Markus Kossman

Virrigt om vridmoment – kugghjulens dolda styrka

december 27
2013
Virrigt om vridmoment – kugghjulens dolda styrka

Fundera på det här – LEGO® TECHNIC skulle inte vara så tekniskt, eller så kul att bygga – utan det ödmjuka kugghjulet, en smart uppfinning som användes för första gången för mer än 2 300 år sedan.

Kugghjul och drev, i olika moderna tolkningar, är en viktig del av LEGO® TECHNIC, men de har också en viktig roll i praktiskt taget allt mekaniskt som du någonsin kommer i kontakt med. När du använder något som innehåller snurrande delar använder du nästan säkert kugghjul, även om det – som i LEGO® TECHNIC modeller – inte är helt uppenbart!

Vad gör kugghjulen, i allt från skruvdragare till Power Functions och klockor till mobilkranar?!? Läs vidare för en kort introduktion till kugghjulens värld och för att se alla otroliga – och överraskande –sätt kugghjul används i den fantastiska Mobilkran MKII.

Varför behöver vi kugghjul?

Kugghjul gör alla möjliga olika mekaniska jobb, det viktigaste kallas utväxling: en liten motor kan generera ganska mycket effekt, men ofta inte tillräckligt för att skapa en vridande kraft, eller ett vridmoment. Genom att sänka motorns uteffektshastighet ökar vridmomentet. Ett litet motordrivet verktyg, till exempel en skruvdragare, skulle aldrig fungera utan kugghjul.

Förutom att dra ned (eller öka) rotationshastigheten används kugghjul ofta för följande uppgifter:
  • För att ändra rotationens riktning
  • För att flytta rotationsrörelsen till en annan axel
  • För att hålla rotationen av två axlar synkroniserad

Många Technic modeller, inte minst de som använder Power Functions, är beroende av att flera kugghjul och transmissioner för att fungera. Innan vi tittar närmare på hur kugghjulen fungerar på Mobilkran MKII (där finns det många kugghjul!) ska vi ta upp några andra saker:
Kugghjul finns i alla former och storlekar!

spur gearsKugghjul med raka kuggar är den vanligaste typen. De har alltså raka kuggar och är monterade på parallella axlar. Kugghjul med raka kuggar används tillsammans för att skapa stor utväxling. Typiska tillämpningar: skruvdragare, tvättmaskiner, klockor, allt du kan tänka dig!

Snedskurna kugghjul liknar kugghjulen med raka kuggar förutom att kuggarna sitter i vinkel, vilket ger snedskurna kugghjul mer kontakt på samma yta. Snedskurna kugghjul är jämnare och tystare öb kugghjul med raka kuggar. Typisk tillämpning: biltransmission.

bevel gears

Koniska kugghjul är användbara när riktningen på en axels rotations ska ändras. De monteras ofta på axlar med 90 graders mellanrum, men de kan utformas så att du fungerar i andra vinklar också. Typiska tillämpningar: drivlinor i tåg, flygplan och bilar!

tandstangSnäckskruv används för att överföra kraft i 90° och där hög utväxling krävs. Många snäckskruvar delar en unik egenskap: snäckan kan enkelt vrida kugghjulet, men kugghjulet kan inte vrida snäckan – mycket praktiskt, som du ska få se i Mobilkran MKII nedan! Typisk tillämpning: styrmekanism, vinsch (tänk Mobilkran II!).

Kuggstång är ett kugghjul som används för att överföra kraft och rörelse i linjärt. Typisk tillämpning: bilstyrning.

Kedjehjul används för att driva kedjor och remmar. Typisk tillämpning: transportband.

Utväxlingsförhållande, typer och … kuggar!

Nyckeln till att hantera rörelse och kraft ligger i utväxlingsförhållanden. Sätt ihop ett stort kugghjul med ett litet och rotera dem – den hastighet de snurrar i förhållande till varandra kallas utväxlingsförhållandet. På ett kugghjul bestäms utväxlingsförhållandet av avståndet från kugghjulets mittpunkt till kontaktpunkten. Vi säger att vi har en maskin med två kugghjul. Om ett kugghjul har dubbelt så stor diameter som den andra blir utväxlingsförhållandet 2:1. Om båda kugghjulen har samma diameter roterar de i samma hastighet(1:1), och så vidare upp till hundratal och till och med tusental till ett!

