Maskinkonstruktion 101: kugghjul

Kugghjulsförhållanden är en grundläggande vetenskap bakom nästan alla maskiner i modern tid. De kan maximera kraft och effektivitet och bygger på enkel matematik. Så hur fungerar de?

Om du arbetar med växelförhållanden varje dag är det här inlägget förmodligen inte för dig. Men om du vill förbättra din förståelse för denna viktiga del av maskinkonstruktionen ska du fortsätta läsa.

Gear ratios är enkla så länge du förstår en del av matematiken bakom cirklar. Jag ska bespara dig grundskolematematiken, men det är viktigt att veta att en cirkels omkrets är relaterad till en cirkels diameter. Denna matematik är viktig vid utformning av kugghastighetsförhållanden.

Grunderna för kugghastighetsförhållanden och utformning av kugghastighetsförhållanden

För att börja förstå kugghastighetsförhållanden är det enklast om vi börjar med att ta bort tänderna från kugghjulen. Föreställ dig två cirklar som rullar mot varandra och anta att det inte finns någon glidning, precis som i fysik 1 i college. Ge cirkel ett en diameter på 2,54 tum. Genom att multiplicera detta med pi får vi en omkrets på 8 tum eller, med andra ord, ett helt varv av cirkel ett kommer att resultera i en förskjutning på 8 tum.

Giv cirkel två en diameter på 0,3175 tum, vilket ger oss en omkrets på 1 tum. Om dessa två cirklar rullar tillsammans kommer de att ha ett utväxlingsförhållande på 8:1, eftersom cirkel ett har en omkrets som är 8 gånger så stor som cirkel två. Ett utväxlingsförhållande på 8:1 innebär att cirkel två roterar 8 gånger för varje gång cirkel ett roterar en gång. Somna inte om än, vi kommer att bli mer och mer komplexa.

Kugghjul är inte cirklar eftersom de, som du vet, har tänder. Kugghjul måste ha tänder eftersom det i den verkliga världen inte finns oändlig friktion mellan två rullande cirklar. Tänder gör det också mycket lätt att uppnå exakta utväxlingsförhållanden.

Istället för att behöva hantera kugghjulens diametrar kan man använda antalet tänder på ett kugghjul för att uppnå mycket exakta förhållanden. Kugghastighetsförhållandena är aldrig bara godtyckliga värden, utan beror i hög grad på det nödvändiga vridmomentet och den uteffekt som behövs, samt på kugghjulets och materialets styrka. Om du till exempel behöver ett utväxlingsförhållande på 3,57:1 är det möjligt att konstruera två kompatibla kugghjul, ett med 75 tänder och ett med 21 tänder.

RELATERAT: Denna turbofläkt med kugghjul är 15 procent effektivare än andra flygplansmotorer

En annan viktig aspekt som spelar in i användningen av tänder i kugghjul är tillverkningstoleranser. De flesta kugghjul kan byggas med ganska stora toleranser, och vi vet att ju snävare en tolerans blir, desto dyrare blir den att tillverka. Tänder gör det möjligt att tillverka kugghjul med fastställda diametrar som är något varierande, vilket innebär att tillverkningen blir billigare. I huvudsak blir tänderna en buffert som tillåter ofullkomligheter vid tillverkning av kugghjul.

Beräkning av kugghjulskvoter i maskinkonstruktion

Men även om den grundläggande kugghjulskvoten är ganska enkel att förstå, kan den också bli mycket mer komplicerad. Stora spännvidder av kugghjul, så kallade kuggtåg, är ofta nödvändiga vid maskinkonstruktion. Dessa består av många kugghjul, som ofta är staplade eller lagda efter varandra. Kugeltåg är nödvändiga för att uppnå mer robusta kugghastighetsförhållanden, samt för att påverka rotationsriktningen. Eftersom två sammankopplade kugghjul roterar i motsatt riktning behövs ofta kugghjulståg för att överföra kraft genom specifika utväxlingar utan att påverka rotationen.

Till exempel skulle ett kuggtåg med tre kugghjul, med ett utväxlingsförhållande på 1:5, ge en 2 500-procentig ökning av rotationshastigheten, samtidigt som utgången hålls i samma riktning som ingången. För att ge ett mer konkret exempel: en motor som tillämpar 100 varv per minut i början av detta kugghjul skulle ge 2500 varv per minut i andra änden i samma riktning. Du kan också vända på var kraften tillförs och trappa ner en motor med 2500 varv per minut till en utgång på 100 varv per minut. Dessa förändringar gör det möjligt att justera både vridmoment och hastighet.

RELATERAT: FUTURISTISKT RUSTISKT INFANTRISKT KUGGÅNGAR FÖRVÄNTAR NUKLEARRESISTENTT UPPGRADE

Mer komplexa kombinationer av kugghjul och kugghastighetsförhållanden ger intressanta maskinkonstruktioner. Teoretiskt sett är växelförhållandena enkla, men som ingenjör kan det hända att du hamnar i komplexa växelkonstruktioner som verkar lite överväldigande. Precis som med andra ingenjörsfärdigheter tar det tid att fullt ut utveckla färdigheter i konstruktion av kugghastighetsförhållanden.

Transmissioner – praktiska tillämpningar av kugghastighetsförhållanden

Transmissioner är några av de bästa exemplen på de praktiska tillämpningarna av kugghastighetsförhållanden. Alla som har åkt i en bil eller ett annat motordrivet fordon har haft nytta av växellådor i någon form. Och varje växellåda är i princip bara ett gäng kugghjul och växelförhållanden packade tätt intill varandra. Ta en titt på den otroligt hjälpsamma videon från Learn Engineering nedan för att lära dig mer om hur manuella växellådor fungerar.

Det är viktigt att notera att även om manuella växellådor håller på att falla i onåd hos biltillverkarna, eftersom de inte är lätta att bygga in i hybrid- eller elbilar, så fungerar de nästan identiskt med hur automatiska växellådor fungerar, när det gäller växling. Den största skillnaden ligger i hur växlarna växlas.

RELATERAT: Fem trender som formar bilindustrin år 2020

Manuella växellådor kräver att användaren agerar (genom att flytta växelspaken och kopplingen) för att växla, medan automatiska växellådor använder sig av data från bilens fordonsdator eller, i mycket tidiga modeller, mekaniska data från antingen bilens hastighet eller bilens motor.