ΒΡΕΙΤΕ ΜΑΣ ΣΤΟ FACΕBOOK (Ηλεκτρολογικές Ενημερώσεις) ΚΑΙ ΚΑΝΤΕ LIKE

Πέμπτη, 11 Μαΐου 2017

Μηχανικά συστήματα μετάδοσης κίνησης κινητήρων



Εισαγωγή

Η μετάδοση κίνησης είναι ένας σημαντικός τομέας μελέτης. Η σπουδαιότητά του φαίνεται από το γεγονός ότι σε κάθε μηχανοκατασκευή - μηχανή, συσκευή, μηχανισμό, εργαλειομηχανή κ.ά. συναντούμε κάποιο σύστημα μετάδοσης κίνησης. Όλα τα συστήματα μετάδοσης, από το απλό σύστημα αλυσοκίνησης στα ποδήλατα μέχρι τα πολύπλοκα αυτόματα κιβώτια ταχυτήτων αυτοκινήτων, έχουν ένα βασικό χαρακτηριστικό γνώρισμα: Χρησιμοποιούνται για να συνδέσουν την πηγή κινητικής ενέργειας με το σύστημα παραγωγής ωφέλιμου έργου.


Εκτός από το βασικό σκοπό που εξυπηρετούν, τα συστήματα μετάδοσης κίνησης χρησιμοποιούνται και για ένα ή περισσότερους από τους ακόλουθους λόγους:

 -Για τη ρύθμιση της ταχύτητας περιστροφής μιας μηχανοκατασκευής η οποία χρησιμοποιεί σαν πηγή κινητικής ενέργειας κινητήρα σταθερής περιστροφής.
 -Για την αυξομείωση-ρύθμιση της στρεπτικής ροπής του κινητήρα ώστε να καλύπτονται οι λειτουργικές ανάγκες της μηχανοκατασκευής.
 -Για τη σύνδεση περισσότερων από μιας μηχανών-συσκευών με τον ίδιο κινητήρα.
 -Για τη μετατροπή της ομαλής περιστροφικής κίνησης του κινητήρα σε άλλες μορφές κίνησης (ευθύγραμμη, ευθύγραμμη παλινδρομική, περιστροφική βηματική κ.ά).


Τα συστήματα μετάδοσης κίνησης μπορούν να ταξινομηθούν στις ακόλουθες κατηγορίες:
1. Μηχανικά συστήματα.
2. Υδραυλικά συστήματα.
3. Πνευματικά
4. Ηλεκτρικά συστήματα.

Τα μηχανικά συστήματα μετάδοσης κίνησης είναι τα πιο διαδομένα και χρησιμοποιούνται περισσότερο απ' όλα τ' άλλα συστήματα. Όλα τ' άλλα συστήματα χρησιμοποιούνται κατά κανόνα σε συνδυασμό με μηχανικά συστήματα.

Τα συστήματα μετάδοσης κίνησης που θα μελετήσουμε περιλαμβάνονται στα μηχανικά συστήματα και είναι τα ακόλουθα: 
1. Ιμαντοκίνηση.
2. Αλυσοκίνηση.
3. Οδοντοκίνηση.
4. κόμπλερ


Τροχαλίες

Η τροχαλία είναι κυκλικός δίσκος περιστρεφόμενος γύρω από άξονα (άτρακτο) διερχόμενο από το κέντρο του δίσκου και κάθετο στο επίπεδό του. Ο άξονας αυτός συνήθως είναι γερά συνδεδεμένος με το δίσκο και στηρίζεται στη λεγόμενη τροχαλιοθήκη. Κατά μήκος της περιφέρειας της τροχαλίας υπάρχει αυλάκι (λαιμός), εντός του οποίου διέρχεται  συνήθως ιμάντας.

Ως υλικό κατασκευής των τροχαλιών χρησιμοποιείται ο χυτοσίδηρος αλλά και κράματα αλουμινίου ή χάλυβα. Τα ελαφρότερα υλικά εφαρμόζονται περισσότερο για ιμαντοκίνηση σε οχήματα.



1. Ιμάντες

Για να παραλάβει μία άτρακτος περιστροφική κίνηση από μία άλλη, η οποία βρίσκεται σε αρκετή απόσταση, χρησιμοποιείται ως μέσο μετάδοσης κίνησης ο ιμάντας (λουρί).
Κατά κύριο λόγο χρησιµοποιούνται για συζεύξεις µεγάλων αποστάσεων και για ισχύ που δεν είναι τόσο µεγάλη, αυτό βέβαια µε την εξέλιξη της τεχνολογίας των υλικών αλλάζει σταδιακά.

Τα μέρη ενός απλού συστήματος ιμαντοκίνησης είναι τα ακόλουθα:
(α) Ιμάντας.
(β) Κινητήρια τροχαλία.
(γ) Κινούμενη τροχαλία.