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

 

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

 

worm gear ratioSnäckskruv utväxling 1:8, 1:24 (snäckskruven räknas som ett kugghjul).

Vikten av bra tänder!

En sista sak innan vi går vidare till den stora kranen – hur ser dina tänder ut? Raka, spiral- eller hypoidformade? Kanske evolventa? Förhoppningsvis är de raka (fast spiralformade tänder kunde vara kul)!

Kugghjul och kuggar (träpluggar från början) hör ihop som LEGO(c) och TECHNIC. Olika kugghjul – och olika behov – kräver olika typer av kuggar (med en del konstiga namn, som vi såg ovan). Den viktigaste punkten om kuggar och kugghjul är nog ändå formen. Glapp, eller felaktigt utformade kuggar, innebär konstant ändrad utgångsvarvtal. Det är okej i vissa saker (i klockar till exempel), men inte för andra (fordon!). Motordreven måste passa ihop så exakt som möjligt, och det är här den så kallade evolventa kuggprofilen kommer in i bilden, med kuggar som är utformade för att hela tiden ge maximal kontakt mellan kugghjulen.

Nu går vi vidare från teori till praktik!

För att sätta in allt det ovanstående i någon sorts sammanhang bad vi Senior TECHNIC Designer Markus Kossmann beskriva de viktigaste kugghjulskonstruktionerna i Mobilkran MKII, så att du kan se hur kugghjulen fungerar i vekligheten, eller åtminstone i LEGO© TECHNIC … ;-)

Markus, över till dig:

I Mobilkran MKII används 127 kugghjul för att driva alla funktioner. Det är det högsta antalet kugghjul vi någonsin har använt i en Technic(r) modell. Vi börjar med den viktiga motorn i kranhytten där jag ska vi hur några av dem fungerar här:

step 1 powertrain

För att hantera vridmomentet valde vi utväxlingsförhållandet 12:20. De olika kranfunktionerna behöver olika varvtal och vridmoment. Att hitta den rätta balansen är viktigt för att man inte ska tappa energi.

Att överföra rotation till växlingen, som sitter på andra sidan hytten för att få mer utrymme, krävde en serie med fem kugghjul med 16 kuggar vardera. Vissa funktioner kräver mycket effekt, andra mindre, så det var viktigt att se till att endast en funktion i taget kunde användas. För enkel åtkomst sitter växlingen på en tväraxel och har fyra separata positioner för att koppla in funktionerna separat.

step 2 powertrain

Här kan du se växlingen. Det mörkgråa kugghjulet med 16 kuggar roterar endast när det är inkopplat.

powertrain step4

Här kan du se kugghjulen som behövs för funktionen att förlänga armen – det var en utmaning att få till rätt placering på de roterande och fasta tväraxlarna!

powertrain step9

Här kan du se kranarmsväxlingen. Kranarmen sitter med gångjärn på en 12 cm lång tväraxel med ett fritt löpande koniskt kugghjul med 20 kuggar. Eftersom tväraxeln tar vikten av hela kranarmen valde vi ett fritt löpande koniskt kugghjul för att minimera friktionen. Det kopplade kugghjulet med utväxlingsförhållandet 1:3 sitter även det där av säkerhetsskäl – om det inte fanns där och om man glömde att stoppa snäckskruven som används för att fälla ut kranarmen skulle det bli en hög belastning på strukturen och vissa delar skulle till och med kunna gå sönder! Snäckskruven förhindrar att kranarmen glider ned och hjälper till att sänka varvtalen, alltså att spara kraften till den tunga arbetet att förlänga armen. En överföring av rotationskraft till linjär kraft gör att tandade stänger kan användas i den andra fasen av armförlängningen.

powertrain step7

Här är vinschen inkopplad. Den passerar över två statiska axlar och växlas upp 1,67 gånger, med kugghjul med 20 och 12 kuggar. Vinschlåset använder en snäckskruv tillsammans med kopplingsväxling. Snäckskruven förhindrar att vinschen snurrar när funktionen inte är inkopplad. Kopplingsväxlingen förhindrar att för tunga laster lyfts, och att kroken fastnar i vinschen.

powertrain step 8

Här kan du se kranarmsliften inkopplad. Det kräver ett stort vridmoment så vi valde ett utväxlingsförhållande på 1:3 med kugghjul med 8 och 24 kuggar. Vi använde fyra roterande axlar för att överföra kraften. Ingen kopplingsväxling krävs här eftersom det linjära styrdonet har en inbyggd.

