Gli ingranaggi sono utilizzati in tonnellate di dispositivi meccanici. Svolgono diversi lavori importanti, ma soprattutto, forniscono una riduzione dell'ingranaggio nelle apparecchiature motorizzate. Questo è fondamentale perché, spesso, un piccolo motore che gira molto velocemente può fornire energia sufficiente per un dispositivo, ma non abbastanza coppia. Ad esempio, un avvitatore elettrico ha una riduzione molto grande perché ha bisogno di molta coppia per girare le viti, ma il motore produce solo una piccola quantità di coppia ad alta velocità. Con una riduzione ad ingranaggi, la velocità di uscita può essere ridotta mentre la coppia viene aumentata.
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Un'altra cosa che fanno gli ingranaggi è regolare il senso di rotazione. Ad esempio, nel differenziale tra le ruote posteriori della tua auto, la potenza è trasmessa da un albero che scende al centro della vettura, e il differenziale deve girare quella potenza di 90 gradi per applicarla alle ruote.
Ci sono molte complessità nei diversi tipi di ingranaggi. In questo articolo, impareremo esattamente come funzionano i denti degli ingranaggi, e parleremo dei diversi tipi di ingranaggi che trovi in tutti i tipi di gadget meccanici.
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Su qualsiasi marcia, il rapporto è determinato dalle distanze dal centro dell'ingranaggio al punto di contatto. Ad esempio, in un dispositivo con due ingranaggi, se un ingranaggio è il doppio del diametro dell'altro, il rapporto sarebbe 2:1.
Uno dei tipi più primitivi di ingranaggi che potremmo osservare sarebbe una ruota con dei pioli di legno che sporgono da essa.
Il problema con questo tipo di ingranaggio è che la distanza dal centro di ogni ingranaggio al punto di contatto cambia mentre gli ingranaggi ruotano. Ciò significa che il rapporto di trasmissione cambia quando la marcia gira, il che significa che cambia anche la velocità di uscita. Se hai usato una marcia come questa nella tua macchina, sarebbe impossibile mantenere una velocità costante:accelereresti e decelereresti costantemente.
Molti ingranaggi moderni utilizzano uno speciale profilo del dente chiamato an evolvente . Questo profilo ha l'importantissima proprietà di mantenere un rapporto di velocità costante tra le due marce. Come la ruota dei pioli sopra, il punto di contatto si sposta; ma la forma del dente dell'evolvente compensa questo movimento. Vedere questa sezione per i dettagli.
Ora diamo un'occhiata ad alcuni dei diversi tipi di ingranaggi.
Ingranaggi cilindrici sono il tipo più comune di ingranaggi. Hanno i denti dritti, e sono montati su alberi paralleli. Qualche volta, molti ingranaggi cilindrici vengono utilizzati contemporaneamente per creare riduzioni dell'ingranaggio molto grandi.
Gli ingranaggi cilindrici sono utilizzati in molti dispositivi che puoi vedere in tutto HowStuffWorks, come l'avvitatore elettrico, mostro danzante, irrigatore oscillante, sveglia a molla, lavatrice e asciugatrice. Ma non ne troverai molti nella tua auto.
Questo perché l'ingranaggio cilindrico può essere molto rumoroso. Ogni volta che un dente dell'ingranaggio ingaggia un dente sull'altro ingranaggio, i denti si scontrano, e questo impatto fa rumore. Inoltre aumenta lo stress sui denti degli ingranaggi.
Per ridurre il rumore e lo stress negli ingranaggi, la maggior parte degli ingranaggi della tua auto lo sono elicoidale .
I denti su ingranaggi elicoidali sono tagliati ad angolo rispetto alla faccia dell'ingranaggio. Quando due denti su un sistema di ingranaggi elicoidali si innestano, il contatto parte da un'estremità del dente e si allarga gradualmente man mano che gli ingranaggi ruotano, fino a quando i due denti non sono completamente impegnati.
Questo innesto graduale fa sì che gli ingranaggi elicoidali funzionino in modo molto più fluido e silenzioso rispetto agli ingranaggi cilindrici. Per questa ragione, gli ingranaggi elicoidali sono utilizzati in quasi tutte le trasmissioni delle auto.
A causa dell'angolo dei denti sugli ingranaggi elicoidali, creano un carico di spinta sull'ingranaggio quando si ingranano. I dispositivi che utilizzano ingranaggi elicoidali hanno cuscinetti in grado di supportare questo carico di spinta.
Una cosa interessante degli ingranaggi elicoidali è che se gli angoli dei denti degli ingranaggi sono corretti, possono essere montati su alberi perpendicolari, regolando l'angolo di rotazione di 90 gradi.
Foto per gentile concessione di Emerson Power Transmission Corp.
Figura 4. Ingranaggi elicoidali incrociati
Ingranaggi conici sono utili quando è necessario cambiare il senso di rotazione di un albero. Di solito sono montati su alberi distanti 90 gradi, ma può essere progettato per funzionare anche ad altre angolazioni.
I denti sugli ingranaggi conici possono essere dritto , spirale o ipoide . I denti degli ingranaggi conici diritti hanno in realtà lo stesso problema dei denti degli ingranaggi cilindrici diritti:poiché ogni dente si innesta, colpisce il dente corrispondente tutto in una volta.
Foto per gentile concessione di Emerson Power Transmission Corp.
Figura 5. Ingranaggi conici
Proprio come con gli ingranaggi cilindrici, la soluzione a questo problema è curvare i denti degli ingranaggi. Questi denti a spirale si innestano proprio come denti elicoidali:il contatto inizia da un'estremità dell'ingranaggio e si diffonde progressivamente su tutto il dente.
