Typer av växlar

1. Introduktion

Många typer av växlar är en kritisk del av otaliga mekaniska system, finns överallt från bilar till industriella maskiner och till och med daglig hemelektronik.

De fungerar genom att överföra rotationskraft mellan maskinkomponenter, ger exakt kontroll över rörelsen, hastighet, och vridmoment.

Kugghjul är avgörande för att maskinen ska fungera smidigt och effektivt, med olika växeltyper lämpade för olika applikationer.

2. Vad är en Gear?

Ett kugghjul är en kuggad mekanisk komponent som griper in i en annan kuggad del, ofta en annan växel, att överföra vridmoment och rörelse. Kugghjul kan öka vridmomentet genom att offra hastigheten, eller så kan de öka hastigheten på bekostnad av vridmomentet.

Kugghjulens effektivitet och funktion beror på deras form, storlek, material, och hur de interagerar med varandra.

3. Olika parametrar för växlar

Att förstå växlarnas parametrar är avgörande för att designa effektiva och pålitliga växelsystem. Dessa parametrar påverkar hur kugghjulen griper in, hur mycket belastning de klarar av, och deras övergripande prestanda i olika applikationer. Här är en översikt över nyckelparametrarna:

1. Antal tänder

Antalet tänder på en växel är en grundläggande parameter som påverkar dess utväxling och prestanda. Det bestämmer växelns förmåga att passa in i en annan växel och påverkar hastigheten och vridmomentet.

• Utväxlingsförhållande: Förhållandet mellan antalet tänder på två ingripande kugghjul bestämmer hastigheten och vridmomentförhållandet.
  Till exempel, en växel med 20 tänder i ingrepp med ett kugghjul med 40 tänderna har en utväxling på 1:2, vilket innebär att den större växeln kommer att svänga med halva hastigheten av den mindre växeln men med dubbla vridmomentet.

2. Hela djupet

Hela djupet hänvisar till det totala djupet av en kugghjul, som omfattar både tillägget och tillägget. Det är avgörande för att säkerställa korrekt ingrepp med intilliggande växlar.

• Tillägg: Kugghjulets höjd över stigningscirkeln.
• Att ges: Tandens djup under stigningscirkeln.

Hela djupet är viktigt för att bestämma kugghjulets styrka och det utrymme som krävs för att kugghjulens tänder ska gripa in utan störningar.

3. Pitch Circle

Stigcirkeln är en tänkt cirkel som rullar utan att glida på stigningscirkeln på ett parningsredskap. Det är avgörande att säkerställa hur växlar interagerar och griper in i varandra.

• Tonhöjd diameter: Stegcirkelns diameter. Den används för att beräkna utväxlingsförhållandet och för att säkerställa att växlarna griper in ordentligt.

4. Rotcirkel

Rotcirkeln är cirkeln som passerar genom botten av kugghjulens spår. Den bestämmer växelns minsta diameter och är viktig för att förstå växelns styrka och hållbarhet.

• Rotdiameter: Diametern på cirkeln som förbinder tändernas baser.

5. Utanför cirkeln

Den yttre cirkeln, eller ytterdiameter, är cirkeln som passerar genom spetsarna på kugghjulens tänder. Det är viktigt för att bestämma växelns totala storlek och spel.

• Ytterdiameter: Diametern mätt från spetsen av en tand till spetsen av den motsatta tanden.

6. Tonhöjd diameter

Stigningsdiameter är diametern på stigningscirkeln och är en kritisk parameter för att beräkna utväxlingsförhållandet och säkerställa korrekt ingrepp mellan växlarna.

• Formel: Stegdiameter = Antal tänder / Diametral stigning (för kejserliga enheter) eller Pitch Diameter = (Antal tänder * Modul) (för metriska enheter).

7. Cirkulär tonhöjd

Cirkulär delning är avståndet mellan motsvarande punkter på intilliggande tänder, mätt längs stigningscirkeln. Det är viktigt att säkerställa korrekt växelingrepp och inriktning.

