Jak fungují převodové poměry

Vidíte ozubená kola téměř ve všem, co má rotující části. Například automobilové motory a převodovky obsahují mnoho převodových stupňů. Pokud někdy otevřete videorekordér a podíváte se dovnitř, uvidíte, že je plný lovných zařízení. Hodiny pro navíjení, dědeček a kyvadlo obsahují spoustu zařízení, zejména pokud mají zvonky nebo zvonkohry. Pravděpodobně máte měřič výkonu na straně vašeho domu, a pokud má průhledný kryt, můžete vidět, že obsahuje 10 nebo 15 rychlostních stupňů. Ozubená kola jsou všude tam, kde jsou motory a motory produkující rotační pohyb. V tomto vydání Jak věci fungují, dozvíte se o rychlostních stupních, převodových poměrech a převodových ústrojích, abyste pochopili, co dělají všechna různá zařízení, která vidíte.

Ozubená kola se obvykle používají pro jeden ze čtyř různých důvodů:

1. Pro obrácení směru otáčení
2. Zvýšení nebo snížení rychlosti otáčení
3. Přesunutí rotačního pohybu na jinou osu
4. Pro udržení synchronizace rotace dvou os

Na obrázku výše můžete vidět efekty 1, 2 a 3. Na tomto obrázku můžete vidět, že se dvě ozubená kola otáčí v opačných směrech, že menší ozubené kolo se točí dvakrát rychleji než větší ozubené kolo a že osa otáčení menšího ozubeného kola je vpravo od osy otáčení většího ozubeného kola. Skutečnost, že jedno zařízení se točí dvakrát rychleji než ostatní, vyplývá z poměr mezi ozubenými koly nebo převodový poměr (Další informace naleznete v našem grafu převodových poměrů). Na tomto obrázku je průměr převodu vlevo dvojnásobkem průměru převodu vpravo. Převodový poměr je proto 2: 1 (vyslovuje se „dva ku jedné“). Pokud sledujete číslo, můžete vidět poměr: Pokaždé, když se větší převodový stupeň jede jednou, menší převodový stupeň jede dvakrát. Vidíte, že pokud by obě ozubená kola měla stejný průměr, otáčely by se stejnou rychlostí, ale v opačných směrech.

Porozumění pojmu převodový poměr je snadné, pokud rozumíte pojmu "převodový poměr" obvod kruhu. Mějte na paměti, že obvod kruhu se rovná průměru kruhu vynásobenému Pi (Pi se rovná 3,14159…). Pokud tedy máte kružnici nebo ozubené kolo s průměrem jednoho palce, bude obvod této kružnice 3,14159 palců. Následující obrázek ukazuje, jak se obvod kružnice o průměru 1,27 palce rovná lineární vzdálenosti 4 palce: Řekněme, že jste měli další kružnici, jejíž průměr byl 1,27 palce / 2 = 0,635 palce, a vy jste ji válcovali v stejným způsobem jako na tomto obrázku. Zjistili byste, že protože jeho průměr je jedna polovina kruhu na obrázku, musí dokončit dvě plné rotace, aby pokryla stejnou 4 palcovou linii. To vysvětluje, proč dva převodové stupně, jedna polovina velká jako druhá, mají převodový poměr 2: 1. Menší rychlostní stupeň se musí točit dvakrát, aby překonal stejnou vzdálenost, jakmile se větší rychlost jednou otočí.

Většina ozubených kol, která vidíte v reálném životě, má zuby. Zuby mají tři výhody:

1. Zabraňují prokluzu mezi ozubenými koly - proto jsou nápravy spojené ozubenými koly vždy synchronizovány přesně jedna s druhou.
2. Umožňují určit přesné převodové poměry - spočítejte pouze počet zubů ve dvou rychlostních stupních a rozdělte je. Pokud tedy jedno ozubené kolo má 60 zubů a druhé má 20, převodový poměr, když jsou tato dvě ozubená kola spojena, je 3: 1.
3. Dělají to tak, že na drobných nedokonalostech ve skutečném průměru a obvodu dvou rychlostních stupňů nezáleží. Převodový poměr je řízen počtem zubů, i když jsou průměry trochu pryč.

