Wie Gears Funktionieren

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Zahnräder sind ein grundlegender bestandteil von fast allen mechanischen objekten - wenn es einen motor, einen motor oder eine feder hat, hat es wahrscheinlich zahnräder! Erfahren sie dutzende von faszinierenden fakten über zahnräder!

In jedem Gang wird das Verhältnis durch die Abstände von der Mitte des Zahnrads zum Kontaktpunkt bestimmt. Wenn bei einem Gerät mit zwei Gängen beispielsweise ein Zahnrad den doppelten Durchmesser des anderen Zahnrads hat, wäre das Verhältnis 2: 1.

Eine der primitivsten Arten von Zahnrädern, die wir betrachten könnten, wäre ein Rad, aus dem Holzstifte herausragen.

Das Problem bei dieser Art von Zahnrad ist, dass sich der Abstand von der Mitte jedes Zahnrads zum Kontaktpunkt ändert, wenn sich die Zahnräder drehen. Dies bedeutet, dass sich das Übersetzungsverhältnis mit dem Gang ändert, was bedeutet, dass sich auch die Ausgangsdrehzahl ändert. Wenn Sie ein solches Getriebe in Ihrem Auto verwenden, ist es nicht möglich, eine konstante Geschwindigkeit zu halten - Sie würden ständig beschleunigen und abbremsen.

Viele moderne Zahnräder verwenden ein spezielles Zahnprofil, das als an involute. Dieses Profil hat die sehr wichtige Eigenschaft, ein konstantes Drehzahlverhältnis zwischen den beiden Zahnrädern aufrechtzuerhalten. Wie das Stiftrad oben bewegt sich der Kontaktpunkt; Die Form des Evolventenzahnrads kompensiert diese Bewegung jedoch. Weitere Informationen finden Sie in diesem Abschnitt.

Lassen Sie uns nun einige der verschiedenen Arten von Zahnrädern betrachten.

Stirnräder

Wie Gears funktionieren: funktionieren


Foto mit freundlicher Genehmigung von Emerson Power Transmission Corp.
Abbildung 2. Stirnräder

Stirnräder sind die häufigsten Zahnräder. Sie haben gerade Zähne und sind auf parallelen Wellen montiert. Manchmal werden viele Stirnräder gleichzeitig verwendet, um sehr große Untersetzungen zu erzeugen.

Stirnräder werden in vielen Geräten verwendet, die Sie überall auf WordsSideKick.com sehen können, z. B. Elektroschrauber, tanzendes Monster, oszillierender Sprinkler, Aufziehwecker, Waschmaschine und Wäschetrockner. Sie werden jedoch nicht viele in Ihrem Auto finden.

Dies liegt daran, dass das Stirnradgetriebe sehr laut sein kann. Jedes Mal, wenn ein Zahn in einen Zahn des anderen Zahnrads eingreift, kollidieren die Zähne und dieser Aufprall macht Geräusche. Es erhöht auch die Belastung der Verzahnung.

Um das Geräusch und die Belastung in den Gängen zu reduzieren, sind die meisten Gänge in Ihrem Auto helikal.

Helical Gears

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Foto mit freundlicher Genehmigung von Emerson Power Transmission Corp.
Abbildung 3. Schrägverzahnung

Die Zähne an Schrägverzahnungen sind schräg zur Stirnfläche des Zahnrades geschnitten. Wenn zwei Zähne eines Schrägverzahnungssystems einrasten, beginnt der Kontakt an einem Ende des Zahns und breitet sich allmählich aus, wenn sich die Zahnräder drehen, bis die zwei Zähne vollständig in Eingriff stehen.

Durch diesen allmählichen Eingriff arbeiten Schrägverzahnungen wesentlich ruhiger und ruhiger als Stirnräder. Aus diesem Grund werden in fast allen Fahrzeuggetrieben Stirnradgetriebe eingesetzt.

Aufgrund des Winkelwinkels der Schrägverzahnung erzeugen sie beim Eingriff eine Schublast auf das Zahnrad. Geräte, die Stirnräder verwenden, haben Lager, die diese Schublast tragen können.

Eine interessante Sache bei Schrägverzahnungen ist, dass, wenn die Winkel der Verzahnung korrekt sind, diese auf senkrechten Wellen montiert werden können, wobei der Drehwinkel um 90 Grad eingestellt wird.

