połączonych ze sobą za pomocą takiego mechanizmu zębatego, a przekładnie mają przełożenie 10: 1. Ponieważ tarcze są bezpośrednio ze sobą połączone, obracają się one w przeciwnych kierunkach (zobaczysz, że cyfry na tarczach obok siebie są odwrócone). Więcej informacji na temat przełożeń można znaleźć w naszej tabeli przełożeń.

Istnieje wiele innych sposobów używania kół zębatych. Na przykład można użyć stożkowych kół zębatych, aby zgiąć oś obrotu w przekładni o 90 stopni. Najczęstszym miejscem, w którym można znaleźć stożkowe koła zębate, takie jak to, jest mechanizm różnicowy samochodu z napędem na tylne koła. Mechanizm różnicowy wygina obroty silnika o 90 stopni, aby napędzać tylne koła:

Inny wyspecjalizowany przekładnia nazywa się a przekładnia planetarna. Przekładnie planetarne rozwiązują następujący problem. Powiedzmy, że chcesz przełożenia 6: 1. Jednym ze sposobów uzyskania takiego przełożenia jest zastosowanie następującego trzybiegowego układu:

W tym pociągu czerwone koło zębate ma trzy razy większą średnicę niż żółte, a niebieskie ma dwa razy większą średnicę niż czerwone (co daje przełożenie 6: 1). Jednak wyobraź sobie, że chcesz, aby oś koła zębatego wyjściowego była taka sama jak koła zębatego wejściowego. Typowym miejscem, w którym wymagana jest ta sama oś, jest wkrętak elektryczny. W takim przypadku możesz użyć przekładni planetarnej, jak pokazano tutaj:

W tym systemie przekładni żółty bieg włącza jednocześnie wszystkie trzy czerwone koła zębate. Wszystkie trzy są przymocowane do płyty i włączają wewnątrz niebieskiego koła zębatego zamiast zewnętrznego. Ponieważ zamiast jednej są trzy czerwone koła zębate, ta przekładnia jest wyjątkowo wytrzymała. Wałek wyjściowy jest zdejmowany z płyty, a niebieska zębatka pozostaje nieruchoma. Zdjęcie dwustopniowej przekładni planetarnej można zobaczyć na stronie wkrętarki elektrycznej.

Na koniec wyobraź sobie następującą sytuację: masz dwa czerwone koła zębate, które chcesz zsynchronizować, ale są one oddalone od siebie. Możesz umieścić między nimi duże koło zębate, jeśli chcesz, aby miały te same kierunki obrotu:

Lub możesz użyć dwóch równych rozmiarów kół zębatych, jeśli chcesz, aby miały przeciwny kierunek obrotów:

Jednak w obu tych przypadkach dodatkowe koła zębate będą prawdopodobnie ciężkie i konieczne będzie utworzenie dla nich osi. W takich przypadkach typowym rozwiązaniem jest użycie pliku łańcuch lub a pasek zębaty, jak pokazano tutaj:

Zaletami łańcuchów i pasów jest niewielka waga, możliwość oddzielenia dwóch kół zębatych na pewną odległość oraz możliwość łączenia wielu kół zębatych razem na tym samym łańcuchu lub pasku. Na przykład w silniku samochodowym ten sam pasek zębaty może współpracować z wałem korbowym, dwoma wałkami rozrządu i alternatorem. Gdybyś musiał użyć zębatek zamiast paska, byłoby o wiele trudniej! Więcej informacji na temat przełożeń można znaleźć w naszej tabeli przełożeń.