Sådan fungerer gear

Foto høflighed
Emerson Power Transmission Corp.
Gear findes i alt fra biler til ure.

Gear bruges i tonsvis af mekaniske enheder. De udfører flere vigtige job, men vigtigst, de giver en gearreduktion i motoriseret udstyr. Dette er nøglen, fordi, tit, en lille motor, der roterer meget hurtigt, kan levere nok strøm til en enhed, men ikke nok moment. For eksempel, en elektrisk skruetrækker har en meget stor gearreduktion, fordi den har brug for masser af drejningsmoment for at dreje skruer, men motoren producerer kun en lille mængde drejningsmoment ved en høj hastighed. Med gearreduktion, udgangshastigheden kan reduceres, mens drejningsmomentet øges.

Næste

• HowStuffWorks Forum:Vil vi nogensinde stoppe med at have brug for gear i vores maskiner?
• Gear Quiz
  
• Sådan fungerer pendulure
  
• Sådan fungerer cykler
  

En anden ting, gear gør, er at justere rotationsretningen. For eksempel, i forskellen mellem baghjulene på din bil, kraften overføres af en aksel, der løber ned i midten af ​​bilen, og differencen skal dreje den effekt 90 grader for at anvende den på hjulene.

Der er mange finurligheder i de forskellige geartyper. I denne artikel, vi lærer præcis, hvordan tænderne på gear fungerer, og vi vil tale om de forskellige typer gear, du finder i alle mulige mekaniske gadgets.

Indhold

1. Grundlæggende
2. Spur gear
3. Heliske tandhjul
4. Vinkelgear
5. Worm Gears
6. Tandhjul og tandhjul
7. Planetgear og gearforhold
8. Detaljer om Involute Gear -profiler

Grundlæggende

På ethvert gear, forholdet bestemmes af afstandene fra gearets centrum til kontaktpunktet. For eksempel, i en enhed med to gear, hvis det ene gear er dobbelt så stort som det andet, forholdet ville være 2:1.

En af de mest primitive typer gear, vi kunne se på, ville være et hjul med træpinde, der stak ud af det.

Problemet med denne type gear er, at afstanden fra midten af ​​hvert gear til kontaktpunktet ændres, når gearene roterer. Det betyder, at gearforholdet ændres, når gearet drejer, hvilket betyder, at outputhastigheden også ændres. Hvis du brugte et gear som dette i din bil, det ville være umuligt at opretholde en konstant hastighed - du ville accelerere og bremse konstant.

Mange moderne gear bruger en særlig tandprofil kaldet en uforanderlig . Denne profil har den meget vigtige egenskab at opretholde et konstant hastighedsforhold mellem de to gear. Ligesom pindehjulet ovenfor, kontaktpunktet bevæger sig; men formen på den involutte tandhjulstand kompenserer for denne bevægelse. Se dette afsnit for detaljer.

Lad os nu se på nogle af de forskellige typer gear.

Spur gear

Foto høflighed Emerson Power Transmission Corp.
Figur 2. Tandhjul

Tandhjul er den mest almindelige type gear. De har lige tænder, og er monteret på parallelle aksler. Sommetider, mange tandhjul bruges på én gang til at skabe meget store gearreduktioner.

Spur gear bruges på mange enheder, som du kan se overalt på HowStuffWorks, som den elektriske skruetrækker, dansende monster, oscillerende sprinkler, vækkeur, vaskemaskine og tørretumbler. Men du finder ikke mange i din bil.

Dette skyldes, at tandhjulet kan være virkelig højt. Hver gang en tand tand engagerer en tand i det andet gear, tænderne støder sammen, og denne påvirkning larmer. Det øger også belastningen på tandhjulstænderne.

For at reducere støj og stress i gearene, de fleste gear i din bil er spiralformet .

Heliske tandhjul

Foto høflighed Emerson Power Transmission Corp.
Figur 3. Tandhjulsgear

Tænderne på spiralformede gear skæres i en vinkel i forhold til gearets overflade. Når to tænder på et spiralformet gearsystem går i indgreb, kontakten starter i den ene ende af tanden og spredes gradvist, når gearene roterer, indtil de to tænder er i fuldt engagement.