Όπως φαίνεται και στο επόμενο σχήμα ο ιμάντας περιβάλλει εξωτερικά τις δυο τροχαλίες και είναι τεντωμένος με κάποια τάση που ονομάζεται αρχική τάση. 'Οταν η κινητήρια τροχαλία περιστραφεί, μεταξύ της εξωτερικής επιφάνειας της τροχαλίας και της εσωτερικής του ιμάντα αναπτύσσονται δυνάμεις τριβής. Λόγω της τριβής αυτής ο ιμάντας παρασύρεται από την τροχαλία και αποκτά τελικά την ίδια περιφερειακή ταχύτητα μ' αυτή. Από τον κινούμενο ιμάντα η κίνηση μεταδίδεται στην κινούμενη τροχαλία λόγω της τριβής που αναπτύσσεται μεταξύ του ιμάντα και της τροχαλίας αυτής.



Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι η μετάδοση της κίνησης από την κινητήρια στην κινούμενη άτρακτο με ιμαντοκίνηση βασίζεται αποκλειστικά στη δύναμη τριβής, που μπορεί ν' αναπτυχθεί μεταξύ του ιμάντα και των τροχαλιών. Αν η τριβή που αναπτύσσεται δεν είναι ικανοποιητική τότε ο ιμάντας θα γλυστρά (ολισθαίνει) πάνω στην τροχαλία χωρίς κανένα ωφέλιμο αποτέλεσμα.

Η δύναμη τριβής που αναπτύσσεται μεταξύ ιμάντα και τροχαλίας εξαρτάται από τους ακόλουθους παράγοντες:

1. Το αρχικό τάνυσμα (τέντωμα) του ιμάντα (μέγεθος της αρχικής τάσης).
2. Την επιφάνεια επαφής μεταξύ ιμάντα και τροχαλίας.
3. Το υλικό κατασκευής του ιμάντα.
4. Το υλικό κατασκευής της τροχαλίας.


Το αρχικό τάνυσμα του ιμάντα είναι καθοριστικός παράγοντας για την ισχύ που μπορεί να μεταφερθεί από ένα σύστημα ιμαντοκίνησης. Η δύναμη τανύσματος του ιμάντα πρέπει να είναι τέτοια, ώστε η τριβή που θα αναπτυχθεί να αποκλείει ή να περιορίζει την ολίσθηση του ιμάντα πάνω στην τροχαλία. Αν είναι μικρότερη θα παρατηρηθεί απώλεια ισχύος που οφείλεται σε ολίσθηση. Δύναμη τανύσματος μεγαλύτερη από την κανονική δε συνεισφέρει στην αύξηση της μεταφερόμενης ισχύος, αλλά έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση των καταπονήσεων στις ατράκτους και στους τριβείς. Η επιτρεπόμενη δύναμη τανύσματος καθορίζεται σύμφωνα με την αντοχή του ιμάντα.


Είδη ιμάντων

Τα κυριότερα είδη ιμάντων είναι τα ακόλουθα:
1. Επίπεδοι ιμάντες.
2. Τραπεζοειδείς ιμάντες.
3. Οδοντωτοί ιμάντες.
4.Ένα τέταρτο είδος ιμάντων είναι και οι στρογγυλοί. Αυτοί χρησιμοποιούνται για συστήματα με πολύ περιορισμένη ισχύ όπως είναι οι οικιακές συσκευές - πλυντήρια, στεγνωτήρια, ραπτομηχανές κ.ά.



Επίπεδοι ιμάντες.

Οι επίπεδοι ιμάντες έχουν ορθογωνική διατομή και προσφέρονται στο εμπόριο σε τυποποιημένο πλάτος και πάχος. Κατασκευάζονται συνήθως από δέρμα και από ίνες (φυτικές ή άλλες) που υφαίνονται και εμποτίζονται με καουτσιούκ ή πλαστικές ύλες. Επίπεδοι ιμάντες από δέρμα προσφέρονται σε ρολά από τα οποία μπορούμε να κόψουμε το μήκος που επιθυμούμε.
 Τα δυο άκρα συνδέονται με μηχανικά ή άλλα μέσα για να αποτελέσουν τον ατέρμονα ιμάντα. Οι υφαντοί ιμάντες κατασκευάζονται είτε ατέρμονες με τυποποιημένα μήκη είτε σε ρολά όπως και οι δερμάτινοι ιμάντες. Οι επίπεδοι ιμάντες έχουν σε μεγάλο βαθμό εκτοπιστεί από τους τραπεζοειδείς. Υπάρχουν όμως ακόμη αρκετές περιπτώσεις που οι επίπεδοι ιμάντες προσφέρονται σαν ικανοποιητική λύση για μετάδοση κίνησης. Μια περίπτωση που κάμνει τους επίπεδους ιμάντες αναντικατάστατους είναι όταν η απόσταση μεταξύ των κέντρων των ατράκτων είναι πολύ μεγάλη.


Τραπεζοειδείς ιμάντες.

