Standaard vs. Helicale Tandwielen: Verschillen en Kenmerken

Mechanische aandrijvingen worden gebruikt om beweging, koppel en vermogen over te brengen van de aandrijvende as (zoals een primemover) naar de gedreven as (zoals een machine-eenheid). Er zijn vier mechanische aandrijvingen: tandwielaandrijving, riemaandrijving, kettingaandrijving en touwaandrijving. In tegenstelling tot riemaandrijving (een wrijvingsaandrijving) is tandwielaandrijving een ingriepingsaandrijving, wat betekent dat vermogensoverdracht plaatsvindt door opeenvolgende ingrieping en loslating van de tanden van twee tandwielen. Het is ook een starre aandrijving omdat er geen intermediair flexibel element tussen de twee tandwielen bestaat. Hier koppelt het aandrijvende tandwiel direct met het corresponderende gedreven tandwiel, waardoor het geschikt is voor vermogensoverdracht over korte afstanden. Het vermogensvermogen is echter zeer hoog en kan een breed bereik aan vertraging bieden (van 1:1 tot 1:100 in één trap). Het kan ook een constante snelheidsverhouding bieden omdat het van nature vrij is van glijding, kruipen of polygoonaffect.

Classificatie van tandwielen

Tandwielen kunnen in vier basiscategorien worden ingedeeld: standaard tandwiel, helicaal tandwiel, kegeltandwiel en wormwiel. Elk van deze tandwielen heeft specifieke kenmerken en kan bepaalde voordelen bieden ten opzichte van anderen. Een standaard tandwiel is het eenvoudigste type dat gebruikt wordt om beweging en vermogen over te brengen tussen parallelle aandrijvende en gedreven assen. Het heeft rechte tanden parallel aan de tasas. Een ander vergelijkbaar tandwiel, genaamd helciaal tandwiel, wordt ook voor parallelle assen gebruikt; echter, de tanden zijn in de vorm van een helix in de cilindrische kern gesneden. Kegeltandwielen worden gebruikt voor snijende assen, die al dan niet loodrecht op elkaar kunnen staan. Zij kunnen tanden langs de tasas hebben (rechte tand kegeltandwiel) of in spiraalvorm (spiraaltand kegeltandwiel). Het wormwiel wordt gebruikt voor loodrechte maar niet-snijnde assen.

Hoewel zowel standaard als helicale tandwielen bedoeld zijn voor parallelle assen, heeft elk een verschillende tandoriëntatie en is geschikt voor verschillende toepassingen. Bij standaard tandwielen komen de tanden van paarvormende tandwielen in plotselinge contact. Hierdoor ondervindt de tand inslag- of shockbelasting. Dit veroorzaakt trillingen en vermindert de levensduur van het tandwiel. De helicale vorm van de tanden kan dit probleem oplossen. Bij twee paarvormende helciaale tandwielen komen de tanden geleidelijk in contact en zijn dus vrij van inslag- of shockbelasting. Ze kunnen vergelijkbaar hogere lasten dragen. Ze bieden ook hogere vertraging. In tegenstelling tot standaard tandwielen die alleen radiale belasting uitoefenen, oefenen helicale tandwielen zowel radiale als axiale belasting op de lagers uit. De diverse verschillen tussen standaard en helicale tandwielen zijn hieronder in tabelvorm weergegeven.

Tabel: Verschillen tussen standaard en helicale tandwielen

Configuratie van tandwieltanden

Het voor de hand liggende verschil tussen standaard en helicaal tandwiel is de vorm van hun tanden. Standaard tandwiel heeft rechte tanden parallel aan de tasas. Het is de moeite waard om te vermelden dat rechte kegeltandwielen ook rechte tanden hebben georiënteerd langs de tasas, maar ze zijn niet parallel aan de tasas (ze zijn geneigd en dus snijdend). Zoals de naam suggereert, heeft het helicale tandwiel tanden in helixvorm die in de deeltjescilinder zijn gesneden. Een helicaal tandwiel kan een linkshandige of rechtshandige helix hebben. De helixhoek kan variëren van het ene tandwiel tot het andere. Doorgaans ligt deze tussen 15–25°; een hogere helixhoek (tot 45°) kan echter worden toegepast voor dubbele helicale of herringbone tandwielen.

