Man ser växlar i nästan allt som har snurrande delar. Till exempel innehåller bilmotorer och transmissioner massor av växlar. Om du någonsin öppnar en videobandspelare och tittar inuti kommer du att se att den är full av växlar. Upprullnings-, farfars- och pendelklockor innehåller massor av växlar, särskilt om de har klockor eller klockor. Du har förmodligen en effektmätare på sidan av ditt hus, och om den har ett genomskinligt lock kan du se att den innehåller 10 eller 15 växlar. Kugghjul finns överallt där det finns motorer och motorer som producerar roterande rörelse. I den här utgåvan av How Stuff Works , kommer du att lära dig om växlar, utväxlingar och utväxlingståg så att du kan förstå vad alla olika växlar du ser gör.
Kugghjul används vanligtvis av en av fyra olika anledningar:
Du kan se effekt 1, 2 och 3 i figuren ovan. I den här figuren kan du se att de två kugghjulen roterar i motsatta riktningar, att det mindre kugghjulet snurrar dubbelt så snabbt som det större och att rotationsaxeln av det mindre kugghjulet är till höger om rotationsaxeln för det större kugghjulet. Det faktum att en växel snurrar dubbelt så snabbt som den andra beror på förhållandet mellan växlarna, eller utväxlingen (Kolla in vårt utväxlingsdiagram för mer info). I den här figuren är diametern på växeln till vänster dubbelt så stor som på växeln till höger. Utväxlingen är därför 2:1 (uttalas "två till ett"). Om du tittar på figuren kan du se förhållandet:Varje gång den större växeln går runt en gång, går den mindre växeln runt två gånger. Du kan se att om båda kugghjulen hade samma diameter skulle de rotera med samma hastighet men i motsatta riktningar.
Innehåll
Att förstå begreppet utväxlingsförhållande är lätt om du förstår begreppet omkrets av en cirkel. Tänk på att en cirkels omkrets är lika med cirkelns diameter multiplicerat med Pi (Pi är lika med 3,14159...). Därför, om du har en cirkel eller ett kugghjul med en diameter på en tum, kommer omkretsen av den cirkeln att vara 3,14159 tum. Följande figur visar hur omkretsen av en cirkel med en diameter på 1,27 tum är lika med ett linjärt avstånd på 4 tum:Låt oss säga att du hade en annan cirkel vars diameter var 1,27 tum / 2 =0,635 tum och du rullade den på samma sätt som i denna figur. Du skulle upptäcka att, eftersom dess diameter är hälften av cirkelns i figuren, måste den genomföra två hela rotationer för att täcka samma 4-tums linje. Detta förklarar varför två växlar, en hälften så stor som den andra, har ett utväxlingsförhållande på 2:1. Den mindre växeln måste snurra två gånger för att klara samma sträcka när den större växeln snurrar en gång.
De flesta växlar som du ser i verkligheten har tänder. Tänderna har tre fördelar:
Den högra (lila) växeln i tåget är faktiskt gjord i två delar, som visas. Ett litet kugghjul och ett större kugghjul är sammankopplade, ovanpå varandra. Kugghjul består ofta av flera växlar i tåget, som visas i följande två figurer:
I fallet ovan svänger den lila växeln med en hastighet som är dubbelt så stor som den blå växeln. Den gröna växeln svänger dubbelt så mycket som den lila växeln. Den röda växeln svänger dubbelt så mycket som den gröna. Växeln som visas nedan har ett högre utväxlingsförhållande:
I detta tåg är de mindre växlarna en femtedel av storleken på de större växlarna. Det betyder att om du kopplar den lila växeln till en motor som snurrar med 100 rpm (varv rer minut), kommer den gröna växeln att snurra med en hastighet av 500 rpm och den röda växeln kommer att rotera med en hastighet av 2 500 rpm. På samma sätt skulle man kunna fästa en 2 500 rpm motor på den röda växeln för att få 100 rpm på den lila växeln. Om du kan se inuti din effektmätare och den är av den äldre stilen med fem mekaniska rattar, kommer du att se att de fem rattarna är anslutna till varandra genom en sådan här växellåda, där växlarna har ett förhållande på 10:1. Eftersom rattarna är direkt kopplade till varandra snurrar de i motsatta riktningar (du kommer att se att siffrorna är omvända på rattarna bredvid varandra). För mer information om utväxlingsförhållanden, besök vårt utväxlingsdiagram.
Det finns många andra sätt att använda redskap. Till exempel kan du använda koniska kugghjul för att böja rotationsaxeln i ett kugghjul med 90 grader. Det vanligaste stället att hitta koniska växlar som denna är i differentialen på en bakhjulsdriven bil. En differential böjer motorns rotation 90 grader för att driva bakhjulen:
En annan specialiserad kuggväxel kallas en planetväxellåda . Planetväxlar löser följande problem. Låt oss säga att du vill ha ett utväxlingsförhållande på 6:1. Ett sätt att skapa det förhållandet är med följande treväxlade tåg:
I det här tåget har den röda växeln tre gånger diametern på den gula växeln och den blå växeln har två gånger diametern på den röda växeln (vilket ger ett förhållande på 6:1). Föreställ dig dock att du vill att det utgående kugghjulets axel ska vara samma som det ingående kugghjulets. Ett vanligt ställe att behöva denna kapacitet för samma axel är i en elektrisk skruvmejsel. I så fall kan du använda ett planetväxelsystem, som visas här:
I detta växelsystem lägger den gula växeln i alla tre röda växlarna samtidigt. De är alla tre fästa på en tallrik och de kopplar in insidan av den blå växeln istället för utsidan. Eftersom det finns tre röda växlar istället för en, är denna växellåda extremt robust. Den utgående axeln tas från plattan och den blå växeln hålls stilla. Du kan se en bild av ett tvåstegs planetväxelsystem på sidan med elektrisk skruvmejsel.
Föreställ dig slutligen följande situation:du har två röda växlar som du vill hålla synkroniserade, men de är en bit ifrån varandra. Du kan placera ett stort kugghjul mellan dem om du vill att de ska ha samma rotationsriktningar:
Eller så kan du använda två lika stora kugghjul om du vill att de ska ha motsatt rotationsriktning:
Men i båda dessa fall är de extra växlarna sannolikt tunga och du måste skapa axlar för dem. I dessa fall är den vanliga lösningen att använda antingen en kedja eller ett tandbälte , som visas här:
Fördelarna med kedjor och remmar är låg vikt, möjligheten att separera de två växlarna med ett visst avstånd och möjligheten att koppla ihop många växlar på samma kedja eller rem. Till exempel, i en bilmotor, kan samma kuggrem koppla in vevaxeln, två kamaxlar och generatorn. Om du var tvungen att använda kugghjul i stället för bältet skulle det vara mycket svårare! För mer information om utväxlingsförhållanden, besök vårt utväxlingsdiagram.
Ursprungligen publicerad:1 april 2000
