Come funzionano i rapporti di trasmissione

Vedi gli ingranaggi in quasi tutto ciò che ha parti rotanti. Ad esempio, i motori e le trasmissioni delle automobili contengono molte marce. Se apri un videoregistratore e guardi dentro, vedrai che è pieno di ingranaggi. Gli orologi a carica manuale, a pendolo e a pendolo contengono molti ingranaggi, soprattutto se hanno campane o carillon. Probabilmente hai un misuratore di potenza sul lato della tua casa, e se ha una copertura trasparente, puoi vedere che contiene 10 o 15 marce. Gli ingranaggi sono ovunque dove ci sono motori e motori che producono movimento rotatorio. In questa edizione di Come funzionano le cose, imparerai a conoscere ingranaggi, rapporti di trasmissione e treni di ingranaggi in modo da poter capire cosa stanno facendo tutti i diversi ingranaggi che vedi.

Gli ingranaggi vengono generalmente utilizzati per uno dei quattro diversi motivi:

1. Per invertire il senso di rotazione
2. Per aumentare o diminuire la velocità di rotazione
3. Per spostare il movimento rotatorio su un asse diverso
4. Per mantenere sincronizzata la rotazione di due assi

Puoi vedere gli effetti 1, 2 e 3 nella figura sopra. In questa figura, puoi vedere che i due ingranaggi ruotano in direzioni opposte, che l'ingranaggio più piccolo gira due volte più velocemente dell'ingranaggio più grande e che asse di rotazione dell'ingranaggio più piccolo si trova a destra dell'asse di rotazione per l'ingranaggio più grande. Il fatto che una marcia giri due volte più velocemente dell'altra risulta da rapporto tra gli ingranaggi, o il Rapporto di cambio (Controlla la nostra tabella dei rapporti di trasmissione per maggiori informazioni). In questa figura, il diametro dell'ingranaggio a sinistra è il doppio di quello dell'ingranaggio a destra. Il rapporto di trasmissione è quindi 2: 1 (pronunciato "due a uno"). Se guardi la figura puoi vedere il rapporto: ogni volta che la marcia più grande gira una volta, la marcia più piccola gira due volte. Puoi vedere che se entrambi gli ingranaggi avessero lo stesso diametro, ruoterebbero alla stessa velocità ma in direzioni opposte.

Comprendere il concetto di rapporto di trasmissione è facile se si comprende il concetto di circonferenza di un cerchio. Tieni presente che la circonferenza di un cerchio è uguale al diametro del cerchio moltiplicato per Pi (Pi è uguale a 3,14159 ...). Pertanto, se hai un cerchio o un ingranaggio con un diametro di un pollice, la circonferenza di quel cerchio sarà 3,14159 pollici. La figura seguente mostra come la circonferenza di un cerchio con un diametro di 1,27 pollici sia uguale a una distanza lineare di 4 pollici: diciamo che avevi un altro cerchio il cui diametro era di 1,27 pollici / 2 = 0,635 pollici e lo hai arrotolato nel allo stesso modo di questa figura. Scoprirai che, poiché il suo diametro è la metà del cerchio nella figura, deve completare due rotazioni complete per coprire la stessa linea di 4 pollici. Questo spiega perché due ingranaggi, uno grande la metà dell'altro, hanno un rapporto di trasmissione di 2: 1. L'ingranaggio più piccolo deve girare due volte per coprire la stessa distanza percorsa quando l'ingranaggio più grande gira una volta.

La maggior parte degli ingranaggi che vedi nella vita reale hanno i denti. I denti hanno tre vantaggi:

1. Impediscono lo slittamento tra gli ingranaggi, quindi gli assi collegati da ingranaggi sono sempre sincronizzati esattamente l'uno con l'altro.
2. Consentono di determinare i rapporti di trasmissione esatti: basta contare il numero di denti nelle due marce e dividere. Quindi, se un ingranaggio ha 60 denti e un altro ne ha 20, il rapporto di trasmissione quando questi due ingranaggi sono collegati insieme è 3: 1.
3. Fanno in modo che le lievi imperfezioni nel diametro e nella circonferenza effettivi di due ingranaggi non abbiano importanza. Il rapporto di trasmissione è controllato dal numero di denti anche se i diametri sono un po 'fuori.