Οι τραπεζοειδείς ιμάντες ονομάζονται έτσι γιατί έχουν διατομή τραπεζίου. Κατασκευάζονται από ίνες που περιβάλλονται από καουτσιούκ. Οι ίνες αυτές μπορεί να είναι φυτικές, συνθετικές ή χαλύβδινες και αποτελούν το βασικό στοιχείο αντοχής των ιμάντων. Προσφέρονται πάντοτε ατέρμονες σε τυποποιημένα μήκη και διαστάσεις. Η τριβή που αναπτύσσεται μεταξύ των κεκλιμένων πλευρών του ιμάντα και της τροχαλίας είναι πολύ μεγαλύτερη απ' αυτή που αναπτύσσεται μεταξύ τροχαλίας και επίπεδου ιμάντα. Αυτός είναι και ο λόγος που το αρχικό τάνυσμα στους τραπεζοειδείς ιμάντες είναι συγκριτικά μικρότερο απ' ότι στους επίπεδους.
Έτσι η καταπόνηση των ατράκτων και τριβέων για την μετάδοση ίσης ισχύος είναι πολύ μικρότερη στους τραπεζοειδείς απ' ότι στους επίπεδους ιμάντες. Είναι επομένως φυσικό ότι με την ίδια δύναμη αρχικού τανύσματος μπορεί να μεταδοθεί μεγαλύτερη ισχύς με τραπεζοειδείς απ' ότι με επίπεδους ιμάντες.
 Οι τραπεζοειδείς ιμάντες είναι πιο εύκαμπτοι από τους επίπεδους και γι' αυτό οι διάμετροι των τροχαλιών τους μπορεί να είναι αισθητά μικρότερες. Προσφέρονται σαν ιδανική λύση, σε ορισμένες περιπτώσεις σαν η μόνη λύση, για την κινηματική σύνδεση ατράκτων με μικρή απόσταση κέντρων. Τα συστήματα μετάδοσης κίνησης με τραπεζοειδείς ιμάντες είναι γενικά πιο αθόρυβα και χρησιμοποιούνται για μεγαλύτερη σχέση μετάδοσης κίνησης απ' ότι τα συστήματα με επίπεδους ιμάντες.


οδοντωτοί ιμάντες

Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα των οδοντωτών ιμάντων σε σχέση με τα άλλα είδη ιμάντων είναι η θετικότητα μετάδοσης κίνησης. (Θετικότητα μετάδοσης κίνησης ονομάζουμε τη μετάδοση κίνησης χωρίς ολίσθηση. Αυτό χαραχτηρίζει όλα τα συστήματα στα οποία η κίνηση μεταδίδεται με εμπλοκή π.χ. οδοντοκίνηση και αλυσοκίνηση). Το στοιχείο αυτό είναι απαραίτητο σε εφαρμογές που η σχέση μετάδοσης κίνησης πρέπει να είναι σταθερή και ανεξάρτητη από τη διακύμανση του φορτίου. Όταν ο συγχρονισμός των στροφών κινητήριας και κινούμενης ατράκτου είναι απαραίτητη προϋπόθεση για τη λειτουργικότητα μιας μηχανής, επιβάλλεται να χρησιμοποιηθεί σύστημα με θετική μετάδοση κίνησης. Τέτοιες περιπτώσεις που παραδοσιακά εξυπηρετούντο με οδοντοκίνηση ή αλυσοκίνηση χρησιμοποιούν σήμερα σε μεγάλο βαθμό τους οδοντωτούς ιμάντες που είναι αθόρυβοι και δε χρειάζονται λίπανση. Οι οδοντωτοί ιμάντες κατασκευάζονται με τα ίδια υλικά που κατασκευάζονται και οι τραπεζοειδείς ιμάντες και είναι πάντοτε ατέρμονες. Έχουν επίπεδη διατομή και στην εσωτερική τους επιφάνεια έχουν οδόντωση για συνεργασία με αντίστοιχη οδόντωση που έχουν οι τροχαλίες. Η μετάδοση της κίνησης δε στηρίζεται στην τριβή μεταξύ ιμάντα και τροχαλίας, αλλά γίνεται με την εμπλοκή των δοντιών του ιμάντα και της τροχαλίας


Διατάξεις ιμαντοκίνησης

Η ιμαντοκίνηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετάδοση κίνησης στις ακόλουθες περιπτώσεις:


1. Μεταξύ παράλληλων ατράκτων με την ίδια φορά περιστροφής. 2. Μεταξύ παράλληλων ατράκτων με αντίθετη φορά περιστροφής.
3. Μεταξύ ασύμβατων μη παράλληλων ατράκτων με γωνία 90° μεταξύ τους (οι προεκτάσεις τους διασταυρώνονται αλλά δεν τέμνονται στο ίδιο επίπεδο).










