Markus Kossman

Nyomatékos beszéd – a hajtóművek titkos ereje

január 09
2014
Nyomatékos beszéd – a hajtóművek titkos ereje

Gondolj csak bele – a LEGO® TECHNIC nem lenne nagyon technikai – vagy nem lenne olyan érdekes megépíteni – egy ügyes találmány, a szerény fogaskerék nélkül, amelyet először több mint 2300 évvel ezelőtt használtak.

A fogaskerekek és hajtóművek, különféle mai megjelenési formájukban, nem csak a LEGO® TECHNIC fontos részei, igen jelentős szerepet töltenek be szinte minden mechanikus szerkezetben, amivel csak találkozol. Ha bármi olyan valamit használsz, amely forgó alkatrészeket tartalmaz, majdnem biztos, hogy ott fogaskereket használnak, még akkor is, ha – mint a LEGO® TECHNIC modellekben – ez nem is mindig egészen nyilvánvaló!

Nos, mi is a fogaskerekek feladata mindenütt a gépi szerszámoktól a Power Functions-on keresztül az órákig és az önjáró darukig?!? Olvass tovább, és ismerkedj meg a fogaskerekek világával, tekintsd meg azokat a lenyűgöző – és meglepő –módszereket, ahogyan a fogaskerekek a bámulatos MKII autódaruban használjuk.

Miért van szükség fogaskerekekre?

A fogaskerekek mindenféle, létfontosságú mechanikus feladatok látnak el, többek között a csökkentő áttételt: egy kis motor egészen komoly erőt tud kifejteni, de gyakran nem eleget a forgató erő, azaz a nyomaték létrehozásához. A motor kimeneti fordulatszámának csökkentésekor megnövekszik a nyomaték. Például, egy kis gépi szerszám, mint egy elektromos csavarhúzó, sosem lenne képes működni fogaskerekek nélkül.

A forgási sebesség csökkentése (vagy növelése) mellett, a fogaskerekeket általában a következő feladatokra használják:
  • A forgásirány megfordítására
  • A forgó mozgás szögének módosítására
  • Két tengely forgásának szinkronizálására

Számos Technic modell működése, nem csak azok amelyekben Power Functions van, nagy mértékben támaszkodik a több fogaskereket használó, hajtómű funkciókra. Mielőtt megnéznénk, hogyan dolgoznak a fogaskerekek az MKII autódaru fedélzetén (egyébként rengeteg fogaskerék van ott!) még néhány dolgot tekintetbe kell vennünk:

A fogaskerekek sokféle formájúak és méretűek!

spur gears A külső fogazású, hengeres fogaskerék a leggyakoribb. Ezek fogai egyenesek, és párhuzamos tengelyekre szerelik fel őket. Ezek, más szóval homlokfogaskerekek, igen nagy csökkentő áttételekre képesek. Jellemző alkalmazásuk: gépi szerszámok, mosógépek, órák, amit csak akarsz.

A ferde fogazású fogaskerekek hasonlóak a homlokfogaskerekekhez, azzal a különbséggel, hogy a homlokhoz képest a fogak szögben állnak, így a ferde fogazású fogaskerekek nagyobb felületen érintkezhetnek. A ferde fogaskerekek futása egyenletesebb és csendesebb, mint a homlokfogaskerekeké. Jellemző alkalmazási területük: autók sebességváltói.

bevel gearsA kúpfogaskerekek hasznosak, ha egy tengely forgásának irányát kell megváltoztatni. Általában olyan tengelyekre szerelik fel őket, amelyek egymással 90 fokos szöget zárnak be, de más szögeket is meg lehet tervezni. Jellemző alkalmazásuk: vonatok, repülőgépek és autók hajtóművei!

tandstangA csigakerekek 90°-ban adnak át erőt, és ott használják őket, ahol nagy fordulatszám-csökkentésre van szükség. Nagyon sok csigakeréknek van egy sajátos tulajdonsága: a csiga könnyedén meghajtja a fogaskereket, de a fogaskerék nem tudja elfordítani a csigát – ez egy nagyon hasznos képesség, ahogy ezt késő az MKII autódarunál is megfigyelheted. Jellemző alkalmazása: kormányszerkezetek, emelőszerkezetek (gondolj a II-es autódarura!).

