Markus Kossman

Vääntö vääntövoimasta – pyörän piilevä voima

tammikuu 08
2014
Vääntö vääntövoimasta – pyörän piilevä voima

Mietipä tätä – LEGO® TECHNIC ei olisi kovin tekninen – tai kovin hauska rakennettava – ilman vaatimatonta hammaspyörää, nerokasta keksintöä, jota käytettiin ensimmäisen kerran yli 2 300 vuotta sitten.

Hammaspyörien nykyaikaiset tulkinnat eivät ole vain iso osa LEGO® TECHNICiä, vaan niillä on suuri rooli lähestulkoon kaikissa mekaanisissa asioissa, joihin törmäämme. Aina kun käytämme mitä tahansa, joka sisältää pyöriviä osia, käytämme hammaspyöriä, vaikka – kuten LEGO® TECHNIC -malleissa – se ei aina ole täysin itsestään selvää!

Mitä hammaspyörät sitten tekevät esimerkiksi sähkötyökaluissa, Power Functions -toiminnoissa tai kelloissa ja nostureissa? Lue lyhyt esittely hammaspyörien ihmeelliseen maailmaan, niin saat tietää kaikki uskomattomat – ja yllättävät – tavat, joilla niitä käytetään upeassa Nosturi MK II:ssa.

Miksi tarvitsemme hammaspyöriä?

Hammaspyörät tekevät erilaisia elintärkeitä mekaanisia töitä. Niiden tärkein tunnettu toiminto on alennusvaihde: pieni moottori voi tuottaa melko paljon tehoa, mutta ei useinkaan riittävästi tuottaakseen kääntävää voimaa eli vääntövoimaa. Moottorin jättönopeuden alentaminen lisää vääntövoimaa. Esimerkiksi pieni sähkötyökalu, kuten ruuvinväännin, ei ikinä toimisi, jos siinä ei olisi hammaspyöriä.

Pyörimisnopeuden pienentämisen (tai lisäämisen) lisäksi hammaspyöriä käytetään usein seuraavissa tehtävissä:
  • pyörimissuunnan muuttaminen
  • pyörimisliikkeen siirtäminen eri akselille
  • kahden akselin pyörimisen synkronoiminen.

Monet Technic-mallit, eivätkä vähiten ne, joissa käytetään Power Functions -toimintoja, hyödyntävät useita hammaspyöriä ja vaihteistotoimintoja toimiakseen. Ennen kuin perehdymme hammaspyörien toimintaan Nosturi MK II:ssa (ja siinä niitä onkin paljon!), meidän täytyy ottaa vielä muutama asia huomioon:

Hammaspyöriä on kaikenmuotoisia ja -kokoisia!

spur gearsLieriöhammaspyörät ovat yleisin hammaspyörätyyppi. Niissä on suorat hampaat ja ne on asennettu rinnakkaisiin akseleihin. Lieriöhammaspyöriä käytetään erittäin suurten vaihdealennusten tekemiseen. Tyypillisiä käyttökohteita ovat sähkötyökalut, pesukoneet, kellot – melkein mikä vain!

Vinohampainen hammaspyörä muistuttaa hyvin paljon lieriöhammaspyörää, mutta sen hampaat ovat kulmassa suhteessa rattaan pintaan. Näin vinohampaisella hammaspyörällä on suurempi kosketusala samalla alueella. Vinohampaiset hammaspyörät toimivat tasaisemmin ja hiljaisemmin kuin lieriöhammaspyörät. Tyypillisiä käyttökohteita ovat autojen vaihteistot.

bevel gearsKartiohammaspyörät ovat hyödyllisiä, kun akselin pyörimissuunta täytyy vaihtaa. Tavallisesti ne on asennettu akseleihin, jotka ovat 90 asteen päässä toisistaan, mutta ne voidaan suunnitella toimimaan myös muissa kulmissa. Tyypillisiä käyttökohteita ovat junien, lentokoneiden ja autojen voimansiirto!

tandstangKierukkapyöriä käytetään voimansiirtoon 90 asteen kulmassa ja paikoissa, joissa tarvitaan isoja alennuksia. Monilla kierukkapyörillä on yhteinen ainutlaatuinen ominaisuus: kierukka voi kääntää hammaspyörää helposti, mutta hammaspyörä ei voi kääntää kierukkaa – tämä on erittäin kätevä ratkaisu, kuten oheisessa Nosturi MK II:ssa näet! Tyypillisiä käyttökohteita ovat ohjausmekanismit, nostolaitteet (mieti Nosturi II:ta!).

