เกียร์ทำงานอย่างไร
Gears ใช้ในอุปกรณ์เชิงกลที่หลากหลาย พวกเขาทำงานที่สำคัญหลายอย่าง แต่ที่สำคัญที่สุดคือ มีการลดเกียร์สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้เครื่องยนต์ นี่เป็นกุญแจสำคัญเพราะโดยทั่วไปแล้ว มอเตอร์ขนาดเล็กที่หมุนเร็วมากสามารถให้พลังงานเพียงพอสำหรับอุปกรณ์ แต่มีแรงบิดไม่เพียงพอ ตัวอย่างเช่น การลดเกียร์ของไขควงไฟฟ้ามีขนาดใหญ่มาก เนื่องจากต้องใช้แรงบิดมากในการขันสกรู แต่มอเตอร์จะสร้างแรงบิดน้อยมากที่ความเร็วสูง ด้วยการลดเกียร์ ความเร็วเอาต์พุตจะลดลงในขณะที่เพิ่มแรงบิด
อีกสิ่งหนึ่งที่เกียร์ทำคือปรับทิศทางการหมุน ในส่วนต่างระหว่างล้อหลังของรถ เช่น กำลังส่งผ่านเพลาที่วิ่งไปตามศูนย์กลางของรถ และเฟืองท้ายจะต้องหมุนกำลัง 90 องศาเพื่อนำไปใช้กับล้อ
มีความสลับซับซ้อนมากมายด้วยเกียร์ประเภทต่างๆ ในบทความนี้ เราจะเรียนรู้ว่าฟันบนเฟืองทำงานอย่างไร และเราจะพูดถึงเฟืองประเภทต่างๆ ที่คุณพบในอุปกรณ์เชิงกลต่างๆ
สำหรับเกียร์ใด ๆ อัตราส่วนจะถูกกำหนดโดยระยะทางจากศูนย์กลางของเกียร์ถึงจุดสัมผัส ตัวอย่างเช่น ในอุปกรณ์ที่มีสองเกียร์ ถ้าตัวหนึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางเป็นสองเท่าของอีกตัวหนึ่ง อัตราส่วนจะเป็น 2:1
เฟืองประเภทดั้งเดิมที่สุดประเภทหนึ่งที่เรามองเห็นได้คือวงล้อที่มีเดือยไม้ยื่นออกมา
ปัญหาของเกียร์เหล่านี้คือเมื่อหมุน ระยะทางจากศูนย์กลางของแต่ละเกียร์ถึงจุดสัมผัสจะเปลี่ยนไป ซึ่งหมายความว่าอัตราทดเกียร์จะเปลี่ยนเมื่อเกียร์หมุน ซึ่งหมายความว่าความเร็วเอาต์พุตจะเปลี่ยนไปด้วย หากคุณใช้เกียร์แบบนี้ในรถยนต์ เป็นไปไม่ได้ที่จะรักษาความเร็วให้คงที่ -- คุณกำลังเร่งความเร็วและชะลอตัวอย่างต่อเนื่อง
เกียร์สมัยใหม่จำนวนมากใช้รูปทรงฟันพิเศษที่เรียกว่า involutes โปรไฟล์มีคุณสมบัติที่สำคัญมากในการรักษาอัตราส่วนความเร็วคงที่ระหว่างสองเกียร์ เช่นเดียวกับวงล้อเล็บด้านบน จุดสัมผัสจะเคลื่อนที่ แต่รูปร่างของฟันที่บิดเบี้ยวชดเชยการเคลื่อนไหวนี้ ดูส่วนนี้สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม
ทีนี้มาดูเกียร์ประเภทต่างๆกัน
