Как работают передаточные числа

Вы видите шестерни практически во всем, что имеет вращающиеся части. Например, автомобильные двигатели и трансмиссии содержат множество шестерен. Если вы когда-нибудь откроете видеомагнитофон и заглянете внутрь, вы увидите, что он полон шестеренок. Заводные, напольные и маятниковые часы содержат множество шестеренок, особенно если у них есть колокольчики или куранты. У вас, вероятно, есть измеритель мощности на стене вашего дома, и если он имеет прозрачную крышку, вы можете увидеть, что он содержит 10 или 15 передач. Шестерни есть везде, где есть двигатели и моторы, производящие вращательное движение. В этом выпуске How Stuff Works , вы узнаете о шестернях, передаточных числах и зубчатых передачах, чтобы понять, что делают все различные шестерни, которые вы видите.

Шестерни обычно используются по одной из четырех причин:

1. Чтобы изменить направление вращения
2. Чтобы увеличить или уменьшить скорость вращения
3. Чтобы переместить вращательное движение на другую ось
4. Для синхронизации вращения двух осей

Вы можете увидеть эффекты 1, 2 и 3 на рисунке выше. На этом рисунке видно, что две шестерни вращаются в противоположных направлениях, что меньшая шестерня вращается в два раза быстрее, чем большая шестерня, и что ось вращения меньшей шестерни находится справа от оси вращения большей шестерни. Тот факт, что одна шестерня вращается в два раза быстрее, чем другая, является результатом соотношения между шестернями или передаточное отношение (Дополнительную информацию см. в нашей таблице передаточных чисел). На этом рисунке диаметр шестерни слева в два раза больше диаметра шестерни справа. Таким образом, передаточное число составляет 2:1 (произносится как «два к одному»). Если вы посмотрите на рисунок, вы увидите соотношение:каждый раз, когда большая шестерня делает один оборот, меньшая шестерня проходит два оборота. Вы видите, что если бы обе шестерни имели одинаковый диаметр, они вращались бы с одинаковой скоростью, но в противоположных направлениях.

Содержание

1. Понятие о передаточном числе
2. Зубчатые передачи
3. Другие варианты использования Gears
4. Пример

>Понятие о передаточном числе

Понять концепцию передаточного числа легко, если вы понимаете концепцию окружности. круга. Имейте в виду, что длина окружности равна диаметру окружности, умноженному на Pi. (Пи равно 3,14159...). Следовательно, если у вас есть круг или шестерня диаметром один дюйм, длина окружности этого круга будет 3,14159 дюйма. На следующем рисунке показано, как длина окружности круга диаметром 1,27 дюйма равна линейному расстоянию 4 дюйма:Допустим, у вас был еще один круг, диаметр которого был 1,27 дюйма / 2 =0,635 дюйма, и вы свернули его так же, как на этом рисунке. Вы обнаружите, что, поскольку его диаметр составляет половину круга на рисунке, он должен совершить два полных оборота, чтобы пройти ту же самую линию длиной 4 дюйма. Это объясняет, почему две шестерни, одна из которых вдвое меньше другой, имеют передаточное число 2:1. Меньшая шестерня должна провернуться дважды, чтобы пройти то же расстояние, которое проходит большая шестерня, провернувшаяся один раз.

Большинство шестерен, которые вы видите в реальной жизни, имеют зубья. Зубы имеют три преимущества:

1. Они предотвращают проскальзывание между шестернями, поэтому оси, соединенные шестернями, всегда точно синхронизированы друг с другом.
2. Они позволяют определить точное передаточное отношение — нужно просто подсчитать количество зубьев на двух шестернях и разделить. Таким образом, если одна шестерня имеет 60 зубьев, а другая 20, передаточное отношение этих двух шестерен, соединенных вместе, составляет 3:1.
3. Они делают это так, что незначительные дефекты фактического диаметра и окружности двух шестерен не имеют значения. Передаточное число регулируется количеством зубьев, даже если их диаметр немного отличается.

>Зубчатые передачи

Для создания больших передаточных чисел шестерни часто соединяют в зубчатые передачи. , как показано здесь:

<центр>

<центр>

Как показано, правая (фиолетовая) шестерня в поезде состоит из двух частей. Маленькая шестерня и большая шестерня соединены вместе, одна поверх другой. Зубчатые передачи часто состоят из нескольких шестерен, как показано на следующих двух рисунках:

<центр>

В приведенном выше случае фиолетовая шестерня вращается со скоростью, в два раза превышающей скорость синей шестерни. Зеленая шестеренка вращается в два раза быстрее, чем фиолетовая. Красная шестеренка вращается в два раза быстрее, чем зеленая. Зубчатая передача, показанная ниже, имеет более высокое передаточное число:

