Je ziet tandwielen in zowat alles dat draaiende delen heeft. Automotoren en transmissies bevatten bijvoorbeeld veel versnellingen. Als je ooit een videorecorder opent en naar binnen kijkt, zul je zien dat deze vol zit met versnellingen. Opwind-, grootvader- en slingerklokken bevatten veel versnellingen, zeker als ze bellen of een klokkenspel hebben. Je hebt waarschijnlijk een vermogensmeter aan de zijkant van je huis, en als deze een doorzichtig deksel heeft, kun je zien dat er 10 of 15 versnellingen in zitten. Tandwielen zijn overal waar motoren zijn en motoren die roterende bewegingen produceren. In deze editie van Hoe dingen werken , leer je over tandwielen, overbrengingsverhoudingen en tandwieltreinen, zodat je kunt begrijpen wat alle verschillende tandwielen doen.
Tandwielen worden over het algemeen om een van de volgende vier redenen gebruikt:
Effect 1, 2 en 3 zie je in bovenstaande figuur. In deze afbeelding kun je zien dat de twee tandwielen in tegengestelde richting draaien, dat het kleinere tandwiel twee keer zo snel draait als het grotere tandwiel en dat de rotatie-as van het kleinere tandwiel bevindt zich rechts van de rotatie-as voor het grotere tandwiel. Het feit dat het ene tandwiel twee keer zo snel draait als het andere, komt voort uit de verhouding tussen de versnellingen, of de overbrengingsverhouding (Bekijk onze overbrengingsverhouding voor meer info). In deze afbeelding is de diameter van het tandwiel aan de linkerkant twee keer die van het tandwiel aan de rechterkant. De overbrengingsverhouding is daarom 2:1 (uitgesproken als "twee tegen één"). Als je naar de figuur kijkt, kun je de verhouding zien:elke keer dat het grotere tandwiel eenmaal rondgaat, gaat het kleinere tandwiel twee keer rond. Je kunt zien dat als beide tandwielen dezelfde diameter hadden, ze met dezelfde snelheid zouden draaien, maar in tegengestelde richtingen.
Inhoud
Het concept van de overbrengingsverhouding begrijpen is gemakkelijk als u het concept van de omtrek . begrijpt van een cirkel. Houd er rekening mee dat de omtrek van een cirkel gelijk is aan de diameter van de cirkel vermenigvuldigd met Pi (Pi is gelijk aan 3.14159...). Daarom, als je een cirkel of een tandwiel met een diameter van 1 inch hebt, is de omtrek van die cirkel 3,14159 inch. De volgende afbeelding laat zien hoe de omtrek van een cirkel met een diameter van 1,27 inch gelijk is aan een lineaire afstand van 4 inch:laten we zeggen dat je nog een cirkel had met een diameter van 1,27 inch / 2 =0,635 inch, en je rolde deze op dezelfde manier als in deze figuur. Je zou zien dat, omdat de diameter de helft is van de cirkel in de figuur, het twee volledige omwentelingen moet voltooien om dezelfde lijn van 4 inch te bestrijken. Dit verklaart waarom twee versnellingen, de ene half zo groot als de andere, een overbrengingsverhouding van 2:1 hebben. Het kleinere tandwiel moet twee keer draaien om dezelfde afgelegde afstand af te leggen als het grotere tandwiel één keer draait.
De meeste tandwielen die je in het echt ziet, hebben tanden. De tanden hebben drie voordelen:
Het rechter (paarse) tandwiel in de trein is eigenlijk in twee delen gemaakt, zoals afgebeeld. Een klein tandwiel en een groter tandwiel zijn met elkaar verbonden, boven op elkaar. Tandwieltreinen bestaan vaak uit meerdere tandwielen in de trein, zoals te zien is in de volgende twee figuren:
In het bovenstaande geval draait het paarse tandwiel twee keer zo snel als het blauwe tandwiel. Het groene tandwiel draait twee keer zo snel als het paarse tandwiel. Het rode tandwiel draait twee keer zo snel als het groene. De onderstaande tandwieltrein heeft een hogere overbrengingsverhouding:
In deze trein zijn de kleinere tandwielen een vijfde van de grotere tandwielen. Dat betekent dat als je het paarse tandwiel aansluit op een motor die draait met 100 tpm (omwentelingen om de minuut), het groene tandwiel draait met een snelheid van 500 tpm en het rode tandwiel met een snelheid van 2500 tpm. Op dezelfde manier zou je een motor van 2500 tpm aan de rode versnelling kunnen bevestigen om 100 tpm op de paarse versnelling te krijgen. Als je in je vermogensmeter kunt kijken en het is van de oudere stijl met vijf mechanische wijzerplaten, dan zul je zien dat de vijf wijzerplaten met elkaar zijn verbonden via een tandwieltrein zoals deze, waarbij de tandwielen een verhouding van 10:1 hebben. Omdat de wijzerplaten direct met elkaar verbonden zijn, draaien ze in tegengestelde richting (je zult zien dat de cijfers omgekeerd zijn op wijzerplaten naast elkaar). Ga voor meer informatie over overbrengingsverhoudingen naar onze grafiek over overbrengingsverhoudingen.
