Com funciona l'engranatge
Els engranatges s'utilitzen en una àmplia gamma de dispositius mecànics. Realitzen una sèrie de treballs importants, però el més important, proporcionen reducció d'engranatges per a equips motoritzats. Això és clau perquè normalment, els motors petits que giren molt ràpid poden proporcionar prou energia per al dispositiu, però no prou parell. Per exemple, la reducció d'engranatges d'un tornavís elèctric és molt gran perquè requereix molt parell per girar el cargol, però el motor produeix molt poc parell a gran velocitat. En reduir l'engranatge, la velocitat de sortida es pot reduir alhora que augmenta el parell.
Una altra cosa que fa un engranatge és ajustar la direcció de rotació. En un diferencial entre les rodes del darrere d'un cotxe, per exemple, la potència es transmet a través d'un eix que recorre el centre del cotxe, i el diferencial ha de girar la potència 90 graus per aplicar-la a les rodes.
Hi ha moltes complexitats amb diferents tipus d'engranatges. En aquest article, aprendrem exactament com funcionen les dents dels engranatges i discutirem els diferents tipus d'engranatges que trobeu en diversos aparells mecànics.
En qualsevol engranatge, la relació està determinada per la distància des del centre de l'engranatge fins al punt de contacte. Per exemple, en un dispositiu amb dos engranatges, si un és el doble del diàmetre de l'altre, la relació és 2: 1.
Un dels tipus d'engranatges més primitius que podem veure és una roda amb una espiga de fusta que sobresurt.
El problema amb aquests engranatges és que a mesura que giren, la distància des del centre de cada engranatge fins al punt de contacte canvia. Això vol dir que la relació d'engranatges canvia a mesura que giren els engranatges, el que significa que la velocitat de sortida també canviarà. Si utilitzeu engranatges com aquest en un cotxe, és impossible mantenir una velocitat constant: esteu accelerant i desaccelerant constantment.
Molts engranatges moderns utilitzen formes especials de dents anomenades involuntàries. El perfil té la propietat molt important de mantenir una relació de velocitat constant entre els dos engranatges. Igual que la roda de les ungles de dalt, el punt de contacte es mou; Però la forma de les dents involuntives compensa aquest moviment. Consulteu aquesta secció per a més informació.
Vegem ara diferents tipus d'engranatges.
Els engranatges d'esperó són el tipus d'engranatge més comú. Tenen les dents rectes i estan muntades sobre eixos paral·lels. De vegades, molts engranatges d'esperó s'utilitzen al mateix temps per produir una reducció d'engranatges molt gran.
Els engranatges d'esperons s'utilitzen en molts dels dispositius que es troben a tot arreu a HowStuffWorks, com ara tornavisos elèctrics, monstres que ballen, aspersors oscil·lants, despertadors, rentadores i assecadores. No en trobareu gaires al cotxe.
Això es deu al fet que els engranatges d'esperó poden ser molt forts. Cada vegada que una dent d'engranatges es compromet amb una dent en un altre engranatge, aquestes dents xoquen, i aquesta col·lisió produirà soroll. També augmenta l'estrès a les dents d'engranatges.
La majoria dels engranatges dels cotxes són helicoïdals per tal de reduir el soroll i la pressió en ells.
Les dents d'un engranatge helicoïdal es troben en un angle a la superfície de l'engranatge. Quan dues dents en un sistema d'engranatges helicoïdals s'involucren, el contacte comença en un extrem de la dent i s'expandeix gradualment a mesura que l'engranatge gira fins que les dues dents estan completament compromeses.
Aquest compromís progressiu permet que els engranatges helicoïdals funcionin més suaument i tranquil·lament que els engranatges d'esperó. Per tant, gairebé totes les transmissions d'automòbils utilitzen engranatges helicoïdals.
A causa dels angles dentals en engranatges helicoïdals, generen càrregues d'empenta en els engranatges quan s'involucren. L'equip que utilitza engranatges helicoïdals té rodaments que poden suportar aquesta càrrega d'empenta.
