Vedi ingranaggi in quasi tutto ciò che ha parti rotanti. Ad esempio, i motori e le trasmissioni delle auto contengono molte marce. Se apri un videoregistratore e guardi dentro, vedrai che è pieno di ingranaggi. Gli orologi a carica manuale, a pendolo e a pendolo contengono molti ingranaggi, soprattutto se hanno campane o rintocchi. Probabilmente hai un misuratore di potenza sul lato della tua casa e, se ha una copertura trasparente, puoi vedere che contiene 10 o 15 marce. Gli ingranaggi sono ovunque dove ci sono motori e motori che producono movimento rotatorio. In questa edizione di Come funzionano le cose , imparerai a conoscere marce, rapporti di trasmissione e treni di ingranaggi in modo da poter capire cosa stanno facendo tutte le diverse marce che vedi.
Gli ingranaggi sono generalmente utilizzati per uno dei quattro diversi motivi:
Puoi vedere gli effetti 1, 2 e 3 nella figura sopra. In questa figura, puoi vedere che i due ingranaggi ruotano in direzioni opposte, che l'ingranaggio più piccolo gira due volte più velocemente dell'ingranaggio più grande e che l'asse di rotazione dell'ingranaggio più piccolo è a destra dell'asse di rotazione dell'ingranaggio più grande. Il fatto che un ingranaggio giri due volte più velocemente dell'altro risulta dal rapporto tra le marce o il rapporto di trasmissione (Consulta la nostra tabella del rapporto di trasmissione per maggiori informazioni). In questa figura, il diametro dell'ingranaggio di sinistra è il doppio di quello dell'ingranaggio di destra. Il rapporto di trasmissione è quindi 2:1 (pronunciato "due a uno"). Se guardi la figura puoi vedere il rapporto:ogni volta che l'ingranaggio più grande gira una volta, l'ingranaggio più piccolo gira due volte. Puoi vedere che se entrambi gli ingranaggi avessero lo stesso diametro, ruoterebbero alla stessa velocità ma in direzioni opposte.
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Comprendere il concetto di rapporto di trasmissione è facile se capisci il concetto di circonferenza di un cerchio. Tieni presente che la circonferenza di un cerchio è uguale al diametro del cerchio moltiplicato per Pi (Pi è uguale a 3,14159...). Pertanto, se hai un cerchio o un ingranaggio con un diametro di un pollice, la circonferenza di quel cerchio sarà 3,14159 pollici. La figura seguente mostra come la circonferenza di un cerchio con un diametro di 1,27 pollici sia uguale a una distanza lineare di 4 pollici:Diciamo che hai avuto un altro cerchio il cui diametro era 1,27 pollici / 2 =0,635 pollici e lo hai arrotolato nello stesso modo di questa figura. Troverai che, poiché il suo diametro è la metà del cerchio nella figura, deve completare due rotazioni complete per coprire la stessa linea di 4 pollici. Questo spiega perché due marce, una grande la metà dell'altra, hanno un rapporto di trasmissione di 2:1. L'ingranaggio più piccolo deve girare due volte per coprire la stessa distanza percorsa quando l'ingranaggio più grande gira una volta.
