Шестерни: все, что вам нужно знать об этих звездочках

шестерни Они присутствуют во множестве современных механизмов, от аналоговых часов до автомобильных двигателей, коробок передач, роботов, принтеров и многих других мехатронных систем. Благодаря им могут быть созданы системы передачи, которые не только передают движение, но и могут его изменять.

Следовательно, они являются очень важными элементами, которые ты должен знать, как они работают Правильно. Таким образом, вы сможете использовать правильные механизмы для своих проектов и лучше понять, как они работают ...

Что такое шестеренка?

Существуют цепные системы, шкивные системы, фрикционные колеса и т. Д. Все они системы передачи со своими достоинствами и недостатками. Но из всех них выделяется система передач, которые обычно являются фаворитами по своим свойствам:

• Они могут выдерживать большие нагрузки благодаря своим зубьям без проскальзывания, как это может случиться с фрикционными колесами или шкивами.
• Это реверсивная система, способная передавать энергию или движение в обоих направлениях.
• Они позволяют очень точно контролировать движение, как это видно на шаговые двигатели, Например.
• Они позволяют создавать компактные системы трансмиссии перед цепями или шкивами.
• Можно комбинировать разные размеры, чтобы препятствовать вращению каждой оси. Обычно, когда используются две звездочки, большая шестерня называется колесом, а маленькая шестерня.

Un шестерня или зубчатое колесо Это не что иное, как тип колеса с серией зубцов, вырезанных на его внешнем или внутреннем крае, в зависимости от типа шестерни. Эти звездочки будут вращаться для создания крутящего момента на валах, к которым они прикреплены, и они могут быть сгруппированы вместе для создания более сложных зубчатых передач, соединяющих их зубья вместе.

Очевидно, чтобы это было возможно, тип и размер зубов должны совпадать. В противном случае они будут несовместимы и не поместятся. Эти параметры обсуждаются в следующем разделе ...

Части шестерни

Чтобы две шестерни подходили друг к другу, диаметр и количество зубьев можно варьировать, но они должны учитывать ряд факторов, которые делают шестерню. быть совместимыми друг с другом, например, тип используемого зуба, размеры и т. д.

Как вы можете видеть на предыдущем изображении, есть несколько частей в передаче вы должны знать:

• Перегородка или руки: это часть, которая отвечает за соединение заводной головки и куба для передачи движения. Они могут быть более или менее толстыми, а их состав и прочность во многом будут зависеть от прочности и веса. Иногда их обычно протыкают для уменьшения веса, иногда выбирают сплошную перегородку.
• Куб: это часть, на которой крепится вал передачи движения и которая крепится к перегородке.
• Корона зубчатое колесо: это область зубчатого колеса, на которой были нарезаны зубья. Это наиболее важно, так как от него будут зависеть совместимость, поведение и производительность снаряжения.
• Зуб: это один из зубцов или выступов коронки. Зуб можно разделить на несколько частей:
  • Crest: это внешняя часть или кончик зуба.
  • Лицо и фланг: это верхняя и нижняя часть стороны зуба, то есть поверхность контакта между двумя зубчатыми колесами, которые входят в зацепление.
  • Долина: это нижняя часть зуба или промежуточная область между двумя зубьями, где будет находиться гребень другого зубчатого колеса, с которым оно входит в зацепление.

Все это порождает серию геометрия короны что позволит различать типы и свойства шестерен:

• Окружность корня: отмечает впадину или дно зубов. То есть ограничивает внутренний диаметр шестерни.
• Примитивная окружность: устанавливает разделение между двумя частями стороны зуба: лицевой и боковой. Это очень важный параметр, так как все остальные определяются на его основе. Он разделит зуб на две части: нижнюю часть и придаток.
  • Зубная ступня или сухожилие: это нижняя часть зуба, которая находится между первоначальной окружностью и окружностью корня.
  • Головка зуба или придаток: верхняя часть зуба, которая идет от исходной окружности к внешней окружности.
• Окружность головы- отметит гребень зубьев, то есть внешний диаметр шестерни.

Как вы понимаете, в зависимости от коронки, диаметра и типа зубов вы можете менять передачу в соответствии:

• Количество зубов: он определяет передаточное число и является одним из наиболее определяющих параметров, определяющих его поведение в системе трансмиссии.
• Высота зуба: общая высота от впадины до гребня.
• Круговой шаг: расстояние между одной частью зуба и такой же частью следующего зуба. То есть насколько далеко друг от друга находятся зубы, что тоже связано с числом.
• Espesor: толщина шестерни.

Приложения Gear

Лас- зубчатые передачи их много, как я уже отмечал ранее. Некоторые из его практических приложений:

• Коробки передач для транспортных средств.
• Шаговые двигатели для управления поворотом.
• Гидравлические бомбы.
• Двигатели всех типов, включая элементы трансмиссии поворота или движения.
• Дифференциальные механизмы.
• Принтеры для перемещения головок или роликов.
• Роботы для движущихся частей.
• Промышленное оборудование.
• Аналоговые часы.
• Бытовая техника с механическими деталями.
• Электронные устройства с движущимися частями.
• Электродвигатели открывания дверей.
• Мобильные игрушки.
• Сельскохозяйственная техника.
• Воздухоплавание.
• Производство энергии (ветровой, тепловой, ...).
• и так далее

Вы можете придумать множество других приложений для ваших проектов с Arduino, роботами и т. Д. Вы можете автоматизировать многие механизмы и поиграть со скоростью и т. Д.

