Různé typy ozubených kol – jejich vlastnosti a použití v mechanice.
Zařízení určená k přenosu výkonu motoru do výkonných orgánů strojů se nazývají převodové mechanismy nebo mechanické převody.
Mechanické převodovky umožňují snižovat (zvyšovat) rychlost, provádět stupňovitou nebo plynulou regulaci v širokém rozsahu, měnit směr pohybu, převádět jeden typ pohybu na jiný a pohánět několik mechanismů z jednoho motoru.
Typy mechanických převodů LEGO “Technic”:
v ozubené kolo (válcové, kuželové, šnekové, hřebenové, planetové);
v s pružnými prvky (řetěz, pás);
Podle způsobu přenosu pohybu:
v pohyb z hřídele na hřídel se přenáší v důsledku třecích sil (řemen, šnek, tření);
v pohyb je přenášen ozubením (převod, řetěz, ozubený řemen, šnek).
Podívejme se na princip fungování mechanické převodovky. Dvojici provádějící rotační pohyb budeme konvenčně říkat kola. Kolo, ze kterého se přenáší rotace, se obvykle nazývá hnací kolo a kolo přijímající pohyb se nazývá hnané kolo.
Když známe počet otáček hnacího kola za minutu, můžeme určit počet otáček hnaného kola.
Rychlost hnaného kola závisí na poměru průměrů spojených kol. Pokud jsou průměry obou kol stejné, budou se kola otáčet stejnou rychlostí. Je-li průměr hnaného kola větší než hnacího, pak se hnané kolo bude protáčet pomaleji a naopak, je-li jeho průměr menší, udělá více otáček (obr. 211).
Rýže. 211 Závislost otáček na průměrech kol
LEGO Technic používá pro své modely elektromotory. Hlavním důvodem je to, že elektromotor je kompaktní, vždy připravený k práci a dokáže přeměnit elektrickou energii na mechanickou energii, pokud je k němu přiváděno napětí (více o různých elektromotorech LEGO Technic bude pojednáno v § 26).
Každý motor má svůj vlastní mechanický výkon (N), specifické pro konkrétní typ motoru. Důležité je, že mechanický výkon motoru závisí na dvou veličinách: úhlové rychlosti a točivém momentu.
Úhlová rychlost (ω) je počet otáček hřídele motoru vyrobených během daného časového intervalu. V mechanismech LEGO se úhlová rychlost rotujících os motoru převádí na lineární rychlost vozidla. Jednotky úhlové rychlosti jsou otáčky za minutu (otáčky za sekundu). Různé typy LEGO motorů mají různé úhlové rychlosti, od méně než 20 ot./min do více než 1000 ot./min.
Moment(M) je síla, kterou se hnací hřídel otáčí. Čím vyšší točivý moment, tím obtížnější je zastavit hnací hřídel. Proto jsou obecně preferovány motory, které nabízejí vysoký točivý moment, protože mohou řídit těžší vozidla nebo složitější stroje než motory s nízkým točivým momentem (čím větší točivý moment, tím výkonnější motor). Jednotkou měření točivého momentu v motorech LEGO je Ncm (Newton krát centimetr). Hodnota točivého momentu motorů LEGO Technic se pohybuje od 0,5 do 16,7 Ncm.
Mechanická síla, v určitém zjednodušení, je produktem točivého momentu a úhlové rychlosti.
mechanická síla = točivý moment × úhlová rychlost
Výkon motoru při normálních otáčkách je proto konstantní hodnotou M=N/ω, tj. Točivý moment motoru je nepřímo úměrný úhlové rychlosti hřídele motoru.
V praktických výpočtech je vztah mezi výkonem, rychlostí otáčení hřídele a momentem hřídele určen pro elektromotory vzorcem: M = 5,8N/n, М – kroutící moment na hřídeli, N – moc, n— rychlost otáčení hřídele.
Abychom tedy zvýšili točivý moment při stejném výkonu motoru, jaký máme, je nutné snížit rychlost otáčení hřídele. To lze provést pomocí speciálních mechanismů tzv převodovky (z anglického slova snížit – snížit, snížit).
Nazývají se mechanismy určené ke zvýšení rychlosti a následně ke snížení točivého momentu na hřídeli animátoři (násobení – násobení, zvýšení).
