Come funziona l'ingranaggio
Gli ingranaggi sono utilizzati in un'ampia gamma di dispositivi meccanici. Svolgono una serie di lavori importanti, ma soprattutto forniscono la riduzione dell'ingranaggio per le apparecchiature motorizzate. Questo è fondamentale perché in genere i piccoli motori che girano molto velocemente possono fornire potenza sufficiente per il dispositivo, ma non coppia sufficiente. Ad esempio, la riduzione dell'ingranaggio di un avvitatore elettrico è molto grande perché richiede molta coppia per girare la vite, ma il motore produce pochissima coppia ad alta velocità. Riducendo la marcia, la velocità di uscita può essere ridotta aumentando la coppia.
Un'altra cosa che fa un ingranaggio è regolare il senso di rotazione. In un differenziale tra le ruote posteriori di un'auto, ad esempio, la potenza viene trasmessa attraverso un albero che corre lungo il centro dell'auto, e il differenziale deve ruotare la potenza di 90 gradi per applicarla alle ruote.
Ci sono molte complessità con diversi tipi di ingranaggi. In questo articolo impareremo esattamente come funzionano i denti sugli ingranaggi e discuteremo i diversi tipi di ingranaggi che trovi in vari gadget meccanici.
Su qualsiasi marcia, il rapporto è determinato dalla distanza dal centro della marcia al punto di contatto. Ad esempio, in un dispositivo con due ingranaggi, se uno ha il doppio del diametro dell'altro, il rapporto è 2:1.
Uno dei tipi più primitivi di ingranaggi che possiamo vedere è una ruota con una punta di legno che sporge.
Il problema con questi ingranaggi è che mentre ruotano, la distanza dal centro di ogni ingranaggio al punto di contatto cambia. Ciò significa che il rapporto di trasmissione cambia mentre le marce girano, il che significa che anche la velocità di uscita cambierà. Se utilizzi marce come questa in un'auto, è impossibile mantenere una velocità costante --, acceleri e rallenti costantemente.
Molti ingranaggi moderni utilizzano forme dei denti speciali chiamate evolventi. Il profilo ha l'importantissima proprietà di mantenere un rapporto di velocità costante tra le due marce. Proprio come la ruota dei chiodi sopra, il punto di contatto si muove; Ma la forma dei denti ad evolvente compensa questo movimento. Vedere questa sezione per ulteriori informazioni.
Ora diamo un'occhiata ad alcuni diversi tipi di ingranaggi.
Gli ingranaggi cilindrici sono il tipo più comune di ingranaggio. Hanno denti dritti e sono montati su assi paralleli. A volte, molti ingranaggi cilindrici vengono utilizzati contemporaneamente per produrre una riduzione dell'ingranaggio molto ampia.
Gli ingranaggi cilindrici sono utilizzati in molti dei dispositivi che si trovano ovunque in HowStuffWorks, come cacciaviti elettrici, mostri danzanti, irrigatori oscillanti, sveglie a carica automatica, lavatrici e asciugatrici. Ma non ne troverai molti nella tua macchina.
Questo perché gli ingranaggi cilindrici possono essere molto rumorosi. Ogni volta che un dente di un ingranaggio si impegna con un dente di un altro ingranaggio, questi denti si scontrano e questa collisione produrrà rumore. Aumenta anche lo stress sui denti degli ingranaggi.
La maggior parte degli ingranaggi delle auto sono elicoidali per ridurre il rumore e la pressione al loro interno.
I denti di un ingranaggio elicoidale sono ad angolo rispetto alla superficie dell'ingranaggio. Quando due denti su un sistema di ingranaggi elicoidali si innestano, il contatto inizia a un'estremità del dente e si espande gradualmente mentre l'ingranaggio ruota fino a quando i due denti non sono completamente impegnati.
Questo innesto progressivo consente agli ingranaggi elicoidali di funzionare in modo più fluido e silenzioso rispetto agli ingranaggi cilindrici. Pertanto, quasi tutte le trasmissioni automobilistiche utilizzano ingranaggi elicoidali.
A causa degli angoli dei denti degli ingranaggi elicoidali, generano carichi di spinta sugli ingranaggi quando innestati. Le apparecchiature che utilizzano ingranaggi elicoidali hanno cuscinetti in grado di supportare questo carico di spinta.
