Markus Kossman

Vyprávění o točivém momentu - skrytá síla ozubených kol

ledna 08
2014
Vyprávění o točivém momentu - skrytá síla ozubených kol

Jen si to představ - LEGO® TECHNIC by nebylo moc technické - nebo stavění z něj moc zábavné - bez obyčejného ozubeného kola, geniálního vynálezu, který byl prvně použit před více než 2300 lety.

Ozubená kola a převody v různých svých moderních podobách nejenže tvoří velkou část LEGO® TECHNIC, ale hrají také hlavní roli ve všem mechanickém, s čím se setkáváš. Pokaždé, když použiješ cokoliv, co obsahuje otáčející se součásti, používáš skoro určitě ozubená kola, i když to - jako u modelů LEGO® TECHNIC - není vždy zcela samozřejmé!

Co tedy dělají ozubená kola ve všech strojích od elektrického a motorového nářadí přes pohonné funkce a hodiny po mobilní jeřáby? Přečti si krátký úvod do světa převodových ústrojí a podívej se na neuvěřitelné - překvapivé - způsoby použití ozubených kol v úžasném Mobilním jeřábu MKII.

Proč potřebujeme převody?

Převody vykonávají všechny druhy nezbytné mechanické práce, z nichž nejdůležitější je redukce: Malý motor může vyrábět poměrně hodně síly, ale často ne dost, aby vytvořil otáčivou sílu neboli točivý moment. Redukce (snížení) výstupní rychlosti motoru zvyšuje točivý moment. Například malý motorový nástroj jako je elektrický šroubovák, by bez ozubených koleček nikdy nefungoval.

Kromě snižování (nebo zvyšování) rychlosti otáčení se ozubená kola zpravidla používají k následujícím účelům:
  • Ke změně směru otáčení.
  • K převedení otáčivého pohybu na jinou osu.
  • K udržování synchronizovaného otáčení dvou os.

Fungování mnoha modelů Technic, v neposlední řadě i těch, které využívají pohony Power Functions, silně závisí na mnoha ozubených kolech a převodových funkcích. Než se podíváme, jak fungují ozubená kola v Mobilním jeřábu MKII (mimochodem, je jich tam celá spousta!) musíme si připomenout pár dalších věcí:

Používají se ozubená kola všech tvarů a velikostí!

spur gears

Nejobvyklejším typem jsou kola s čelním ozubením Mají rovné zuby a jsou namontována na rovnoběžných hřídelích. Kola s čelním ozubením se používají společně k dosažení velkých redukcí. Typické využití: motorové nářadí, pračky, hodiny, cokoli tě napadne!

Kolům s čelním ozubením jsou velmi podobná kola se šikmým ozubením, až na to, že mají šikmo umístěné zuby, které jim dodávají větší kontakt na stejné ploše. Kola se šikmým ozubením mají hladší a tišší chod než kola s čelním ozubením. Typické využití: převody v automobilech.

bevel gearsKuželová ozubená kola jsou užitečná, když je potřeba změnit směr otáčení hřídele. Obvykle bývají montována na hřídelích svírajících úhel 90 stupňů, ale lze je navrhnout i tak, aby fungovala ve všech jiných úhlech. Typické využití: pohon vlaků, letadel a automobilů!

tandstangŠneková kola se používají k přenosu výkonu v úhlu 90°a tam, kde jsou potřeba vysoké redukce. Mnoho šnekových soukolí má společnou jedinečnou vlastnost: Šnek snadno otáčí ozubeným kolem, ale kolo nemůže otáčet šnekem - velmi praktické, jak uvidíš níže u Mobilního jeřábu MKII! Typické využití: mechanismy řízení, zdvihací zařízení (třeba Mobilní jeřáb II)!

Ozubnicový převod je rovný převod používaný k převodu výkonu a pohybu na přímočarý pohyb. Typické využití: řízení automobilů.

Hnací kola pohybují řetězy nebo pásy. Typické využití: dopravníkové systémy.

Převodové poměry, typy převodů a ... zuby !

Klíčem k ovládání pohybu a výkonu jsou převodové poměry. Dej dohromady jedno velké ozubené kolo s jedním malým a roztoč je - rychlost, jakou se otáčí jedno ve vztahu k druhému, se nazývá převodový poměr. U jakéhokoli ozubeného kola je tento poměr určen vzdálenostmi od středu kola k místu dotyku s druhým kolem. Pokud je například u převodu se dvěma ozubenými koly průměr jednoho kola dvojnásobkem průměru druhého kola, byl by převodový poměr 2:1. Pokud mají obě ozubená kola stejný průměr, otáčela by se stejnou rychlostí (1:1), a tak dále, až do stovek, dokonce tisíců ku jedné!