Uvažujme model robota na kolečkách – chceme, aby byl lehký a rychlý. Vzhledem k tomu, že lehký robot nevyžaduje k pohybu velký točivý moment, můžeme převést rychlost otáčení hřídele motoru pomocí dvojice ozubených kol. Pomocí výše uvedeného pravidla musíme na hřídel motoru umístit ozubené kolo s větším průměrem (hnací kolo) a jako hnané kolo použít ozubené kolo s menším průměrem, v takovém případě snížíme točivý moment a zvýšíme otáčky.
Otázka: Jak se změní točivý moment a otáčky, pokud je hnací kolo použito s ozubením o menším průměru než hnané kolo?
Ozubená kola
Ozubené kolo je mechanismus používaný k přenosu rotačního pohybu z jednoho hřídele na druhý a ke změně rychlosti otáčení prostřednictvím ozubených kol a hřebenů.
Rýže. 212 ozubených kol
Počet zubů na ozubených kolech se může lišit. Nejmenší počet zubů je šest. Ozubená kola s tímto počtem zubů se nazývala ozubená kola. Později se tento název začal používat pro všechna ozubená kola s libovolným počtem zubů.
Rýže. 213 Příklady upevnění ozubených kol s nosníky
Pokud se při přímém spojení dvou ozubených kol hnané kolo neotáčí ve směru požadovaném konstruktérem, stačí obě kola oddělit třetím s libovolným počtem zubů a hnané kolo změní směr otáčení. V tomto případě se převodový poměr (a převodový poměr) nezmění. Toto vložené ozubené kolo se nazývá “šetřící” ozubené kolo. „Parazitní“ kola se instalují, když je potřeba zvětšit vzdálenost mezi středy hnacího a hnaného hřídele.
Rýže. 214 Příklady použití „parazitních“ kol
Ozubená souprava tedy může:
v přenášet rotační pohyb;
v změnit počet otáček za minutu;
v zvýšit nebo snížit rotační sílu;
v změnit směr otáčení.
V závislosti na tvaru kol a jejich vzájemné poloze se rozlišují: typy ozubených kol: válcový, kuželový, šnekový, hřebenový, planetový.
Čelní ozubené kolo sestává ze dvou nebo více válcových kol namontovaných na paralelních hřídelích.
Rýže. 215 Čelní ozubené kolo
Kuželové ozubené kolosestává ze dvou kuželových kol umístěných na dvou hřídelích, jejichž osy se protínají. Úhel průsečíku může být libovolný, ale obvykle je to 90º.
Rýže. 216 Kuželové kolo
Šnekové soukolí (ozubené a spirálové kolo) – mechanický převod prováděný záběrem šneku a přidruženého šnekového kola. Šnekové soukolí se používá pro protínající se, ale neprotínající se hřídele. Šnekové kolo se skládá ze šroubu (šneku) a ozubeného kola.
Rýže. 217 Šnekové soukolí
Šnekové převody mají řadu jedinečných vlastností. Za prvé, může být použit pouze jako hnací ozubené kolo a v žádném případě nemůže být hnaným ozubeným kolem. To je velmi výhodné pro mechanismy, které jsou potřebné ke zvedání a držení nákladu bez namáhání motoru. Existuje mnoho možných aplikací pro tuto vlastnost šnekového převodu, například v mnoha typech jeřábů a vysokozdvižných vozíků, železničních závorách, padacích mostech, navijácích. Velmi časté použití šnekového soukolí LEGO je v konstrukci chapadla pro robotickou ruku.
Za druhé, charakteristickým znakem šnekového převodu je to, že má velký převodový poměr. Proto se šnekové převody používají jako redukční převody vždy, když je velmi vysoký točivý moment.
Závěr: Šnekové soukolí má řadu výhod:
v Zabírá málo místa.
v Má samočinné brzdění.
v Mnohonásobně sníží otáčky za minutu.
v Zvyšuje hnací sílu.
v Změní směr rotačního pohybu o 90°.
Převodovka hřeben a pastorek – mechanický převod, který převádí rotační pohyb ozubeného kola na translační pohyb hřebene a naopak. Hřeben si lze představit jako kruh velkého ozubeného kola protaženého v přímce.