Hammastanko on suora hammaspyörä, jota käytetään voiman ja liikkeen siirtoon suorassa liikkeessä. Tyypillinen käyttökohde on auton ohjaus.

Hammashihnapyöriä käytetään ketjujen ja hihnojen pyörittämiseen. Tyypillisiä käyttökohteita ovat kuljetinjärjestelmät.

Hammaslukusuhteet, hammastyypit ja tietenkin hampaat!

Avain liikkeen ja voiman hallintaan on välityssuhteissa. Liitä yhteen yksi iso ja yksi pienempi hammaspyörä ja pyöritä niitä – hammaspyörien pyörimisnopeus suhteessa toisiinsa tunnetaan välityssuhteena. Hammaspyörien välityssuhde määritetään etäisyytenä pyörän keskiosasta kosketuspisteeseen. Jos laitteessa on esimerkiksi kaksi hammaspyörää, joista toisen halkaisija on kaksinkertainen toiseen verrattuna, hammaspyörien välityssuhde on 2:1. Jos kummankin hammaspyörän halkaisija on yhtä suuri, ne pyörivät yhtä nopeaa (1:1). Suhde voi olla jopa satoja tai tuhansia suhteessa yhteen!

1 1 gearingVälityssuhde 1:1, 8:8, 16:16 ja 24:24.

bevel gear ratioVälityssuhde 3:1–8:24, 1:1, 67–12:20, 3:1–12:36.

worm gear ratioKierukkahammaspyörän välityssuhde 1:8, 1:24 (kierukkahammaspyörä lasketaan yhdeksi hammaspyöräksi).

Hyvien hampaiden merkitys!

Vielä yksi juttu, ennen kuin siirrymme isoon nosturiin – millaiset hampaat sinulla on? Ovatko ne suorat, kierteiset vai hypoidit? Vaiko sisäkierteiset? Toivottavasti ne ovat suorat (vaikka kierteiset saattaisivatkin olla mielenkiintoiset)!

Hammaspyörät ja hampaat (alun perin puutapit) sopivat yhteen kuten LEGO® ja TECHNIC. Erilaiset hammaspyörät – ja erilaiset vaatimukset – edellyttävät erilaisia hampaita (joilla on edellä mainittuja outoja nimiä). Hampaiden ja hammaspyörien tärkein ominaisuus on kuitenkin niiden muoto. Välykset eli hampaan väärät muodit, aiheuttavat jatkuvia muutoksia nopeuteen. Tämä sopii joissakin laitteissa (esimerkiksi kelloissa), mutta ei kaikissa (ajoneuvoissa!). Moottorin hammaspyörien täytyy toimia, joten kaiken täytyy sopia yhteen mahdollisimman tasaisesti. Tässä kuvaan astuu niin kutsuttu evolventtihammasprofiili (sisäkierteinen), jossa hampaat on suunniteltu tuottamaan aina mahdollisimman suuri kosketus hammaspyörien välille.

Nyt on aika katsoa teoriaa käytännössä!

Edellä esitettyjen tietojen havainnollistamiseksi olemme pyytäneet vanhempaa TECHNIC suunnittelijaa Markus Kossmannia kertomaan Nosturi MK II:n tärkeimmistä hammaspyöristä, jotta näet, miten hammaspyörät toimivat oikeassa elämässä, tai ainakin LEGO® TECHNICissä... ;-)

Markus, sinun vuorosi:
Nosturi KM II:ssa on 127 hammaspyörää sen kaikkien toimintojen käyttämistä varten. Missään muussa Technic®-mallissa ei ole käytetty näin paljon hammaspyöriä. Aloitetaan nosturin rungon tärkeästä moottorista, näytän miten jotkin hammaspyörät toimivat siinä:

step 1 powertrainVääntövoiman hallintaa varten valitsimme välityssuhteeksi 12:20. Nosturin eri toiminnot vaativat eri nopeutta ja vääntövoimaa. Oikean tasapainon löytäminen nopeuden ja vääntövoiman välille on tärkeää, jos ei haluta tuhlata energiaa.