La maggior parte degli ingranaggi che vedi nella vita reale hanno i denti. I denti hanno tre vantaggi:
L'ingranaggio di destra (viola) nel treno è in realtà realizzato in due parti, come mostrato. Un ingranaggio piccolo e un ingranaggio più grande sono collegati insieme, uno sopra l'altro. I treni di ingranaggi sono spesso costituiti da più ingranaggi nel treno, come mostrato nelle due figure seguenti:
Nel caso precedente, l'ingranaggio viola gira a una velocità doppia rispetto all'ingranaggio blu. L'ingranaggio verde gira a una velocità doppia rispetto all'ingranaggio viola. L'ingranaggio rosso gira a una velocità doppia rispetto al verde. Il treno di ingranaggi mostrato di seguito ha un rapporto di trasmissione più elevato:
In questo treno, gli ingranaggi più piccoli sono un quinto delle dimensioni degli ingranaggi più grandi. Ciò significa che se si collega l'ingranaggio viola a un motore che gira a 100 giri/min (giri rer minuto), l'ingranaggio verde girerà a una velocità di 500 giri/min e l'ingranaggio rosso girerà a una velocità di 2.500 giri/min. Allo stesso modo, è possibile collegare un motore da 2.500 giri/min all'ingranaggio rosso per ottenere 100 giri/min sull'ingranaggio viola. Se riesci a vedere all'interno del tuo misuratore di potenza ed è del vecchio stile con cinque quadranti meccanici, vedrai che i cinque quadranti sono collegati tra loro attraverso un treno di ingranaggi come questo, con gli ingranaggi che hanno un rapporto di 10:1. Poiché i quadranti sono direttamente collegati tra loro, ruotano in direzioni opposte (vedrai che i numeri sono invertiti sui quadranti uno accanto all'altro). Per ulteriori informazioni sui rapporti di trasmissione, visita la nostra tabella dei rapporti di trasmissione.
Ci sono molti altri modi per usare gli ingranaggi. Ad esempio, è possibile utilizzare ingranaggi conici per piegare di 90 gradi l'asse di rotazione di un treno di ingranaggi. Il posto più comune per trovare ingranaggi conici come questo è nel differenziale di un'auto a trazione posteriore. Un differenziale piega la rotazione del motore di 90 gradi per azionare le ruote posteriori:
Un altro treno di ingranaggi specializzato è chiamato treno di ingranaggi planetari . Gli ingranaggi planetari risolvono il seguente problema. Diciamo che vuoi un rapporto di trasmissione di 6:1. Un modo per creare quel rapporto è con il seguente treno a tre marce:
In questo treno, l'ingranaggio rosso ha tre volte il diametro dell'ingranaggio giallo e l'ingranaggio blu ha il doppio del diametro dell'ingranaggio rosso (con un rapporto di 6:1). Tuttavia, immagina di volere che l'asse dell'ingranaggio di uscita sia lo stesso di quello dell'ingranaggio di ingresso. Un luogo comune per aver bisogno di questa capacità dello stesso asse è in un avvitatore elettrico. In tal caso, è possibile utilizzare un sistema di ingranaggi epicicloidali, come mostrato qui:
In questo sistema di ingranaggi, l'ingranaggio giallo innesta contemporaneamente tutte e tre le marce rosse. Sono tutti e tre attaccati a una piastra e si agganciano all'interno dell'ingranaggio blu invece dell'esterno. Poiché ci sono tre ingranaggi rossi invece di uno, questo treno di ingranaggi è estremamente robusto. L'albero di uscita viene prelevato dalla piastra e l'ingranaggio blu viene tenuto fermo. Puoi vedere un'immagine di un sistema di ingranaggi epicicloidali a due stadi sulla pagina dell'avvitatore elettrico.
Infine, immagina la seguente situazione:hai due marce rosse che vuoi mantenere sincronizzate, ma sono a una certa distanza l'una dall'altra. Puoi posizionare un grosso ingranaggio tra di loro se vuoi che abbiano le stesse direzioni di rotazione:
Oppure puoi utilizzare due ingranaggi di uguali dimensioni se vuoi che abbiano senso di rotazione opposto:
Tuttavia, in entrambi i casi è probabile che gli ingranaggi extra siano pesanti ed è necessario creare degli assi per loro. In questi casi la soluzione comune è utilizzare una catena o una cinghia dentata , come mostrato qui:
I vantaggi di catene e cinghie sono la leggerezza, la capacità di separare i due ingranaggi di una certa distanza e la possibilità di collegare più ingranaggi insieme sulla stessa catena o cinghia. Ad esempio, nel motore di un'auto, la stessa cinghia dentata potrebbe impegnare l'albero motore, due alberi a camme e l'alternatore. Se dovessi usare gli ingranaggi al posto della cintura, sarebbe molto più difficile! Per ulteriori informazioni sui rapporti di trasmissione, visita la nostra tabella dei rapporti di trasmissione.
Pubblicato originariamente:1 aprile 2000
