Vrste zupčanika

1. Uvođenje

Mnoge vrste zupčanika su kritični dio bezbrojnih mehaničkih sistema, svuda, od automobila do industrijskih mašina, pa čak i svakodnevne potrošačke elektronike.

Oni rade tako što prenose snagu rotacije između komponenti mašine, omogućava preciznu kontrolu kretanja, brzina, i obrtni moment.

Zupčanici su neophodni za nesmetan i efikasan rad mašina, sa različitim vrstama zupčanika prilagođenih različitim aplikacijama.

2. Šta je Gear?

Zupčanik je zupčasta mehanička komponenta koja se spaja s drugim nazubljenim dijelom, često drugu brzinu, za prenos obrtnog momenta i kretanja. Zupčanici mogu povećati obrtni moment žrtvovanjem brzine, ili mogu povećati brzinu nauštrb obrtnog momenta.

Efikasnost i funkcionalnost zupčanika zavise od njihovog oblika, veličina, materijal, i kako oni međusobno komuniciraju.

3. Različiti parametri zupčanika

Razumijevanje parametara zupčanika je ključno za dizajniranje efikasnih i pouzdanih sistema zupčanika. Ovi parametri utiču na to kako se zupčanici spajaju, koliko opterećenja mogu podnijeti, i njihove ukupne performanse u različitim aplikacijama. Evo pregleda ključnih parametara:

1. Broj zuba

Broj zubaca na zupčaniku je osnovni parametar koji utječe na njegov omjer prijenosa i performanse. Određuje sposobnost zupčanika da se poveže s drugim zupčanikom i utječe na brzinu i izlazni moment.

• Omjer prijenosa: Odnos između broja zuba na dva zupčanika koji se spajaju određuje odnos brzine i momenta.
  Na primjer, zupčanik sa 20 zubi se spajaju sa zupčanikom sa 40 zubi ima prijenosni omjer od 1:2, što znači da će se veći zupčanik okretati upola manjom brzinom od manjeg zupčanika, ali s dvostrukim obrtnim momentom.

2. Cijela dubina

Cijela dubina se odnosi na ukupnu dubinu zuba zupčanika, koji uključuje i dodatak i dedendum. To je ključno za osiguravanje pravilnog spajanja sa susjednim zupčanicima.

• Dodatak: Visina zuba zupčanika iznad kružnog toka.
• Da se da: Dubina zuba ispod kružnog toka.

Cijela dubina je bitna za određivanje snage zupčanika i prostora potrebnog da se zubi zupčanika spoje bez smetnji.

3. Pitch Circle

Kružni krug je imaginarni krug koji se kotrlja bez klizanja po kružnom krugu spojnog zupčanika. Ključno je osigurati kako zupčanici međusobno djeluju i spajaju se.

• Pitch Diameter: Prečnik kruga dela. Koristi se za izračunavanje omjera prijenosa i za osiguranje pravilnog spajanja zupčanika.

4. Root Circle

Korijenski krug je krug koji prolazi kroz dno žljebova zubaca zupčanika. Određuje minimalni prečnik zupčanika i važan je za razumevanje snage i izdržljivosti zupčanika.

• Root Diameter: Prečnik kruga koji povezuje osnove zuba.

5. Outside Circle

Spoljni krug, ili vanjski prečnik, je krug koji prolazi kroz vrhove zubaca zupčanika. Neophodan je za određivanje ukupne veličine i zazora zupčanika.

• Vanjski prečnik: Prečnik meren od vrha jednog zuba do vrha suprotnog zuba.

6. Pitch Diameter

Prečnik koraka je prečnik kruga koraka i kritičan je parametar za izračunavanje omjera prijenosa i osiguravanje pravilnog spajanja između zupčanika.

• Formula: Prečnik nagiba = broj zubaca / Diametral Pitch (za carske jedinice) ili Prečnik nagiba = (Broj zuba * Modul) (za metričke jedinice).

7. Circular Pitch

Kružni korak je rastojanje između odgovarajućih tačaka na susednim zubima, mjereno duž kružnog toka. Važno je osigurati pravilnu mrežu i poravnanje zupčanika.

• Formula: Kružni korak = π * Pitch Diameter / Broj zuba.

8. Modul

Modul je mjera za veličinu zuba, definiran kao omjer prečnika koraka prema broju zubaca. Koristi se u metričkom sistemu za standardizaciju veličina zupčanika.