2. Αλυσίδες 

Με τις αλυσίδες είναι δυνατό να μεταφερθεί η κίνηση από μια άτρακτο σε μια ή περισσότερες άλλες με ομόρροπη ή αντίρροπη φορά στροφής.
Η προφανής προϋπόθεση για να επιτευχθεί η μεταφορά της κίνησης με αλυσίδες είναι κατά πρώτον, όλοι οι τροχοί των αλυσίδων να ευρίσκονται στο ίδιο επίπεδο και κατά δεύτερον, όλες οι άτρακτοι να είναι παράλληλες. Στα συστήματα μετάδοσης κινήσεων με αλυσίδες είναι προτιμότερο οι άτρακτοι να είναι και οριζόντιες διότι έτσι αποφεύγεται η πλευρική υποστήριξη των αλυσίδων που θα χρειαζόταν αν αυτές τοποθετούνταν στο οριζόντιο επίπεδο.
Ένας άλλος περιορισμός που υπάρχει στα συστήματα μετάδοσης κίνησης με αλυσίδες είναι το μέγεθος της περιφερειακής ταχύτητας, το οποίο δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 20 μέτρα το δευτερόλεπτο.
Η περιοχή εφαρμογής των αλυσίδων μπορεί να επεκταθεί με τη χρήση ειδικών συσκευών. Έτσι σε περίπτωση ισχυρών περιοδικών κρούσεων και μεγάλων περιφερειακών ταχυτήτων χρησιμοποιούνται ειδικοί αποσβεστές ταλαντώσεων. Σε περίπτωση πολύ μεγάλων αποστάσεων χρησιμοποιούνται τροχοί στηρίξεως ή ολισθητήρες, οι οποίοι μειώνουν την καταπόνηση της αλυσίδας που προκαλείται από το ίδιον βάρος της.





Η ισχύς που μπορεί να μεταφερθεί με τις αλυσίδες περιορίζεται από τη φθορά των αρθρώσεων που είναι σημαντική σε μέσες ή μεγάλες περιφερειακές ταχύτητες. Ωστόσο, για μικρές ταχύτητες μετάδοσης περιορίζεται από άλλες παραμέτρους όπως για παράδειγμα η περιορισμένη δυναμική αντοχή των τεμαχίων της αλυσίδας. Πάντως για πολύ μεγάλες ταχύτητες καλό είναι να λαμβάνεται υπόψη και η σημαντική προφόρτιση της αλυσίδας εξαιτίας της φυγόκεντρης δύναμης. Σε συστήματα πολλαπλών αλυσίδων, όπως είναι συστήματα αλυσίδων που είναι τοποθετημένες η μια παράλληλα στην άλλη καλό είναι να λαμβάνεται υπόψη η άνιση κατανομή του φορτίου κατά το πλάτος της αλυσίδας και η σημαντικά μεγαλύτερη φθορά η οποία παρουσιάζεται στις αλυσίδες που δεν είναι προφυλαγμένες και δεν λιπαίνονται καλά.

Η μετάδοση των δυνάμεων μεταξύ αλυσίδας και τροχού επιτυγχάνεται απευθείας μέσω των δοντιών του τροχού και των μελών της αλυσίδας με έναν τύπο συνδέσμου που καλείται σύνδεσμος μορφής – δυνάμεων. Χαρακτηριστικό αυτού του τύπου συνδέσμου είναι ότι βασίζεται στη γεωμετρία της εφαρμογής ενός μέλους της αλυσίδας μέσα στο διάκενο μιας οδόντωσης. Η αλυσίδα εφαρμόζει σαν πολύγωνο πάνω σε τροχό. Αυτό όμως προκαλεί μικρές διακυμάνσεις στον πραγματικό μοχλοβραχίονα της περιφερειακής δύναμης. Οι διακυμάνσεις αυτές έχουν επιπτώσεις στην ταχύτητα της αλυσίδας και στη μεταβιβαζόμενη δύναμη. Μια άλλη λειτουργική ιδιαιτερότητα της μετάδοσης με αλυσίδες συνίσταται στο ότι κατά την προσέγγιση και απομάκρυνση της αλυσίδας τα εκάστοτε μέλη της αλυσίδας αποκλίνουν κατά μια ορισμένη γωνία. Από το δημιουργούμενο έργο τριβής προκαλείται και απώλεια ισχύος, αλλά και φθορά των μελών της αλυσίδας. Η φθορά στις αρθρώσεις της αλυσίδας αυξάνει το πραγματικό βήμα, έτσι ώστε η αλυσίδα σταδιακά να εφαρμόζει πάνω σε μεγαλύτερο κύκλο του τροχού. Αν ωστόσο ο κύκλος αυτός υπερβεί τον κύκλο του τροχού τότε η αλυσίδα είναι δυνατό να αποσπασθεί από τον τροχό.


Οι αλυσίδες παρουσιάζουν τα εξής πλεονεκτήματα αλλά και μειονεκτήματα έναντι των ιμάντων:

-Λόγω της ευκαμψίας τους επιτρέπουν τη χρησιμοποίηση τροχαλιών ή τυμπάνων μικρής διαμέτρου
.
-Έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής αλλά λειτουργούν θορυβοδέστερα.

-Οι αλυσίδες μετάδοσης κίνησης μέσω οδοντωτών τροχών χάνουν, με την πάροδο του χρόνου και λόγω τριβής, το ομοιόμορφο συνδυασμό απόστασης μεταξύ των κρίκων και της οδόντωσης με αποτέλεσμα τη βλάβη της τελευταίας.

-Ο αλυσίδες γενικά είναι καταλληλότερες για μικρές ταχύτητες χρήσης πλην όμως υπόκεινται σε θραύσεις σε απότομες εντάσεις και παρουσιάζουν πολύ μικρότερη ελαστικότητα.