<центр>

В этом поезде меньшие шестерни в пять раз меньше больших. Это означает, что если вы подключите фиолетовую шестерню к двигателю, вращающемуся со скоростью 100 об/мин (оборотов в минуту), зеленая шестерня будет вращаться со скоростью 500 об/мин, а красная шестерня будет вращаться со скоростью 2500 об/мин. Точно так же вы можете присоединить мотор на 2500 об/мин к красной шестерне, чтобы получить 100 об/мин на фиолетовой шестерне. Если вы можете заглянуть внутрь своего измерителя мощности, и он выполнен в старом стиле с пятью механическими циферблатами, вы увидите, что пять циферблатов соединены друг с другом через зубчатую передачу, подобную этой, с передаточным числом 10:1. Поскольку циферблаты напрямую соединены друг с другом, они вращаются в противоположных направлениях (вы увидите, что числа на циферблатах рядом друг с другом перевернуты). Для получения дополнительной информации о передаточных числах посетите нашу таблицу передаточных чисел.

>Другие способы использования Gear

Есть много других способов использовать шестерни. Например, вы можете использовать конические шестерни, чтобы согнуть ось вращения в зубчатой ​​передаче на 90 градусов. Чаще всего такие конические шестерни можно найти в дифференциале заднеприводного автомобиля. Дифференциал изгибает вращение двигателя на 90 градусов для привода задних колес:

<центр>

Другая специализированная зубчатая передача называется планетарной зубчатой ​​передачей. . Планетарные передачи решают следующую задачу. Допустим, вы хотите передаточное число 6:1. Один из способов создать это соотношение — использовать следующую трехступенчатую передачу:

<центр>

В этом поезде диаметр красной шестерни в три раза больше диаметра желтой шестерни, а диаметр синей шестерни в два раза больше диаметра красной шестерни (соотношение 6:1). Однако представьте, что вы хотите, чтобы ось выходной шестерни совпадала с осью входной шестерни. Обычно такая возможность работы с одной осью требуется в электрической отвертке. В этом случае вы можете использовать планетарную систему передач, как показано здесь:

<центр>

В этой системе передач желтая шестерня включает все три красные шестерни одновременно. Все три прикреплены к пластине и зацепляются внутри синей шестерни, а не снаружи. Поскольку здесь три красных шестерни вместо одной, эта зубчатая передача чрезвычайно надежна. Выходной вал снимается с пластины, а синяя шестерня удерживается неподвижно. На странице электрошуруповерта вы можете увидеть изображение двухступенчатой ​​планетарной передачи.

>Пример

Наконец, представьте следующую ситуацию:у вас есть две красные шестеренки, которые вы хотите синхронизировать, но они находятся на некотором расстоянии друг от друга. Вы можете поместить большую шестерню между ними, если хотите, чтобы они имели одинаковое направление вращения:

<центр>

Или вы можете использовать две шестерни одинакового размера, если хотите, чтобы они имели противоположное направление вращения:

<центр>

Однако в обоих этих случаях дополнительные шестерни, скорее всего, будут тяжелыми, и для них необходимо создать оси. В этих случаях общим решением является использование либо цепочки или зубчатый ремень , как показано здесь:

<центр>

Преимущества цепей и ремней заключаются в легком весе, возможности разделить две шестерни на некотором расстоянии и возможности соединить несколько шестерен вместе на одной цепи или ремне. Например, в автомобильном двигателе один и тот же зубчатый ремень может зацеплять коленчатый вал, два распределительных вала и генератор переменного тока. Если бы вам пришлось использовать шестерни вместо ремня, это было бы намного сложнее! Для получения дополнительной информации о передаточных числах посетите нашу таблицу передаточных чисел.

Первоначально опубликовано:1 апреля 2000 г.

Часто задаваемые вопросы о передаточных числах

Как рассчитать передаточное число?

Вы просто считаете количество зубьев на двух шестернях и делите. Таким образом, если одна шестерня имеет 60 зубьев, а другая 20, передаточное отношение этих двух шестерен, соединенных вместе, составляет 3:1.

Лучше иметь более высокое или более низкое передаточное число?

Если вам нужен лучший расход топлива и меньший шум, вам понадобится более высокое передаточное число.

Что означает передаточное число 4,11?

Это идеальное передаточное число для повседневной езды.

Вы хотите повысить или понизить передаточное число?

Если вам нужна оптимальная тяговая способность, вам понадобится более высокое передаточное число не менее 4,56. Все, что ниже, будет хорошо для экономии топлива и повседневной езды.

Какое передаточное число лучше?

В зависимости от вашего автомобиля и желаемого результата, вы должны сравнить передаточное число с размером шин. Вы можете проверить эту диаграмму HowStuffWorks, чтобы узнать больше.