Machineontwerp 101: overbrengingsverhoudingen

overbrengingsverhoudingen zijn een kernwetenschap achter vrijwel elke machine in het moderne tijdperk. Ze kunnen het vermogen en de efficiëntie maximaliseren en zijn gebaseerd op eenvoudige wiskunde. Maar hoe werken ze eigenlijk?

Als je elke dag met overbrengingsverhoudingen werkt, is dit artikel waarschijnlijk niet voor jou bedoeld. Maar als u dit essentiële element van machineontwerp beter wilt leren begrijpen, lees dan verder.

Omwentelingsverhoudingen zijn eenvoudig als u maar een beetje van de wiskunde achter cirkels begrijpt. Ik zal u de lagere school wiskunde besparen, maar het is belangrijk te weten dat de omtrek van een cirkel gerelateerd is aan de diameter van een cirkel. Deze wiskunde is belangrijk bij het ontwerpen van tandwieloverbrengingen.

De basis van tandwieloverbrengingen en het ontwerpen van tandwieloverbrengingen

Om tandwieloverbrengingen te begrijpen, is het het makkelijkst om te beginnen met het verwijderen van de tanden van de tandwielen. Stel je twee cirkels voor die tegen elkaar rollen, en veronderstel dat er geen slip is, net als bij natuurkunde 1. Geef cirkel één een diameter van 2,54 inch. Vermenigvuldig dit met pi en we hebben een omtrek van 8 inch, met andere woorden, één volledige omwenteling van cirkel één levert een verplaatsing van 8 inch op.

Geef cirkel twee een diameter van .3175 inch, wat ons een omtrek geeft van 1 inch. Als deze twee cirkels tegen elkaar rollen, hebben ze een overbrengingsverhouding van 8:1, omdat cirkel één een omtrek heeft die 8 keer zo groot is als cirkel twee. Een overbrengingsverhouding van 8:1 betekent dat cirkel twee 8 keer ronddraait voor elke keer dat cirkel één één keer ronddraait.

Tandwielen zijn geen cirkels omdat ze, zoals je weet, tanden hebben. Tandwielen moeten tanden hebben omdat er in de echte wereld geen oneindige wrijving is tussen twee rollende cirkels. Tanden maken ook exacte overbrengingsverhoudingen heel gemakkelijk te realiseren.

In plaats van je bezig te houden met de diameters van tandwielen, kun je het aantal tanden op een tandwiel gebruiken om zeer nauwkeurige verhoudingen te bereiken. Overbrengingsverhoudingen zijn nooit willekeurige waarden, ze zijn sterk afhankelijk van het benodigde koppel en vermogen, en van de sterkte van de overbrenging en het materiaal. Als u bijvoorbeeld een overbrengingsverhouding van 3,57:1 nodig hebt, zou het mogelijk zijn twee compatibele tandwielen te ontwerpen, een met 75 tanden en een andere met 21.

GeRELATEERD: DEZE GEARED TURBOFAN IS 15 PERCENT MEER EFFICIENT DAN ANDERE LUCHTVAARTMOTOREN

Een ander belangrijk aspect dat meespeelt bij het gebruik van tanden in tandwielen zijn de fabricagetoleranties. De meeste tandwielen kunnen met tamelijk ruime toleranties worden gebouwd, en we weten dat hoe krapper een tolerantie wordt, hoe duurder de fabricage ervan wordt. Met tanden kunnen tandwielen met vaste diameters enigszins variabel worden gemaakt, wat de fabricage goedkoper maakt. In wezen vormen tanden een buffer die het mogelijk maakt onvolkomenheden in de tandwielfabricage op te vangen.

Berekenen van tandwielverhoudingen in machineontwerpen

Hoewel de basis tandwielverhouding vrij eenvoudig te begrijpen is, kan het ook veel gecompliceerder worden. Bij het ontwerpen van machines zijn vaak grote overspanningen van tandwielen nodig, tandwieltreinen genaamd. Deze bestaan uit vele tandwielen, die vaak op elkaar gestapeld of achter elkaar gelegd worden. Tandwieltreinen zijn nodig om robuustere overbrengingsverhoudingen te bereiken, en ook om de draairichting te beïnvloeden. Aangezien twee met elkaar verbonden tandwielen in tegengestelde richting draaien, zijn tandwieloverbrengingen vaak nodig om kracht door bepaalde overbrengingsverhoudingen te leiden zonder de draairichting te beïnvloeden.

Bijv. een tandwielkast met drie versnellingen en een overbrengingsverhouding van 1:5 zou de draaisnelheid met 2500% doen toenemen, terwijl de uitgang in dezelfde richting blijft als de ingang. Om een concreter voorbeeld te geven: een motor die 100 RPM toepast op het beginpunt van deze tandwieloverbrenging zou aan het andere uiteinde 2500 RPM in dezelfde richting leveren. U kunt ook de krachtbron omkeren en een motor van 2500 tpm terugschakelen naar een uitgang van 100 tpm. Met deze veranderingen kunt u zowel het koppel als de snelheid aanpassen.

GERELATEERD: FUTURISTISCH RUSSISCH INFANTRY GEAR ONTVANGT NUCLEAR RESISTANT UPGRADE

Meer complexe combinaties van tandwielen en overbrengingsverhoudingen leveren een aantal interessante machineontwerpen op. Theoretisch zijn tandwielverhoudingen eenvoudig, maar als ingenieur kun je betrokken raken bij complexe tandwielontwerpen die een beetje overweldigend lijken. Net als bij andere ingenieursvaardigheden kost het tijd om vaardigheden in het ontwerpen van overbrengingsverhoudingen volledig te ontwikkelen.

Omvormingen – praktische toepassingen van overbrengingsverhoudingen

Omvormingen zijn enkele van de beste voorbeelden van de praktische toepassingen van overbrengingsverhoudingen. Iedereen die wel eens in een auto of ander gemotoriseerd voertuig heeft gereden, heeft op de een of andere manier profijt gehad van transmissies. En elke transmissie is in wezen gewoon een stel dicht bij elkaar gepakte versnellingen en overbrengingsverhoudingen. Bekijk de ongelooflijk nuttige video van Learn Engineering hieronder om meer te leren over hoe handgeschakelde transmissies werken.

Het is belangrijk om op te merken dat, hoewel handgeschakelde transmissies uit de gratie raken bij autofabrikanten, omdat ze niet gemakkelijk te integreren zijn in hybride of elektrische voertuigen, ze bijna identiek functioneren aan hoe automatische transmissies werken, voor zover het de overbrenging betreft. Het belangrijkste verschil zit in de manier waarop de versnellingen worden geschakeld.

GERELATEERD: FIVE TRENDS SHAPING THE AUTOMOTIVE INDUSTRY IN 2020

Bij handgeschakelde transmissies is een handeling van de gebruiker nodig (het bewegen van de versnellingspook en de koppeling) om te schakelen, terwijl automatische transmissies gebruikmaken van input van de boordcomputer van de auto of, in zeer vroege modellen, mechanische input van ofwel de snelheid van de auto of de motor van de auto.