Pyörimisen siirtäminen vaihteistoon, joka sijaitsee rungon toisella puolella väljemmässä tilassa, tarvitaan viisi 16-hampaista hammaspyörää. Toiset toiminnot enemmän voimaa kuin toiset, joten oli tärkeää varmistaa, että kerralla voitiin käyttää vain yhtä toimintoa. Käytön helpottamiseksi vaihteisto on sijoitettu poikkiakseliin, ja siinä on neljä eri asentoa, joilla toiminnot voidaan aktivoida yksi kerrallaan.

step 2 powertrain Tässä on vaihteisto. Tummanharmaat 16-hampaiset hammaspyörät pyörivät vain, kun ne on kytketty.

powertrain step4Tässä näet hammaspyörät, joita puomin pidentäminen vaatii – oli haastavaa keksiä pyörivien ja paikallaan pysyvien ristiakselien sijainti toisiinsa nähden!

powertrain step9Tässä on puomin hammaspyörät. Puomi on saranoitu 12 cm:ä pitkään ristiakseliin, jossa on 20-hampainen vapaasti pyörivä kartiohammaspyörä. Koska ristiakseli kantaa koko puomin painon, valitsimme vapaasti pyörivän kartiohammaspyörän, jotta kitkaa syntyisi mahdollisimman vähän. Vastaavasti 1:3-suhteinen kytkinvaihde on paikoillaan turvallisuussyistä – jos kytkintä ei olisi ja puomin pidentämiseen käytetty kierukkapyörä unohdettaisiin pysäyttää, rakenteeseen kohdistuisi suuri rasitus, joka voisi jopa rikkoa joitain osia! Kierukkapyörä estää puomia liukumasta alas ja auttaa hiljentämään nopeutta, mikä säästää tehoa puomin pidentämisen raskasta työtä varten. Pyörimistehon muuttaminen lineaariseksi tehoksi mahdollistaa hammastankojen käytön puomin pidentämisen toisessa vaiheessa.

powertrain step7 Tässä on kytketty päälle vinssi, joka kulkee kahden staattisen akselin yli ja on hammastettu enintään 1,67-kertaisesti käyttämällä 20- ja 12-hampaisia hammaspyöriä nopeuden takaamiseksi. Vinssin lukituksessa käytetään kierukkapyörää ja kytkinvaihdetta. Kierukkapyörä estää vinssin pyörimisen, kun sitä ei käytetä. Kytkinvaihde estää liian raskaiden kuormien nostamisen ja estää koukun jumittumisen vinssiin.

powertrain step 8 Tässä puomin nostotoiminto on kytkettynä. Koska se vaatii suuren vääntövoiman, valitsimme välityssuhteeksi 1:3 ja käytimme 8- ja 24-hampaisia hammaspyöriä. Käytimme tehonsiirtoon neljää pyörivää akselia. Vaihdekytkintä ei tällä kertaa tarvita, sillä lineaarisessa toimilaitteessa se on sisäänrakennettuna.

powertrain step 6Tässä tukipuomitoiminto on kytkettynä. Se on yhdistetty staattisen akselin kautta 16-yksikköiseen ristiakseliin, jossa on kaksi 12-hampaista kartiohammaspyörää, joiden välityssuhde on 1:1 ja jotka yhdistyvät nosturin alustan kääntöpöytään. Lisäsimme erikoisvalmisteisen tukielementin varmistamaan, että nämä kaksi hammaspyörää toimivat hyvin yhdessä.

chassis side view

Sivulta katsottuna alusta näyttää täyteen ahdatulta. Se on rakennettu nelikerroksisena, jotta kaikelle löytyisi tilaa.

chassis side view motor strokePohjakerroksessa on voimansiirto, joka toimii mäntämoottorilla. Pyörimisteho siirretään viidellä 16-hampaisella hammaspyörällä.

