Tandwielen worden gebruikt in tonnen mechanische apparaten. Ze doen verschillende belangrijke taken, maar het belangrijkste, ze zorgen voor een versnellingsreductie in gemotoriseerde apparatuur. Dit is essentieel omdat, vaak, een kleine motor die heel snel ronddraait, kan voldoende stroom leveren voor een apparaat, maar niet genoeg koppel. Bijvoorbeeld, een elektrische schroevendraaier heeft een zeer grote versnellingsreductie omdat hij veel koppel nodig heeft om schroeven te draaien, maar de motor produceert slechts een kleine hoeveelheid koppel bij een hoge snelheid. Met een versnellingsreductie, de uitgangssnelheid kan worden verlaagd terwijl het koppel wordt verhoogd.

Volgende

• HowStuffWorks Forum:Zullen we ooit geen tandwielen meer nodig hebben in onze machines?
• Uitrusting Quiz
  
• Hoe slingerklokken werken
  
• Hoe fietsen werken
  

Een ander ding dat tandwielen doen, is de draairichting aanpassen. Bijvoorbeeld, in het differentieel tussen de achterwielen van uw auto, de kracht wordt overgebracht door een as die door het midden van de auto loopt, en het differentieel moet dat vermogen 90 graden draaien om het op de wielen toe te passen.

Er zijn veel fijne kneepjes in de verschillende soorten versnellingen. In dit artikel, we zullen precies leren hoe de tanden op tandwielen werken, en we zullen het hebben over de verschillende soorten tandwielen die je aantreft in allerlei mechanische gadgets.

1. Basis
2. Tandwielen
3. Spiraalvormige tandwielen
4. Conische tandwielen
5. Wormwieltjes
6. Tandheugel en rondsel
7. Planetaire tandwielsets en overbrengingsverhoudingen
8. Details over Involute Gear-profielen

Basis

Op elke versnelling, de verhouding wordt bepaald door de afstanden van het middelpunt van de versnelling tot het contactpunt. Bijvoorbeeld, in een apparaat met twee versnellingen, als het ene tandwiel twee keer zo groot is als het andere, de verhouding zou 2:1 zijn.

Een van de meest primitieve soorten tandwielen waar we naar kunnen kijken, is een wiel met houten pinnen die eruit steken.

Het probleem met dit type tandwiel is dat de afstand van het midden van elk tandwiel tot het contactpunt verandert als de tandwielen draaien. Dit betekent dat de overbrengingsverhouding verandert als de versnelling draait, wat betekent dat de uitvoersnelheid ook verandert. Als je zo'n versnelling in je auto hebt gebruikt, het zou onmogelijk zijn om een ​​constante snelheid aan te houden - je zou constant versnellen en vertragen.

Veel moderne tandwielen gebruiken een speciaal tandprofiel genaamd an ingewikkeld . Dit profiel heeft de zeer belangrijke eigenschap om een ​​constante snelheidsverhouding tussen de twee versnellingen te behouden. Zoals het penwiel hierboven, het contactpunt beweegt; maar de vorm van de ingewikkelde tandwieltand compenseert deze beweging. Zie dit gedeelte voor details.

Laten we nu eens kijken naar enkele van de verschillende soorten tandwielen.

Tandwielen

tandwielen zijn de meest voorkomende soorten tandwielen. Ze hebben rechte tanden, en zijn gemonteerd op parallelle assen. Soms, veel rechte tandwielen worden tegelijk gebruikt om zeer grote tandwielreducties te creëren.

Rechte tandwielen worden gebruikt in veel apparaten die je overal in HowStuffWorks kunt zien, zoals de elektrische schroevendraaier, dansend monster, oscillerende sproeier, opwind wekker, wasmachine en wasdroger. Maar je zult er niet veel in je auto vinden.

Dit komt omdat de tandwieloverbrenging erg luid kan zijn. Elke keer dat een tandwieltand een tand op het andere tandwiel aangrijpt, de tanden botsen, en deze impact maakt geluid. Het verhoogt ook de spanning op de tandwieltanden.

Om het geluid en de spanning in de versnellingen te verminderen, de meeste versnellingen in uw auto zijn: spiraalvormig .

Spiraalvormige tandwielen

De tanden op spiraalvormige tandwielen worden onder een hoek met het oppervlak van het tandwiel gesneden. Wanneer twee tanden van een tandwielsysteem in elkaar grijpen, het contact begint aan het ene uiteinde van de tand en breidt zich geleidelijk uit naarmate de tandwielen draaien, totdat de twee tanden volledig in elkaar grijpen.

