Cách hộp số vạn năng điều chỉnh mô-men xoắn và tốc độ để phù hợp với các yêu cầu tải khác nhau

Trong thế giới máy móc, từ máy giặt khiêm tốn đến các ổ bánh băng mạnh mẽ trong một nhà máy, tồn tại một công việc có mặt khắp nơi: hộp số phổ quát . Chức năng cốt lõi của nó rất đơn giản nhưng quan trọng về cơ bản là đóng vai trò trung gian giữa nguồn điện (như động cơ điện) và tải trọng, đảm bảo rằng động cơ chạy hiệu quả trong khi nhiệm vụ được thực hiện hiệu quả.

Sự đánh đổi cơ bản: Hiểu mô-men xoắn và tốc độ

Trước khi lặn vào hộp số, người ta phải nắm bắt mối quan hệ bất biến giữa mô -men xoắn và tốc độ quay. Nói một cách đơn giản:

Tốc độ (RPM): Số lượng vòng quay Trục đầu ra làm cho mỗi phút. Tốc độ cao có nghĩa là một cái gì đó đang quay nhanh.

Mô -men xoắn: Một lực xoắn gây ra vòng quay. Hãy nghĩ về nó như là cơ bắp của người Hồi giáo hoặc sức mạnh kéo. Mô -men xoắn cao là cần thiết để bắt đầu di chuyển tải nặng, nâng trọng lượng hoặc nghiền nát vật liệu.

Mối quan hệ được điều chỉnh bởi Luật bảo tồn năng lượng . Năng lượng (hoặc năng lượng, là năng lượng theo thời gian) không thể được tạo ra hoặc phá hủy, chỉ được chuyển đổi. Trong một hệ thống hoàn toàn hiệu quả:

Sức mạnh trong ≈ power out

Vì công suất cơ học được tính là Mô -men xoắn (τ) × Tốc độ quay () , phương trình trở thành:

(Torque_in × Speed_in)

Điều này cho thấy nguyên tắc cốt lõi: Đối với công suất đầu vào không đổi, mô -men xoắn và tốc độ tỷ lệ nghịch. Bạn không thể tăng cả đồng thời từ một nguồn năng lượng cố định. Hộp số là công cụ cho phép bạn chọn sự cân bằng giữa chúng.

Để tăng mô -men xoắn: Bạn phải giảm tốc độ đầu ra.

Để tăng tốc độ: Bạn phải giảm mô -men xoắn đầu ra.

Một hộp số phổ quát về cơ bản là một bộ chuyển đổi tốc độ mô-men xoắn, cho phép một động cơ hoạt động ở tốc độ RPM tối ưu, hiệu quả trong khi cung cấp lực mô-men xoắn cao, tốc độ thấp theo yêu cầu của tải.

Các thành phần cốt lõi: Làm thế nào bánh răng tạo ra lợi thế cơ học

Một hộp số đạt được chuyển đổi này thông qua một hệ thống bánh răng. Ba thành phần chính liên quan là:

Trục đầu vào: Kết nối trực tiếp với động cơ, nhận điện ở tốc độ và mô -men xoắn của động cơ.

Bánh răng có kích thước khác nhau: Đây là những trái tim của hệ thống. Bánh răng là bánh xe răng kết hợp với nhau để truyền năng lượng và chuyển động.

Trục đầu ra: Kết nối với tải (ví dụ: bánh xe, máy trộn, đai băng tải), cung cấp tốc độ và mô -men xoắn sửa đổi.

Lợi thế cơ học đến từ sự khác biệt về số lượng răng trên các bánh răng chia lưới. Sự khác biệt này được gọi là Tỷ lệ bánh răng .