Una de les coses interessants dels engranatges helicoïdals és que si les dents d'engranatge estan correctament inclinades, es poden muntar a l'eix vertical per ajustar l'angle de rotació a 90 graus.
Els engranatges bisell són útils quan cal canviar la direcció de rotació de l'eix. Normalment es munten en eixos separats per 90 graus, però també es poden dissenyar per treballar en altres angles.
Les dents dels engranatges del bisell poden ser rectes, helicoïdals o hipotoides. Les dents d'engranatges de bisell d'esperó en realitat tenen el mateix problema que les dents d'engranatge d'esperó- quan cada malla de la dent, arriba a la dent corresponent al mateix temps.
Igual que els engranatges d'esperó, la solució a aquest problema és doblegar les dents d'engranatges. Aquestes dents helicoïdals s'involucren igual que les dents helicoïdals: el contacte comença en un extrem de l'engranatge i s'estén gradualment a tota la dent.
En els engranatges d'esperó i bisell espiral, els eixos han de ser perpendiculars entre si, però també han d'estar en el mateix pla. Si esteneu els dos eixos fora de l'engranatge, es creuaran. Els engranatges hipodòds, d'altra banda, poden atacar eixos en diferents plans.
Aquesta característica s'utilitza en molts diferencials d'automoció. L'anell d'engranatges i el pinyó d'entrada del diferencial són hipodoides. Això permet muntar el pinyons d'entrada per sota de l'eix d'anell. Atès que l'eix d'accionament del cotxe està connectat al pinyons d'entrada, això també redueix l'eix de la unitat. Això vol dir que l'eix de la unitat no entra massa a l'habitacle del cotxe, alliberant més espai per a les persones i la càrrega.
Engranatges de cremallera i pinyó
El bastidor i el pinyol s'utilitzen per convertir la rotació en moviment lineal. El sistema de direcció en molts cotxes és un bon exemple. El volant gira els engranatges que enganxen el bastidor. A mesura que l'engranatge gira, llisca el bastidor cap a la dreta o cap a l'esquerra, depenent de com gireu la roda.
Algunes escales també utilitzen un bastidor i un pinyol per girar una esfera que mostra el seu pes.
Conjunts d'engranatges planetaris i relacions d'engranatges
Qualsevol conjunt de canvis planetaris té tres components principals:
L'engranatge del sol
Engranatges planetaris i bastidors d'engranatges planetaris
Engranatge d'anell
Cadascun d'aquests tres components pot ser d'entrada, sortida o pot quedar-se quiet. Quina part es tria per jugar quin paper determina la relació d'engranatges del conjunt d'engranatges. Anem a veure els conjunts d'engranatges planetaris individuals.
Un dels conjunts d'engranatges planetaris de la nostra transmissió té un anell de dents de 72 i una roda solar de 30 dents. Podem obtenir moltes proporcions d'engranatges diferents d'aquest conjunt d'engranatges.
A més, el bloqueig de dos dels tres components junts bloqueja tot el dispositiu a una reducció d'engranatges 1: 1. Tingueu en compte que la primera relació d'engranatges llistada anteriorment és una desacceleració: la velocitat de sortida és més lenta que la velocitat d'entrada. El segon és overdrive- la sortida és més ràpida que l'entrada. I finalment torna a baixar, però la sortida va en la direcció oposada. Hi ha diverses altres proporcions per a aquest conjunt d'engranatges planetaris, però aquestes són les relacions associades a les nostres transmissions automàtiques. Podeu provar-los a l'animació següent:
Per tant, aquest conjunt d'engranatges pot produir totes aquestes diferents relacions d'engranatges sense involucrar ni desvincular-se de cap altre engranatge. Mitjançant l'ús de dos conjunts d'engranatges successivament, podem obtenir els quatre engranatges cap endavant i un de revers necessaris per a la transmissió. Posarem els dos conjunts d'engranatges junts en la següent secció.