Deze geleidelijke inschakeling zorgt ervoor dat spiraalvormige tandwielen veel soepeler en stiller werken dan rechte tandwielen. Om deze reden, spiraalvormige tandwielen worden gebruikt in bijna alle autotransmissies.

Vanwege de hoek van de tanden op spiraalvormige tandwielen, ze creëren een stuwkracht op het tandwiel wanneer ze in elkaar grijpen. Apparaten die spiraalvormige tandwielen gebruiken, hebben lagers die deze stuwkracht kunnen dragen.

Een interessant ding over spiraalvormige tandwielen is dat als de hoeken van de tandwieltanden correct zijn, ze kunnen op loodrechte assen worden gemonteerd, de rotatiehoek 90 graden aanpassen.

Foto met dank aan Emerson Power Transmission Corp.
Figuur 4. Gekruiste spiraalvormige tandwielen

Conische tandwielen

Conische tandwielen zijn handig wanneer de draairichting van een as moet worden gewijzigd. Ze zijn meestal gemonteerd op assen die 90 graden uit elkaar staan, maar kan ook worden ontworpen om onder andere hoeken te werken.

De tanden op conische tandwielen kunnen Rechtdoor , spiraal of hypoïde . Rechte conische tandwieltanden hebben eigenlijk hetzelfde probleem als rechte tandwieltanden - als elke tand ingrijpt, het beïnvloedt de overeenkomstige tand in één keer.

Foto met dank aan Emerson Power Transmission Corp.
Afbeelding 5. Conische tandwielen

Net als bij tandwielen, de oplossing voor dit probleem is om de tandwieltanden te buigen. Deze spiraaltanden grijpen in net als spiraalvormige tanden:het contact begint aan het ene uiteinde van het tandwiel en verspreidt zich geleidelijk over de hele tand.

Foto met dank aan Emerson Power Transmission Corp.
Figuur 6. Spiraalvormige conische tandwielen

Op rechte en spiraalvormige conische tandwielen, de assen moeten loodrecht op elkaar staan, maar ze moeten zich ook in hetzelfde vlak bevinden. Als je de twee assen voorbij de tandwielen zou trekken, ze zouden elkaar kruisen. De hypoïde versnelling , anderzijds, kan ingrijpen met de assen in verschillende vlakken.

Figuur 7. Hypoïde kegeltandwielen in een autodifferentieel

Deze functie wordt in veel autodifferentiëlen gebruikt. Het ringtandwiel van het differentieel en het ingaande rondsel zijn beide hypoïde. Hierdoor kan het ingaande rondsel lager worden gemonteerd dan de as van het ringwiel. Figuur 7 toont het ingaande rondsel dat in het ringwiel van het differentieel grijpt. Aangezien de aandrijfas van de auto is verbonden met het ingaande rondsel, hierdoor wordt ook de aandrijfas verlaagd. Dit betekent dat de aandrijfas niet zo veel in het passagierscompartiment van de auto dringt, meer ruimte voor mensen en vracht.

Wormwieltjes

Wormwielen worden gebruikt wanneer grote tandwieloverbrengingen nodig zijn. Het is gebruikelijk dat wormwielen een reductie van 20:1 hebben, en zelfs tot 300:1 of hoger.

Veel wormwielen hebben een interessante eigenschap die geen enkele andere tandwielset heeft:de worm kan het tandwiel gemakkelijk draaien, maar het tandwiel kan de worm niet draaien. Dit komt omdat de hoek op de worm zo ondiep is dat wanneer het tandwiel het probeert te draaien, de wrijving tussen het tandwiel en de worm houdt de worm op zijn plaats.

Deze functie is handig voor machines zoals transportsystemen, waarbij de vergrendeling kan dienen als rem voor de transporteur wanneer de motor niet draait. Een ander zeer interessant gebruik van wormwielen is in het Torsen-differentieel, die wordt gebruikt op sommige high-performance auto's en vrachtwagens.

Tandheugel en rondsel

Tandheugeltandwielen worden gebruikt om rotatie om te zetten in lineaire beweging. Een perfect voorbeeld hiervan is het stuursysteem van veel auto's. Het stuurwiel draait een tandwiel dat de tandheugel aangrijpt. Terwijl het tandwiel draait, het schuift het rek naar rechts of naar links, afhankelijk van de manier waarop u het wiel draait.