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Abbildung 4. Gekreuzte Schrägverzahnungen

Kegelräder

Kegelräder sind nützlich, wenn die Drehrichtung einer Welle geändert werden muss. Sie sind normalerweise auf Wellen montiert, die um 90 Grad voneinander entfernt sind, sie können jedoch auch für andere Winkel ausgelegt werden.

Die Zähne an Kegelrädern können sein Gerade, Spiral- oder Hypoid. Gerade Kegelradzähne haben tatsächlich das gleiche Problem wie gerade Stirnradzähne - da jeder Zahn in Eingriff steht, wirkt er auf den entsprechenden Zahn auf einmal.

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Foto mit freundlicher Genehmigung von Emerson Power Transmission Corp.
Abbildung 5. Kegelräder

Wie bei Stirnrädern besteht die Lösung für dieses Problem darin, die Zähne zu krümmen. Diese Spiralverzahnung greift wie eine Schrägverzahnung ein: Der Kontakt beginnt an einem Ende des Zahnrads und breitet sich nach und nach über den gesamten Zahn aus.

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Abbildung 6. Spiralkegelräder

Bei geraden und spiralförmigen Kegelrädern müssen die Wellen senkrecht zueinander stehen, aber auch in derselben Ebene liegen. Wenn Sie die beiden Wellen über die Zahnräder hinausführen, kreuzen sie sich. Das hypoider Gangkann andererseits mit den Achsen in verschiedenen Ebenen einrasten.

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Abbildung 7. Hypoid-Kegelräder in einem Autodifferenzial

Diese Funktion wird in vielen Fahrzeugdifferentialen verwendet. Das Hohlrad des Differentials und das Eingangsritzel sind beide hypoid. Dadurch kann das Antriebsritzel tiefer als die Achse des Zahnkranzes montiert werden. Abbildung 7 zeigt das Antriebsritzel, das in das Hohlrad des Differentials eingreift. Da die Antriebswelle des Autos mit dem Antriebsritzel verbunden ist, senkt dies auch die Antriebswelle. Dies bedeutet, dass die Antriebswelle nicht so viel in den Fahrgastraum des Autos eindringt, was mehr Platz für Menschen und Fracht schafft.

Wurmgänge

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Foto mit freundlicher Genehmigung von Emerson Power Transmission Corp.
Abbildung 8. Schneckenrad

Schneckenräder werden verwendet, wenn große Untersetzungen erforderlich sind.Es ist üblich, dass Schneckengetriebe Untersetzungen von 20: 1 und sogar bis zu 300: 1 oder mehr aufweisen.

Viele Schneckenräder haben eine interessante Eigenschaft, die kein anderer Zahnradsatz hat: Die Schnecke kann den Gang leicht drehen, aber der Gang kann die Schnecke nicht drehen. Dies liegt daran, dass der Winkel an der Schnecke so flach ist, dass die Reibung zwischen dem Zahnrad und der Schnecke die Schnecke festhält, wenn das Zahnrad versucht, sie zu drehen.

Diese Funktion ist nützlich für Maschinen wie Fördersysteme, bei denen die Verriegelung als Bremse für die Fördereinrichtung wirken kann, wenn sich der Motor nicht dreht. Eine weitere sehr interessante Verwendung von Schneckengetrieben ist das Torsen-Differential, das bei einigen Hochleistungsfahrzeugen und Lastkraftwagen verwendet wird.

Zahnstangengetriebe

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Abbildung 9. Zahnstangengetriebe einer Haushaltswaage

Zahnstangengetriebe werden verwendet, um die Drehung in eine lineare Bewegung umzuwandeln. Ein perfektes Beispiel dafür ist die Lenkung vieler Autos. Das Lenkrad dreht ein Zahnrad, das in die Zahnstange eingreift. Wenn sich das Zahnrad dreht, schiebt es die Zahnstange entweder nach rechts oder nach links, je nachdem, in welche Richtung Sie das Rad drehen.

In einigen Waagen werden auch Zahnstangengetriebe verwendet, um das Einstellrad zu drehen, das Ihr Gewicht anzeigt.

Planetengetriebe & Übersetzungsverhältnisse

Jeder Planetenradsatz hat drei Hauptkomponenten:

  • Das Sonnenrad
  • Das Planetenräder und die Planetenräder ' Träger
  • Das Zahnkranz

Jede dieser drei Komponenten kann der Eingang, der Ausgang oder stationär gehalten werden. Durch die Auswahl, welche Rolle welche Rolle spielt, wird die Getriebeübersetzung festgelegt. Lassen Sie uns einen einzelnen Planetengetriebesatz betrachten.