• Formula: Modul = Prečnik nagiba / Broj zuba.

9. Diametral Pitch

Dijametralni korak je broj zubaca po inču prečnika koraka. Koristi se u imperijalnom sistemu za standardizaciju veličina zupčanika i inverzan je modulu.

• Formula: Prečnik nagiba = broj zubaca / Pitch Diameter.

10. Circular Thickness

Kružna debljina je debljina zuba zupčanika mjerena duž kružnog toka. Utiče na snagu zupčanika i efikasnost prijenosa snage.

• Formula: Kružna debljina = kružni korak / 2.

4. Kako rade Gears?

Zupčanici su mehanički uređaji, tipično kružno, sa zupcima na rubovima koji se koriste za prijenos rotacijske sile i momenta u strojevima.

Rad u parovima, zupčanici zahvate svoje zupce kako bi spriječili klizanje. U kružnim brzinama, brzina i obrtni moment ostaju konstantni, dok ne-kružni zupčanici stvaraju varijabilne omjere brzine i momenta.

Za održavanje konstantne brzine i obrtnog momenta, precizno oblikovanje profila zupčanika je bitno. Kada je manja brzina, ili zupčanik, pokreće sistem, smanjuje brzinu i povećava obrtni moment.

Obrnuto, ako je zupčanik na gonjenoj osovini, brzina se povećava dok se obrtni moment smanjuje.

Osovine koje drže zupčanike moraju biti pravilno raspoređene i mogu se postaviti paralelno, neparalelan, ukrštanje, ili konfiguracije koje se ne sijeku. Ove osovine funkcioniraju kao poluge za prijenos rotacije i energije između zupčanika.

Ključni rezultati sistema zupčanika uključuju:

• Povećajte brzinu: U paru zupčanika gdje se ima 40 zubi i drugo 20, manji zupčanik se okreće dvostruko brže kako bi održao sinhronizaciju, što rezultira većom brzinom, ali smanjenim obrtnim momentom.
• Povećajte snagu: Manji zupčanik s manje zubaca smanjuje brzinu, ali povećava silu, koji zahtijevaju više obrtnog momenta za rotaciju.
• Promjena smjera: Kada se dva zupčanika spoje, rotiraju u suprotnim smjerovima. Za efikasnu promjenu smjera ili uglova rotacije koriste se specijalizirani zupčanici.

5. Šta je dizajn zupčanika?

Industrijske aplikacije koriste različite zupčanike, svaki dizajniran za posebne svrhe. Glavne karakteristike koje se razlikuju među ovim zupčanicima uključuju:

• Oblik zupčanika
• Dizajn i konfiguracija zuba
• Konfiguracija osovine zupčanika

Gear Shape

Zupčanici mogu biti cilindrični (spur, spiralni) ili konusno (bevel) na osnovu njihove primjene. Oblik utiče na to koliko dobro se zupčanici spajaju, količinu sile koju mogu podnijeti, i koliko buke stvaraju.

Spur gears, na primjer, su glasni pri velikim brzinama, dok spiralni zupčanici nude tiše i uglađenije performanse zbog zubaca pod uglom.

Dizajn i konfiguracija zuba

Zupčanici mogu imati različite profile zubaca, svaki je pogodan za specifične zadatke. Ravni zubi (cilindrični zupčanici) rade dobro za jednostavno, Primjene niske brzine, dok spiralni ili spiralni zubi (spiralni, konusni zupci) osiguravaju glatkiji rad i veću efikasnost pri većim brzinama.

Konfiguracija osi zupčanika

• Paralelno: U paralelnim konfiguracijama, osovine su poravnate u istoj ravni, a pogonski i pogonski zupčanici se okreću u suprotnim smjerovima. Ova postavka obično nudi visoku efikasnost u prijenosu pokreta. Primjeri uključuju spiralne zupčanike i sisteme zupčanika.
• Ukrštanje: Za konfiguracije koje se ukrštaju, osovine se ukrštaju u tački unutar iste ravni, obezbeđujući visoku efikasnost prenosa sličnu paralelnim podešavanjima. Konični zupčanici su odličan primjer ovog tipa.
• Neparalelni i neukrštajući: U konfiguracijama u kojima osovine nisu ni paralelne niti se ukrštaju, što znači da nisu ni poravnati ni na istoj ravni, efikasnost prenosa ima tendenciju da bude niža. Pužni zupčanici su primjer ove kategorije.