A fogasléces fogaskerék egy egyenes fogaskerék, amely erőt és mozgást alakít át egyenes vonalú mozgássá. Jellemző alkalmazási területe: autók kormányszerkezete

A lánckerekek láncokat vagy szíjakat mozgatnak. Jellemző alkalmazásuk: szállítószalag rendszerek.

Áttétel, típusok és ... fogak!

A mozgás kezelésének kulcsa az áttétel. Vegyél egy nagy fogaskereket és illessz hozzá egy kicsit és forgasd őket együtt – a kettő egymáshoz képesti forgási sebessége az, amit áttételnek nevezünk. Bármelyik fogaskeréknél az áttételt a fogaskerék középpontjától az érintkezési pontig mért távolság határozza meg. Például, ha egy eszközben két fogaskerék van, és az egyik fogaskerék átmérője kétszer nagyobb mint a másiké, akkor az áttétel 2:1. Ha a két fogaskerék átmérője azonos, akkor azonos sebességgel forognak (1:1), és így tovább százakig vagy akár ezrekig!

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

 

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

 

worm gear ratioA csigakerék áttételezése: 1:8, 1:24 (a csigakereket számítjuk egy fogaskeréknek).

A jó fogak fontossága!

Még egy utolsó dolog, mielőtt eljutunk a nagy daruhoz – milyenek a fogaid? Egyenes, spirális vagy hipoid? Evolvens, talán? Remélhetőleg egyenesek (bár a spirális lenne igazán érdekes)!

A fogak (eredetileg fa peckek) és a kerekek összetartoznak, mint a LEGO(c) és a TECHIC. A különböző fogaskerekek – és a különféle követelmények – különböző típusú fogakat kívánnak (furcsábbnál furcsább nevekkel, mint azt az előbb olvashattad). De a fogak és a kerekek talán legfontosabb tulajdonsága az alakjuk. A hézagok, vagy a fogak nem megfelelő formája vagy alakja, azt jelenti, hogy a kimenő sebesség állandóan változik. Ez néhány dolognál (óráknál, például) elfogadható, de máshol (járműveknél!) nem. A hajtóművek fogaskerekeinek úgy kell működniük, hogy a lehető legsimább kapcsolat legyen közöttük. Itt jön be az evolvens fogprofil, amelyet úgy alakítottak ki, hogy a fogaskerekek között mindig a lehető legnagyobb legyen az érintkezés.

Ideje megtudni, hogyan lesz az elméletből gyakorlat!

Azért, hogy a fentieket valamilyen összefüggésben mutassuk be, felkértük Markus Kossmannt a TECHNIC vezető tervezőjét, hogy mutasson be néhány fogaskerék elrendezést az MMII autódarun, így láthatjuk, hogyan dolgoznak az igazi fogaskerekek a való életben, vagy legalábbis a LEGO© TECHNIC-nél... ;-)

Marcus, tiéd a szó:

Az MKII autódaru 127 fogaskereket használ az összes funkció meghajtására. Ez a legnagyobb fogaskerék mennyiség, amit valaha is felhasználtunk egyetlen Technic(r) modellben. A daru felépítményének mindennél fontosabb eleménél, a motornál kezdve, megmutatok néhányat, hogyan dolgozik:

step 1 powertrainA megfelelő nyomaték eléréséhez a 12:20 áttételt választottuk. A különféle darufunkciókhoz különböző sebességekre és nyomatékokra van szükség. Fontos, hogy megtaláljuk a nyomaték és a sebesség közötti helyes egyensúlyt, ha nem akarunk energiát pazarolni.