-Ο έλεγχος των αλυσίδων πρέπει να γίνεται τουλάχιστον ανά διετία. Σε περίπτωση εντατικής λειτουργίας, κάθε χρόνο. Κατά τον έλεγχο επιθεωρούνται ιδιαίτερα τα σημεία συγκολλήσεως των κρίκων και τα σημεία επαφής των κρίκων, για να διαπιστωθεί η τυχόν φθορά τους.


Συγκρίνοντας τους ιμάντες με τις αλυσίδες


Πλεονεκτήµατα

-Σχεδόν αθόρυβη λειτουργία στους τραπεζοειδής και στους επίπεδους ιμάντες ,όταν µπορεί να αποφευχθεί ο θόρυβος στα σηµεία σύνδεσης.

-Καλύτερη απόσβεση των κρούσεων

-Η διάταξη είναι απλή, χωρίς κιβώτιο οδοντώσεων και λίπανση, χωρίς να χρειάζεται ιδιαίτερη συντήρηση

-Εφαρµόζονται: για άξονες οµόρροπους, αντίρροπους, διασταυρούµενους και για κίνηση περισσοτέρων αξόνων µε ένα ιµάντα(βλέπε Εικόνα 1)

 -Έχουν χρήση για µεγάλες αποστάσεις χωρίς να υπάρχουν ιδιαίτερα όρια στην απόσταση.

-Είναι φθηνότερο σύστηµα.

-Εύκολη αποσύµπλεξη

-Απλή µεταβολή της σχέσης µετάδοσης. Στους επίπεδους ιµάντες µε µετατόπιση του ιµάντα πάνω σε βαθµωτικές ή κωνικές τροχαλίες.(ίδια λογική κιβωτίου ταχυτήτων scooter) (βλέπε Εικόνα 2)




Μειονεκτήµατα

-Μεταβολή της επιµήκυνσης του ιµάντα από τη θερµοκρασία και την υγρασία

-Η παραµένουσα επιµήκυνση οδηγεί πολλές φορές σε ολίσθηση και εκτίναξη του ιµάντα(για εξουδετέρωση απαιτούνται περισσότερα έξοδα)

-Αλλαγή του συντελεστή τριβής µε τη σκόνη ,την ακαθαρσία, το λάδι και την υγρασία.


Ισάξια θεωρούνται :

-Η περιοχή µετάδοσης(i=1έως 8,σε εξαιρετικές περιπτώσεις µέχρι και 20)

-Ο ολικός βαθµός απόδοσης είναι περίπου 95 έως 98%


3. Γρανάζια 

Το σύστημα οδοντοκίνησης είναι το σπουδαιότερο και το πιο πλατιά χρησιμοποιούμενο από τα μηχανικά συστήματα μετάδοσης κίνησης.
 Συστήματα οδοντοκίνησης συναντούμε από τα πιο μικροσκοπικά σε μηχανισμούς ρολογιών μέχρι τεράστιων διαστάσεων σε πλοία και αεροπλάνα. Χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά ισχύος από μερικά mW μέχρι χιλιάδες kW.
Κατασκευάζονται με διάμετρο από μερικά χιλιοστόμετρα μέχρι 10 και περισσότερα μέτρα.


Τα γρανάζια συνιστούν το σημαντικότερο από εκείνα τα στοιχεία μηχανής που περιλαμβάνονται στους μηχανισμούς μετάδοσης κίνησης. Η σύνδεση δύο ατράκτων με τη βοήθεια δύο γραναζιών, όπως είναι σε όλους γνωστό, επιτυγχάνεται με την εμπλοκή των δοντιών του ενός στις εσοχές του άλλου.
Αυτό που είναι ιδιαίτερα σημαντικό είναι ότι το συγκεκριμένο στοιχείο μηχανής που χρησιμοποιείται στη μηχανολογία από τα πρώτα χρόνια της βιομηχανικής επανάστασης επιτυγχάνει να συνδέσει άξονες με οποιαδήποτε σχετική θέση - δηλαδή είτε αυτοί είναι παράλληλοι, είτε είναι τεμνόμενοι, είτε είναι ασύμβατοι – και να μεταδώσει μηχανική ισχύ οποιασδήποτε κλίμακας, από την πιο μικρή ως την πιο μεγάλη, ανεξάρτητα από την ταχύτητα περιστροφής του κινητήριου άξονα, αλλά και ανεξάρτητα από τη σχέση μετάδοσης.



Είδη οδοντοτροχών και διατάξεις ατράκτων

Οι οδοντοτροχοί χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση κίνησης μεταξύ ατράκτων που διατάσσονται στο χώρο με ένα από τους ακόλουθους τρόπους.

1. Παράλληλες άτρακτοι
2. Τεμνόμενες άτρακτοι (οι προεκτάσεις τους τέμνονται στο ίδιο επίπεδο)
3. Ασύμβατες μη παράλληλες άτρακτοι (οι προεκτάσεις τους διασταυρώνονται, αλλά δεν τέμνονται στο ίδιο επίπεδο.



