Projektowanie maszyn 101: Przełożenia

Przełożenia kół zębatych są podstawową nauką stojącą za prawie każdą maszyną w nowoczesnej erze. Mogą one zmaksymalizować moc i wydajność i są oparte na prostej matematyce. Więc, jak one działają?

Jeśli pracujesz z przełożeniami każdego dnia, ten post prawdopodobnie nie jest dla Ciebie. Ale jeśli chcesz poprawić swoje zrozumienie tego istotnego elementu konstrukcji maszyn, czytaj dalej.

Współczynniki przekładni są proste tak długo, jak długo rozumiesz niektóre z matematycznych podstaw kół. Oszczędzę Ci matematyki z podstawówki, ale ważne jest, aby wiedzieć, że obwód okręgu jest związany ze średnicą okręgu. Ta matematyka jest ważna w projektowaniu przekładni.

Podstawy przekładni i projektowania przekładni

Aby zacząć rozumieć przekładnie, najłatwiej jest zacząć od usunięcia zębów z kół zębatych. Wyobraźmy sobie dwa koła toczące się o siebie, zakładając brak poślizgu, tak jak na studiach z fizyki 1. Okrąg pierwszy ma średnicę 2,54 cala. Mnożąc to przez pi otrzymujemy obwód 8 cali lub, innymi słowy, jeden pełny obrót koła pierwszego spowoduje przesunięcie o 8 cali.

Daj okręgowi dwa średnicę .3175 cala, co da nam obwód 1 cala. Jeśli te dwa okręgi toczą się razem, będą miały przełożenie 8:1, ponieważ okrąg pierwszy ma obwód 8 razy większy niż okrąg drugi. Przełożenie 8:1 oznacza, że koło nr 2 obraca się 8 razy za każdym razem, gdy koło nr 1 obróci się raz. Nie zasypiaj jeszcze, będziemy się stawać coraz bardziej skomplikowani.

Przekładnie nie są kołami, ponieważ, jak wiesz, mają zęby. Koła zębate muszą mieć zęby, ponieważ w prawdziwym świecie nie ma nieskończonego tarcia pomiędzy dwoma toczącymi się kołami. Zęby sprawiają również, że dokładne przełożenia są bardzo łatwe do osiągnięcia.

Nie musisz zajmować się średnicami kół zębatych, możesz użyć liczby zębów na kole zębatym, aby osiągnąć bardzo precyzyjne przełożenia. Przełożenia nigdy nie są tylko arbitralnymi wartościami, są one w dużym stopniu zależne od potrzebnego momentu obrotowego i mocy wyjściowej, jak również wytrzymałości przekładni i materiału. Na przykład, jeśli potrzebujesz przełożenia 3.57:1, możliwe byłoby zaprojektowanie dwóch kompatybilnych przekładni, jednej z 75 zębami i drugiej z 21.

POWIĄZANE: THIS GEARED TURBOFAN IS 15 PERCENT MORE EFFICIENT THAN OTHER AIRPLANE ENGINES

Kolejnym dużym aspektem, który odgrywa rolę w stosowaniu zębów w przekładniach, jest tolerancja produkcyjna. Większość przekładni może być produkowana z dość szerokimi tolerancjami, a wiemy, że im ciaśniejsza jest tolerancja, tym droższa jest produkcja. Zęby pozwalają na produkcję kół zębatych o zadanych średnicach w pewnym zakresie, co oznacza, że produkcja jest tańsza. Zasadniczo, zęby stają się buforem, który pozwala na niedoskonałości w produkcji kół zębatych.

Obliczanie przełożeń w projektowaniu maszyn

Podstawowe przełożenie jest dość proste do zrozumienia, ale może być również o wiele bardziej skomplikowane. W projektowaniu maszyn często konieczne jest stosowanie dużych rozpiętości kół zębatych, zwanych zespołami kół zębatych. Składają się one z wielu kół zębatych, które często są ułożone w stos lub ułożone po sobie. Zespoły kół zębatych są niezbędne do osiągnięcia bardziej wytrzymałych przełożeń, jak również wpływają na kierunek obrotu. Ponieważ dwa połączone koła zębate będą obracać się w przeciwnych kierunkach, zespoły przekładni są często potrzebne do przełożenia mocy przez określone współczynniki bez wpływu na kierunek obrotu.

Na przykład, użycie trzyprzełożeniowego układu przekładniowego, o przełożeniu 1:5, dałoby 2500% wzrost prędkości obrotowej, przy zachowaniu tego samego kierunku na wyjściu, co na wejściu. Aby podać bardziej konkretny przykład, silnik, który przyłożył 100 RPM do początkowego końca tego układu przekładni, dałby 2500 RPM na drugim końcu w tym samym kierunku. Można również odwrócić kierunek przyłożenia mocy i zmniejszyć prędkość obrotową silnika 2500 RPM do 100 RPM. Te zmiany pozwalają na regulację zarówno momentu obrotowego jak i prędkości.

POWIĄZANE: FUTURYSTYCZNE ROSYJSKIE ZĘBY INFANTRYJNE RECIEVES NUCLEAR RESISTANT UPGRADE

Bardziej złożone kombinacje kół zębatych i przełożeń dają kilka interesujących projektów maszyn. Teoretycznie, przełożenia przekładni są proste, ale jako inżynier, możesz być zaangażowany w skomplikowane projekty przekładni, które wydają się nieco przytłaczające. Tak jak w przypadku innych umiejętności inżynierskich, potrzeba czasu, aby w pełni rozwinąć umiejętności projektowania przełożeń.

Przełożenia – praktyczne zastosowania przełożeń

Przełożenia są jednymi z najlepszych przykładów praktycznych zastosowań przełożeń. Każdy, kto jeździł samochodem lub innym zmotoryzowanym pojazdem, korzystał z przekładni w jakiejś formie. A każda skrzynia biegów to w zasadzie tylko garść biegów i przełożeń upakowanych blisko siebie. Spójrz na niesamowicie pomocne wideo od Learn Engineering poniżej, aby dowiedzieć się więcej o tym, jak działają manualne skrzynie biegów.

Warto zauważyć, że podczas gdy manualne skrzynie biegów wypadają z łask producentów samochodów, ponieważ nie są łatwe do zastosowania w pojazdach hybrydowych lub elektrycznych, działają one niemal identycznie jak automatyczne skrzynie biegów, jeśli chodzi o przełożenia. Główna różnica polega na tym, w jaki sposób biegi są zmieniane.

POWIĄZANE: PIĘĆ TRENDÓW KSZTAŁTUJĄCYCH PRZEMYSŁ AUTOMATYCZNY W 2020 ROKU

Przekładnie manualne będą wymagały działania ze strony użytkownika (poruszania dźwignią zmiany biegów i sprzęgłem) w celu zmiany biegów, podczas gdy przekładnie automatyczne będą wykorzystywały dane wejściowe z komputera pokładowego samochodu lub, w bardzo wczesnych modelach, dane mechaniczne pochodzące z prędkości samochodu lub jego silnika.

Przekładnie automatyczne będą działały na zasadzie automatycznej zmiany biegów.