เฟืองเดือยเป็นเกียร์ประเภทที่พบมากที่สุด มีฟันตรงและติดตั้งบนแกนคู่ขนาน บางครั้ง เฟืองเดือยหลายตัวก็ถูกใช้ไปพร้อม ๆ กันเพื่อลดเกียร์ที่ใหญ่มาก
เฟืองเดือยถูกใช้ในอุปกรณ์หลายอย่างที่พบในทุกที่ใน HowStuffWorks เช่น ไขควงไฟฟ้า สัตว์ประหลาดเต้นระบำ สปริงเกลอร์แบบแกว่ง นาฬิกาปลุกไขลาน เครื่องซักผ้า และเครื่องอบผ้า แต่คุณจะไม่พบมากในรถของคุณ
นั่นเป็นเพราะเฟืองเดือยสามารถดังได้มาก ทุกครั้งที่ฟันเฟืองเข้าปะทะกับฟันเฟืองอื่น ฟันเหล่านี้จะชนกัน และการชนกันนี้จะทำให้เกิดเสียง นอกจากนี้ยังเพิ่มความเครียดให้กับฟันเฟือง
เกียร์ส่วนใหญ่ในรถยนต์เป็นแบบเกลียวเพื่อลดเสียงและแรงดันในเกียร์
ฟันบนเฟืองเกลียวอยู่ที่มุมกับพื้นผิวของเฟือง เมื่อฟันสองซี่บนระบบเฟืองเกลียวสัมผัส หน้าสัมผัสจะเริ่มที่ปลายด้านหนึ่งของฟันและค่อยๆ ขยายออกเมื่อเฟืองหมุนจนกว่าฟันทั้งสองซี่จะเข้าที่
การมีส่วนร่วมแบบก้าวหน้านี้ช่วยให้เฟืองเกลียวทำงานได้อย่างราบรื่นและเงียบกว่าเฟืองเดือย ดังนั้นการส่งสัญญาณของรถยนต์เกือบทั้งหมดจึงใช้เฟืองเกลียว
เนื่องจากมุมของฟันบนเฟืองเกลียว พวกมันสร้างแรงขับบนเฟืองเมื่อทำงาน อุปกรณ์ที่ใช้เฟืองเกลียวมีตลับลูกปืนที่รองรับแรงขับนี้ได้
สิ่งที่น่าสนใจอย่างหนึ่งเกี่ยวกับเฟืองเกลียวคือถ้าฟันเฟืองทำมุมได้ถูกต้อง สามารถติดตั้งบนแกนแนวตั้งเพื่อปรับมุมการหมุนเป็น 90 องศาได้
เฟืองดอกจอกมีประโยชน์เมื่อจำเป็นต้องเปลี่ยนทิศทางการหมุนของเพลา โดยปกติแล้วจะติดตั้งบนเพลาที่ห่างกัน 90 องศา แต่ยังสามารถออกแบบให้ทำงานในมุมอื่นๆ ได้อีกด้วย
ฟันบนเฟืองดอกจอกสามารถเป็นแบบตรง แบบเกลียว หรือแบบไฮปอยด์ จริง ๆ แล้วฟันเฟืองดอกจอกมีปัญหาเดียวกันกับฟันเฟืองเดือย -- เมื่อฟันแต่ละซี่ประกบ มันจะกระทบฟันที่ตรงกันในเวลาเดียวกัน
เช่นเดียวกับเดือยเกียร์ วิธีแก้ปัญหานี้คือดัดฟันเฟือง ฟันกรามเหล่านี้ทำงานเหมือนกับฟันเฮลิคอล: การสัมผัสเริ่มต้นที่ปลายด้านหนึ่งของเฟืองและค่อยๆ ขยายไปถึงฟันทั้งหมด
ในเฟืองดอกจอกเดือยและเกลียว เพลาต้องตั้งฉากกัน แต่จะต้องอยู่ในระนาบเดียวกันด้วย หากคุณขยายเพลาทั้งสองออกจากเฟือง เพลาทั้งสองจะตัดกัน ในทางกลับกัน เกียร์ไฮปอยด์สามารถยึดเพลาในระนาบต่างๆ ได้