Τύποι γραναζιών

Οι τύποι των γραναζιών αντιστοιχούν στις πολλές διαφορετικές περιπτώσεις μετάδοσης κίνησης και συσχετίζονται άμεσα με τις πιθανές σχετικές θέσεις των συνδεόμενων ατράκτων.

Οι δύο βασικές κατηγορίες οδοντωτών τροχών είναι οι μετωπικοί και οι κωνικοί. Υπάρχουν όμως ορισμένες περιπτώσεις μετάδοσης κίνησης στις οποίες χρησιμοποιούνται κυλινδρικές, ελικοειδείς ή κοχλιωτές οδοντώσεις.
Οι οδοντωτοί τροχοί κατασκευάζονται με κοπή και διαμόρφωση μεταλλικών τεμαχίων. Οι κατεργασίες αυτές πραγματοποιούνται στις κατάλληλες εργαλειομηχανές. Τα αρχικά τεμάχια που κατεργάζονται για να διαμορφωθούν οι τελικές μορφές των διαφόρων τύπων γραναζιών είναι συνήθως κυλινδρικά ή κωνικά.
Όταν οι συνδεόμενοι άξονες είναι παράλληλοι, οι οδοντωτοί τροχοί που χρησιμοποιούνται είναι μετωπικοί. Στην περίπτωση αυτή, η μορφή του αρχικού τεμαχίου είναι κυλινδρική.
Όταν οι συνδεόμενοι άξονες τέμνονται, οι οδοντωτοί τροχοί που χρησιμοποιούνται είναι κωνικοί. Στην περίπτωση αυτή η μορφή του αρχικού τεμαχίου είναι κωνική.
Όταν οι συνδεόμενοι άξονες είναι ασύμβατοι, οι οδοντωτοί τροχοί που χρησιμοποιούνται είναι ελικοειδείς ή κοχλιωτοί. Στην περίπτωση αυτή, η μορφή του αρχικού τεμαχίου μπορεί να είναι κυλινδρική ή υπερβολοειδής.
 

Μετωπικά γρανάζια
 
Η κατηγορία των μετωπικών οδοντωτών τροχών καλύπτει μια τεράστια γκάμα εφαρμογών και περιλαμβάνει πολλούς διαφορετικούς τύπους μετωπικών γραναζιών. Εφόσον το αρχικό τεμάχιο είναι κυλινδρικό, τότε και ο οδοντωτός τροχός συνιστά μια κυλινδρική στεφάνη. Μια πρώτη βασική διάκριση μεταξύ των μετωπικών γραναζιών συνίσταται στο αν και οι δύο συμπλεκόμενες οδοντώσεις είναι εξωτερικές ή μια από αυτές είναι εσωτερική. Στην περίπτωση της εσωτερικής οδόντωσης, τα δόντια διαμορφώνονται στην εσωτερική πλευρά της κυλινδρικής στεφάνης. Μια δεύτερη βασική διάκριση αναφέρεται στον προσανατολισμό των δοντιών. Αν η ακμή της οδόντωσης είναι παράλληλη προς τους συνδεόμενους άξονες, τότε έχουμε την ευθεία οδόντωση. Αν όμως η ακμή των δοντιών σχηματίζει γωνία με τους συνδεόμενους άξονες τότε η οδόντωση είναι κεκλιμένη.
Ένας τύπος κεκλιμένης οδόντωσης είναι η διπλή κεκλιμένη οδόντωση. Στην περίπτωση αυτή η κυλινδρική στεφάνη που συνιστά τον κορμό του γραναζιού είναι χωρισμένη σε δύο συμμετρικά μέρη με διαχωριστικό επίπεδο το κάθετο στον άξονα της οδόντωσης επίπεδο. Έκαστο των δύο μερών έχει σχηματισμένη κεκλιμένη οδόντωση με την διαφορά ότι οι γωνίες των δύο κεκλιμένων οδοντώσεων έχουν αντίθετο πρόσημο (ως προς το διάνυσμα του άξονα της οδόντωσης). Στην περίπτωση που οι δύο κεκλιμένες οδοντώσεις δεν διαχωρίζονται από μια ελάχιστου πλάτους κυλινδρική λωρίδα, τότε σχηματίζουν γωνία και η οδόντωση λέγεται γωνιώδης. Οι μετωπικοί οδοντωτοί τροχοί έχουν μεγάλες δυνατότητες μετάδοσης ισχύος. Μπορούν να μεταδώσουν ισχύ μέχρι 25.000 ίππους με πολύ υψηλό μηχανικό συντελεστή ισχύος που κυμαίνεται από 96% ως 99%. Μπορούν επίσης να μεταδώσουν κίνηση με ταχύτητα περιστροφής μέχρι 100.000 στροφές το λεπτό. Σε μεγάλου μεγέθους και στιβαρής κατασκευής μετωπικές οδοντώσεις η γραμμική ταχύτητα περιστροφής μπορεί να φτάσει τα 200 μέτρα το δευτερόλεπτο. Η σχέση μετάδοσης για ένα ζευγάρι οδοντωτών τροχών μπορεί να φτάσει σε μια μέγιστη τιμή 20, ενώ για δύο ζευγάρια η μέγιστη σχέση μετάδοσης μπορεί να είναι 60.


