- Передаточные числа имеют основополагающее значение для понимания того, как работают шестерни: передаточное число указывает, сколько раз одна шестерня должна повернуться, чтобы другая шестерня повернулась один раз; например, в червячной передаче вал с резьбой, входящий в зацепление с зубьями шестерни, может создать высокое передаточное число в компактном пространстве.
- Системы планетарных передач представляют собой специализированные зубчатые передачи, которые могут обеспечивать различные передаточные числа в зависимости от того, какая передача используется в качестве входной, выходной или неподвижной; они прочные из-за одновременного включения нескольких передач и обычно встречаются в автоматических трансмиссиях.
- Универсальность планетарных передач позволяет использовать различные передаточные числа путем перестановки входных, выходных и неподвижных передач, а в автоматических трансмиссиях эта функция используется за счет использования муфт и тормозных лент для замены неподвижных частей и изменения входных и выходных передач.
Шестеренки можно увидеть практически во всем, что имеет вращающиеся части. Автомобильные двигатели и трансмиссии содержат множество передач. Заводные, напольные и маятниковые часы содержат множество механизмов, особенно если у них есть колокольчики или куранты. Шестерни есть везде, где есть двигатели или моторы, производящие вращательное движение.
Шестерни обычно используются по одной из четырех причин:
- Чтобы изменить направление вращения
- Для увеличения или уменьшения скорости вращения
- Чтобы переместить вращательное движение на другую ось
- Чтобы синхронизировать вращение двух осей
Вы можете увидеть эффекты 1, 2 и 3 на анимации выше. На этой анимации вы можете видеть, что две шестерни вращаются в противоположных направлениях, что меньшая шестерня вращается в два раза быстрее, чем большая шестерня, и что ось вращения меньшей шестерни находится слева от оси вращения большей шестерни.
Тот факт, что одна шестерня вращается в два раза быстрее другой, объясняется соотношением между шестернями — передаточным числом. На этом рисунке диаметр шестерни слева в два раза больше, чем у шестерни справа. Таким образом, передаточное число составляет 2:1 (произносится как «два к одному»). Если бы обе шестерни имели одинаковый диаметр, они вращались бы с одинаковой скоростью, но в противоположных направлениях.
Понимание концепции передаточного числа
Понять концепцию передаточного числа легко, если вы понимаете концепцию длины окружности — расстояния по периметру окружности.
Допустим, у вас есть круг, длина окружности которого составляет 10 см, и круг, длина окружности которого составляет 5 см. Если вы катите каждый круг по 10-ти сантиметровой линии, первый круг преодолеет расстояние за один полный оборот; поскольку окружность второго круга вдвое меньше окружности первого круга, ему нужно совершить два полных оборота, чтобы преодолеть такое же расстояние. Это объясняет, почему две шестерни, одна из которых имеет половину окружности другой, имеют передаточное число 2:1. Меньшая шестерня должна совершить два оборота, чтобы преодолеть то же расстояние, которое пройдено при одиночном вращении большей шестерни.
Поскольку уравнение для расчета длины окружности представляет собой просто число Пи, умноженное на диаметр круга, вы также можете рассчитать передаточные числа, сравнивая диаметры двух кругов. Две шестерни, одна диаметром 3,18 см, а другая диаметром 1,59 см, будут иметь передаточное число 2:1.
Большинство шестеренок , которые вы видите в реальной жизни, имеют зубья . Зубы имеют три преимущества:
- Они предотвращают проскальзывание между шестернями. Поэтому оси, соединенные шестернями, всегда точно синхронизированы друг с другом.
- Они позволяют определить точные передаточные числа. Вы просто подсчитываете количество зубьев на двух шестернях и делите два числа. Таким образом, если одна шестерня имеет 60 зубьев, а другая — 20, передаточное число при соединении этих двух шестерен составит 3:1.
- Благодаря зубьям небольшие дефекты фактического диаметра и окружности двух шестерен не имеют значения. Передаточное число контролируется количеством зубьев, даже если диаметры немного отличаются.