Ahhoz, hogy a forgómozgást eljuttassuk a sebességváltóhoz, amelyet helytakarékosság miatt a felépítmény túlsó végén helyeztünk el, öt darab 16 fogú fogaskerékből álló sorra volt szükség. Egyes funkciók nagy erőt igényelnek, mások kevesebbet, ezért fontos volt, hogy egyszerre csak egy funkciót lehessen bekapcsolni. A könnyű hozzáférés miatt, a sebességváltó egy kereszttengelyen kapott helyet és négy különböző pozícióban képes kapcsolódni külön-külön a funkciókhoz.

step 2 powertrain

Itt látható a sebességváltó egység. A sötétszürke, 16 fogú kerekek csak akkor forognak, ha összekapcsolódtak.

powertrain step4Itt láthatjátok a darukar hosszabbító funkcióhoz szükséges áttételezést, amelynél igazi kihívást jelentett a forgó és az álló kereszttengelyek egymáshoz viszonyított helyzetének kidolgozása.

powertrain step9Itt láthatjátok a darukar áttételezését. A darukar egy 12 cm-es kereszttengelyen tud elfordulni, amelyre egy 20 fogú, szabadonfutó kúpfogaskereket szereltünk. Mivel a kereszttengely viseli a darukar teljes súlyát, szabadonfutó kúpfogaskereket választottunk, hogy a súrlódás a lehető legkisebb legyen. Hasonlóképpen, az 1:3 áttételű kapcsolókerék is biztonsági okok miatt került ide – a szerkezet nélkül, ha elfelejtenénk leállítani a darukar kinyújtását végző csigakereket, túl nagy mechanikus terhelés jutna a felépítményre, és akár egyes elemek el is törhetnének! A csigakerék megakadályozza a darukar lecsúszását és segít csökkenteni a sebességet, ezáltal nagyobb erő juthat a darukar kinyújtásának nehéz feladatára. A forgás átalakítása egyenes mozgássá lehetővé teszi fogaslécek használatát a darukar kinyújtás második fokozatában.

powertrain step7 Itt kapcsolódik a csörlő, amely áthalad két statikus tengely fölött és 1,67 szeres 20 és 12 fogú kerekekből álló gyorsító áttétele van. A csörlő retesze egy csigakerékből és egy kapcsolókerékből áll. A csigakerék megakadályozza, hogy a csörlő forogjon akkor, ha a funkció nincs bekapcsolva. A kapcsolókerék megakadályozza a túl nehéz terhek emelését, és a horgot is leállítja, hogy ne akadjon bele a csörlőbe.

powertrain step 8Itt láthatjátok a darukar emelő funkcióját összekapcsolva. Mivel ez nagy nyomatékot igényel, 1:3 csökkentő áttételt választottunk, 8 és 24 fogú kerekek felhasználásával. Az erő átadására négy forgó tengelyt használunk. Itt nem használunk kapcsolókereket, mert a lineáris működtető elembe be van építve.

powertrain step 6Itt láthatjátok a támasztótalp funkciót összekapcsolva. Ez egy álló tengelyen keresztül egy 16 modulos kereszttengelyhez két 12 fogú, 1:1 áttételű kúpfogaskerékkel kapcsolódik, amelyek a daru alvázán lévő forgócsuklóhoz csatlakoznak. Ezt egy különleges kialakítású merevítő elemmel is kiegészítettük, hogy a két fogaskerék biztosan jól fusson együtt.

chassis side viewHa az oldala fel van helyezve, az alváz teljesen burkoltnak tűnik. Az alváz négy rétegből épül fel, hogy minden biztosan a legjobb helyre kerüljön.

chassis side view motor strokeA legalsó réteg tartja a dugattyús motor hajtásláncát. A forgást egy 16 fogú fogaskerekekből álló öt kereket tartalmazó sor továbbítja.

chassis side view steeringA második réteg ad helyet a kormányműnek, amely az alváz teljes hosszában, középen helyezkedik el – a nehéz feladatot itt az erőnek a támasztótalp modulokra történő átvitele jelentette.

chassis side view outriggers strokeA harmadik réteg tartalmazza a támasztótalpak vezérléseit, amely a második réget áttételezését is felhasználja a támasztótalp modulok kiterjesztéséhez.

