Parallelle vs. Gekruiste Helicale Tandwielen: Belangrijkste Verschillen Uitgelegd

Mechanische aandrijvingen worden gebruikt om beweging, koppel en vermogen over te brengen van een aandrijvende as naar een gedreven as. De aandrijvende as is in de meeste gevallen onderdeel van de primemover (zoals een elektromotor, waterturbine, stoomturbine, enz.), terwijl de gedreven as deel uitmaakt van de machine-eenheid. Er bestaan vier basis typen mechanische aandrijvingen: tandwielaandrijving, riemaandrijving, kettingaandrijving en touwaandrijving. Een tandwielaandrijving is een ingriepings-type starre aandrijving waarbij beweging en vermogen worden overgebracht door opeenvolgende ingrieping en loslating van de tanden van twee paarvormende tandwielen. Het is van nature vrij van glijding en biedt daarom een constante snelheidsverhouding (positieve aandrijving). Het kan worden gebruikt voor lichte toepassingen (zoals speelgoed, horloges) alsmede voor zware toepassingen (zoals tandwielkasten van machines, scheepsaandrijvingen).

Asoriëntatie en tandwieltypes

Aandrijvende en gedreven assen kunnen drie wederzijdse oriëntaties hebben: (i) parallelle assen, (ii) snijende assen en (iii) niet-parallelle, niet-snijnde assen. Er bestaan vier basistypes tandwielen, en een geschikt tandwiel moet worden geselecteerd op basis van de oriëntatie van de assen. Standaard tandwielen en helicale tandwielen zijn toepasbaar voor parallelle assen. Kegeltandwielen kunnen worden toegepast voor twee snijende assen, die niet noodzakelijk hoeven loodrecht te staan. Wormwielaandrijvingen worden gebruikt voor de derde categorie (niet-parallelle, niet-snijnde assen). In tegenstelling tot standaard tandwielen die rechte tanden hebben parallel aan de tasas, hebben helicale tandwielen tanden in helixvorm die in de deeltjescilinder zijn gesneden. Hoewel helicale tandwielen veelal voor parallelle assen worden gebruikt zoals standaard tandwielen, kunnen ze ook voor loodrechte maar niet-snijnde assen worden gebruikt.

Daarom zijn er twee typen helicale tandwielen: parallel en gekruist. Parallelle helicale tandwielen, het meest voorkomende type, worden gebruikt voor vermogensoverdracht tussen parallelle assen. Twee paarvormende parallelle helicale tandwielen moeten dezelfde module, dezelfde drukhoek maar tegengestelde helixhand hebben. Ze bieden trillingvrije en stille werking en kunnen zware lasten overbrengen. Aan de andere kant worden gekruiste helicale tandwielen (ookwel schroeftandwielen genoemd) gebruikt voor niet-snijnde maar loodrechte assen. Twee paarvormende gekruiste helicale tandwielen moeten dezelfde module, dezelfde drukhoek en dezelfde of tegengestelde helixhand hebben. Dit type tandwiel heeft toepassingen vergelijkbaar met wormwielen; wormwielen worden echter verkozen voor steile vertragingen (1:15 tot 1:100), terwijl gekruiste helicale tandwielen geen vertraging boven 1:2 kunnen bieden. De verschillende verschillen tussen parallelle en gekruiste helicale tandwielen zijn hieronder in tabelvorm weergegeven.

Tabel: Verschillen tussen parallelle en gekruiste helicale tandwielen

Vermogensoverdracht en asoriëntatie

Behalve kwart-slag riemaandrijvingen is de tandwielaandrijving de enige mechanische aandrijving die voordelig kan worden ingezet om vermogen en beweging onder elke hoek en in elk vlak over te brengen. Verschillende tandwieltypes worden voorkeur gegeven voor variërende oriëntaties van aandrijvende en gedreven assen. Net als standaard tandwielen kunnen parallelle helicale tandwielen alleen beweging en vermogen tussen parallelle assen overbrengen. Zij moeten daarom op parallelle assen gemonteerd worden met juiste locatie- en hoekuitlijning. Gekruiste helicale tandwielen of schroeftandwielen kunnen beweging en vermogen tussen loodrechte assen overbrengen en moeten dus op loodrechte maar niet-snijnde assen gemonteerd worden.