1 1 gearing
Převod 1:1, 8:8, 16:16, 24:24.

bevel gear ratio
Převod 3:1-8:24, 1:1,67-12:20, 3:1-12:36.

worm gear ratioŠnekový převod 1:8, 1:24 (šnek se počítá jako jedno ozubené kolo).

Dobré zuby jsou důležité!

Ještě poslední věc, než přejdeme k velkému jeřábu - jak vypadají tvoje zuby? Jsou rovné, spirálovité nebo hypoidní? Možná evolventní? Doufejme, že jsou rovné (ačkoli spirálovité by mohly vypadat zajímavě)!

Převody a zuby (původně dřevěné kolíčky) k sobě patří jako LEGO© a TECHNIC. Pro různé převody - a různé požadavky - jsou nutné různé typy zubů (s výše uvedenými neobvyklými názvy). Ale snad nejdůležitější na zubech a ozubených kolech je tvar. Mezery či nesprávný tvar nebo forma zubů znamenají stálé změny výstupní rychlosti. To je u některých využití (například v hodinách) v pořádku, ale u jiných (ve vozidlech) ne! Převody motorů musí pracovat tak, aby vše do sebe co nejpřesněji zapadalo, a právě zde přichází ke slovu takzvaný evolventní profil převodového kola se zuby navrženými tak, aby po celou dobu udržovaly maximální kontakt mezi koly.

Je čas ověřit si teorii v praxi!

Abychom všechny výše zmíněné popisy uvedli do jakési souvislosti, požádali jsme vedoucího návrháře TECHNIC Markuse Kossmana, aby nám vysvětlil uspořádání hlavních převodů v mobilním jeřábu MKII a ukázal, jak vlastně ozubená kola pracují ve skutečném životě, nebo aspoň v LEGO© TECHNIC... ;-)

Markusi, máte slovo:
Mobilní jeřáb MKII používá k pohánění všech svých funkcí ozubená kola. To je největší počet ozubených koleček, jaký jsme kdy u nějakého modelu Technic® použili. Začneme důležitým motorem v superstruktuře jeřábu, na němž vám ukážu, jak v něm některá z nich fungují.

step 1 powertrain Abychom získali správný točivý moment, zvolili jsme převodový poměr 12:20. Různé funkce jeřábu potřebují různé rychlosti a točivé momenty. Pokud nechcete plýtvat energií, je důležité najít správnou rovnováhu mezi točivým momentem a rychlostí.

Přenos otáčení na řadicí jednotku, umístěnou na druhé straně superstruktury, aby se získalo více místa, vyžadoval řadu pěti ozubených koleček se 16 zuby. Některé funkce vyžadují spoustu energie, některé méně, a proto bylo důležité zajistit, aby bylo možné spustit vždy jen jednu funkci. Pro usnadnění přístupu je řadicí ústrojí umístěno na křížové ose a má čtyři samostatné pozice pro spouštění jednotlivých funkcí.

step 2 powertrain Zde vidíš řadicí jednotku. Tmavě šedá kola se 16 zuby se otáčejí, jenom pokud jsou zařazena.

powertrain step4Zde vidíš převod potřebný pro funkci vysouvání výložníku - bylo docela těžké přijít na vzájemné umístění otočných a stacionárních křížových os!

powertrain step9Tady vidíš převod výložníku. Výložník je zavěšen na křížové ose o velikosti 12 cm, osazené volnoběžným kuželovým ozubeným kolem s 20 zuby. Protože křížová osa nese celou hmotnost výložníku, zvolili jsme volnoběžné kuželové ozubené kolo, abychom udrželi tření na minimální úrovni. Podobně je z bezpečnostních důvodů na místě i převod hlavního náhonu s poměrem 1:3 - bez spojky by opomenutí zastavení šnekového převodu používaného k vysouvání soukolí ramene vedlo k velké námaze struktury a mohlo by dokonce způsobit rozbití některých dílků! Šnekový převod zastavuje klouzání ramene dolů a pomáhá snižovat rychlost, čímž zachovává více energie na těžkou práci při vysouvání ramene. Převod rotačního pohybu na lineární umožňuje používat ve druhé fázi vysouvání ramene ozubnici.

powertrain step7 Zde je nasazen naviják procházející přes dvě statické osy a s převodovým poměrem 1,67, využívajícím pro rychlost ozubená kola s 20 a 12 zuby. Blokování ozubnice využívá šnekové kolo spolu s ozubeným kolem hlavního náhonu. Šnekové kolo brání otáčení navijáku v případě, že není zařazena žádná funkce. Ozubené kolo hlavního náhonu brání zdvihání příliš těžkých nákladů a také zamezuje zaseknutí háku v navijáku.