Per creare rapporti di trasmissione di grandi dimensioni, gli ingranaggi sono spesso collegati tra loro treni di ingranaggi, come mostrato qui:

L'equipaggiamento destro (viola) del treno è in realtà realizzato in due parti, come mostrato. Un ingranaggio piccolo e uno più grande sono collegati insieme, uno sopra l'altro. I treni di ingranaggi sono spesso costituiti da più marce nel treno, come mostrato nelle due figure seguenti:

Nel caso precedente, l'ingranaggio viola gira a una velocità doppia rispetto a quello blu. L'ingranaggio verde gira al doppio della velocità dell'ingranaggio viola. L'ingranaggio rosso gira a una velocità doppia rispetto al verde. Il treno di ingranaggi mostrato di seguito ha un rapporto di trasmissione più alto:

In questo treno, le marce più piccole sono un quinto delle dimensioni delle marce più grandi. Ciò significa che se colleghi l'ingranaggio viola a un motore che gira a 100 rpm (giri al minuto), l'ingranaggio verde girerà a una velocità di 500 rpm e l'ingranaggio rosso girerà a una velocità di 2.500 rpm. Allo stesso modo, potresti collegare un motore da 2.500 giri / min all'ingranaggio rosso per ottenere 100 giri / min sull'ingranaggio viola. Se riesci a vedere all'interno del tuo misuratore di potenza ed è del vecchio stile con cinque quadranti meccanici, vedrai che i cinque quadranti sono collegati tra loro tramite un treno di ingranaggi come questo, con gli ingranaggi che hanno un rapporto di 10: 1. Poiché i quadranti sono direttamente collegati l'uno all'altro, ruotano in direzioni opposte (vedrai che i numeri sono invertiti sui quadranti uno accanto all'altro). Per ulteriori informazioni sui rapporti del cambio, visita la nostra tabella dei rapporti del cambio.

Esistono molti altri modi per utilizzare gli ingranaggi. Ad esempio, è possibile utilizzare ingranaggi conici per piegare di 90 gradi l'asse di rotazione in un treno di ingranaggi. Il posto più comune per trovare ingranaggi conici come questo è nel differenziale di un'auto a trazione posteriore. Un differenziale piega la rotazione del motore di 90 gradi per guidare le ruote posteriori:

Un altro treno di ingranaggi specializzato è chiamato a treno di ingranaggi planetari. Gli ingranaggi planetari risolvono il seguente problema. Supponiamo che tu voglia un rapporto di trasmissione di 6: 1. Un modo per creare quel rapporto è con il seguente treno a tre marce:

In questo treno, l'ingranaggio rosso ha tre volte il diametro dell'ingranaggio giallo e l'ingranaggio blu ha il doppio del diametro dell'ingranaggio rosso (dando un rapporto di 6: 1). Tuttavia, immagina di volere che l'asse dell'ingranaggio di uscita sia uguale a quello dell'ingranaggio di ingresso. Un luogo comune in cui è necessaria questa capacità dello stesso asse è in un avvitatore elettrico. In tal caso, puoi utilizzare un sistema di ingranaggi planetari, come mostrato qui:

In questo sistema di ingranaggi, l'ingranaggio giallo innesta simultaneamente tutti e tre gli ingranaggi rossi. Sono tutti e tre attaccati a un piatto e si innestano dentro dell'ingranaggio blu invece dell'esterno. Poiché ci sono tre marce rosse invece di una, questo treno di ingranaggi è estremamente robusto. L'albero di uscita viene prelevato dalla piastra e l'ingranaggio blu viene mantenuto fermo. Puoi vedere un'immagine di un sistema di ingranaggi planetari a due stadi sulla pagina dell'avvitatore elettrico.

Infine, immagina la seguente situazione: hai due marce rosse che vuoi mantenere sincronizzate, ma sono a una certa distanza l'una dall'altra. Puoi posizionare un grande ingranaggio tra di loro se vuoi che abbiano le stesse direzioni di rotazione:

Oppure puoi usare due ingranaggi di uguale dimensione se vuoi che abbiano senso di rotazione opposto:

Tuttavia, in entrambi i casi, è probabile che gli ingranaggi extra siano pesanti ed è necessario creare assi per loro. In questi casi la soluzione comune è utilizzare un file catena o a cinghia dentata, come mostrato qui:

I vantaggi delle catene e delle cinghie sono la leggerezza, la capacità di separare i due ingranaggi di una certa distanza e la possibilità di collegare più ingranaggi insieme sulla stessa catena o cinghia. Ad esempio, nel motore di un'auto, la stessa cinghia dentata potrebbe innestare l'albero motore, due alberi a camme e l'alternatore. Se dovessi usare degli ingranaggi al posto della cintura, sarebbe molto più difficile! Per ulteriori informazioni sui rapporti del cambio, visita la nostra tabella dei rapporti del cambio.