Зубчатые передачи
Для создания больших передаточных чисел шестерни часто соединяют в зубчатые передачи, как показано сверху. В этой схеме меньшие шестерни составляют одну пятую диаметра больших шестерен. Это означает, что если вы подключите фиолетовую шестерню к двигателю, вращающемуся со скоростью 100 оборотов в минуту (об/мин), зеленая шестерня будет вращаться со скоростью 500 об/мин, а красная шестерня будет вращаться со скоростью 2500 об/мин. Таким же образом вы можете подключить двигатель со скоростью 2500 об/мин к красной шестерне, чтобы получить 100 об/мин на фиолетовой шестерне.
Другие варианты использования шестерен
Если вы хотите создать высокое передаточное число, ничто не сравнится с червячной передачей. В червячной передаче вал с резьбой входит в зацепление с зубьями шестерни. Каждый раз, когда вал совершает один оборот, шестерня перемещается на один зуб вперед. Если шестерня имеет 40 зубьев, у вас будет передаточное число 40:1 в очень маленьком корпусе. Червячные передачи обеспечивают работу дворников. Механический одометр — еще одно место, где используется много червячных передач.
Планетарные передачи
Есть много других способов использования шестерен. Одна специализированная зубчатая передача называется планетарной зубчатой передачей. Планетарные передачи решают следующую задачу. Допустим, вам нужно передаточное число 6:1, при котором входной вал вращается в том же направлении, что и выходной. Один из способов добиться такого передаточного числа — использовать следующую трехступенчатую передачу.
В этой схеме синяя шестерня имеет длину окружности в шесть раз большую, чем желтая шестерня (что дает соотношение 6:1). Размер красной шестерни не имеет значения, поскольку она предназначена только для изменения направления вращения, чтобы синяя и желтая шестерни вращались одинаково. Однако если вы хотите, чтобы ось выходной шестерни была на одной оси входной шестерни вы можете использовать планетарную систему передач, как показано здесь.
В этой системе передач желтая шестерня ( солнце ) одновременно зацепляет все три красные шестерни ( планеты ). Все три прикреплены к пластине ( водиле сателлитов ) и зацепляются с синей шестерней внутри ( кольцо ), а не снаружи. Поскольку здесь три красных шестерни вместо одной, эта зубчатая передача чрезвычайно прочна. Выходной вал прикреплен к синей коронной шестерне, а водило сателлитов удерживается неподвижно — это дает то же передаточное число 6:1.
Часто задаваемые вопросы по передаточному числу
Как рассчитывается передаточное число?
Передаточное число рассчитывается путем деления угловой скорости или скорости вращения выходного вала на угловую скорость входного вала. Его также можно рассчитать, разделив общее количество зубьев ведущей шестерни на общее количество зубьев ведомой шестерни.
Лучше иметь большее или меньшее передаточное число?
Более высокое передаточное число хорошо подходит, когда вам нужно больше ускорения для движения автомобиля, тогда как более низкое передаточное число обеспечивает больший крутящий момент.
Какое передаточное число подходит для буксировки?
Если вы буксируете легковой автомобиль, подходящим будет передаточное число 3,73. Однако для буксировки тяжелых грузов, например 2,5 тонны и более, вам понадобится передаточное число 4,10.
Дают ли большие шестерни больший крутящий момент?
Крутящий момент — это мера скручивающей силы, рассчитываемая как произведение окружной силы на радиус шестерни. Это означает, что шестерни большего размера будут иметь больший крутящий момент, чем шестерни меньшего размера, из-за большего радиуса шестерен.
Каково назначение передаточного числа?
Основная цель передаточного числа — уменьшить крутящий момент за счет увеличения скорости и наоборот. Ваш автомобиль не будет двигаться на более высоких передаточных числах, потому что на начальном этапе вам нужно больше крутящего момента, чем мощности. С другой стороны, более низкие передаточные числа неудобны, когда вы едете по шоссе, потому что в это время вам требуется больше скорости, чем крутящего момента. Таким образом, передаточное число можно понимать как компромисс между крутящим моментом и скоростью.