Tandheugeltandwielen worden ook in sommige weegschalen gebruikt om de wijzerplaat te draaien die uw gewicht weergeeft.

Planetaire tandwielsets en overbrengingsverhoudingen

Elke planetaire tandwielset heeft drie hoofdcomponenten:

• De zon uitrusting
• De planeet tandwielen en de planeetwielen' vervoerder
• De ring versnelling

Elk van deze drie componenten kan de invoer, de uitgang of kan stationair worden gehouden. Kiezen welk stuk welke rol speelt, bepaalt de overbrengingsverhouding voor de tandwielset. Laten we eens kijken naar een enkele planetaire tandwielset.

Een van de planetaire tandwielen uit onze transmissie heeft een ringwiel met 72 tanden en een zonnewiel met 30 tanden. We kunnen veel verschillende overbrengingsverhoudingen uit deze tandwielset halen.

Ook, door twee van de drie componenten samen te vergrendelen, wordt het hele apparaat vergrendeld met een versnellingsreductie van 1:1. Merk op dat de eerste overbrengingsverhouding hierboven vermeld is a vermindering -- de uitvoersnelheid is lager dan de invoersnelheid. De tweede is een overdrive -- de uitvoersnelheid is hoger dan de invoersnelheid. De laatste is weer een verlaging, maar de uitvoerrichting is omgekeerd. Er zijn verschillende andere verhoudingen die uit deze planetaire tandwielset kunnen worden gehaald, maar dit zijn degenen die relevant zijn voor onze automatische transmissie. Je kunt deze uitproberen in de onderstaande animatie:

Dus deze ene set versnellingen kan al deze verschillende overbrengingsverhoudingen produceren zonder andere versnellingen in of uit te schakelen. Met twee van deze tandwielen op een rij, we kunnen de vier vooruitversnellingen en één achteruitversnelling krijgen die onze transmissie nodig heeft. We zullen de twee sets tandwielen samenvoegen in de volgende sectie.

Details over Involute Gear-profielen

Op een ingewikkeld profiel tandwiel tand, het contactpunt begint dichter bij één versnelling, en terwijl het tandwiel draait, het contactpunt beweegt weg van die versnelling en naar de andere toe. Als u het contactpunt zou volgen, het zou een rechte lijn beschrijven die begint bij de ene versnelling en eindigt bij de andere. Dit betekent dat de straal van het contactpunt groter wordt naarmate de tanden in elkaar grijpen.

De steekdiameter is de effectieve contactdiameter. Omdat de contactdiameter niet constant is, de steekdiameter is eigenlijk de gemiddelde contactafstand. Als de tanden voor het eerst in elkaar grijpen, de bovenste tandwieltand maakt contact met de onderste tandwieltand binnen de steekdiameter. Maar merk op dat het deel van de bovenste tandwieltand dat contact maakt met de onderste tandwieltand op dit punt erg dun is. Terwijl de tandwielen draaien, het contactpunt schuift omhoog op het dikkere deel van de bovenste tandwieltand. Dit duwt de hoogste versnelling vooruit, dus het compenseert de iets kleinere contactdiameter. Terwijl de tanden blijven draaien, het contactpunt beweegt nog verder weg, buiten de steekdiameter gaan -- maar het profiel van de onderste tand compenseert deze beweging. Het contactpunt begint op het dunne deel van de onderste tand te glijden, een klein beetje snelheid aftrekken van de bovenste versnelling om de grotere contactdiameter te compenseren. Het eindresultaat is dat hoewel de diameter van het contactpunt voortdurend verandert, de snelheid blijft hetzelfde. Dus een tandwieltand met een ingewikkeld profiel produceert een constante verhouding van rotatiesnelheid .

Veel meer informatie

Gerelateerde HowStuffWorks-artikelen

• Uitrusting Quiz
• Hoe slingerklokken werken
• Hoe het dansende monster werkt
• Hoe fietsen werken
• Hoe een oscillerende sprinkler werkt
• Hoe een differentieel werkt
• Hoe handmatige verzendingen werken

• Versnellingen:een introductie
• Hoe de Ram Vane Gears werken
• Versnellingen:voorbeeld van epicyclische trein
• Wetenschap van fietsen:aandrijvingen en versnellingen
• Hoe verschillende versnellingen werken