6. Koji se materijali koriste u zupčanicima?

Materijal koji se koristi za proizvodnju zupčanika značajno utječe na njihove performanse, izdržljivost, i pogodnost za specifične primjene. Različiti materijali nude različite stepene čvrstoće, otpornost na habanje, i otpornost na koroziju.

Ispod su neki od najčešće korištenih materijala u proizvodnji zupčanika:

Rolled Steel

Valjani čelik se obično koristi za zupčanike zbog svoje visoke čvrstoće i žilavosti. Proizvodi se toplim ili hladnim valjanjem čelika kroz niz valjaka, rafiniranje njegove strukture i poboljšanje njegovih mehaničkih svojstava.

Zupčanici napravljeni od valjanog čelika često se koriste u teškim aplikacijama, kao što su automobilski mjenjači i industrijske mašine, gdje su izdržljivost i otpornost na udarce presudni.

Hladno valjani čelik

Hladno valjani čelik prolazi kroz proces u kojem se čelik nakon valjanja hladi, što poboljšava njegovu snagu i završnu obradu. Ovaj proces pruža bolju točnost dimenzija i glatkiju završnu obradu od toplo valjanog čelika.

Zupčanici od hladno valjanog čelika se često koriste u preciznoj opremi koja zahtijeva uske tolerancije, kao što su satovi i fini instrumenti, kao i automobilske i industrijske primjene.

Alat čelične legure

Legure alatnog čelika poznate su po svojoj tvrdoći, otpornost na habanje, i sposobnost da izdrže visoke temperature. Idealni su za izradu zupčanika koji su podložni ekstremnim opterećenjima i udarima.

Ove legure obično sadrže visok nivo ugljika, hrom, i drugi elementi poput vanadijuma ili volframa, koji povećavaju njihovu snagu i izdržljivost. Zupčanici od alatnog čelika se koriste u aplikacijama kao što su alati za rezanje i industrijske mašine.

Legure gvožđa

Legure gvožđa, uključujući liveno gvožđe i nodularno gvožđe, se široko koriste u proizvodnji zupčanika. Zupčanici od livenog gvožđa nude dobru otpornost na habanje, Prigušivanje vibracija, i obradivost, što ih čini pogodnim za velike, zupčanici male brzine koji se koriste u aplikacijama kao što su transportni sistemi i teške mašine.

Nodularno gvožđe nudi bolju žilavost od livenog gvožđa, pruža ravnotežu između snage i otpornosti na udarce.

Nehrđajući čelik

Nehrđajući čelik je preferiran za zupčanike koji zahtijevaju visoku otpornost na koroziju i izdržljivost. Sadrži hrom, koji na površini formira zaštitni sloj oksida, sprečavanje rđe i korozije.

Zupčanici od nehrđajućeg čelika se često koriste u opremi za preradu hrane, Morske aplikacije, i okruženja u kojima je prisutna vlaga ili hemikalije.

legure bakra

Bakrene legure, kao što su mesing i bronza, koriste se u zupčanicima sa malim trenjem, Otpornost na koroziju, i jednostavnost obrade su od suštinskog značaja.

Ovi zupčanici se obično nalaze u aplikacijama koje zahtijevaju tiši rad i manje trošenje, kao što su pužni zupčanici, ležajevi, i čahure.

Legure bakra su također cijenjene zbog svoje električne provodljivosti, što ih čini pogodnim za neke specijalizirane električne uređaje.

Aluminijske legure

Aluminijske legure lagane su i otporne na koroziju, što ih čini pogodnim za zupčanike koji se koriste pri niskom opterećenju, aplikacije velike brzine.

Zupčanici napravljeni od aluminijuma se obično nalaze u vazduhoplovstvu, robotika, i automobilske industrije, gdje je smanjenje težine prioritet.

Iako nije jak kao čelik, legure aluminija mogu se tretirati ili premazati kako bi se poboljšala njihova čvrstoća i otpornost na habanje.

Plastic Gears

Plastični zupčanici su lagani, otporan na koroziju, i nudi glatku, tihi rad.

Obično se izrađuju od materijala poput najlona, acetal, ili polikarbonat, Plastični zupčanici se često koriste u aplikacijama koje zahtijevaju nisku razinu buke i malo trenja, kao što su štampači, kućni aparati, i male mašine.