Sự kỳ diệu của tỷ lệ bánh răng

Tỷ lệ bánh răng là tính toán cơ bản chỉ ra hành vi của hộp số. Nó được định nghĩa là:

Tỷ lệ bánh răng = Number of Teeth on Driven Gear / Number of Teeth on Driving Gear

Nó cũng có thể được tính toán bằng cách sử dụng tốc độ đầu vào và đầu ra:

Tỷ lệ bánh răng = Input Speed (RPM) / Output Speed (RPM)

Hãy để kiểm tra hai kịch bản chính:

Kịch bản 1: Giảm tốc độ cho phép nhân mô -men xoắn (trường hợp phổ biến nhất)

Đây là những gì xảy ra khi một thiết bị nhỏ (thiết bị lái xe hoặc đầu vào của người dùng) điều khiển một thiết bị lớn hơn (thiết bị đầu ra của máy điều khiển hoặc đầu ra).

Hoạt động: Các bánh răng đầu vào nhỏ quay nhanh nhưng với mô -men xoắn tương đối thấp. Đối với mỗi vòng quay đầy đủ mà nó tạo ra, nó chỉ tham gia và biến thiết bị lớn hơn một phần của một lượt.

Kết quả: Tốc độ đầu ra là giảm . Tuy nhiên, vì bánh răng lớn hơn có nhiều răng hơn, nên lực được phân phối trong bán kính lớn hơn, dẫn đến một Tăng mô -men sản xuất .

Sự tương tự trong thế giới thực: Hãy nghĩ về một chiếc xe đạp trong thiết bị thấp nhất của nó. Bạn đạp nhiều lần (tốc độ đầu vào cao) để làm cho bánh sau quay lại một vài lần (tốc độ đầu ra thấp). Điều này cho phép bạn áp dụng mô -men xoắn lớn cho bàn đạp để leo lên một ngọn đồi dốc.

Kịch bản 2: Tăng tốc độ giảm mô -men xoắn

Đây là điều ngược lại, nơi một thiết bị lớn điều khiển một thiết bị nhỏ hơn.

Hoạt động: Các bánh răng đầu vào lớn quay chậm. Đối với mỗi vòng quay đầy đủ, nó đẩy các thiết bị nhỏ hơn thông qua nhiều vòng quay.

Kết quả: Tốc độ đầu ra là tăng , nhưng mô -men xoắn đầu ra là giảm .

Sự tương tự trong thế giới thực: Đây giống như một chiếc xe đạp trong thiết bị cao nhất của nó. Một đột quỵ bàn đạp (tốc độ đầu vào thấp) làm cho bánh sau quay nhiều lần (tốc độ đầu ra cao), hoàn hảo cho hành trình phẳng, tốc độ cao, nơi cần ít mô-men xoắn hơn.

Các loại hộp số phổ quát và cơ chế điều chỉnh của chúng

Thuật ngữ phổ quát của người Viking ngụ ý khả năng thích ứng. Các thiết kế hộp số khác nhau đạt được khả năng thích ứng này theo những cách khác nhau để phù hợp với các ứng dụng khác nhau.

1. Hộp số tỷ lệ bước (hộp số tay)

Cách nó hoạt động: Loại này chứa nhiều bộ bánh răng với tỷ lệ cố định, được xác định trước. Toán tử (hoặc một hệ thống tự động) thay đổi vật lý giữa các bộ này.

Điều chỉnh cho tải: Để xử lý tải thay đổi, bạn chọn một thiết bị khác. Bắt đầu một chiếc xe hạng nặng đòi hỏi thiết bị 1 (tỷ lệ cao, mô -men xoắn cao, tốc độ thấp). Sau khi di chuyển, bạn chuyển sang thứ 2, sau đó là thứ 3, v.v., mỗi lần giao dịch một số mô -men xoắn tiềm năng cho tốc độ cao hơn. Điều này giữ cho động cơ trong dải điện hiệu quả của nó.