Obr. 218 Převod hřebenem a pastorkem
Rýže. 219 Příklady použití ozubeného převodu ve strojích a mechanismech
Je třeba poznamenat, že v sadách LEGO jsou ozubená kola a vnitřní ozubená kola.
Ozubené kolo – Jedná se o speciální typ ozubeného kola, jeho zuby jsou umístěny na boční ploše. Takové ozubené kolo obvykle pracuje v tandemu s čelním ozubeným kolem.
Rýže. 220 korunkové klouby a čelní kola s 8 a 24 zuby
Vnitřní ozubená kola mít prořezané zuby na vnitřní straně. Při jejich použití dochází k jednostrannému otáčení hnacího a hnaného ozubeného kola. Tato ozubená převodovka má nižší náklady na tření, což znamená vyšší účinnost*. Ozubená kola s vnitřním ozubením se používají v mechanismech s omezenými rozměry, v planetových převodech a v pohonu robotického manipulátoru.
Rýže. 221 Vnitřní převod
LEGO vnitřní ozubené kolo má zuby na vnější straně, takže jej lze použít v ozubených kolech, jako je čelní ozubené kolo s 56 zuby.
Rýže. 222 Způsoby spojení vnitřního ozubeného kola s čelním kolem, korunovým kolem a šnekem
Rýže. 223 Způsob připojení kola s vnitřním ozubením k motoru
Planetová převodovka
Planetová převodovka (diferenciál) – mechanický systém skládající se z několika planetových kol (ozubených kol) otáčejících se kolem centrálního centrálního kola. Planetová kola jsou obvykle spojena pomocí nosiče. Planetové kolo může také obsahovat přídavné vnější věncové kolo vnitřně v záběru s planetovými koly.
Tato převodovka našla široké uplatnění, používá se například v kuchyňských spotřebičích nebo automatických převodovkách automobilů.
Za hlavní prvky planetového převodu lze považovat následující:
v Centrální kolo: umístěno uprostřed;
v Nosič: pevně upevňuje osy několika planetových kol (satelitů) stejné velikosti vůči sobě navzájem, v záběru s centrálním kolem;
v Ozubený věnec: Vnější ozubené kolo, které má vnitřní záběr s planetovými koly.
Rýže. 224 Ukázka planetového soukolí: unášeč stojí, slunce vede, koruna je poháněna
U planetového soukolí se točivý moment přenáší pomocí libovolného (v závislosti na zvoleném rychlostním stupni) dvou jeho prvků, z nichž jeden je pohon, druhý je hnaný. Třetí prvek je nehybný (tabulka 8).
Tabulka 8. Prvky planetových převodů
Pevný
Vedoucí
Otrok
Přenos
Crown
Mechanické převody jsou: mechanismus používaný k přenosu a přeměně mechanické energie z energetického stroje na jeden nebo více aktuátorů (orgánů), obvykle se změnou charakteru pohybu (změny směru, sil, momentů a rychlostí). Obvykle se používá rotační přenos pohybu.
Účel mechanických převodů Účelem převodů je zejména snížit nebo zvýšit otáčky motoru nebo jiného zdroje otáčivého pohybu s odpovídajícím zvýšením nebo snížením točivého momentu.
Klasifikace podle principu činnosti Všechny mechanické převody se dělí do dvou hlavních skupin: a) převody založené na použití třecích sil (řemen, tření); b) převody na bázi ozubení (ozubené, šnekové, řetězové, šroubové).
Řemenový převod je přenos mechanické energie pomocí pružného prvku – hnacího řemenu, vlivem třecích sil nebo záběrových sil (rozvodové řemeny). Může mít konstantní i proměnný převodový poměr (variátor), jehož hřídele mohou být s rovnoběžnými, protínajícími se nebo křížícími se osami. Skládá se z hnací a hnané řemenice a řemene (jeden nebo více).