chassis side view feet stroke A negyedik réteg emeli fel és engedi le a támasztótalpakat.

chassis 1 1Itt láthatjátok az alvázat 3D-ben – a többszörös funkciók középen futnak le, ebben van a kormányszerkezet is, amelyet a modell hátsó végéről irányítunk. A modell elején és végén elhelyezett támasztótalpak miatt egy működőképes, de mégis erős alváz megtervezése óriás kihívást jelentett.

chassis step 2 gearboxAz erő a forgócsuklón keresztül jut az alvázra három kúpfogaskerék és egy 90 fokos elfordulás kombinációja révén. A kapcsolókerék beépítéséhez, a forgást a középpont felé kellett irányítanunk, majd ismét vissza 8 és 24 fogú fogaskerekek felhasználásával.

chassis step 4 feet 2Az első változatokban, mivel a kis lineáris működtető elemeknek beépített tengelykapcsoló funkciójuk van, a kapcsolókerék a támasztótalpak kinyújtására használt hajtásláncban helyeztük el. Ez túl sok energiát használt el, ezért a kapcsolókereket a sebességváltó egységek elé helyeztük, így ez most mindkét funkcióban működik.

chassis step 5 steering stroke 2 Egy másik megoldandó feladat a támasztótalpak szinkronizálása volt. Ezt úgy oldottuk meg, hogy mindkét támasztótalpat meghajtó pozícióba toltuk, majd az egyik 16 fogú fogaskereket a helyére toltuk, ezzel összekapcsolva a szinkronizálást – ez elég trükkösnek bizonyult, mert ezt kétszer kellett megtennünk!

Mivel a támasztótalpak a modell mindkét oldalán kinyúlnak, a fogaskerekeknek ellentétesen kellett forogniuk. Ennek kezelésére, a központtól egy modullal eltolva helyeztünk el két 16 fogú fogaskerekek (így ezek ellentétes irányban forognak!), majd továbbítottuk a forgást a 20 fogú kerekekre, amelyek a 12 fogú fogaskerekeket hajtják, ezek pedig a támasztótalpakat mozgatják befelé és kifelé.

chassis step 3 outtriggers 2

chassis step 3 outriggers detail stokeA támasztótalpakat egy új fejlesztésű, súrlódásmentes 8 fogú fogaskerék szabályozza, amely a kereszttengelyeken csúszik el, amikor a támasztótalpak ki vannak nyújtva – egy igazán menő funkció, amelyek máshol, későbbi modelleken is fel fogunk használni.

chassis step 4 feet 2Egy ennyire hosszú modell esetében a kormányszerkezet kifejlesztése rendkívüli feladat, mert mindegyik tengely saját, egyéni kormányzási szöget igényel. Azért, hogy a modellt elég egyszerűen meg lehessen építeni, egy olyan tengelyt használtunk, amelyet állítható karokkal szereltünk fel, ahol a hosszabb kar kevésbé fordítja el a kerekeket, mint a rövidebb kar. A középső tengely előtt lévő tengelyeknek a hátsó tengelyekkel ellentétes irányban kell elfordulniuk. Ez a feladatot úgy oldottuk meg, hogy a fogaslécet a tengely ellentétes végén helyeztük el.

chassis step 5 steering stroke 2
chassis step 6 motor strokeTalán a dugattyús hajtás kifejlesztése volt a legkönnyebb. A differenciálmű hajtja a tengelyt egészen a daru alvázának elejéig, ahol az erőt továbbítjuk az alváz tetejére egy öt tagból álló, 16 fogú fogaskeréksor felhasználásával.

Ez minden! Köszönjük, Markus! Ha bármilyen kérdésed lenne az MKII autódaru fogaskerekeivel, vagy bármilyen LEGO® Technic témával kapcsolatban, fordulj hozzánk bátran – és ne felejts el visszatérni ide, hogy elolvasd a következő akciódús blogbejegyzésünket!