powertrain step 8Zde vidíš zapojenou funkci zdvihání výložníku. Protože tato funkce vyžaduje vysoký točivý moment, zvolili jsme redukční převodový poměr 1:3 dosažený pomocí ozubených kol s 8 a 24 zuby. K přenosu výkonu jsme použili čtyři nosné hřídele. Není zde nutné žádné ozubené kolo hlavního pohonu, protože jedno je již zabudované v lineárním pohonu.

powertrain step 6Zde vidíš zapojenou funkci výsuvné opěry. Ta je statickým hřídelem spojena s 16modulovou křížovou osou se dvěma kuželovými ozubenými koly s 12 zuby, s převodovým poměrem 1:1. Přidali jsme speciálně navržený zpevňující díl, který zajišťuje, aby obě kola dohromady dobře běhala.

chassis side viewPodvozek vypadá ze strany zcela kompaktní. Je postaven ze čtyř vrstev zajišťujících, aby bylo vše na správném místě.

chassis side view motor strokeSpodní vrstva obsahuje soukolí pístového motoru. Otáčení se přenáší řadou pěti koleček s 16 zuby.

chassis side view steeringDruhá vrstva obsahuje řízení, umístěné uprostřed po celé délce podvozku - zde bylo ošemetnou částí vyřešení přenosu síly do modulů výsuvných opěr.

chassis side view outriggers strokeTřetí vrstva obsahuje ovladače opěr, které využívají také převodů ve druhé vrstvě k vysouvání modulů opěr.

chassis side view feet stroke Čtvrtá vrstva slouží ke zdvihání a spouštění noh opěr.

chassis 1 1Zde vidíš 3D vyobrazení podvozku - mnoho funkcí včetně řízení, které se ovládá ze zadní strany modelu, vede do středu. U modelu s opěrami na přední a zadní straně bylo navrhování funkčního, ale silného podvozku velkou výzvou.

chassis step 2 gearboxVýkon se přenáší do podvozku točnicí pomocí kombinace tří kuželových ozubených kol a otáčení o 90 stupňů. Aby bylo možné zabudovat ozubené kolo hlavního pohonu, muselo být otáčení nasměrováno do středu a potom zase zpátky pomocí ozubených koleček s 8 a 24 zuby.

Protože malé lineární aktuátory mají vestavěnou funkci spojky, umístili jsme v prvních verzích ozubené kolo hlavního náhonu do hnací jednotky vysouvání opěr. Toto řešení potřebovalo příliš mnoho energie, takže jsme museli ozubené kolo hlavního náhonu přemístit do přední části řadicí jednotky, takže nyní slouží pro obě funkce.

Dalším problémem, s nímž jsme se potýkali, byl způsob synchronizace výsuvných opěr. Vyřešili jsme to zatlačením obou opěr do jízdní polohy a poté zasunutím jednoho z koleček se 16 zuby na místo, abychom synchronizaci uzamkli - to se ukázalo být docela složité, protože jsme to museli udělat dvakrát!

chassis step 3 outtriggers 2

chassis step 3 outriggers detail stokeProtože se opěry vysouvají z obou stran modelu, musí se ozubená kola otáčet různými směry. Abychom toho dosáhli, umístili jsme dvě ozubená kola se 16 zuby o jeden modul dále od středu (takže se otáčejí opačně!) a pak otáčení přenesli na kola s 20 zuby, která roztáčejí kola s 12 zuby, což pohybuje opěrami dovnitř a ven.

chassis step 4 feet 2Výsuvné opěry se ovládají pomocí nově vyvinutého převodového kola s 8 zuby bez tření, které se při vysouvání opěr posouvá po křížových osách - je to opravdu úžasná funkce, kterou znovu použijeme u našich budoucích modelů.

chassis step 5 steering stroke 2 Vývoj řízení je u tak dlouhého modelu velmi náročný, protože všechny osy vyžadují vlastní úhel natočení. Aby model zůstal dostatečně jednoduchý na postavení, použili jsme jedu osu s nastavitelnými pákami, kde dlouhé páky otáčejí koly méně než kratší. Osy před prostřední osou se musejí otáčet proti směru otáčení zadních os. Tento náročný úkol byl vyřešen umístěním ozubené tyče na protilehlou stranu osy.

chassis step 6 motor strokeFunkcí, která se vyvíjela nejsnadněji, byl asi pístový pohon. Diferenciál pohání osu až k předku podvozku jeřábu, kde se pohyb přenáší na horní stranu podvozku pomocí řady pěti koleček se 16 zuby.

A to je všechno! Díky, Markusi! Máš-li otázky ohledně převodů v Mobilním jeřábu MKII nebo čehokoli jiného, co se týká LEGO® Technic, neváhej nás kontaktovat - a nezapomeň se sem podívat znovu a přečíst si náš příští akční blog!