• Formel: Cirkulär stigning = π * Tonhöjd diameter / Antal tänder.

8. Modul

Modulen är ett mått på tändernas storlek, definieras som förhållandet mellan stigningsdiametern och antalet tänder. Den används i det metriska systemet för att standardisera växelstorlekar.

• Formel: Modul = Pitch Diameter / Antal tänder.

9. Diametral stigning

Diametral delning är antalet tänder per tum av delningsdiametern. Den används i det kejserliga systemet för att standardisera växelstorlekar och är modulens invers.

• Formel: Diametral delning = Antal tänder / Tonhöjd diameter.

10. Cirkulär tjocklek

Cirkulär tjocklek är tjockleken på en kugghjul mätt längs stigningscirkeln. Det påverkar växelns styrka och effektiviteten i kraftöverföringen.

• Formel: Circular Thickness = Circular Pitch / 2.

4. Hur fungerar Gears?

Kugghjul är mekaniska anordningar, typiskt cirkulär, med tänder på sina kanter som används för att överföra rotationskraft och vridmoment i maskiner.

Fungerar i par, växlar kopplar in sina tänder för att förhindra glidning. I cirkulära växlar, rotationshastigheten och vridmomentet förblir konstanta, medan icke-cirkulära växlar skapar variabla hastighets- och vridmomentförhållanden.

För att bibehålla konstant hastighet och vridmoment, exakt utformning av växelprofilen är avgörande. När den mindre växeln, eller pinjong, driver systemet, det minskar hastigheten och ökar vridmomentet.

Omvänt, om kugghjulet sitter på den drivna axeln, hastigheten ökar medan vridmomentet minskar.

Axlar som håller kugghjulen måste vara åtskilda och kan anordnas parallellt, icke-parallell, korsande, eller icke-korsande konfigurationer. Dessa axlar fungerar som spakar för att överföra rotation och energi mellan växlarna.

Viktiga resultat av växelsystem inkluderar:

• Öka hastigheten: I ett växelpar där man har 40 tänder och den andra 20, den mindre växeln roterar dubbelt så snabbt för att bibehålla synkroniseringen, vilket resulterar i högre hastighet men minskat vridmoment.
• Öka kraften: En mindre växel med färre tänder minskar hastigheten men ökar kraften, kräver mer vridmoment för att rotera.
• Ändra riktning: När två växlar griper in, de roterar i motsatta riktningar. Specialiserade växlar används för att ändra rotationsriktning eller vinklar effektivt.

5. Vad är designen av Gears?

Industriella applikationer använder en mängd olika växlar, var och en utformad för specifika ändamål. De huvudsakliga egenskaperna som varierar mellan dessa växlar inkluderar:

• Kugghjulsform
• Tanddesign och konfiguration
• Kugghjulsaxlars konfiguration

Kugghjulsform

Kugghjul kan vara cylindriska (sporre, spiralformad) eller konisk (fasa) baserat på deras ansökan. Formen påverkar hur väl växlarna griper in, hur mycket kraft de kan hantera, och hur mycket ljud de genererar.

Kugghjul, till exempel, är högljudda i höga hastigheter, medan spiralformade växlar ger tystare och jämnare prestanda tack vare de vinklade tänderna.

Tanddesign och konfiguration

Kugghjul kan ha olika kuggprofiler, var och en lämpad för specifika uppgifter. Raka tänder (cylindriska kugghjul) fungerar bra för enkla, låghastighetsapplikationer, medan spiralformade eller spiralformade tänder (spiralformad, koniska växlar) säkerställer mjukare ingrepp och högre effektivitet vid högre hastigheter.