Iako ne mogu podnijeti toliko opterećenje kao metalni zupčanici, plastični zupčanici su idealni za male snage, isplativa rješenja.

7. Vrste zupčanika

Zupčanici su klasifikovani prema obliku zubaca, konfiguracija osovine, i specifične namene. Razumijevanje različitih tipova zupčanika je od suštinskog značaja za odabir odgovarajućeg zupčanika kako bi se osigurao efikasan prijenos sile u mehaničkim konstrukcijama.

Na osnovu oblika zuba

1. Spur Gears

• • External Spur Gears: Najčešća vrsta opreme, sa ravnim zupcima koji su paralelni sa osom zupčanika. Ovi zupčanici se koriste za prijenos snage između paralelnih vratila i poznati su po svojoj efikasnosti i jednostavnosti.
  • Internal Spur Gears: Slično vanjskim zupčanicima, zupci su izrezani na unutrašnjoj površini zupčanika. Koriste se u aplikacijama gdje je potrebna ušteda prostora, kao što su sistemi planetarnih zupčanika.

2. Zavojni zupčanici

• • Single Helical: Ovi zupčanici imaju ugaone zube, koji obezbeđuju glatkiji i tiši rad od cilindričnih zupčanika. Ugao zubaca omogućava postepeno zahvatanje, smanjenje buke i stresa tokom rada.
  • Double Helical: Poznat i kao zupčanici riblje kosti, oni imaju dva seta suprotnih spiralnih zuba. Dizajn poništava aksijalni potisak, što ih čini pogodnim za teške mašine sa velikim opterećenjem.
  • Screw Gears: Slično kosim zupčanicima, koriste se u aplikacijama gdje su potrebne neparalelne osovine. Dizajnirani su za prijenos obrtnog momenta između dvije osovine koje se ne ukrštaju.

3. Bevel Gears

• • Straight Gears: Konusni zupčanici s ravnim zupcima koriste se za prijenos kretanja između osovina koje se ukrštaju, obično pod uglom od 90 stepeni. Oni su efikasni, ali mogu biti bučni pod opterećenjem.
  • Spiral Gears: Imaju zakrivljene zube, koji nude lakši rad i veću nosivost od ravnih konusnih zupčanika. Idealni su za aplikacije velike brzine.
  • Mitre Gears: Vrsta konusnog zupčanika kod kojeg je omjer prijenosa 1:1, obično se koristi u aplikacijama koje zahtijevaju jednaku brzinu, ali promjenu smjera.
  • Hypoid Gears: Ovi zupčanici imaju pomaknute ose, omogućavaju veći prijenos obrtnog momenta i tiši rad. Obično se nalaze u automobilskim diferencijalima.
  • Zerol Gears: Hibrid između ravnih i spiralnih konusnih zupčanika, nudeći kompromis između glatkog rada i lakoće proizvodnje.
  • Crown Bevel Gears: Konusni zupčanik gdje su zupci okomiti na čelo zupčanika, nudeći jedinstvene ugaone konfiguracije.

4. Herringbone Gears
   Zupčanici od riblje kosti imaju uzorak zubaca u obliku slova "V" i poznati su po svojoj sposobnosti da podnose teška opterećenja bez stvaranja značajnog aksijalnog potiska. Ovi zupčanici se često koriste u velikim industrijskim mašinama i brodovima.

1. 4. Zupčanici zupčanika
      Sistem linearnog zupčanika gdje je zupčanik (kružni zupčanik) spaja se sa linearnim zupčanikom (rack) za pretvaranje rotacijskog kretanja u linearno kretanje, se široko koristi u sistemima upravljanja i željeznicama.

4. Worm Gears
   Pužni zupčanici se sastoje od puža (zupčanik nalik na vijak) i pužni točak. Pružaju veliko smanjenje obrtnog momenta u kompaktnim prostorima i koriste se u transportnim sistemima i liftovima.