Aard van belasting en bijbehorende lagers

Tijdens de ingrieping van twee tandwielen ervaren de lagers koppel en krachten, die uiteindelijk naar de grond worden overgebracht. Richting en intensiteit van dergelijke kracht variëren op basis van de draaisnelheid en tandconfiguratie. Omdat sommige lagers efficiënt alleen radiale belasting aan kunnen, sommige alleen axiale belasting en enkele beide belastingstypen, moet een geschikte lager worden geselecteerd op basis van aard en intensiteit van deze krachten. Vanwege de rechte tanden oefenen standaard tandwielen alleen radiale belasting uit op de lagers. Dus een goedkope cilinderrollerlager kan worden gebruikt. Aan de andere kant oefenen helicale tandwielen significante radiale belasting en druklast uit op de lagers. Dieploopkogellagers, hoekcontactlagers en kegelrollerlagers kunnen worden gebruikt omdat deze lagers zowel axiale als radiale belasting aan kunnen.

Orientatie van aandrijvende en gedreven assen

Een basisvoordeel van tandwielaandrijving ten opzichte van andere mechanische aandrijvingen (zoals riem of ketting) is de mogelijkheid om te gebruiken voor niet-parallelle assen. Echter, verschillende tandwieltypes zijn geschikt voor variërende oriëntaties van aandrijvende en gedreven assen. Zowel standaard als helicale tandwielen worden overwegend gebruikt voor parallelle assen; terwijl kegeltandwielen gebruikt kunnen worden voor snijende assen en wormwielen voor loodrechte niet-snijnde assen. Er bestaat een bepaald type helicaal tandwiel, genaamd gekruist helicaal tandwiel, dat kan worden ingezet voor vermogensoverdracht tussen loodrechte assen. Dit is redelijk vergelijkbaar met wormwiel; echter, gekruist helicaal tandwiel kan geen hoge vertraging bieden. Doorgaans is het geschikt voor 1:1 tot 1:2 snelheidsverhouding (vergeleken met 1:15 tot 1:100 bij wormwiel). De toepassing is ook beperkt vanwege veel beperkingen.

Contactscenario tussen paarvormende tanden

Standaard tandwielen hebben rechte tanden parallel aan de tasas. Twee paarvormende tandwielen zijn ook op parallelle assen gemonteerd. Dus de tanden van twee paarvormende standaard tandwielen komen in plotselinge contact en het contact is altijd een lijn van lengte gelijk aan de tandvlakbreedte. Helicale tandwielen hebben helicale tanden en zijn op parallelle assen gemonteerd. Dus de tanden van twee paarvormende helicale tandwielen komen in geleidelijk contact. Hun ingrieping begint met een punt en wordt een lijn en lost zich dan geleidelijk weer als een punt. De contactlengte blijft dus niet constant.

Inslagbelasting, trillingen en lawaai

Omdat de tanden van twee paarvormende standaard tandwielen in plotselinge contact komen, ervaren ze een shock- of inslagbelasting. Dit produceert ook significante trillingen en lawaai, wat soms een limiet oplegt aan de maximaal toelaatbare werksnelheid. Aan de andere kant resulteert geleidelijk contact tussen paarvormende tanden in geleidelijke belasting op de tanden en lagere trillingen en lawaai. Dus helicale tandwielen kunnen bij hogere snelheid worden ingezet zonder veel problemen.

Snijden van tandwieltanden

Het snijden van rechte tanden is vergelijkbaarder dan het snijden van helicale tanden. Tandwielfreesen of tandwielhobben kan worden gebruikt om tanden van standaard en helicale tandwielen te snijden. Bij frezen zijn slechts twee gelijktijdige bewegingen gewenst om tanden van standaard tandwielen te snijden; echter, drie gelijktijdige bewegingen zijn vereist voor het snijden van tanden van helicaal tandwiel.

Een wetenschappelijke vergelijking tussen standaard en helicaal tandwiel 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).