Типы передач

По зубьям и характеристикам самой шестерни у вас есть разные типы шестерен у вас под рукой, каждый со своими преимуществами и недостатками, поэтому важно выбрать подходящий для каждого приложения.

наиболее распространенные типы являются:

• Цилиндрический: используются для параллельных осей.
  • Прямо: они наиболее распространены, используются, когда нужна простая передача с не очень высокими скоростями.
  • Спиральный: они являются несколько более продвинутой версией предыдущих. В них зубцы расположены параллельными спиральными траекториями вокруг цилиндра (одинарного или двойного). У них есть явное преимущество перед прямыми линиями, например, они тише, работают на более высоких скоростях, могут передавать больше энергии и имеют более равномерное и безопасное движение.
• Коническая: они используются для передачи движения между осями, расположенными под разными углами, даже под углом 90 °.
  • Прямо: они используют прямые зубья и имеют общие характеристики с прямыми цилиндрическими зубьями.
  • Спираль: в этом случае они поддерживают более высокие скорости и силы, как это случилось со спиралями.
• Внутренняя шестерня: вместо того, чтобы вырезать зубы или корону снаружи, они имеют ее внутри. Они не так распространены, но также используются для определенных приложений.
• Планетарии: это набор шестерен, используемых в некоторых системах трансмиссии, где есть центральная шестерня, вокруг которой вращаются другие меньшие. Вот почему у него такое название, поскольку кажется, что они вращаются по орбите.
• Бесконечный винт: это обычная передача в некоторых промышленных или электронных механизмах. В нем используется шестерня, зубья которой имеют спиралевидную форму. Они генерируют очень постоянную скорость без вибраций и шума. Они могут передавать прямое зубчатое колесо, ось которого наклонена к бесконечному винту.
• Рейка и шестерня: это набор шестерен, который также распространен в некоторых механизмах и позволяет преобразовать вращательное движение оси в линейное движение или наоборот.

Если вы уделите внимание Его состав, вы также можете различать такие материалы, как:

• Металлы: они обычно изготавливаются из различных видов стали, медных сплавов, алюминиевых сплавов, чугуна или серого чугуна, магниевых сплавов и т. д.
• Пластики: они используются в электронике, игрушках и т. д. Это шестерни из поликарбоната, полиамида или ПВХ, ацеталевые смолы, полиэфирэфиркетон PEEK, политетрафторэтилен (PTFE) и жидкокристаллические полимеры (LCP).
• Дерево: они не распространены, только в старых механизмах или в некоторых игрушках.
• другие: вполне вероятно, что для очень конкретных случаев используются другие волокна или определенные материалы.

Где купить шестеренки?

Вы найти разные типы шестерен во многих магазинах механики или электроники. Например, вот несколько примеров:

• Пластиковый комплект мотор-редуктора. С 64 различными типами.
• Товар не был найден.
• Комплект из 16 различных металлических деталей, включая спирали.
• Пластиковый комплект шестерен шпинделя.

Эти изделия имеют небольшие размеры, поэтому если вам нужны шестеренки большего размера, скорее всего, вы не найдете их так легко. Также, если вам нужно что-то особенное, многие токарные мастерские могут сделай это для тебя. Las 3D принтеры они также помогают производителям создавать свои собственные шестеренки.

Основные расчеты звездочек

Как вы можете видеть на этой гифке, вы должны понимать, что когда две шестерни сцепляются, обе оси будет вращаться в обратном направлении и не в том же смысле. Как видите, если вы посмотрите на красную зубчатую руту, она поворачивается вправо, а синяя - влево.

Таким образом, чтобы ось вращалась в том же направлении необходимо было бы добавить еще одно дополнительное колесо, например, зеленое. Таким образом, красный и зеленый вращаются в одном направлении. Это связано с тем, что при повороте синего влево при включении сине-зеленого зеленый цвет снова меняет направление вращения, синхронизируясь с красным.

Еще одна вещь, которую можно оценить в этом GIF, - это скорость поворота. Если бы все шестерни имели одинаковый диаметр и количество зубьев, все валы вращались бы с одинаковой скоростью. С другой стороны, при изменении числа / диаметра зуба изменяется и скорость. Как вы можете видеть в этом случае, красный - это тот, который вращается быстрее всего, так как он имеет меньший диаметр, в то время как синий вращается со средней скоростью, а зеленый - тот, который вращается медленнее всего.

В ответ на это можно подумать, что играя с размерами, можно менять скорость. Вы правы, точно так же, как велосипед может это делать с передачами, а коробка передач - с передаточными числами автомобиля. И не только это, вы также можете рассчитать скорость поворота.