Pro vytvoření velkých převodových poměrů jsou ozubená kola často spojena převodové vlaky, viz obrázek:

Pravý (fialový) rychlostní stupeň ve vlaku je ve skutečnosti vyroben ve dvou částech, jak je znázorněno. Malý a větší převodový stupeň jsou spojeny, jeden na druhém. Převodové soupravy se často skládají z více rychlostních stupňů ve vlaku, jak je znázorněno na následujících dvou obrázcích:

Ve výše uvedeném případě se fialové kolo otáčí dvakrát rychleji než modré kolo. Zelené kolo se otáčí dvakrát rychleji než fialové kolo. Červené kolo se otáčí dvakrát rychleji než zelené. Nižší převodový stupeň má vyšší převodový poměr:

V tomto vlaku jsou menší převody o jednu pětinu větší než větší. To znamená, že pokud připojíte fialový převod k motoru točícímu se při 100 ot / min (otáčky za minutu), zelený rychlostní stupeň se otáčí rychlostí 500 ot / min a červený rychlostní stupeň se otáčí rychlostí 2 500 ot / min. Stejným způsobem můžete připojit červený motor o rychlosti 2 500 ot / min, abyste získali fialové zařízení o 100 ot / min. Pokud vidíte uvnitř vašeho měřiče výkonu a je to starší styl s pěti mechanickými číselníky, uvidíte, že těchto pět číselníků je navzájem spojeno prostřednictvím ozubeného soukolí, jako je tato, přičemž ozubená kola mají poměr 10: 1. Protože číselníky jsou přímo vzájemně propojeny, otáčejí se v opačných směrech (uvidíte, že čísla jsou obrácena na číselnících vedle sebe). Další informace o převodových poměrech naleznete v našem grafu převodových poměrů.

Existuje mnoho dalších způsobů, jak používat zařízení. Například můžete použít kuželová kola k ohnutí osy otáčení v soukolí o 90 stupňů. Nejběžnějším místem, kde je možné najít kónická zařízení, je rozdíl mezi vozidlem s pohonem zadních kol. Diferenciál ohýbá rotaci motoru o 90 stupňů, aby poháněl zadní kola:

Další specializovaná převodovka se nazývá a planetový soukolí. Planetové převody řeší následující problém. Řekněme, že chcete převodový poměr 6: 1. Jedním ze způsobů, jak vytvořit tento poměr, je následující třístupňový vlak:

V tomto vlaku má červené ozubené kolo trojnásobek průměru žlutého ozubeného kola a modré ozubené kolo má dvojnásobek průměru červeného ozubeného kola (což poskytuje poměr 6: 1). Představte si však, že chcete, aby osa výstupního kola byla stejná jako osa vstupního kola. Běžným místem, kde je potřeba stejná osa, je elektrický šroubovák. V takovém případě můžete použít planetový převodový systém, jak je znázorněno zde:

V tomto převodovém systému zabírá žlutý převod všechny tři červené převody současně. Všichni jsou připevněni k talíři a zapojí se uvnitř modrého zařízení namísto zvenku. Protože existují tři červené převody namísto jednoho, je tato převodovka extrémně robustní. Vývodový hřídel je odebrán z desky a modrý převod je držen nehybně. Na stránce elektrického šroubováku můžete vidět obrázek dvoustupňového planetového převodového systému.

Nakonec si představte následující situaci: máte dvě červená kola, která chcete zachovat synchronizovanou, ale jsou od sebe vzdálená. Pokud si přejete, aby měly stejný směr otáčení, můžete mezi ně umístit velké zařízení:

Nebo můžete použít dva stejně velké převody, pokud chcete, aby měly opačný směr otáčení:

V obou těchto případech je však pravděpodobné, že další kola budou těžká a je třeba pro ně vytvořit nápravy. V těchto případech je běžným řešením použití a řetěz nebo a ozubený pás, viz obrázek:

Výhodou řetězů a řemenů je nízká hmotnost, schopnost oddělit obě ozubená kola o určitou vzdálenost a schopnost spojit mnoho ozubených kol dohromady na stejném řetězu nebo pásu. Například v automobilu může stejný ozubený řemen zabírat na klikový hřídel, dva vačkové hřídele a alternátor. Pokud byste místo řemene museli používat převody, bylo by to mnohem těžší! Další informace o převodových poměrech naleznete v našem grafu převodových poměrů.