Helixhand

Ongeacht parallelle of gekruiste rangschikking, moeten twee paarvormende helicale tandwielen dezelfde module, dezelfde drukhoek en dezelfde helixhoek hebben. De deeltjescirkeldiameter van twee paarvormende tandwielen moet ook in één punt aanraken. Als de paarvormende helicale tandwielen een parallelle rangschikking hebben, moet het ene tandwiel een rechtshandige helix hebben en het andere tandwiel verplicht een linkshandige helix. Dus twee paarvormende parallelle helicale tandwielen moeten tegengestelde helixhand hebben. In het geval van een gekruiste rangschikking kan een helicaal tandwiel met rechtshandige helix samenwerken met een ander helicaal tandwiel met linkshandige of rechtshandige helix. Dus twee paarvormende gekruiste helicale tandwielen kunnen dezelfde of tegengestelde helixhand hebben.

Contact tussen tanden

Op basis van het tandprofiel en de tandwieloriëntatie treedt contact tussen tanden van twee paarvormende tandwielen op op verschillende manieren. Bijvoorbeeld, tanden van twee standaard tandwielen komen in plotselinge contact en hun contactlengte blijft altijd een lijn van lengte gelijk aan de tandbreedte. Dergelijk plotseling contact wordt vervangen door geleidelijk contact bij helicale tandwielen. Bij parallelle helicale tandwielen initieert de ingrieping van twee tanden met een punt en wordt geleidelijk een lijn, waarna ze zich als een punt loskoppelen. Bij gekruiste helicale tandwielen blijft het contact tussen twee tanden altijd een enkel punt. Aan het begin van de ingrieping ligt dit punt aan één uiteinde van het tandvlak en beweegt het contactpunt geleidelijk over het vlak. Bij loslating ligt het contactpunt aan het andere uiteinde van het tandvlak.

Vermogensvermogen

Het basiedoel van elke mechanische aandrijving is het overbrengen van vermogen van de aandrijvende as naar de gedreven as. Als ingriepings-type starre aandrijving heeft de tandwielaandrijving het hoogste transmissievermogen onder alle mechanische aandrijvingen. Echter, verschillende typen tandwielaandrijvingen bieden variërende niveaus van vermogensvermogen. Een paar parallelle helicale tandwielen kan relatief hoger vermogen overbrengen vergeleken met een vergelijkbare standaard tandwiel van hetzelfde materiaal. Afhankelijk van grootte en materiaal kunnen parallelle helicale tandwielen van slechts enkele watt tot enkele megawatt vermogen overbrengen. Gekruiste helicale tandwielen worden voorkeur gegeven voor kleine vermogensoverdracht, meestal beperkt tot 100 kW.

Toepassingsgebieden

Vanwege het hoge vermogensvermogen worden parallelle helicale tandwielen voordelig in veel velden ingezet. Zij kunnen met succes worden gebruikt voor lage snelheid alsook hoge snelheid toepassingen. Typische toepassingsgebieden omvatten tandwielkasten van machines, automobielen, olie molens, scheepsaandrijvingen, enz. Gekruiste helicale tandwielen zijn geschikt voor lage snelheid en lichte toepassingen zoals roving machines in de textielindustrie, oliepompen van verbrandingsmotoren, enz.

Een wetenschappelijke vergelijking tussen parallelle en gekruiste helicale tandwielen wordt in dit artikel gepresenteerd. De auteur adviseert u om de volgende referenties te raadplegen voor een beter begrip van het onderwerp.

1. Design of Machine Elements door V. B. Bhandari (Vierde editie; McGraw Hill Education).
2. Machine Design door R. L. Norton (Vijfde editie; Pearson Education).
3. A Textbook of Machine Design door R. S. Khurmi en J. K. Gupta (S. Chand; 2014).