Einer der Planetenradsätze unseres Getriebes verfügt über ein Hohlrad mit 72 Zähnen und ein Sonnenrad mit 30 Zähnen. Wir können viele verschiedene Übersetzungsverhältnisse aus diesem Zahnradsatz herausholen.

EingangAusgabeStationärBerechnungÜbersetzungsverhältnis
EINSonne (S)Planetenträger (C)Ring (R)1 + R / S3.4:1
BPlanetenträger (C)Ring (R)Sonne (S)1 / (1 + S / R)0.71:1
CSonne (S)Ring (R)Planetenträger (C)-R / S-2.4:1

Wenn Sie zwei der drei Komponenten miteinander verriegeln, wird die gesamte Vorrichtung bei einer Untersetzung von 1: 1 blockiert. Beachten Sie, dass das erste Übersetzungsverhältnis, das oben aufgeführt ist, a ist die Ermäßigung - Die Abtriebsdrehzahl ist niedriger als die Eingabedrehzahl. Der zweite ist ein Overdrive - Die Ausgabegeschwindigkeit ist höher als die Eingabegeschwindigkeit. Das letzte ist wieder eine Reduzierung, aber die Ausgaberichtung ist umgekehrt. Es gibt mehrere andere Übersetzungsverhältnisse, die aus diesem Planetenradsatz herausgenommen werden können, aber diese sind für unser Automatikgetriebe relevant. Sie können diese in der Animation unten ausprobieren:

Animation der verschiedenen Übersetzungsverhältnisse bei Automatikgetrieben. Klicken Sie auf die Schaltflächen links in der Tabelle oben.

Somit kann dieser eine Satz von Gängen all diese unterschiedlichen Übersetzungsverhältnisse erzeugen, ohne dass andere Gänge ein- oder ausgekuppelt werden müssen. Mit zwei dieser Zahnradsätze in einer Reihe können wir die vier Vorwärtsgänge und einen Rückwärtsgang erhalten, die unser Getriebe benötigt. Wir werden die beiden Zahnradsätze im nächsten Abschnitt zusammenstellen.

Details zu Involute Gear-Profilen


Abbildung 10. Animation des Evolventenzahnrads

Auf einem Evolventenprofil Zahnradzahn beginnt der Kontaktpunkt näher an einem Zahnrad, und wenn sich das Zahnrad dreht, bewegt sich der Kontaktpunkt von diesem Zahnrad weg in Richtung des anderen. Wenn Sie dem Kontaktpunkt folgen würden, würde dies eine gerade Linie beschreiben, die in der Nähe eines Gangs beginnt und in der Nähe des anderen Gangs endet. Dies bedeutet, dass der Radius des Kontaktpunkts mit dem Eingriff der Zähne größer wird.

Das Teilungsdurchmesser ist der effektive Kontaktdurchmesser. Da der Kontaktdurchmesser nicht konstant ist, ist der Flankendurchmesser tatsächlich der durchschnittliche Kontaktabstand. Wenn die Zähne zum ersten Mal in Eingriff kommen, berührt der obere Zahn innerhalb des Teilungsdurchmessers den unteren Zahn. Beachten Sie jedoch, dass der Teil des oberen Zahns, der den unteren Zahn berührt, zu diesem Zeitpunkt sehr dünn ist. Wenn sich die Zahnräder drehen, gleitet der Kontaktpunkt auf den dickeren Teil des oberen Zahns. Dadurch wird der obere Gang nach vorne geschoben, so dass der etwas kleinere Kontaktdurchmesser ausgeglichen wird. Wenn sich die Zähne weiter drehen, bewegt sich der Kontaktpunkt noch weiter weg und geht über den Flankendurchmesser hinaus - aber das Profil des unteren Zahns kompensiert diese Bewegung. Der Kontaktpunkt rutscht auf den dünnen Teil des unteren Zahns und zieht ein wenig Geschwindigkeit vom oberen Gang ab, um den vergrößerten Kontaktdurchmesser zu kompensieren. Das Endergebnis ist, dass, obwohl sich der Kontaktpunktdurchmesser kontinuierlich ändert, die Geschwindigkeit gleich bleibt. So erzeugt ein Evolventenprofil einen Zahn konstantes Verhältnis der Drehzahl.

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