Géptervezés 101: Fogaskerekek
A fogaskerekek áttételei a modern kor szinte minden gépének alaptudománya. Maximálni tudják a teljesítményt és a hatékonyságot, és egyszerű matematikán alapulnak. Szóval, hogyan működnek?
Ha minden nap áttételekkel dolgozol, akkor ez a bejegyzés valószínűleg nem neked szól. De ha szeretné jobban megérteni a géptervezés ezen alapvető elemét, olvasson tovább.
A fogaskerekek áttételei egyszerűek, ha megértesz néhány matematikai összefüggést a körök mögött. Megkíméllek az általános iskolai matematikától, de fontos tudni, hogy a kör kerülete összefügg a kör átmérőjével. Ez a matematika fontos a fogaskerekek áttételezésénél.
A fogaskerekek áttételezésének és a fogaskerekek tervezésének alapjai
A fogaskerekek áttételezésének megértéséhez a legegyszerűbb, ha azzal kezdjük, hogy eltávolítjuk a fogakat a fogaskerekekről. Képzeljünk el két egymásnak gördülő kört, és feltételezzük, hogy nincs csúszás, mint az egyetemi fizika 1-ben. Adjunk az egyes körnek 2,54 hüvelyk átmérőt. Ha ezt megszorozzuk pi-vel, akkor 8 hüvelykes kerületet kapunk, vagy más szóval az egyes kör egy teljes elfordulása 8 hüvelykes elmozdulást eredményez.
Adjunk a kettes körnek 0,3175 hüvelyk átmérőt, ami 1 hüvelyk kerületet ad. Ha ez a két kör együtt forog, akkor 8:1 lesz az áttételük, mivel az egyes kör kerülete 8-szor akkora, mint a kettes köré. A 8:1 áttételi arány azt jelenti, hogy a kettes kör 8-szor forog minden egyes alkalommal, amikor az egyes kör egyszer forog. Még ne aludjatok el; egyre bonyolultabbak leszünk.
A fogaskerekek nem körök, mert, mint tudjátok, vannak fogaik. A fogaskerekeknek azért kell fogakkal rendelkezniük, mert a való világban nincs végtelen súrlódás két gördülő kör között. A fogak miatt a pontos áttételeket is nagyon könnyű elérni.
Ahelyett, hogy a fogaskerekek átmérőjével kellene foglalkoznunk, a fogak számát használhatjuk a fogaskerék fogainak számához, hogy nagyon pontos áttételeket érjünk el. A fogaskerék-áttételek soha nem csak önkényes értékek, hanem nagymértékben függnek a szükséges nyomatéktól és teljesítménytől, valamint a fogaskerék és az anyag szilárdságától. Ha például 3,57:1 áttételre van szüksége, akkor két kompatibilis fogaskerék tervezhető, az egyik 75, a másik 21 fogú.
RELATED: Ez a fogazott turbóventilátor 15 %-kal hatékonyabb, mint más repülőgépmotorok
A másik nagy szempont, amely a fogak fogaskerekekben való alkalmazásánál szerepet játszik, a gyártási tűréshatárok. A legtöbb fogaskerék meglehetősen nagy tűréshatárokkal gyártható, és tudjuk, hogy minél szűkebb a tűréshatár, annál drágább a gyártása. A fogak lehetővé teszik, hogy a beállított átmérőjű fogaskerekek gyártása némileg eltérő legyen, ami azt jelenti, hogy a gyártás olcsóbb. Lényegében a fogak egy pufferré válnak, amely lehetővé teszi a fogaskerekek gyártásának tökéletlenségeit.
A fogaskerekek áttételének kiszámítása a géptervezésben
Míg az alapvető fogaskerekek áttételét meglehetősen egyszerű megérteni, ennél sokkal bonyolultabb is lehet. A géptervezésben gyakran van szükség nagy fogaskerék-tartományokra, az úgynevezett fogaskeréksorokra. Ezek sok fogaskerékből állnak, amelyeket gyakran egymásra helyeznek vagy egymás után fektetnek. A fogaskerekek a robusztusabb áttételek eléréséhez, valamint a forgásirány befolyásolásához szükségesek. Mivel két összekapcsolt fogaskerék ellentétes irányban fog forogni, a fogaskerekek gyakran szükségesek a teljesítmény meghatározott áttételeken keresztül történő átviteléhez anélkül, hogy befolyásolnák a forgást.
Egy háromfokozatú fogaskerekes fogaskerék használata például 1:5 áttétel mellett 2500%-kal növelné a forgási sebességet, miközben a kimenet a bemenettel azonos irányban maradna. Egy konkrétabb példával élve, egy olyan motor, amely 100 fordulat/perc fordulatszámot alkalmazna ennek a fogaskeréknek a kezdeti végére, 2500 fordulat/perc fordulatszámot adna ki a másik végén ugyanabban az irányban. Azt is megfordíthatja, hogy a teljesítményt hol alkalmazzák, és egy 2500 fordulat/perc fordulatszámú motort 100 fordulat/perc fordulatszámú kimenetre állíthat le. Ezek a változtatások lehetővé teszik mind a nyomaték, mind a sebesség beállítását.
RELATED: A FUTURISZTIKUS OROSZ TÁMOGATÁSI FELSZERELÉS NUKLEárisan ellenálló korszerűsítést kap
A fogaskerekek és áttételek bonyolultabb kombinációi érdekes gépkonstrukciókat eredményeznek. Elméletileg a fogaskerék-áttételek egyszerűek, de mérnökként előfordulhat, hogy olyan összetett fogaskerék-konstrukciókba keveredik, amelyek egy kicsit túlterhelőnek tűnnek. Más mérnöki ismeretekhez hasonlóan a fogaskerekek tervezésében való jártasság teljes kifejlesztéséhez is időre van szükség.
A sebességváltók – a sebességváltók gyakorlati alkalmazásai
A sebességváltók az egyik legjobb példa a sebességváltók gyakorlati alkalmazására. Mindenki, aki ült már autóban vagy más motorizált járműben, valamilyen formában hasznát vette a sebességváltóknak. És minden sebességváltó lényegében nem más, mint szorosan egymás mellé pakolt fogaskerekek és áttételek halmaza. Nézze meg a Learn Engineering alábbi, hihetetlenül hasznos videóját, hogy többet megtudjon arról, hogyan működnek a kézi sebességváltók.
Fontos megjegyezni, hogy bár a kézi sebességváltók egyre inkább kiesnek az autógyártók kegyeiből, mivel nem könnyű beépíteni őket a hibrid vagy elektromos járművekbe, a sebességfokozatok tekintetében szinte ugyanúgy működnek, mint az automata sebességváltók. A fő különbség a sebességváltás módjában van.
RELATED:
A kézi sebességváltóknál a felhasználónak kell cselekednie (a váltó és a kuplung mozgatásával) a váltáshoz, míg az automata sebességváltók az autó fedélzeti számítógépének vagy – a nagyon korai modellekben – az autó sebességéből vagy a motorból származó mechanikus inputnak a segítségével váltanak.