VÝHODA: hladký chod; bezhlučnost; kompenzace nepřesnosti montáže řemenic převodovky, zejména v úhlu křížení mezi hřídeli, až po použití převodu mezi posouvanými hřídeli; kompenzace přetížení (v důsledku prokluzu); vyhlazení pulzací jak od motoru (zejména spalovacího motoru), tak od zátěže, takže pružná spojka v pohonu nemusí být nutná; není potřeba mazání; nízké náklady na díly (řemen a kladky); snadná instalace; možnost použití jako spojky (např. u pojízdných traktorů) (pro klínové řemeny) možnost získání nastavitelného převodového poměru (variátor) výhody oproti řetězovému pohonu: – schopnost pracovat na vysoké obvodové rychlosti; – při přetržení řemene nedochází k poškození ostatních hnacích prvků a řemenic se volně otáčejí (a pokud se řetěz přetrhne, často se složí, poškodí plášť a zablokuje hnací hřídel) výhody oproti převodovému pohonu: schopnost přenášet pohyb mezi hřídeli umístěnými ve značné vzdálenosti od sebe;
NEVÝHODY velké rozměry (při stejných podmínkách zatížení jsou průměry řemenic téměř 5x větší než průměry ozubených kol); nízká nosnost; krátká životnost (do 1000-5000 hodin); prokluzování (neplatí pro rozvodové řemeny), které způsobuje nesourodost převodového poměru; zvýšené zatížení hřídelí a jejich podpěr, které je spojeno s potřebou dostatečně vysokého předpětí řemene; přítomnost dalších prvků (vždy pro napínání řemene a někdy pro tlumení vibrací dlouhé větve a držení řemene na kladkách)
Třecí převod Třecí převod (lat. frictio, genitivní pád frictionis – tření) je kinematická dvojice, která mezi sebou využívá třecí sílu k přenosu mechanické energie. Tření mezi prvky může být suché, hraniční nebo kapalné. Nejvýhodnější je kapalinové tření, protože výrazně zvyšuje životnost třecího převodu.
Třecí převody jsou: s rovnoběžnými hřídeli s protínajícími se hřídeli s vnějším kontaktem s vnitřním kontaktem, s možností změny převodového poměru, neregulované (i=const) nastavitelné (třecí variátor), s možností změny převodového poměru s přítomností mezitělesa v ozubeném kole podle tvaru dotykových těles, válcové kuželové kulové ploché
Aplikace třecích ozubených kol Hřídele válcovací stolice, převodový motor s třecím variátorem, hnací kola vozidel spolupůsobící s nosnou plochou třecími silami.
Ozubený převod Ozubený převod je mechanismus nebo část mechanického převodového mechanismu, který zahrnuje ozubená kola. Účel: přenos rotačního pohybu mezi hřídelemi, které mohou mít rovnoběžné, protínající se a křížící se osy. převod rotačního pohybu na pohyb translační a naopak. V tomto případě se síla přenáší z jednoho prvku na druhý pomocí zubů. Ozubené kolo převodovky s menším počtem zubů se nazývá pastorek, druhé kolo s větším počtem zubů se nazývá kolo. Dvojice ozubených kol, která mají stejný počet zubů – v tomto případě se hnací kolo nazývá ozubené kolo a hnané kolo se nazývá kolo. Obvykle se snaží, aby počet zubů na protilehlých ozubených kolech byl vzájemně jednoduchý, což zajišťuje větší rovnoměrnost opotřebení: v tomto případě bude každý zub jednoho kola pracovat postupně se všemi zuby druhého kola.
Šnekové soukolí Šnekové soukolí (ozubené soukolí) je mechanický převod prováděný záběrem šneku a příslušného šnekového kola [1].
Řetězový převod Řetězový převod je přenos mechanické energie pomocí pružného prvku – řetězu, vlivem ozubených sil. Může mít konstantní i proměnný převodový poměr (například řetězový variátor). Skládá se z hnacího a hnaného řetězového kola a řetězu. Řetěz se skládá z pohyblivých článků. Konce řetězu jsou spojeny do uzavřeného kroužku pro přenos kontinuálního rotačního pohybu pomocí speciálního skládacího článku. Typicky bývá počet zubů na řetězových kolech a počet článků řetězu vzájemně jednoduchý, což zajišťuje rovnoměrné opotřebení: každý zub řetězového kola bude pracovat postupně se všemi články řetězu.
Šikmé ozubené kolo Pro výraz “šroub” viz také další významy. Převodovka s kuličkovým šroubem, s rozebraným zpětným kanálem Převodovka s posuvným šroubem je mechanický převod, který převádí rotační pohyb na pohyb translační nebo naopak. Obecně se skládá ze šroubu a matice. Šnekové převody se dělí na: posuvné převody; valivá kola: kuličkové šrouby (kuličkové šrouby); válečkové šroubové pohony.