Dette gradvise indgreb får spiralformede tandhjul til at fungere meget mere gnidningsløst og støjsvagt end tandhjul. Af denne grund, spiralformede tandhjul bruges i næsten alle biltransmissioner.

På grund af tændernes vinkel på spiralformede tandhjul, de skaber en trykbelastning på gearet, når de griber ind. Enheder, der bruger spiralformede tandhjul, har lejer, der kan understøtte denne trykbelastning.

En interessant ting ved spiralformede tandhjul er, at hvis vinklen på tandhjulene er korrekte, de kan monteres på vinkelrette aksler, justering af rotationsvinklen med 90 grader.

Foto høflighed Emerson Power Transmission Corp.
Figur 4. Krydsede tandhjulsgear

Vinkelgear

Vinkelgear er nyttige, når retningen for en aksels rotation skal ændres. De er normalt monteret på aksler, der er 90 grader fra hinanden, men kan også designes til at fungere i andre vinkler.

Tænderne på koniske tandhjul kan være lige , spiralformet eller hypoid . Lige koniske tandhjul har faktisk det samme problem som tandspidser - da hver tand går i indgreb, det påvirker den tilsvarende tand på én gang.

Foto høflighed Emerson Power Transmission Corp.
Figur 5. Vinkelgear

Ligesom med tandhjul, løsningen på dette problem er at kurve tandhjulene. Disse spiraltænder griber ind ligesom spiralformede tænder:kontakten starter i den ene ende af gearet og spreder sig gradvist over hele tanden.

Foto høflighed Emerson Power Transmission Corp.
Figur 6. Spiralfasede tandhjul

På lige og spiralformede koniske tandhjul, akslerne skal stå vinkelret på hinanden, men de skal også være i samme plan. Hvis du skulle forlænge de to aksler forbi gearene, de ville krydse. Det hypoid gear , på den anden side, kan gribe ind med akserne i forskellige planer.

Figur 7. Hypoid -koniske tandhjul i en bildifferentiale

Denne funktion bruges i mange bilforskelle. Ringens gear på differentialen og input -tandhjulet er begge hypoid. Dette gør det muligt for indgangsdrevet at blive monteret lavere end ringgearets akse. Figur 7 viser inputdrevet, der går i indgreb med differentialets ringhjul. Da bilens drivaksel er forbundet til inputdrevet, dette sænker også drivakslen. Det betyder, at drivakslen ikke trænger så meget ind i bilens kupé, skaber mere plads til mennesker og gods.

Worm Gears

Foto høflighed Emerson Power Transmission Corp.
Figur 8. Snekkegear

Orm gear bruges, når der er behov for store gearreduktioner. Det er almindeligt, at snekkegear har en reduktion på 20:1, og endda op til 300:1 eller større.

Mange ormgear har en interessant egenskab, som intet andet gearsæt har:ormen kan let dreje gearet, men gearet kan ikke dreje ormen. Dette skyldes, at vinklen på ormen er så lav, at når gearet forsøger at dreje det, friktionen mellem gearet og ormen holder ormen på plads.

Denne funktion er nyttig til maskiner såsom transportbåndssystemer, hvor låsefunktionen kan fungere som en bremse for transportøren, når motoren ikke drejer. En anden meget interessant brug af ormhjul er i Torsen -differentialet, som bruges på nogle højtydende biler og lastbiler.

Tandhjul og tandhjul

Figur 9. Tandhjul og tandhjul fra en husholdningsvægt

Tandhjul og tandhjul bruges til at konvertere rotation til lineær bevægelse. Et perfekt eksempel på dette er styresystemet på mange biler. Rattet roterer et gear, der går i indgreb med stativet. Når gearet drejer, det glider stativet enten til højre eller venstre, afhængigt af hvilken vej du drejer på hjulet.

Rack og tandhjul bruges også i nogle vægte til at dreje den urskive, der viser din vægt.