Konfiguration av växelaxlar

• Parallell: I parallella konfigurationer, axlarna är inriktade i samma plan, och de drivande och drivna kugghjulen roterar i motsatta riktningar. Denna inställning erbjuder vanligtvis hög effektivitet vid rörelseöverföring. Exempel inkluderar spiralformade växlar och kuggstångssystem.
• Skärande: För korsande konfigurationer, axlarna korsar i en punkt inom samma plan, ger hög överföringseffektivitet liknande parallella inställningar. Koniska växlar är ett utmärkt exempel på denna typ.
• Icke-parallell och icke-korsande: I konfigurationer där axlarna varken är parallella eller skär varandra, vilket betyder att de varken är inriktade eller på samma plan, transmissionseffektiviteten tenderar att vara lägre. Snäckväxlar exemplifierar denna kategori.

6. Vilka material som används i Gears?

Materialet som används för att tillverka växlar påverkar deras prestanda avsevärt, varaktighet, och lämplighet för specifika applikationer. Olika material erbjuder olika grader av styrka, slitbidrag, och korrosionsmotstånd.

Nedan är några av de mest använda materialen i kuggtillverkning:

Valsat stål

Valsat stål används ofta för växlar på grund av dess höga hållfasthet och seghet. Den tillverkas av varm- eller kallvalsning av stål genom en serie rullar, förfina dess struktur och förbättra dess mekaniska egenskaper.

Kugghjul tillverkade av valsat stål används ofta i tunga applikationer, såsom biltransmissioner och industrimaskiner, där hållbarhet och slagtålighet är avgörande.

Kallvalsat stål

Kallvalsat stål genomgår en process där stålet kyls efter valsning, vilket förbättrar dess styrka och ytfinish. Denna process ger bättre måttnoggrannhet och en jämnare finish än varmvalsat stål.

Kallvalsade stålväxlar används ofta i precisionsutrustning som kräver snäva toleranser, som klockor och fina instrument, såväl som bil- och industriapplikationer.

Verktyg stållegeringar

Verktygsstållegeringar är kända för sin hårdhet, slitbidrag, och förmåga att motstå höga temperaturer. De är idealiska för att tillverka växlar som utsätts för extrema belastningar och stötar.

Dessa legeringar innehåller vanligtvis höga halter av kol, krom, och andra grundämnen som vanadin eller volfram, som förbättrar deras styrka och hållbarhet. Verktygsstålväxlar används i applikationer som skärverktyg och industrimaskiner.

Järnlegeringar

Järnlegeringar, inklusive gjutjärn och segjärn, används i stor utsträckning vid tillverkning av kugghjul. Kugghjul i gjutjärn ger bra slitstyrka, dämpning, och bearbetbarhet, vilket gör dem lämpliga för stora, låghastighetsväxlar som används i applikationer som transportörsystem och tunga maskiner.

Segjärn ger bättre seghet än gjutjärn, ger en balans mellan styrka och stöttålighet.

Rostfritt stål

Rostfritt stål är att föredra för växlar som kräver hög korrosionsbeständighet och hållbarhet. Den innehåller krom, som bildar ett skyddande oxidskikt på ytan, förhindra rost och korrosion.

Kugghjul av rostfritt stål används ofta i livsmedelsutrustning, marinapplikationer, och miljöer där fukt eller kemikalier förekommer.

Kopparlegeringar

Kopparlegeringar, som mässing och brons, används i växlar med låg friktion, korrosionsmotstånd, och enkel bearbetning är avgörande.

Dessa växlar finns vanligtvis i applikationer som kräver tystare drift och mindre slitage, såsom snäckväxlar, skål, och bussningar.

Kopparlegeringar värderas också för sin elektriska ledningsförmåga, vilket gör dem lämpliga för vissa specialiserade elektriska apparater.

Aluminiumlegeringar

Aluminiumlegeringar är lätta och korrosionsbeständiga, vilket gör dem lämpliga för växlar som används vid låg last, höghastighetsapplikationer.

Kugghjul gjorda av aluminium finns vanligtvis inom flyg- och rymdindustrin, robotik, och bilindustrin, där viktminskning är en prioritet.

Fast inte lika stark som stål, aluminiumlegeringar kan behandlas eller beläggas för att förbättra deras styrka och slitstyrka.

