Kuinka vaihde toimii
Vaihteita käytetään monenlaisissa mekaanisissa laitteissa. Ne suorittavat useita tärkeitä tehtäviä, mutta mikä tärkeintä, ne tarjoavat vaihteiston vähennyksen moottoroiduille laitteille. Tämä on tärkeää, koska tyypillisesti pienet moottorit, jotka pyörivät erittäin nopeasti, voivat tarjota tarpeeksi tehoa laitteelle, mutta eivät tarpeeksi vääntömomenttia. Esimerkiksi sähköisen ruuvitaltan vaihteen alennus on erittäin suuri, koska se vaatii paljon vääntömomenttia ruuvin kääntämiseen, mutta moottori tuottaa erittäin vähän vääntöä suurella nopeudella. Vaihdetta vähentämällä voidaan alentaa ulostulonopeutta ja lisätä vääntömomenttia.
Toinen asia, jota vaihde tekee, on pyörimissuunnan säätäminen. Esimerkiksi auton takapyörien välisessä tasauspyörästössä voima välittyy auton keskustaa pitkin kulkevan akselin kautta ja tasauspyörästön on käännettävä tehoa 90 astetta, jotta se kohdistaa sen pyöriin.
Eri vaihteistotyypeissä on monia hienouksia. Tässä artikkelissa opimme tarkalleen, kuinka hammaspyörien hampaat toimivat, ja keskustelemme erilaisista mekaanisista laitteista löytyvistä hammaspyöristä.
Kaikissa vaihteissa suhde määräytyy etäisyyden perusteella vaihteen keskipisteestä kosketuspisteeseen. Esimerkiksi laitteessa, jossa on kaksi hammaspyörää, jos toinen on kaksi kertaa toisen halkaisija, suhde on 2:1.
Yksi primitiivisimmistä vaihteistotyypeistä, joita voimme nähdä, on pyörä, jossa on puinen piikki.
Näiden vaihteiden ongelmana on, että niiden pyöriessä etäisyys kunkin vaihteen keskustasta kosketuspisteeseen muuttuu. Tämä tarkoittaa, että välityssuhde muuttuu vaihteiden kääntyessä, mikä tarkoittaa, että myös lähtönopeus muuttuu. Jos käytät tällaisia vaihteita autossa, on mahdotonta ylläpitää tasaista nopeutta -- nopeutat ja hidastat jatkuvasti.
Monet nykyaikaiset vaihteet käyttävät erityisiä hampaiden muotoja, joita kutsutaan involuuteiksi. Profiililla on erittäin tärkeä ominaisuus säilyttää tasainen nopeussuhde kahden vaihteen välillä. Aivan kuten yllä oleva naulapyörä, kosketuspiste liikkuu; Mutta kierteisten hampaiden muoto kompensoi tämän liikkeen. Katso lisätietoja tästä osiosta.
Katsotaanpa nyt joitain erilaisia vaihteita.
Hammaspyörät ovat yleisin vaihdetyyppi. Niissä on suorat hampaat ja ne on asennettu yhdensuuntaisille akseleille. Joskus käytetään useita hammaspyöriä samanaikaisesti erittäin suuren vaihteiston vähentämiseksi.
Spur-vaihteita käytetään monissa laitteissa, joita löytyy kaikkialta HowStuffWorksissa, kuten sähköruuvitaltaissa, tanssivissa hirviöissä, keinuvissa sprinklereissä, kelattavissa herätyskelloissa, pesukoneissa ja kuivausrummuissa. Mutta et löydä monia autostasi.
Tämä johtuu siitä, että hammaspyörät voivat olla erittäin äänekkäitä. Joka kerta kun hammaspyörän hammas kytkeytyy toisen vaihteen hampaan kanssa, nämä hampaat törmäävät, ja tämä törmäys tuottaa melua. Se lisää myös hammaspyörän hampaiden rasitusta.
Useimmat autojen vaihteet ovat kierteisiä melun ja paineen vähentämiseksi.
Kierrehammaspyörän hampaat ovat kulmassa hammaspyörän pintaan nähden. Kun kaksi hammaspyöräjärjestelmän hammasta kytkeytyvät, kosketin alkaa hampaan toisesta päästä ja laajenee vähitellen hammaspyörän pyöriessä, kunnes kaksi hammasta kytkeytyvät täysin.
Tämän progressiivisen kytkennän ansiosta kierrevaihteet toimivat tasaisemmin ja hiljaisemmin kuin hammaspyörät. Siksi lähes kaikki autojen vaihteistot käyttävät kierrevaihteita.