Planetgear og gearforhold

Ethvert planetgear har tre hovedkomponenter:

• Det soludstyr
• Det planetgear og planeten gears ' transportør
• Det ring gear

Hver af disse tre komponenter kan være input, output eller kan holdes stationær. At vælge hvilket stykke der spiller hvilken rolle bestemmer gearforholdet for gearet. Lad os se på et enkelt planetgear.

Et af planetgearene fra vores transmission har et ringgear med 72 tænder og et solhjul med 30 tænder. Vi kan få masser af forskellige gearforhold ud af dette gear.

Input
Produktion
Stationær
Beregning
Gearforhold
EN
Sol ( S )
Planet Carrier ( C )
Ring ( R )
1 + R/S
3.4:1
B
Planet Carrier ( C )
Ring ( R )
Sol ( S )
1 / (1 + S / R)
0,71:1
C
Sol ( S )
Ring ( R )
Planet Carrier ( C )
-R/S
-2,4:1

Også, Hvis du låser to af de tre komponenter sammen, låses hele enheden med en 1:1 gearreduktion. Bemærk, at det første gearforhold, der er anført ovenfor, er a reduktion - outputhastigheden er langsommere end inputhastigheden. Det andet er en overdrive - outputhastigheden er hurtigere end inputhastigheden. Det sidste er en reduktion igen, men udgangsretningen er omvendt. Der er flere andre forhold, der kan komme ud af dette planetgear, men det er dem, der er relevante for vores automatgear. Du kan prøve disse i animationen herunder:

Så dette ene sæt gear kan producere alle disse forskellige gearforhold uden at skulle kobles til eller fra andre gear. Med to af disse gear i træk, vi kan få de fire fremadgående gear og et bakgear, som vores transmission har brug for. Vi sætter de to sæt gear sammen i det næste afsnit.

Detaljer om Involute Gear -profiler

På en ufrivillig profil tandhjul, kontaktpunktet starter tættere på et gear, og når gearet snurrer, kontaktpunktet bevæger sig væk fra dette gear og mod det andet. Hvis du skulle følge kontaktpunktet, det ville beskrive en lige linje, der starter nær det ene gear og ender i nærheden af ​​det andet. Det betyder, at kontaktpunktets radius bliver større, når tænderne griber ind.

Det stigningsdiameter er den effektive kontaktdiameter. Da kontaktdiameteren ikke er konstant, pitchdiameteren er virkelig den gennemsnitlige kontaktafstand. Da tænderne først begynder at gribe ind, den øverste tandhjul kommer i kontakt med den nederste tandhjul inden i stigningsdiameteren. Men bemærk, at den del af den øverste tandhjuls tand, der kommer i kontakt med den nederste tandhjuls tand, er meget tynd på dette tidspunkt. Når gearene drejer, kontaktpunktet glider op på den tykkere del af tandhjulet. Dette skubber topgearet fremad, så det kompenserer for den lidt mindre kontaktdiameter. Når tænderne fortsætter med at rotere, kontaktpunktet bevæger sig endnu længere væk, går uden for pitchdiameteren - men profilen af ​​bundtanden kompenserer for denne bevægelse. Kontaktpunktet begynder at glide ind på den tynde del af bundtanden, trække en lille smule hastighed fra det øverste gear for at kompensere for den øgede kontaktdiameter. Slutresultatet er, at selvom kontaktpunktets diameter ændres konstant, hastigheden forbliver den samme. Så en involut profil tand tand producerer en konstant forhold mellem rotationshastighed .

Masser mere information

Relaterede HowStuffWorks -artikler

• Gear Quiz
• Sådan fungerer pendulure
• Sådan fungerer det dansende monster
• Sådan fungerer cykler
• Sådan fungerer en oscillerende sprinkler
• Sådan fungerer en differential
• Sådan fungerer manuelle transmissioner

Flere store links

• Gears:En introduktion
• Sådan fungerer Vædderen Vane Gears
• Gears:Epicyklisk togeksempel
• Videnskab om cykling:Drev og gear
• Hvordan forskellige gear fungerer