Kugghjul i plast

Plastväxlar är lätta, korrosionsbeständig, och erbjuda smidig, tyst drift.

Vanligtvis tillverkad av material som nylon, acetal, eller polykarbonat, plastväxlar används ofta i applikationer som kräver lågt ljud och låg friktion, såsom skrivare, hushållsapparater, och små maskiner.

Även om de inte klarar lika mycket belastning som metallväxlar, plastväxlar är idealiska för lågeffekt, kostnadseffektiva lösningar.

7. Typer av växlar

Kugghjul klassificeras efter deras kuggform, axelkonfiguration, och specifikt syfte. Att förstå de olika typerna av växlar är viktigt för att välja rätt växel för att säkerställa effektiv kraftöverföring i mekaniska konstruktioner.

Baserat på tandform

1. Spur Gears

• • Externa kugghjul: Den vanligaste typen av redskap, med raka tänder som är parallella med kugghjulets axel. Dessa växlar används för att överföra kraft mellan parallella axlar och är kända för sin effektivitet och enkelhet.
  • Interna kugghjul: Liknar externa cylindriska kugghjul, tänderna skärs på insidan av en kuggkrans. De används i applikationer där utrymmesbesparing är nödvändig, såsom planetväxelsystem.

2. Helical Gears

• • Enkel spiralformad: Dessa kugghjul har vinklade tänder, som ger mjukare och tystare drift än cylindriska växlar. Vinkeln på tänderna möjliggör gradvis ingrepp, minskar buller och stress under drift.
  • Dubbel spiralformad: Även känd som fiskbensväxlar, dessa har två uppsättningar motsatta spiralformade tänder. Designen upphäver axiell dragkraft, vilket gör dem lämpliga för tunga maskiner med hög belastning.
  • Skruva växlar: Liknar spiralformade kugghjul, de används i applikationer där icke-parallella axlar behövs. De är utformade för att överföra vridmoment mellan två icke-korsande axlar.

3. Fasade växlar

• • Raka växlar: Koniska kugghjul med raka tänder används för att överföra rörelse mellan korsande axlar, vanligtvis i 90 graders vinkel. De är effektiva men kan vara bullriga under belastning.
  • Spiralväxlar: Dessa har böjda tänder, som erbjuder mjukare drift och högre lastkapacitet än raka koniska växlar. De är idealiska för höghastighetsapplikationer.
  • Geringsväxlar: En typ av konisk växel där utväxlingen är 1:1, används ofta i applikationer som kräver samma hastighet men en riktningsändring.
  • Hypoid växlar: Dessa kugghjul har förskjutna axlar, möjliggör högre vridmomentöverföring och tystare drift. De finns vanligtvis i fordonsdifferentialer.
  • Zerol Gears: En hybrid mellan raka och spiralformade växlar, erbjuder en kompromiss mellan smidig drift och enkel tillverkning.
  • Kronans fasade kugghjul: Ett koniskt kugghjul där tänderna är vinkelräta mot kugghjulets yta, erbjuder unika vinkelkonfigurationer.

4. Fiskbensväxlar
   Fiskbensväxlar har ett "V"-format tandmönster och är kända för sin förmåga att hantera tunga belastningar utan att producera betydande axiell dragkraft. Dessa växlar används ofta i stora industrimaskiner och fartyg.

1. 4. Kuggstång och kugghjul
      Ett linjärt växelsystem där kugghjulet (cirkulär växel) ingriper med ett linjärt kugghjul (kuggstång) att omvandla rotationsrörelse till linjär rörelse, används ofta i styrsystem och järnvägar.

4. Snäckväxlar
   Snäckväxlar består av en mask (skruvliknande redskap) och ett snäckhjul. De ger hög vridmomentminskning i kompakta utrymmen och används i transportörsystem och hissar.