2. Truyền biến liên tục (CVT)

Cách nó hoạt động: Thay vì các bánh răng cố định, CVT sử dụng đai hoặc chuỗi chạy giữa hai ròng rọc có đường kính biến. Khi tải thay đổi, chiều rộng ròng rọc điều chỉnh động, thay đổi tỷ lệ bánh răng hiệu quả trên mạng.

Điều chỉnh cho tải: Hệ thống này cung cấp vô số tỷ lệ trong một phạm vi cụ thể. Nó liên tục và tự động tìm thấy tỷ lệ hiệu quả nhất để phù hợp với sức mạnh của động cơ với nhu cầu tải, cho dù là tăng tốc nhanh (tỷ lệ thấp) hoặc hành trình tiết kiệm nhiên liệu (tỷ lệ cao).

3. Hệ thống bánh răng hành tinh

Cách nó hoạt động: Hệ thống nhỏ gọn và mạnh mẽ này bao gồm một thiết bị trung tâm của Sun Sun, nhiều bánh răng của hành tinh trên hành tinh được đặt trong một hãng vận tải hành tinh, và một thiết bị vòng ngoài. Bằng cách khóa, lái xe hoặc giữ các thành viên khác nhau của hệ thống này, các tỷ số bánh răng khác nhau (bao gồm cả ngược và trung tính) đã đạt được.

Điều chỉnh cho tải: Được sử dụng trong truyền tự động, máy trộn công nghiệp và tời, hệ thống có thể được điều khiển bằng thủy lực hoặc điện để chuyển đổi giữa các chế độ hoạt động, cung cấp sự kết hợp đúng của mô -men xoắn và tốc độ cho nhiệm vụ ngay lập tức.

Đặt tất cả lại với nhau: một ứng dụng thực tế

Xem xét a Máy trộn xi măng .

Động cơ: Một động cơ điện tiêu chuẩn quay hiệu quả ở tốc độ cao (ví dụ: 1.750 vòng / phút) nhưng với mô -men xoắn tương đối thấp.

Tải: Trống đầy bê tông ướt là vô cùng nặng và thể hiện tải trọng quán tính cao để di chuyển. Nó cần phải xoay chậm, vào khoảng 30 vòng / phút, nhưng với mô -men xoắn rất cao để tạo ra hỗn hợp dày đặc.

Hộp số phổ quát thu hẹp khoảng cách này. Nó sử dụng tỷ lệ bánh răng cao (ví dụ: 1750 /30 58: 1). Động cơ quay vui vẻ ở tốc độ cao được thiết kế, truyền năng lượng vào hộp số. Bên trong, một loạt các thiết bị giảm đáng kể tốc độ đầu ra xuống 30 vòng / phút an toàn và hiệu quả. Điều quan trọng, theo nguyên tắc bảo tồn công suất, tốc độ giảm gấp 58 lần này dẫn đến mức xấp xỉ 58 lần tăng trong mô -men xoắn (trừ tổn thất hiệu quả nhỏ). Mô -men xoắn nhân lên này là những gì cung cấp cơ bắp to lớn cần thiết để trộn bê tông.

Phần kết luận

Một hộp số phổ quát không phải là một nguồn năng lượng mà là một thông dịch viên bậc thầy về nó. Nó tôn trọng các định luật cơ bản của vật lý, giao dịch một đặc điểm cho một đặc điểm khác để đảm bảo rằng nguồn năng lượng và tải trọng được khớp hoàn hảo. Bằng cách hiểu mối quan hệ nghịch đảo giữa mô -men xoắn và tốc độ và vai trò then chốt của tỷ lệ bánh răng, người ta có thể đánh giá cao cách thiết bị khéo léo này cho phép một động cơ duy nhất, hiệu quả thực hiện một loạt các nhiệm vụ từ độ chính xác tinh tế của một thiết bị y tế đến lực lượng vũ phu của máy móc công nghiệp. Đó là một minh chứng cho sức mạnh lâu dài của các nguyên tắc cơ học đơn giản được áp dụng với kỹ thuật tuyệt vời.