Hvordan gearet fungerer
Gear bruges i en bred vifte af mekaniske enheder. De udfører en række vigtige opgaver, men vigtigst af alt giver de gearreduktion til motoriseret udstyr. Dette er nøglen, fordi små motorer, der spinder meget hurtigt, typisk kan levere nok strøm til enheden, men ikke nok drejningsmoment. For eksempel er gearreduktionen af en elektrisk skruetrækker meget stor, fordi det kræver meget moment at dreje skruen, men motoren producerer meget lidt moment ved høj hastighed. Ved at reducere gearet kan udgangshastigheden reduceres, mens drejningsmomentet øges.
En anden ting et gear gør er at justere omdrejningsretningen. I et differentiale mellem baghjulene på en bil, for eksempel, overføres kraften gennem en aksel, der løber langs midten af bilen, og differentialet skal dreje kraften 90 grader for at påføre den på hjulene.
Der er mange forviklinger med forskellige typer gear. I denne artikel lærer vi præcis, hvordan tænderne på tandhjulene fungerer, og vi vil diskutere de forskellige typer gear, som du finder i forskellige mekaniske gadgets.
På ethvert gear bestemmes forholdet af afstanden fra gearets centrum til kontaktpunktet. For eksempel, i en enhed med to gear, hvis den ene er dobbelt så stor som den anden, er forholdet 2:1.
En af de mest primitive typer gear, vi kan se, er et hjul med en træspyd, der stikker ud.
Problemet med disse gear er, at når de roterer, ændres afstanden fra midten af hvert gear til kontaktpunktet. Det betyder, at gearforholdet ændres i takt med, at gearene drejer, hvilket betyder, at udgangshastigheden også ændres. Hvis du bruger gear som dette i en bil, er det umuligt at holde en konstant hastighed -- du konstant accelererer og sætter farten ned.
Mange moderne gear bruger specielle tandformer kaldet involutter. Profilen har den meget vigtige egenskab at opretholde et konstant hastighedsforhold mellem de to gear. Ligesom sømhjulet ovenfor, bevæger kontaktpunktet sig; Men formen på de involutte tænder kompenserer for denne bevægelse. Se dette afsnit for mere information.
Lad os nu se på nogle forskellige typer gear.
Spurgear er den mest almindelige type gear. De har lige tænder og er monteret på parallelle akser. Nogle gange bruges mange cylindriske tandhjul på samme tid for at producere meget stor gearreduktion.
Tandhjul bruges i mange af de enheder, der findes overalt hos HowStuffWorks, såsom elektriske skruetrækkere, dansende monstre, svingende sprinklere, optræks-vækkeure, vaskemaskiner og tørretumblere. Men du finder ikke mange i din bil.
Det er fordi cylindriske tandhjul kan være meget høje. Hver gang en tandhjulstand går i indgreb med en tand på et andet gear, vil disse tænder støde sammen, og denne kollision vil producere støj. Det øger også belastningen på tandhjulets tænder.
De fleste gear i biler er spiralformede for at reducere støj og tryk i dem.
Tænderne på et spiralformet tandhjul er i en vinkel med gearets overflade. Når to tænder på et spiralformet gearsystem går i indgreb, starter kontakten i den ene ende af tanden og udvider sig gradvist, mens tandhjulet roterer, indtil de to tænder er helt i indgreb.
Dette progressive indgreb gør det muligt for spiralformede gear at køre mere jævnt og støjsvagt end cylindriske tandhjul. Derfor bruger næsten alle biltransmissioner spiralformede gear.
På grund af tandvinklerne på spiralformede tandhjul genererer de trykbelastninger på gearene, når de er aktiveret. Udstyr, der bruger spiralformede tandhjul, har lejer, der kan understøtte denne trykbelastning.
En af de interessante ting ved spiralgear er, at hvis tandhjulene er vinklet korrekt, kan de monteres på den lodrette akse for at justere rotationsvinklen til 90 grader.
Koniske gear er nyttige, når det er nødvendigt at ændre akslens rotationsretning. De er normalt monteret på aksler 90 grader fra hinanden, men kan også designes til at arbejde i andre vinkler.
Tænderne på koniske tandhjul kan være lige, spiralformede eller hypoide. Stigende koniske tandhjulstænder har faktisk det samme problem som cylindriske tandhjulstænder --, når hver tand griber ind, rammer den den tilsvarende tand på samme tid.
Ligesom cylindriske tandhjul er løsningen på dette problem at bøje tandhjulets tænder. Disse spiralformede tænder går i indgreb ligesom spiralformede tænder: kontakt starter i den ene ende af gearet og strækker sig gradvist til hele tanden.
I cylindriske og spiralformede tandhjul skal akslerne stå vinkelret på hinanden, men de skal også være i samme plan. Hvis du forlænger de to aksler ud af gearet, vil de krydse hinanden. Hypoide gear, på den anden side, kan gå i indgreb med aksler i forskellige planer.
Denne funktion bruges i mange bildifferentialer. Differentialets gearring og indgangsdrev er hypoide. Dette gør det muligt at montere indgangsdrevet under ringaksen. Da bilens drivaksel er forbundet med indgangsdrevet, sænker dette også drivakslen. Det betyder, at drivakslen ikke trænger for meget ind i kabinen i bilen, hvilket frigør mere plads til personer og last.
Tandstangen og tandhjulet bruges til at konvertere rotation til lineær bevægelse. Styresystemet i mange biler er et godt eksempel. Rattet drejer de gear, der går i indgreb med tandstangen. Når gearet drejer, glider det stativet til højre eller venstre, afhængigt af hvordan du drejer hjulet.
Nogle vægte bruger også en tandstang til at dreje en skive, der viser din vægt.
Planetgearsæt og gearforhold
Ethvert planetgearsæt har tre hovedkomponenter:
Soludstyret
Planetgear og planetgearstativ
Ring gear
Hver af disse tre komponenter kan være input, output eller kan stå stille. Hvilken del der vælges til at spille hvilken rolle bestemmer gearsættets gearforhold. Lad os se på individuelle planetgearsæt.
Et af planetgearsættene i vores transmission har en 72 tands ring og et 30 tands solhjul. Vi kan få mange forskellige udvekslingsforhold fra dette gearsæt.
Derudover låser en vilkårlig to af de tre komponenter sammen, at hele enheden låses med en gearreduktion på 1:1. Bemærk, at det første gearforhold, der er angivet ovenfor, er en deceleration -- udgangshastigheden er langsommere end indgangshastigheden. Den anden er overdrive -- outputtet er hurtigere end inputtet. Og så går det endelig ned igen, men outputtet går i den modsatte retning. Der er flere andre udvekslinger til dette planetgearsæt, men disse er udvekslingerne forbundet med vores automatiske gearkasser. Du kan prøve disse i animationen nedenfor:
Således kan dette sæt gear producere alle disse forskellige gearforhold uden at ind- eller udkoble andre gear. Ved at bruge to sådanne gearsæt i rækkefølge kan vi opnå de fire frem- og et bakgear, der kræves til transmission. Vi vil sætte de to sæt gear sammen i næste afsnit.