   

Specialtyper av växlar

1. Interna växlar
   Invändiga kugghjul har tänder skurna på insidan av en cirkulär ring. De är ofta ihopkopplade med externa kugghjul i planetväxelsystem för att uppnå högt vridmoment och utrymmeseffektivitet.
2. Differentialväxlar
   Används främst i bilsystem, differentialväxlar låter hjulen rotera med olika hastigheter samtidigt som vridmomentfördelningen bibehålls, viktigt för smidig kurvtagning.
3. Planetväxlar
   Planetväxlar består av ett centralt solhjul, planetväxlar, och en yttre ring (inre växel). Denna design erbjuder hög vridmomentdensitet och används ofta i automatiska transmissioner och industriell utrustning.

   

4. Kedjehjul
   Kedjehjul används i kedjedrift, med tänder utformade för att gripa in i en kedja eller bälte. De finns ofta i cyklar, motorcyklar, och transportörsystem.
5. Spline Gears
   Dessa kugghjul har spår eller tänder längs sin längd och används i mekaniska kopplingar, möjliggör vridmomentöverföring samtidigt som det tillåter viss rörelse längs axeln.
6. Nylonväxlar
   Nylonväxlar är lätta och korrosionsbeständiga, erbjuder smidig, tyst drift. De används ofta i små, lågeffektapplikationer som skrivare och hushållsapparater.

   

7. Bakre växlar
   Finns i fordonsdifferentialer, bakre växlar hanterar högt vridmoment och är viktiga för att säkerställa rätt hjulhastighet under fordonets svängar.
8. Små växlar
   Små växlar används i applikationer där kompakt storlek och exakt rörelsekontroll krävs, som i klockor, instrument, och små maskiner.

8. Överväganden i Gear Design

Flera faktorer påverkar växeldesignen, se till att den valda växeln motsvarar prestanda, kosta, och hållbarhetskrav:

• Budget: Högpresterande material, såsom rostfritt stål och verktygsstål, är dyrare än basmetaller som gjutjärn.
• Utrymmesbegränsningar: Kompakta applikationer använder ofta planetväxlar, som erbjuder hög vridmomentöverföring i ett litet utrymme.
• Överföringsbehov: Höghastighetsapplikationer kan gynna spiralformade eller koniska växlar för jämn prestanda, vid låg hastighet, Arbetsuppgifter med högt vridmoment använder ofta snäckhjul eller cylindriska kugghjul.
• Serviceförhållanden: Tuffa miljöer, som de som involverar fukt eller kemikalier, kan kräva korrosionsbeständiga material som rostfritt stål eller nylon.

9. Tillämpningar av Gears

Kugghjul används i många industrier för att kontrollera hastigheten, vridmoment, och rörelseriktningen. Nyckelapplikationer inkluderar:

• Styrsystem för fordon: Kuggstång och kugghjul omvandlar rotationsrörelse till linjär rörelse, ger exakt kontroll över styrningen.
• Växellådor: Finns i bilar, industrimaskiner, och vindkraftverk, växellådor justerar hastighet och vridmoment.
• Flyg-: Kugghjul används i flygkontrollsystem och motorer för smidig, effektiv kraftöverföring.
• Jordbruksmaskiner: Traktorer och skördetröskor använder växlar för att hantera motorkraft och driva redskap.

Ett diagram för varje typ av redskapsapplikation

Typer av redskap	Namn på redskap	Typiska produkter
Sporre	Kugghjul	Klockor Tåg Flygplan Tvättmaskiner Kraftverk
Spiralformad	Enkel spiralformad växel Dubbel spiralformad växel Fiskbensutrustning Skruvväxel	Bil Klockor Bevattningssystem Hushållsredskap
Fasa	Rak vinkelväxel Konisk spiralväxel Geringsväxel Spiralformad vinkelväxel Hypoid utrustning Noll växel Kronutrustning	Pumps Tåg Flygplan Kraftverk
Mask	Snäckredskap	Hissar Bil
Rack Gear	Kuggstång	Vägningsbalans Tåg