chassis side view steering

Toisessa kerroksessa on ohjaus, joka on sijoitettu keskeiselle paikalle koko alustan pituudelle. Siinä ongelmana oli tehon siirtäminen tukipuomeille.

chassis side view outriggers strokeKolmannessa kerroksessa on tukipuomien ohjaimet, jotka käyttävät myös toisen kerroksen hammaspyöriä tukipuomien ojentamiseen.

chassis side view feet stroke Neljättä kerrosta käytetään tukijalkojen nostamiseen ja laskemiseen.

chassis 1 1

Tässä on alustan 3D-kuva. Alhaalla keskellä on useita toimintoja, kuten ohjaus, jota käytetään mallin takaosasta. Tukijalat ovat mallin etu- ja takaosassa, joten toimivan ja vahvan alustan suunnitteleminen oli valtava haaste.

chassis step 2 gearboxTeho siirretään kääntöpöydän kautta alustaan kolmen kartiohammaspyörän ja 90 asteen pyörimiskulman avulla. Vaihdekytkimen lisäämistä varten pyörimisliike täytyi ohjata keskelle ja takaisin 8- ja 24-hampaisilla hammaspyörillä.

Koska pienissä lineaarisissa toimilaitteissa on sisäänrakennettu kytkintoiminto, sijoitimme varhaisissa versioissa vaihdekytkimen tukipuomien ojentamisessa käytettyyn voimansiirtoon. Se käytti liikaa tehoa, joten jouduimme siirtämään vaihdekytkimen välityksen vaihdon etupuolelle, jotta se toimisi molemmissa toiminnoissa.

Toinen kohtaamamme ongelma oli tukipuomien synkronoiminen. Ratkaisimme sen työntämällä molemmat tukipuomit ajoasentoon ja liu'uttamalla sitten yhden 16-hampaisista hammaspyöristä paikoilleen synkronoinnin lukitsemiseksi. Tämä osoittautui varsin hankalaksi, jouduimme yrittämään sitä kahdesti!

chassis step 3 outtriggers 2

chassis step 3 outriggers detail stokeKoska tukipuomit ojentuvat mallin kummaltakin sivulta, hammaspyörien täytyy kääntyä eri suuntiin. Tämän saavuttamiseksi sijoitimme kaksi 16-hampaista hammaspyörää yhden yksikön päähän keskustasta (joten ne pyörivät vastakkaiseen suuntaan!) ja siirsimme sitten pyörimisliikkeen 20-hampaisiin hammaspyöriin, jotka pyörittävät 12-hampaisia hammaspyöriä, ne puolestaan liikuttavat tukipuomia sisään ja ulos.

chassis step 4 feet 2Tukipuomia ohjataan vastakehitetyllä kitkattomalla 8-hampaisella hammaspyörällä, joka liukuu poikkiakseleissa, kun tukipuomia ojennetaan – todella upea toiminto, jota käytämme tulevissakin malleissa.

chassis step 5 steering stroke 2 Ohjauksen kehittäminen näin pitkään malliin on erittäin haasteellista, sillä kaikki akselit vaativat oman yksilöllisen ohjauskulmansa. Jotta malli olisi kuitenkin riittävän yksinkertainen rakentaa, käytimme yhtä akselia, jossa on säädettävät vivut, jolloin pitkät vivut kääntävät pyöriä lyhyitä vipuja vähemmän. Keskiakselin edessä olevien akselien täytyy kääntyä vastakkaiseen suuntaan suhteessa taka-akseleihin. Tämä ongelma ratkesi, kun hammastanko sijoitettiin akselin vastakkaiselle puolelle.

chassis step 6 motor strokeMäntämoottori oli todennäköisesti helpoin kehitettävistä toiminnoista. Tasauspyörästö käyttää akselia koko matkan nosturin alustan etuosaan, jossa teho siirretään alustan yläosaan viidellä 16-hampaisella hammaspyörällä.

Siinä tämän mallin hammaspyörät! Kiitos, Markus! Ota rohkeasti yhteyttä, jos sinulla on kysyttävää Nosturi MK II:sta tai jostakin muusta LEGO® Technic -aiheesta. Ja muista palata pian takaisin lukemaan seuraava toiminnantäyteinen blogikirjoitus!