Незаменимые шестерни: Анализ их ключевых ролей в системах передач

Шестерни являются важными элементами трансмиссионных систем. В автомобиле они играют ключевую роль в коробке передач. Механические коробки передач используют шестерни в блоке переключения. Различные комбинации передач позволяют регулировать скорость и крутящий момент для различных условий движения, таких как разгон, движение на постоянной скорости или подъем. Геликоидальные шестерни снижают уровень шума и вибраций, обеспечивая более комфортное вождение.

1, Типы и функции шестерен

1.0. Типы шестерен
Существует множество типов шестерен. Наиболее распространенный метод классификации основан на оси шестерни. Обычно их делят на три типа: шестерни с параллельными осями, шестерни с пересекающимися осями и шестерни с скрещивающимися осями. К шестерням с параллельными осями относятся прямозубые шестерни, геликоидальные шестерни, внутренние шестерни, рейки и геликоидальные рейки и т.д. К шестерням с пересекающимися осями относятся прямые конические шестерни, спиральные конические шестерни, нулевые конические шестерни и т.д. К шестерням с скрещивающимися осями относятся скрещивающиеся геликоидальные шестерни, червячная передача, гипоидные шестерни и т.д.

(Классификация и типы шестерен).

КПД, приведенные в этой таблице, являются КПД передачи и не включают потери от подшипников, перемешивания смазки и т.д. Зацепление пар зубьев на параллельных осях и пересекающихся осях по сути является качением, относительное скольжение очень мало, поэтому КПД высокий. Для косозубых передач с пересекающимися осями, червячных передач и других передач с пересекающимися осями, так как вращение создается через относительное скольжение для передачи мощности, влияние трения очень велико, и КПД передачи снижается по сравнению с другими зубчатыми передачами. КПД зубчатой передачи — это эффективность работы зубчатой передачи при нормальных условиях сборки. Если установка выполнена неправильно, особенно когда расстояние между коническими шестернями неверно и есть ошибка в точке пересечения конусов, её КПД значительно уменьшится.

2.0 Назначение зубчатых передач Зубчатые передачи

Зубчатые передачи должны использоваться парами, чтобы быть эффективными

2.1 Передавать силу механического движения: На многих автомобилях есть много шестеренок. Эти шестеренки могут помогать в работе автомобилей или различных других машин. Например, как устройство переключения передач на автомобилях и промышленные редукторы и т.д. Благодаря роли шестеренок, они могут функционировать нормально.

2.2 Изменять направление движения:
На следующем рисунке показан закон изменения направления движения с помощью различных комбинаций шестеренок.

2.3 Изменять скорость движения: Установка комбинации больших и малых шестеренок на машине может заставить машину быстро ускоряться или замедляться, например, редукторы и устройства ускорения.

2.4 Изменение крутящего момента или кручения: Комбинация больших и малых шестерен изменит крутящий момент, передаваемый шестернями; (Детальное объяснение приведено в третьей точке ниже.)

2, Передаточные отношения и направления вращения цепочек шестерен
Передаточное отношение — это соотношение угловых скоростей двух вращающихся компонентов в механизме, также известное как скорость передачи. Передаточное отношение между компонентами a и b равно i = ωa/ωb = na/nb, где ωa и ωb — это угловые скорости компонентов a и b соответственно (радианы в секунду); na и nb — это частоты вращения компонентов a и b соответственно (обороты в минуту).

1.Одноступенчатый зубчатый механизм: Зубчатая передача, образованная после зацепления пары шестерен, называется одноступенчатым зубчатым механизмом.

Пусть количество зубьев ведущей шестерни одноступенчатого механизма равно z1, количество оборотов равно n1, количество зубьев ведомой шестерни равно z2, а количество оборотов равно n2. Расчетное уравнение передаточного отношения выглядит следующим образом:
Передаточное отношение = z2/z1 = n1/n2
В зависимости от значения передаточного отношения одноступенчатый зубчатый механизм можно разделить на три категории:
Передаточное число < 1, механизм увеличения скорости, n1 < n2
Передаточное число = 1, механизм постоянной скорости, n1 = n2
Передаточное число > 1, механизм понижения скорости, n1 > n2
2.0 Двухступенчатый зубчатый механизм: Двухступенчатый зубчатый механизм состоит из двух комплектов одноступенчатых зубчатых механизмов.
На следующем рисунке показана структура двухступенчатого зубчатого механизма.

Передаточное отношение = z2/z1 * z4/z3 = n1/n2 * n3/n4.

Ниже приведен пример расчета передаточного отношения двухступенчатого зубчатого механизма.

три, Взаимосвязь между Вращающим моментом, Мощностью и Скоростью вращения
Сначала рассмотрим некоторые формулы и постараемся понять их пошагово.
a. В физике момент силы определяется как произведение силы на плечо рычага (прямая линия). Формула для расчета момента силы: M = L×F. Единица измерения момента силы — ньютон-метр, сокращенно Н·м, символ N*m.

Плечо рычага OA × сила Fa = плечо рычага OB × сила Fb.

b. В вращательном состоянии момент силы (специальный момент силы) = F (сила) × r (радиус вращения), то есть произведение касательной силы и радиуса окружности от силы до точки приложения. Формула для расчета момента силы: M = F*r.

отношение между крутящим моментом и скоростью вращения: T = 9550P / n, P = T * n / 9550; P - это мощность в киловаттах (кВт); T - крутящий момент в ньютон-метрах (Н·м); n - скорость вращения в оборотах в минуту (об/мин). 9550 - это константа.
отношение между мощностью, крутящим моментом и скоростью вращения: Мощность (кВт) P = Крутящий момент (Н·м) T × Скорость вращения (об/мин) n/9550, то есть P = T*n/9550, что можно понять с помощью следующей диаграммы.

Как видно из схемы вращения зубчатой передачи, мощность остается неизменной (не учитывая потери на передачу), но скорость вращения снижается. Согласно формуле мощность = крутящий момент × скорость вращения (*константа), количество раз, на которое скорость вращения на колесе снижается, равно количеству раз, на которое увеличивается крутящий момент на колесе - это так называемый "крючковый момент".
отношение между мощностью, крутящим моментом и угловой скоростью: Мощность P = крутящий момент T × угловая скорость ω.
Поскольку мощность P = работа W ÷ время t, и работа W = сила F × расстояние s, то P = F×s/t = F×линейная скорость v. Здесь v - это линейная скорость. В двигателе линейная скорость v коленвала = угловая скорость ω коленвала × радиус r коленвала.
Подставляя в приведенную выше формулу: мощность P = сила F × радиус r × угловая скорость ω. И сила F × радиус r = момент силы. Следовательно, можно заключить, что мощность P = момент силы × угловая скорость ω. Таким образом, мощность двигателя может быть рассчитана по крутящему моменту и скорости вращения.

Примеры изображений.

Дополнительные соотношения: следующие для равномерного кругового движения.

1. Линейная скорость V = s/t = 2πR/T.

2. Угловая скорость ω = Φ/t = 2π/T = 2πf.

3. Соотношение между линейной скоростью и угловой скоростью: Линейная скорость = угловая скорость × радиус, V = ωR.

4. Соотношение между угловой скоростью и частотой вращения ω = 2πn (здесь частота и частота вращения имеют одно и то же значение).

5. Период и частота T = 1/f.
Основные физические величины и единицы: длина дуги (S): метр (м); угол (Φ): радиан (рад); частота (f): герц (Гц); период (T): секунда (с); скорость вращения (n): об/с; радиус (R): метр (м); линейная скорость (V): м/с; угловая скорость (ω): рад/с.