Hur Gear Ratios fungerar

Du ser redskap i nästan allt som har snurrande delar. Till exempel innehåller bilmotorer och växellådor massor av växlar. Om du någonsin öppnar upp en videobandspelare och tittar inuti ser du att den är full av växlar. Avveckling, farfar och pendelklockor innehåller gott om växlar, särskilt om de har klockor eller klockor. Du har förmodligen en strömmätare på sidan av ditt hus, och om den har ett genomskinligt lock kan du se att den innehåller 10 eller 15 växlar. Gears finns överallt där det finns motorer och motorer som producerar rotationsrörelse. I denna utgåva av Hur saker fungerar, du kommer att lära dig om växlar, växelförhållanden och växeltåg så att du kan förstå vad alla olika växlar du ser gör.

Kugghjul används vanligtvis av ett av fyra olika skäl:

1. För att vända rotationsriktningen
2. För att öka eller minska rotationshastigheten
3. För att flytta rotationsrörelse till en annan axel
4. För att hålla rotationen av tvåaxlar synkroniserad

Du kan se effekterna 1, 2 och 3 i figuren ovan. I den här figuren kan du se att de två växlarna roterar i motsatta riktningar, att den mindre växeln snurrar dubbelt så snabbt som den större växeln, och att rotationsaxel av den mindre växeln är till höger om rotationsaxeln för den större växeln. Det faktum att en växel snurrar dubbelt så snabbt som den andra resulterar från förhållande mellan växlarna eller växelläge (Kolla in vårt växelförhållande diagram för mer info). I denna figur är växeln till vänster dubbelt så stor som den till höger. Växelkvoten är därför 2: 1 (uttalas "två till en"). Om du tittar på figuren kan du se förhållandet: Varje gång den större växeln går runt en gång går den mindre växeln två gånger. Du kan se att om båda kugghjulen hade samma diameter skulle de rotera med samma hastighet men i motsatta riktningar.

Det är lätt att förstå konceptet för växelförhållandet om du förstår begreppet omkrets av en cirkel. Tänk på att cirkelns omkrets är lika med cirkelns diameter multiplicerad med Pi (Pi är lika med 3.14159 ...). Därför, om du har en cirkel eller ett växel med en diameter på en tum, kommer cirkelns omkrets att vara 3,14159 tum. Följande bild visar hur omkretsen av en cirkel med en diameter på 1,27 tum är lika med ett linjärt avstånd på 4 tum: Låt oss säga att du hade en annan cirkel vars diameter var 1,27 tum / 2 = 0,635 tum, och du rullade den i på samma sätt som i denna figur. Du skulle finna att eftersom dess diameter är hälften av cirkeln i figuren, måste den fullfölja två fulla rotationer för att täcka samma 4 tum linje. Detta förklarar varför två växlar, den ena hälften så stora som den andra, har ett växelförhållande på 2: 1. Den mindre växeln måste snurra två gånger för att täcka samma avstånd som täcks när den större växeln snurrar en gång.

De flesta växlar som du ser i verkligheten har tänder. Tänderna har tre fördelar:

1. De förhindrar glidning mellan kugghjulen - därför axlar som är anslutna med kugghjul synkroniseras alltid exakt med varandra.
2. De gör det möjligt att bestämma exakta växelförhållanden - du räknar bara antalet tänder i de två kugghjulen och delar upp. Så om en växel har 60 tänder och en annan har 20, är ​​växelförhållandet när dessa två växlar kopplas samman 3: 1.
3. De gör det så att små brister i den faktiska diametern och omkretsen för två växlar inte spelar någon roll. Växelförhållandet styrs av antalet tänder även om diametrarna är lite avstängda.

För att skapa stora växelförhållanden kopplas växlar ofta samman i växeltåg, som visas här:

Den högra (lila) växeln i tåget är faktiskt tillverkad i två delar, som visas. En liten växel och ett större växel är anslutna ihop, det ena ovanpå det andra. Växeltåg består ofta av flera växlar i tåget, vilket visas i följande två figurer:

I fallet ovan vänder den lila växeln till en hastighet dubbelt så stor som den blå växeln. Den gröna växeln vrider dubbelt så mycket som den lila växeln. Den röda växeln vrider dubbelt så mycket som den gröna. Det växellåg som visas nedan har ett högre växelläge:

I detta tåg är de mindre kugghjulen en femtedel av storleken på de större kugghjulen. Det innebär att om du ansluter den lila växeln till en motor som snurrar med 100 varv / min (varvtals minut), kommer den gröna växeln att vrida med en hastighet av 500 varv / min och den röda växeln vrider med en hastighet av 2500 varv / min. På samma sätt kan du fästa en 2500 varv / min motor till den röda växeln för att få 100 rpm på den lila växeln. Om du kan se inuti din strömmätare och det är av den äldre stilen med fem mekaniska ratten, kommer du att se att de fem ratterna är anslutna till varandra genom ett växeltåg som detta, där växlarna har ett förhållande på 10: 1. Eftersom ratten är direkt anslutna till varandra snurrar de i motsatta riktningar (du ser att siffrorna är omvända på ratterna bredvid varandra). För mer information om växelförhållanden, besök vårt växelförhållande diagram.

Det finns många andra sätt att använda växlar. Till exempel kan du använda koniska växlar för att böja rotationsaxeln i ett växeltåg med 90 grader. Den vanligaste platsen att hitta koniska växlar som denna är skillnaden i en bakhjulsdriven bil. En differentiell böjning av motorns rotation 90 grader för att driva bakhjulen:

Ett annat specialiserat växeltåg kallas a planetväxeltåg. Planetväxlar löser följande problem. Låt oss säga att du vill ha ett växelläge på 6: 1. Ett sätt att skapa det förhållandet är med följande treväxellåg:

I det här tåget har den röda växeln tre gånger diametern på den gula växeln, och den blå växeln har två gånger diametern på den röda växeln (vilket ger ett förhållande på 6: 1). Föreställ dig emellertid att du vill att utgångsaxelns axel ska vara samma som ingångsväxeln. En vanlig plats att behöva samma kapacitet med samma axel är i en elektrisk skruvmejsel. I så fall kan du använda ett planetväxelsystem, som visas här:

I detta växelsystem kopplar den gula växeln alla tre röda växlar samtidigt. De är alla tre fästa på en tallrik, och de ingriper med inuti av den blå växeln istället för utsidan. Eftersom det finns tre röda växlar istället för ett, är detta växeltåg extremt robust. Ouputaxeln tas från plattan och den blå växeln hålls still. Du kan se en bild av ett tvåstegs planetväxelsystem på sidan med elektrisk skruvmejsel.

Slutligen, föreställ dig följande situation: du har två röda kugghjul som du vill hålla synkroniserade, men de är på avstånd från varandra. Du kan placera en stor växel mellan dem om du vill att de ska ha samma rotationsriktning:

Eller så kan du använda två kugghjul med samma storlek om du vill att de ska ha motsatt rotationsriktning:

I båda dessa fall är det dock troligt att extra kugghjulen är tunga och du måste skapa axlar för dem. I dessa fall är den vanliga lösningen att använda antingen a kedja eller a tandrem, som visas här:

Fördelarna med kedjor och bälten är låg vikt, förmågan att separera de två kugghjulen på ett visst avstånd och förmågan att ansluta många kugghjul i samma kedja eller bälte. Till exempel i en bilmotor kan samma tandrem binda i vevaxeln, två kamaxlar och generatorn. Om du var tvungen att använda växlar i stället för bältet skulle det vara mycket svårare! För mer information om växelförhållanden, besök vårt växelförhållande diagram.