Figura 6. Ingranaggi conici a spirale
Su ingranaggi conici diritti e a spirale, gli alberi devono essere perpendicolari tra loro, ma devono anche essere sullo stesso piano. Se dovessi estendere i due alberi oltre gli ingranaggi, si intersecherebbero. Il ingranaggio ipoide , d'altra parte, può impegnarsi con gli assi su piani diversi.
Figura 7. Ingranaggi conici ipoidi nel differenziale di un'auto
Questa funzione è utilizzata in molti differenziali per auto. La corona dentata del differenziale e il pignone di ingresso sono entrambi ipoidi. Ciò consente di montare il pignone di ingresso più in basso rispetto all'asse della corona dentata. Figura 7 mostra il pignone di ingresso che innesta la corona dentata del differenziale. Poiché l'albero di trasmissione dell'auto è collegato al pignone di ingresso, questo abbassa anche l'albero di trasmissione. Ciò significa che l'albero di trasmissione non si intromette tanto nell'abitacolo dell'auto, fare più spazio per le persone e il carico.
Ingranaggi a vite senza fine vengono utilizzati quando sono necessarie grandi riduzioni dell'ingranaggio. È comune che gli ingranaggi a vite senza fine abbiano riduzioni di 20:1, e anche fino a 300:1 o superiore.
Molti ingranaggi a vite senza fine hanno una proprietà interessante che nessun altro set di ingranaggi ha:la vite senza fine può girare facilmente l'ingranaggio, ma l'ingranaggio non può far girare il verme. Questo perché l'angolo del verme è così basso che quando l'ingranaggio cerca di farlo girare, l'attrito tra l'ingranaggio e la vite senza fine mantiene la vite senza fine in posizione.
Questa funzione è utile per macchine come sistemi di trasporto, in cui il dispositivo di bloccaggio può fungere da freno per il trasportatore quando il motore non gira. Un altro utilizzo molto interessante degli ingranaggi a vite senza fine è nel differenziale Torsen, che viene utilizzato su alcune auto e camion ad alte prestazioni.
Pignone e cremagliera sono usati per convertire la rotazione in movimento lineare. Un perfetto esempio di ciò è il sistema di sterzo di molte auto. Il volante fa girare un ingranaggio che innesta la cremagliera. Mentre l'ingranaggio gira, fa scorrere la cremagliera a destra o a sinistra, a seconda di come giri la ruota.
In alcune bilance vengono utilizzati anche ingranaggi a cremagliera e pignone per ruotare il quadrante che mostra il peso.
Qualsiasi riduttore epicicloidale ha tre componenti principali:
Ciascuno di questi tre componenti può essere l'input, l'uscita o può essere tenuto fermo. Scegliere quale pezzo gioca quale ruolo determina il rapporto di trasmissione per il cambio. Diamo un'occhiata a un singolo ingranaggio planetario.
Uno dei riduttori epicicloidali della nostra trasmissione ha una corona dentata con 72 denti e una ruota solare con 30 denti. Possiamo ottenere molti rapporti di trasmissione diversi da questo set di ingranaggi.
Anche, il bloccaggio di due dei tre componenti insieme bloccherà l'intero dispositivo con una riduzione di 1:1. Notare che il primo rapporto di trasmissione sopra elencato è a riduzione -- la velocità di uscita è inferiore alla velocità di ingresso. Il secondo è un overdrive -- la velocità di uscita è maggiore della velocità di ingresso. L'ultimo è di nuovo una riduzione, ma la direzione di uscita è invertita. Ci sono molti altri rapporti che possono essere ottenuti da questo set di ingranaggi planetari, ma questi sono quelli che sono rilevanti per la nostra trasmissione automatica. Puoi provarli nell'animazione qui sotto:
Quindi questo unico set di ingranaggi può produrre tutti questi diversi rapporti di trasmissione senza dover innestare o disinnestare altri ingranaggi. Con due di questi ingranaggi di fila, possiamo ottenere le quattro marce avanti e una retromarcia di cui la nostra trasmissione ha bisogno. Metteremo insieme le due serie di ingranaggi nella prossima sezione.
Su un profilo evolvente dente dell'ingranaggio, il punto di contatto inizia più vicino a una marcia, e mentre l'ingranaggio gira, il punto di contatto si allontana da quell'ingranaggio e si avvicina all'altro. Se dovessi seguire il punto di contatto, descriverebbe una linea retta che inizia vicino a una marcia e finisce vicino all'altra. Ciò significa che il raggio del punto di contatto aumenta man mano che i denti si impegnano.
Il diametro primitivo è il diametro effettivo di contatto. Poiché il diametro di contatto non è costante, il diametro primitivo è in realtà la distanza media di contatto. Quando i denti iniziano ad ingranare, il dente dell'ingranaggio superiore entra in contatto con il dente dell'ingranaggio inferiore all'interno del diametro primitivo. Ma nota che la parte del dente dell'ingranaggio superiore che contatta il dente dell'ingranaggio inferiore è molto sottile a questo punto. Mentre gli ingranaggi girano, il punto di contatto scorre verso l'alto sulla parte più spessa del dente dell'ingranaggio superiore. Questo spinge avanti la marcia più alta, quindi compensa il diametro di contatto leggermente più piccolo. Mentre i denti continuano a ruotare, il punto di contatto si allontana ancora di più, andando al di fuori del diametro primitivo, ma il profilo del dente inferiore compensa questo movimento. Il punto di contatto inizia a scivolare sulla parte magra del dente inferiore, sottraendo un po' di velocità dall'ingranaggio superiore per compensare l'aumento del diametro di contatto. Il risultato finale è che anche se il diametro del punto di contatto cambia continuamente, la velocità rimane la stessa. Quindi un dente di ingranaggio a profilo evolvente produce a rapporto costante di velocità di rotazione .
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