Kierrehammaspyörien hammaskulmien vuoksi ne synnyttävät työntövoimaa hammaspyörille kytkettynä. Kierrehammaspyöriä käyttävissä laitteissa on laakerit, jotka tukevat tätä työntövoimaa.
Yksi kierrehammaspyörien kiinnostavuudesta on se, että jos hammaspyörän hampaat ovat oikein kulmassa, ne voidaan asentaa pystyakselille ja säätää pyörimiskulmaa 90 asteeseen.
Kartiohammaspyörät ovat hyödyllisiä, kun on tarpeen muuttaa akselin pyörimissuuntaa. Ne asennetaan yleensä akseleille 90 asteen päähän toisistaan, mutta ne voidaan suunnitella toimimaan myös muissa kulmissa.
Kartiohammaspyörän hampaat voivat olla suoria, kierteisiä tai hypoidisia. Hammaspyörän kartiohammaspyörän hampaissa on itse asiassa sama ongelma kuin hammaspyörän hampaissa --, kun jokainen hammas osuu yhteen, se osuu vastaavaan hampaan samanaikaisesti.
Aivan kuten hammaspyörien, ratkaisu tähän ongelmaan on hammaspyörän hampaiden taivuttaminen. Nämä kierteiset hampaat tarttuvat aivan kuten kierteiset hampaat: kosketus alkaa hammaspyörän toisesta päästä ja ulottuu vähitellen koko hampaan.
Kääntö- ja kierrekartiovaihteissa akselien tulee olla kohtisuorassa toisiinsa nähden, mutta niiden on oltava myös samassa tasossa. Jos ojennat kaksi akselia ulos vaihteesta, ne leikkaavat. Hypoidivaihteet sen sijaan voivat kytkeä akseleita eri tasoissa.
Tätä ominaisuutta käytetään monissa autojen tasauspyörästöissä. Tasauspyörästön hammaspyörä ja tulopyörä ovat hypoidimuotoisia. Tämä mahdollistaa syöttöpyörän asentamisen rengasakselin alle. Koska auton vetoakseli on kytketty syöttöpyörään, tämä laskee myös vetoakselia. Tämä tarkoittaa, että vetoakseli ei tunkeudu liikaa auton matkustamoon, mikä vapauttaa enemmän tilaa ihmisille ja kuormalle.
Hammastankoa ja hammaspyörää käytetään kääntämään pyöriminen lineaariseksi liikkeeksi. Monien autojen ohjausjärjestelmä on hyvä esimerkki. Ohjauspyörä kääntää hammastankoon kytkeviä vaihteita. Vaihteen kääntyessä se liukuu telinettä oikealle tai vasemmalle sen mukaan, kuinka pyörää käännät.
Jotkut vaa'at käyttävät myös hammastankoa ja hammaspyörää kääntämään painosi osoittavaa kellotaulua.
Planetaariset vaihteet ja välityssuhteet
Jokaisessa planeettavaihteistossa on kolme pääkomponenttia:
Aurinkovarusteet
Planeettavaihteet ja planeettapyörätelineet
Rengas
Kukin näistä kolmesta komponentista voi olla syöttö-, lähtö- tai seistä paikallaan. Mikä osa valitaan ja mikä rooli määrittää vaihdesarjan välityssuhteen. Tarkastellaan yksittäisiä planeettavaihteistosarjoja.
Yhdessä vaihteistomme planeettavaihteistossa on 72-hampainen rengas ja 30-hampainen aurinkopyörä. Tästä vaihdesarjasta saamme monia erilaisia välityssuhteita.
Lisäksi minkä tahansa kahden kolmen komponentin lukitseminen yhteen lukitsee koko laitteen 1:1 vaihteen alenemiseen. Huomaa, että edellä mainittu ensimmäinen välityssuhde on hidastus -- lähtönopeus on hitaampi kuin tulonopeus. Toinen on overdrive --, lähtö on nopeampi kuin tulo. Ja sitten lopulta se taas laskee, mutta lähtö menee päinvastaiseen suuntaan. Tälle planeettavaihteistosarjalle on olemassa useita muita välityssuhteita, mutta nämä ovat automaattivaihteistoihimme liittyvät välit. Voit kokeilla näitä alla olevassa animaatiossa:
Näin ollen tämä vaihteistosarja voi tuottaa kaikki nämä erilaiset välityssuhteet ilman, että muita vaihteita kytketään päälle tai pois. Käyttämällä kahta tällaista vaihdesarjaa peräkkäin saamme vaihteistoon tarvittavat neljä eteenpäin- ja yhden peruutusvaihdetta. Laitamme kaksi vaihdesarjaa yhteen seuraavassa osiossa.