   

Posebne vrste zupčanika

1. Interni zupčanici
   Unutrašnji zupčanici imaju izrezane zube sa unutrašnje strane kružnog prstena. Često su upareni sa eksternim zupčanicima u planetarnim sistemima zupčanika kako bi se postigao visok obrtni moment i prostorna efikasnost.
2. Diferencijalni zupčanici
   Koristi se prvenstveno u automobilskim sistemima, Diferencijalni zupčanici omogućavaju kotačima da se rotiraju različitim brzinama uz zadržavanje raspodjele obrtnog momenta, neophodna za glatko skretanje u krivinama.
3. Planetary Gears
   Planetarni zupčanici se sastoje od centralnog sunčanog zupčanika, planet gears, i vanjski prsten (unutrašnja oprema). Ovaj dizajn nudi visoku gustinu obrtnog momenta i široko se koristi u automatskim menjačima i industrijskoj opremi.

   

4. Lančanici
   Lančanici se koriste u lančanim pogonima, sa zupcima dizajniranim za spajanje s lancem ili remenom. Obično se nalaze u biciklima, motocikli, i transportnih sistema.
5. Spline Gears
   Ovi zupčanici imaju žljebove ili zupce duž svoje dužine i koriste se u mehaničkim spojnicama, omogućavajući prijenos obrtnog momenta dok dopuštaju pomicanje duž ose.
6. Nylon Gears
   Najlonski zupčanici su lagani i otporni na koroziju, nude glatko, tihi rad. Obično se koriste u malim, aplikacije male potrošnje kao što su štampači i kućanski aparati.

   

7. Zadnji zupčanici
   Nalazi se u automobilskim diferencijalima, zadnji zupčanici upravljaju prijenosom velikog obrtnog momenta i neophodni su za osiguravanje pravilne brzine kotača tokom skretanja vozila.
8. Small Gears
   Mali zupčanici se koriste u aplikacijama gdje je potrebna kompaktna veličina i precizna kontrola pokreta, kao što su satovi, instrumenti, i male mašinerije.

8. Razmatranja u dizajnu zupčanika

Na dizajn zupčanika utiče nekoliko faktora, osiguravajući da odabrana oprema zadovoljava performanse, trošak, i zahtjevi za trajnost:

• Budžet: Materijali visokih performansi, kao što su nerđajući čelik i alatni čelik, skuplji su od osnovnih metala poput livenog gvožđa.
• Ograničenja prostora: Kompaktne aplikacije često koriste planetarne zupčanike, koji nude prijenos visokog obrtnog momenta u maloj površini.
• Transmission Needs: Aplikacije velike brzine mogu dati prednost spiralnim ili konusnim zupčanicima za glatke performanse, dok je mala brzina, zadaci visokog obrtnog momenta često koriste pužne ili cilindrične zupčanike.
• Uslovi usluge: Oštra okruženja, poput onih koji uključuju vlagu ili hemikalije, mogu zahtijevati materijale otporne na koroziju kao što su nehrđajući čelik ili najlon.

9. Primjena Gears

Zupčanici se koriste u brojnim industrijama za kontrolu brzine, obrtni moment, i smjer kretanja. Ključne aplikacije uključuju:

• Sistemi upravljanja automobilima: Zupčanici zupčanika i zupčanika pretvaraju rotacijsko kretanje u linearno, omogućava preciznu kontrolu nad upravljanjem.
• Mjenjači: Nalazi se u automobilima, Industrijske mašine, i vjetroturbina, mjenjači prilagođavaju brzinu i obrtni moment.
• Vazdušni prostor: Zupčanici se koriste u sistemima kontrole leta i motorima za glatkoću, efikasan prenos energije.
• Poljoprivredna mehanizacija: Traktori i kombajni koriste zupčanike za upravljanje snagom motora i pogonskim uređajima.

Tabela za svaku vrstu primjene zupčanika

Vrste opreme	Nazivi zupčanika	Tipični proizvodi
Spur	Spur gear	Satovi Vozovi Zrakoplov Mašine za pranje rublja Elektrane
Zavojni	Jednostruki spiralni zupčanik Dvostruki spiralni zupčanik Oprema od riblje kosti Screw gear	Automobilski Satovi Sistemi za navodnjavanje Kućni alati
Bevel	Ravni konusni zupčanik Spiralni konusni zupčanik Mitre gear Zupčanik sa kosim zupčanikom Hipoidna oprema Zero gear Krunska oprema	Pumpe Vozovi Zrakoplov Elektrane
Crv	Pužni zupčanik	Liftovi Automobilski
Rack Gear	Zupčanik i zupčanik	Vaga za vaganje Vozovi