powertrain step 6

Här kan du se stödbensfunktionen inkopplad. Den är kopplad via en statisk axel till en tväraxel i 16 moduler med två koniska kugghjul med 12 kuggar och 1:1 utväxling som kopplar till kranchassits vridplatta. Vi har lagt till specifikt designade spänndelar som ser till att de två kugghjulen rör sig väl mot varandra.

chassis side view

Från sidan ser chassiet fullpackat ut. Det är uppbyggt i fyra lager för att få alla delar på rätt plats.

chassis side view motor stroke

Det understa lagret har drivkedjan med kolvmotor. Rotationen överförs med en serie om fem kugghjul med 16 kuggar.

chassis side view steering

På det andra lagret finns styrningen, centralt placerad längs med hela chassit – här låg utmaningen i att överföra kraften till stödbensmodulerna.

chassis side view outriggers stroke

På det tredje lagrets styrs stödbenen, som även använder det andra lagrets kugghjul för att fälla ut stödbensmodulerna.

chassis side view feet stroke

Det fjärde lagret används för att höja och sänka stödbenens fötter.

chassis 1 1

Här kan du se en 3D-vy av chassit – flera funktioner löper längs mitten, bland annat styrning som kontrolleras från modellens baksida. Med stödbenen placerade på modellens framsida och baksida var det en enorm utmaning att skapa ett funktionellt och ändå stark chassi.

chassis step 2 gearbox

Kraften överförs via vändplattan till chassit med hjälp av en kombination av tre koniska kugghjul och en 90 graders rotation. För att integrera kopplingsväxlingen måste rotationen riktas till mitten och sedan tillbaka igen med kugghjul med 8 och 24 kuggar.

chassis step 4 feet 2

Eftersom de små linjära drivdonen har en inbyggd kopplingsfunktion placerade vi i de tidiga versionerna kopplingsväxlingen i drivlinan som används för att fälla ut stödbenen. Det förbrukade för mycket kraft så vi tvingades flytta kopplingsväxlingen framför kugghjulsväxlingen, så att båda funktionerna fungerar.

chassis step 5 steering stroke 2

Ett annat problem vi stod inför var hur vi skulle synkronisera stödbenen. Vi löste det genom att trycka in båda stödbenen i körposition och sedan skjuta in en av de 16 kuggarna på plats så att benen synkroniserades – det var ganska knepigt eftersom vi var tvungna att göra det två gånger!

chassis step 3 outtriggers 2

chassis step 3 outriggers detail stoke

Eftersom stödbenen fälls ut från båda sidor av modellen måste kugghjulen snurra i olika riktning. Vi löste det genom att placera två kugghjul med 16 kuggar en modul från mitten (så att de roterar åt motsatt håll!) och sedan överföra rotationen till kugghjulen med 20 kuggar som driver kugghjulen med 12 kuggar, som alltså flyttar stödbenen in och ut.

chassis step 4 feet 2

Stödbenen styrs med ett nyutvecklad, friktionslöst kugghjul med 8 kuggar som glider på tväraxlarna när stödbenen fälls ut – en cool funktion som vi kommer att använda igen i framtida modeller.

chassis step 5 steering stroke 2Att utveckla styrningen för en så lång modell är krävande eftersom varje axel kräver sin egen individuella styrvinkel. För att modellen ska vara enkel nog att bygga använde vi en enda axel med reglerbara stänger där långa stänger vrider hjulen mindre än korta stänger. Axlarna som sitter framför mittenaxeln måste vridas åt motsatt håll i förhållande till bakaxlarna. Problemet löstes genom att kugghjulen placerades på motsatt sida av axeln.

chassis step 6 motor stroke

Kolvdrivningen var kanske den enklaste funktionen att utveckla. Differentialen driver axeln hela vägen fram till kranchassits front, där kraften överförs till chassits översida med sen serie av fem kugghjul med 16 kuggar.

Och det var alltsammans! Tack Markus! Tveka inte att kontakta oss om du har någon fråga om kugghjulen Mobilkran MKII eller något annat som handlar om LEGO® Technic. Och kom ihåg att komma hit igen och läsa nästa actionfyllda blogginlägg!