Когда у вас зацепились две шестерни, одна маленький (шестерня) и еще один большой (колесо), может произойти следующее:

• Если мы представим, что двигатель или сила тяги приложены к шестерне, и колесо приводится в движение, хотя шестерня вращается с высокой скоростью, имея колесо большего размера, она замедлит ее, действуя как редуктор. Только если бы они были одинакового размера (шестерня = колесо), обе оси вращались бы с одинаковой скоростью.
• С другой стороны, если мы представим себе, что это колесо имеет тяговое усилие, и к нему применяется скорость, даже если она низкая, шестерня будет вращаться быстрее, поскольку ее небольшой размер действует как множитель.

Расчеты зубчатой ​​передачи

Как только вы это поймете, вы можете выполнить расчеты простой системы передачи между двумя передачами, применив формула:

N1 Z1 = N2 Z2

Где Z - количество зубьев шестерен 1 и 2, находящихся в зацеплении, а N - скорость вращения валов в об / мин (оборотов в минуту или оборотов в минуту). Для пример, представьте, что в приведенном выше GIF-изображении для упрощения:

• Красный цвет (привод) = 4 зубца, и двигатель обеспечивает скорость вращения вала 7 об / мин.
• Синий = 8 зубов
• Зеленый = 16 зубов

Если вы хотите рассчитать поворот в этой системе, вы должны сначала рассчитать скорость синего:

4 7 = 8 г

г = 4 7/8

z = 3.5 об / мин

То есть синий вал будет вращаться со скоростью 3.5 об / мин, что несколько медленнее, чем 4 об / мин красного. Если вы хотели рассчитать поворот зеленого, теперь, когда вы знаете скорость синего:

8 3.5 = 16 г

г = 8 3.5/16

г = 1.75

Как видите, зеленый цвет вращается со скоростью 1.75 об / мин, что медленнее, чем синий и зеленый. И что произойдет, если двигатель расположен на зеленой оси, а ведущее колесо вращается со скоростью 4 об / мин, тогда вращение будет 8 об / мин для синего, 16 об / мин для красного.

Отсюда следует, что, когда ведущее колесо маленькое, на конечном валу достигается меньшая скорость, но большая сила. В том случае, если тягу несет большое колесо, маленькое колесо развивает большую скорость, но меньшую силу. Потому что там мощность или крутящий момент разные? Взгляните на эту формулу:

P = T ω

Где P - мощность, передаваемая валом, в ваттах (Вт), T - развиваемый крутящий момент (Нм), ω угловая скорость вращения вала (рад / с). Если мощность двигателя сохраняется, а скорость вращения увеличивается или уменьшается, то также изменяется T. То же самое происходит, если T остается постоянным, а скорость изменяется, тогда P изменяется.

Вероятно, вы также захотите рассчитать, если ось вращается со скоростью X об / мин, насколько она продвинется линейно, то есть линейная скорость. Например, представьте, что в красном у вас есть двигатель постоянного тока, а на зеленой оси вы разместили колесо, так что двигатель движется по поверхности. Как быстро это пойдет?

Для этого вам просто нужно рассчитать окружность установленной шины. Для этого умножьте диаметр на число Пи, и вы получите длину окружности. Зная, что колесо может двигаться с каждым поворотом, и принимая во внимание то, что вращается каждую минуту, можно получить линейную скорость ...

Здесь я показываю вам видео, чтобы вы могли лучше понять это:

Расчеты для червяка и звездочки

Относительно червячная передача и звездочка, можно рассчитать по формуле:

я = 1 / Z

Это так, потому что винт в этой системе рассматривается как звездочка с одним зубом, нарезанная по спирали. Так, например, если у вас звездочка с 60 зубьями, то это будет 1/60 (это означает, что винт должен будет повернуться 60 раз, чтобы звездочка сделала 1 оборот). Кроме того, это механизм, который не является реверсивным, как другие, то есть звездочка не может вращаться так, чтобы вращался червяк, приводным валом здесь может быть только червяк.

Расчет зубчатой ​​рейки и шестерни

Для системы Рейка и шестерня, расчеты снова меняются, в данном случае это:

V = (р · Z · N) / 60

То есть умножьте шаг зубьев шестерни (в метрах) на количество зубьев шестерни и на количество оборотов шестерни (в об / мин). И это делится на 60. Например, представьте, что у вас есть система с шестерней с 30 зубьями, шагом 0.025 м и скоростью вращения 40 об / мин:

V = (0.025) / 30

V = 0.5 м / с

То есть каждую секунду он продвигался бы на полметра. И в этом случае да, это обратимоТо есть, если рейка перемещается в продольном направлении, шестерня может вращаться.

Вы даже можете рассчитать, сколько времени потребуется, чтобы преодолеть расстояние, приняв во внимание формулу для равномерное движение линии (v = d / t), то есть, если скорость равна расстоянию, разделенному на время, то время очищается:

т = д / v

Поэтому, зная, например, скорость и расстояние, которое вы хотите рассчитать, представьте, что вы хотите рассчитать, сколько времени потребуется, чтобы проехать 1 метр:

т = 1 / 0.5

t = 2 секунды

Я надеюсь, что помог вам получить хотя бы самые важные знания о механизмах, чтобы вы понимали, как они работают и как вы можете использовать их в своих будущих проектах.