คุณลักษณะนี้ใช้ในหลายส่วนต่างของรถยนต์ แหวนเกียร์และปีกนกอินพุตของเฟืองท้ายเป็นแบบไฮปอยด์ ซึ่งช่วยให้สามารถติดตั้งปีกนกอินพุตด้านล่างแกนวงแหวนได้ เนื่องจากเพลาขับของรถเชื่อมต่อกับปีกนกอินพุต เพลาขับจึงลดระดับลงด้วย นั่นหมายความว่าเพลาขับไม่รุกล้ำเข้าไปในห้องโดยสารของรถมากเกินไป ทำให้มีที่ว่างสำหรับผู้คนและสินค้ามากขึ้น
แร็คแอนด์พิเนียนใช้เพื่อแปลงการหมุนเป็นการเคลื่อนที่เชิงเส้น ระบบบังคับเลี้ยวในรถยนต์หลายคันเป็นตัวอย่างที่ดี พวงมาลัยจะเปลี่ยนเกียร์ที่ยึดแร็ค เมื่อเกียร์หมุน แร็คจะเลื่อนแร็คไปทางขวาหรือซ้าย ขึ้นอยู่กับว่าคุณหมุนล้ออย่างไร
เครื่องชั่งบางเครื่องยังใช้แร็คแอนด์พิเนียนเพื่อหมุนหน้าปัดที่แสดงน้ำหนักของคุณ
ชุดเกียร์ดาวเคราะห์และอัตราทดเกียร์
ชุดเกียร์ดาวเคราะห์ใด ๆ มีสามองค์ประกอบหลัก:
เกียร์อาทิตย์
เฟืองดาวเคราะห์และชั้นวางเกียร์ดาวเคราะห์
เกียร์แหวน
ส่วนประกอบทั้งสามนี้สามารถป้อนเข้า ส่งออก หรือหยุดนิ่งได้ ส่วนไหนถูกเลือกให้เล่นบทบาทไหนเป็นตัวกำหนดอัตราทดเกียร์ของชุดเกียร์ มาดูชุดเกียร์ดาวเคราะห์แต่ละชุดกัน
ชุดเกียร์ดาวเคราะห์ชุดหนึ่งในชุดเกียร์ของเรามีวงแหวนฟัน 72 ซี่และล้อดวงอาทิตย์ 30 ซี่ เราสามารถหาอัตราทดเกียร์ต่างๆ ได้จากชุดเกียร์นี้
นอกจากนี้ การล็อคส่วนประกอบสองในสามส่วนเข้าด้วยกันจะล็อคอุปกรณ์ทั้งหมดด้วยการลดเกียร์ 1:1 โปรดทราบว่าอัตราทดเกียร์แรกที่ระบุไว้ข้างต้นเป็นการชะลอตัว -- ความเร็วเอาต์พุตจะช้ากว่าความเร็วอินพุต ประการที่สองคือโอเวอร์ไดรฟ์ -- เอาต์พุตเร็วกว่าอินพุต แล้วสุดท้ายมันก็ลงไปอีก แต่ผลลัพธ์ไปในทิศทางตรงกันข้าม มีอัตราส่วนอื่นๆ อีกหลายประการสำหรับชุดเกียร์ของดาวเคราะห์ดวงนี้ แต่นี่เป็นอัตราส่วนที่เกี่ยวข้องกับการส่งสัญญาณอัตโนมัติของเรา คุณสามารถลองสิ่งเหล่านี้ในแอนิเมชั่นด้านล่าง:
ดังนั้น ชุดเกียร์นี้จึงสามารถสร้างอัตราทดเกียร์ที่แตกต่างกันเหล่านี้ได้โดยไม่ต้องเข้าหรือปลดเกียร์อื่นๆ ด้วยการใช้ชุดเกียร์สองชุดต่อเนื่องกัน เราสามารถรับเกียร์เดินหน้าสี่เกียร์และถอยหลังหนึ่งเกียร์ที่จำเป็นสำหรับการส่งกำลัง เราจะนำเกียร์ทั้งสองชุดมารวมกันในหัวข้อถัดไป