Er zijn veel andere manieren om versnellingen te gebruiken. U kunt bijvoorbeeld conische tandwielen gebruiken om de rotatie-as in een tandwieltrein 90 graden te buigen. De meest voorkomende plaats om conische tandwielen zoals deze te vinden, is in het differentieel van een auto met achterwielaandrijving. Een differentieel buigt de rotatie van de motor 90 graden om de achterwielen aan te drijven:
Een andere gespecialiseerde tandwieltrein wordt een planetaire tandwieltrein . genoemd . Planetaire tandwielen lossen het volgende probleem op. Stel dat u een overbrengingsverhouding van 6:1 wilt. Een manier om die verhouding te creëren is met de volgende drieversnellingstrein:
In deze trein heeft het rode tandwiel drie keer de diameter van het gele tandwiel en het blauwe tandwiel twee keer de diameter van het rode tandwiel (wat een verhouding van 6:1 oplevert). Stel je echter voor dat je wilt dat de as van het uitgangstandwiel hetzelfde is als die van het ingangstandwiel. Een veel voorkomende plaats om deze mogelijkheid met dezelfde as nodig te hebben, is in een elektrische schroevendraaier. In dat geval kun je een planetair tandwielstelsel gebruiken, zoals hier weergegeven:
In dit versnellingssysteem schakelt de gele versnelling alle drie de rode versnellingen tegelijkertijd in. Ze zijn alle drie bevestigd aan een bord en ze grijpen in op de binnenkant van de blauwe versnelling in plaats van de buitenkant. Omdat er drie rode tandwielen zijn in plaats van één, is deze tandwieltrein extreem robuust. De uitgaande as wordt van de plaat gehaald en het blauwe tandwiel wordt stilgehouden. U kunt een afbeelding van een tweetraps planetair tandwielsysteem zien op de pagina met elektrische schroevendraaiers.
Stel je ten slotte de volgende situatie voor:je hebt twee rode versnellingen die je gesynchroniseerd wilt houden, maar ze staan op enige afstand van elkaar. Je kunt er een groot tandwiel tussen plaatsen als je wilt dat ze dezelfde draairichting hebben:
Of u kunt twee tandwielen van gelijke grootte gebruiken als u wilt dat ze een tegengestelde draairichting hebben:
In beide gevallen zijn de extra versnellingen echter waarschijnlijk zwaar en moet u er assen voor maken. In deze gevallen is de gebruikelijke oplossing het gebruik van een keten of een tandriem , zoals hier getoond:
De voordelen van kettingen en riemen zijn het lichte gewicht, de mogelijkheid om de twee versnellingen op enige afstand van elkaar te scheiden en de mogelijkheid om veel versnellingen met elkaar te verbinden op dezelfde ketting of riem. In een automotor kan dezelfde tandriem bijvoorbeeld de krukas, twee nokkenassen en de dynamo aangrijpen. Als je tandwielen zou moeten gebruiken in plaats van de riem, zou het een stuk moeilijker zijn! Ga voor meer informatie over overbrengingsverhoudingen naar onze grafiek over overbrengingsverhoudingen.
Oorspronkelijk gepubliceerd:1 april 2000
>Een voorbeeld
Veelgestelde vragen over overbrengingsverhoudingen
Hoe bereken je de overbrengingsverhouding?
Je telt gewoon het aantal tanden in de twee tandwielen en deelt. Dus als een versnelling 60 tanden heeft en een andere 20, dan is de overbrengingsverhouding wanneer deze twee versnellingen met elkaar zijn verbonden 3:1. Is het beter om een hogere of lagere overbrengingsverhouding te hebben?
Als u een beter brandstofverbruik en minder geluid wilt, dan wilt u een hogere overbrengingsverhouding. Wat betekent overbrengingsverhouding 4.11?
Dit is een ideale overbrengingsverhouding voor dagelijks gebruik. Wilt u een hogere of lagere overbrengingsverhouding?
Wil je een optimaal trekvermogen, dan wil je een hogere overbrengingsverhouding van minimaal 4,56. Alles wat lager is, is goed voor het brandstofverbruik en het dagelijks rijden. Welke overbrengingsverhouding is het beste?
Afhankelijk van uw voertuig en het gewenste resultaat, moet u de overbrengingsverhouding vergelijken met de bandenmaat. U kunt deze HowStuffWorks-grafiek bekijken voor meer informatie.