Una delle cose interessanti degli ingranaggi elicoidali è che se i denti degli ingranaggi sono angolati correttamente, possono essere montati sull'asse verticale per regolare l'angolo di rotazione a 90 gradi.
Gli ingranaggi conici sono utili quando è necessario cambiare il senso di rotazione dell'albero. Di solito sono montati su alberi a 90 gradi l'uno dall'altro, ma possono anche essere progettati per funzionare con altre angolazioni.
I denti degli ingranaggi conici possono essere diritti, elicoidali o ipoidi. I denti dell'ingranaggio conico cilindrico in realtà hanno lo stesso problema dei denti dell'ingranaggio cilindrico -- quando ogni dente si ingrana, colpisce contemporaneamente il dente corrispondente.
Proprio come gli ingranaggi cilindrici, la soluzione a questo problema è piegare i denti degli ingranaggi. Questi denti elicoidali si innestano proprio come i denti elicoidali: il contatto inizia a un'estremità dell'ingranaggio e si estende gradualmente all'intero dente.
Negli ingranaggi conici cilindrici e a spirale, gli alberi devono essere perpendicolari tra loro, ma devono anche trovarsi sullo stesso piano. Se estendi i due alberi fuori dall'ingranaggio, si intersecheranno. Gli ingranaggi ipoidi, d'altra parte, possono impegnare alberi su piani diversi.
Questa caratteristica è utilizzata in molti differenziali automobilistici. La corona dentata e il pignone di ingresso del differenziale sono ipoidi. Ciò consente di montare il pignone di ingresso al di sotto dell'asse dell'anello. Poiché l'albero di trasmissione dell'auto è collegato al pignone di ingresso, questo abbassa anche l'albero di trasmissione. Ciò significa che l'albero di trasmissione non si intromette troppo nell'abitacolo dell'auto, liberando più spazio per le persone e il carico.
Ingranaggi a cremagliera e pignone
La cremagliera e il pignone vengono utilizzati per convertire la rotazione in movimento lineare. Il sistema di sterzo di molte auto è un buon esempio. Il volante fa girare le marce che innestano la cremagliera. Quando l'ingranaggio gira, fa scorrere la cremagliera a destra oa sinistra, a seconda di come giri la ruota.
Alcune bilance utilizzano anche una cremagliera e un pignone per girare un quadrante che mostra il tuo peso.
Ingranaggi epicicloidali e rapporti di trasmissione
Qualsiasi riduttore epicicloidale ha tre componenti principali:
L'ingranaggio solare
Ingranaggi epicicloidali e cremagliere epicicloidali
Corona dentata
Ciascuno di questi tre componenti può essere in ingresso, in uscita o può rimanere fermo. Quale parte viene scelta per svolgere quale ruolo determina il rapporto di trasmissione del set di ingranaggi. Diamo un'occhiata ai singoli gruppi di ingranaggi planetari.
Uno dei gruppi epicicloidali della nostra trasmissione ha un anello da 72 denti e una ruota solare da 30 denti. Possiamo ottenere molti rapporti di trasmissione diversi da questo set di ingranaggi.
Inoltre, il blocco di due qualsiasi dei tre componenti insieme blocca l'intero dispositivo con una riduzione di marcia 1:1. Si noti che il primo rapporto di trasmissione sopra elencato è una decelerazione -- la velocità di uscita è inferiore alla velocità di ingresso. Il secondo è l'overdrive -- l'output è più veloce dell'input. E poi finalmente scende di nuovo, ma l'uscita va nella direzione opposta. Esistono molti altri rapporti per questo gruppo di ingranaggi planetari, ma questi sono i rapporti associati alle nostre trasmissioni automatiche. Puoi provarli nell'animazione qui sotto:
Pertanto, questo set di ingranaggi può produrre tutti questi diversi rapporti di trasmissione senza innestare o disinnestare altre marce. Usando due di questi gruppi di ingranaggi in successione, possiamo ottenere le quattro marce avanti e una retromarcia necessarie per la trasmissione. Metteremo insieme le due serie di ingranaggi nella prossima sezione.