Κωνικά γρανάζια
 
Οι κωνικοί οδοντωτοί τροχοί χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση κίνησης μεταξύ τεμνομένων αξόνων. Οι συμπλεκόμενες οδοντώσεις είναι πάντοτε εξωτερικές και μπορούν να είναι είτε ευθείες, είτε κεκλιμένες είτε καμπύλες. Οι καμπύλες οδοντώσεις μπορούν να είναι τόξα κύκλου, σπειροειδείς κ.λ.π. Οι τεμνόμενοι άξονες που συνδέονται με κωνικά γρανάζια είναι συνήθως κάθετοι μεταξύ τους. Σε ορισμένες περιπτώσεις οι καμπύλες οδοντώσεις είναι ελικοειδείς. Τα ελικοειδή γρανάζια χρησιμοποιούνται κυρίως στις μεταδόσεις κίνησης μεταξύ ασύμβατων αξόνων. Πάντως η απόσταση μεταξύ των ασύμβατων αξόνων δεν πρέπει να είναι μεγάλη γιατί τότε είναι προφανές, ότι χαρακτηριστικά γεωμετρικά μεγέθη των οδοντώσεων, όπως ύψος οδόντος και ποδός, θα πρέπει να πάρουν τιμές απαγορευτικές για τη μηχανική της περιστροφής του συστήματος μετάδοσης. Στις μεταδόσεις μεταξύ ασύμβατων αξόνων χρησιμοποιούνται επίσης και κοχλιωτοί οδοντωτοί τροχοί. Στα κοχλιωτά γρανάζια η ιδιαίτερη μορφή των συμπλεκόμενων οδόντων και των κυλιόμενων επιφανειών επιβάλλει στη μηχανική θεωρία περιστροφής του συστήματος να επιτρέπει μικρές φορτίσεις και μικρές σχέσεις μετάδοσης (μέχρι 5).
Αμφότερα τα ελικοειδή και τα κοχλιωτά γρανάζια που συνδέουν ασύμβατους άξονες, μειονεκτούν ως προς το βαθμό απόδοσης απέναντι στα κωνικά γρανάζια που συνδέουν τεμνόμενους άξονες. Αυτό οφείλεται στο ότι η ιδιαίτερη μορφή των δοντιών τους συνεπάγεται αυξημένες τριβές κατά τη συμπλοκή των δοντιών με συνέπεια να είναι αυξημένο το ποσοστό της μηχανικής ενέργειας που μετατρέπεται σε θερμότητα και δεν αξιοποιείται στη μετάδοση της κίνησης.


Ειδικές εφαρμογές

Τα κωνικά και τα καμπυλοειδή γρανάζια έχουν μικρότερο εύρος εφαρμογών από τα μετωπικά, ωστόσο δίνουν λύσεις σε δύσκολα μηχανολογικά προβλήματα ή βελτιώνουν συμβατικές διατάξεις. Μια τέτοια διάταξη είναι το διαφορικό του αυτοκινήτου, στο οποίο η χρηιμοποίηση καμπυλοειδούς γραναζιού βελτιώνει το σχεδιασμό και τη λειτουργικότητά του.
Ο σχετικός μηχανισμός διαφορικού αποτελείται από ένα κυλινδροειδές κέλυφος – φορέα στην εσωτερική περιφέρεια του οποίου βρίσκεται, παρόμοια με το συμβατικό διαφορικό, σε ακτινική διάταξη τοποθετημένη μια ομάδα κωνικών γραναζιών με άξονες καθέτους στον διαμήκη άξονα, περί τον οποίο μπορεί το κέλυφος – φορέας να περιστρέφεται, τα οποία ονομάζονται δορυφόροι και μπορούν : α) να περιστραφούν όλοι μαζί περί τον διαμήκη άξονα του κελύφους – φορέα, μαζί με το κέλυφος φορέα, β) να περιστραφούν ο καθένας γύρω από τον άξονά του και γ) να παλινδρομούν παράλληλα με τον διαμήκη άξονα του κελύφους – φορέα στην εσωτερική περιφέρεια του οποίου εδράζονται, χάρη στην έδραση του άξονα τους σε κατάλληλο ολισθητήρα ή αυλάκωση που βρίσκεται στην περιφέρεια του κελύφους φορέα. Η ομάδα των δορυφόρων βρίσκεται ανάμεσα, και διαρκώς εμπλεκόμενη, με τα κολουροκωνικά γρανάζια, που στο συμβατικό διαφορικό ονομάζουμε πλανήτες και τα οποία εδράζονται στις βάσεις του κυλινδροειδούς κελύφους – φορέα των δορυφόρων και μπορούν να περιστραφούν ομοαξονικά με το κέλυφος – φορέα και ανεξάρτητα από αυτό.
Με τους πλανήτες συνδέονται τα ημιαξόνια ή οι άξονες προς τους οποίους θέλουμε να μεταδώσουμε την κίνηση από τον κινητήρα και οι οποίοι μπορούν να διαφοροποιήσουν την περιστροφή τους σαν αποτέλεσμα της περιστροφικής λειτουργίας του μηχανισμού.


Τα κολουροκωνικά αυτά γρανάζια, δηλαδή οι πλανήτες του διαφορικού ελεγχόμενης διαφοροποίησης με καμπυλοειδή γρανάζια, δεν έχουν κοπεί πάνω στην επίπεδη επιφάνεια ενός δίσκου, όπως οι πλανήτες του συμβατικού διαφορικού, αλλά η πλευρά του καθένα τους, η οποία αποτελεί την οδοντωτή επιφάνεια, είναι μία καμπύλη επιφάνεια αλληλοτομίας κυλίνδρων ή ένα κύκλο τυπωμένο πάνω σε χαρτί ζυγισμένο κυλινδρικά. Επιπλέον, είναι δυνατόν ο κάθε πλανήτης του διαφορικού να αποτελείτε από περισσότερες από μία καμπύλες επιφάνειες αλληλοτομίας κυλίνδρων. Συνεπώς, αυξάνει και ο αριθμός των χρησιμοποιούμενων δορυφόρων. Το τι ορίζετε αλληλοτομία δύο κυλίνδρων φαίνεται στο σχήμα του παραρτήματος που ακολουθεί. Η οδοντωτή κολουροκωνική επιφάνεια τους, δηλαδή, παρουσιάζει καμπυλώσεις με τμήματα ανωφέρειας και τμήματα κατωφέρειας, έτσι που να αυξομειώνεται το ύψος οποιουδήποτε οδοντωτού δρομέα κυλίεται διατρέχοντας την περίμετρο της κολουροκωνικής οδοντωτής περιμετρικής επιφάνειας τους. Οι πλανήτες είναι δε τοποθετημένοι αντικριστά και εδράζονται σε απόσταση έτσι ώστε ανάμεσα τους να βρίσκεται η, διαρκώς εμπλεκόμενη με αυτά, ομάδα των δορυφόρων. Οι καμπυλωμένοι πλανήτες, όπως περιγράφτηκαν, είναι τοποθετημένοι, κατά τη συναρμολόγηση του Διαφορικού Ελεγχόμενης Διαφοροποίησης Με Καμπυλοειδή Γρανάζια, σε τέτοια θέση ώστε τα ύψη της καμπύλωσης του ενός να συμπίπτουν με τις κοιλότητες της καμπύλωσης του άλλου και σε απόσταση μεταξύ του τόση ώστε να βρίσκονται σε διαρκεί εμπλοκή με όλα τα μέλη της ομάδας των κωνικών γραναζιών – δορυφόρων με τα οποία συνεργάζονται. Κατόπιν αυτής της αρχικής τοποθέτησης η οδοντωτή αλληλοεμπλοκή πλανητών και δορυφόρων μπορεί να συνεχίζεται σε οποιαδήποτε σχετική θέση κι αν βρεθούν οι πλανήτες μεταξύ τους.
Σε οποιαδήποτε κίνηση σχετικής περιστροφής του ενός πλανήτη προς τον άλλο, οι δορυφόροι θα ακολουθούν την αυξομείωση του ύψους της κυματομορφής παλινδρομώντας πάνω στον ολισθητήρα της έδρασης τους, η οποία βρίσκεται στην επιφάνεια του κελύφους – φορέα που συγκρατεί τους άξονες τους.


Την πλατιά και πολυδιάστατη χρήση τους οφείλουν οι οδοντοτροχοί στα πολλά πλεονεκτήματά τους. Τα πιο χαράκτηριστικά πλεονεκτήματα των συστημάτων οδοντοκίνησης σε σχέση με άλλα μηχανικά συστήματα μετάδοσης κίνησης είναι τα ακόλουθα:
1. Εξοικονόμηση χώρου. Για τη μετάδοση ίδιας ισχύος έχουν πολύ μικρότερο μέγεθος από αντίστοιχο σύστημα αλυσοκίνησης ή ιμαντοκίνησης).
2. Ψηλός βαθμός απόδοσης.
3. Θετικότητα μετάδοσης κίνησης.
4. Μεγάλη διάρκεια ζωής.
5. Πολυδιάστατο πεδίο εφαρμογών.
6. Σύνδεση ατράκτων σε όλες τις πρακτικά δυνατές διατάξεις.

Παρουσιάζει όμως η οδοντοκίνηση και μερικά μειονεκτήματα που περιορίζουν σε κάποιο βαθμό την εφαρμογή της. Αυτά είναι:
1. Ψηλό κόστος κατασκευής και εγκατάστασης.
2. Αναγκαιότητα εγκλεισμού τους σε κιβώτια με σύστημα λίπανσης.
3. Ψηλή ένταση θορύβου λειτουργίας.








4. Εύκαμπτοι σύνδεσμοι (κόμπλερ) διαφόρων τύπων.

Σε αυτούς θα πρέπει οι άξονες της κινητήριας και της κινούμενης μηχανής να είναι πλήρως ευθυγραμμισμένοι.