Machines hebben een continue stroombron nodig om bepaalde taken uit te voeren. De meeste industriële machines worden aangedreven door mechanisch vermogen, in de vorm van een rotatiekoppel. Een krachtbron wordt gebruikt om mechanische energie op te wekken die een andere vorm van energie omzet; een elektromotor zet bijvoorbeeld elektrische energie om in mechanische energie. Mechanisch krachtoverbrengingssysteem wordt gebruikt om vermogen van dergelijke krachtbronnen over te brengen naar de beoogde locaties van de machine-eenheid. Het bevat in feite vier schijven; maakt echter gebruik van andere mechanische elementen voor een ononderbroken krachtoverbrenging. Tandwielaandrijving, riemaandrijving, kettingaandrijving en touwaandrijving zijn vier mechanische aandrijvingen die beweging, koppel en vermogen van aandrijfas naar aangedreven as kunnen overbrengen. Elk van deze vier schijven heeft verschillende kenmerken en kan dus specifieke voordelen bieden ten opzichte van andere.

Een tandwielaandrijving is een starre mechanische aandrijving van het aangrijpingstype die geschikt is voor krachtoverbrenging over kleine afstanden. Het kan zwaar vermogen overbrengen zonder enige slip (positieve aandrijving). Op basis van de relatieve oriëntatie van de aandrijf- en aangedreven assen en het tandprofiel, kan de tandwielaandrijving worden ingedeeld in vier groepen:tandwiel, spiraalvormig tandwiel, conisch tandwiel en wormwiel. Een tandwiel is het eenvoudigste type tandwiel met rechte tanden evenwijdig aan de tandwielas en kan alleen vermogen overbrengen tussen parallelle assen. Hoewel spiraalvormige tandwielen ook worden gebruikt voor parallelle assen, zijn de tanden niet evenwijdig aan de tandwielas. Hier worden de tanden in spiraalvorm gesneden op de onbewerkte tandwieloverbrenging, waarbij dezelfde spiraalhoek behouden blijft. Kegeltandwiel kan rechte of spiraalvormige tanden hebben en wordt gebruikt voor kruisende assen; terwijl wormwieloverbrenging wordt gebruikt voor loodrechte maar niet-kruisende assen.

Hoewel spiraalvormige tandwielen biedt bepaalde voordelen ten opzichte van rechte tandwielen, het legt axiale drukbelasting op het lager. Deze stuwkracht is nadelig en beperkt de krachtoverbrenging. Bovendien vereist het kostbare en omvangrijke lagers om bestand te zijn tegen radiale en axiale belastingen. Deze stuwkracht kan echter worden geëlimineerd door gebruik te maken van visgraat of dubbele spiraalvormige tandwielen. In visgraatuitrusting , tanden worden in twee helften van de tandwielblank gesneden met behoud van dezelfde module, aantal tanden en spiraalhoek maar tegenovergestelde hand van spiraal. Dus de stuwkracht die wordt geproduceerd door elke helft van het visgraattandwiel is gelijk en tegengesteld en elimineert elkaar dus. Bovendien kan het zonder veel problemen een relatief hoger vermogen overbrengen. Verschillende verschillen tussen spiraalvormig tandwiel en visgraat tandwiel worden hieronder in tabelvorm gegeven.

Tabel:verschil tussen spiraalvormig tandwiel en visgraattandwiel

Tandprofiel: Tanden van het spiraalvormige tandwiel worden gesneden in de vorm van een spiraal op de steekcilinder. Een bepaald spiraalvormig tandwiel bestaat uit ofwel linker helix tanden of rechterhand helix tanden. Op het moment van ingrijpen kan een spiraalvormig tandwiel met een linksdraaiende spiraal alleen passen met een spiraalvormig tandwiel met een rechtsdraaiende spiraal. Aan de andere kant bestaat een visgraattandwiel uit beide handen van helix in een enkele tandwielkast. Elk visgraattandwiel heeft twee verschillende helften:de ene helft moet linkse spiraaltanden hebben en de andere helft moet rechtse spiraaltanden hebben. Andere kenmerken zoals steekcirkeldiameter, module, aantal tanden, spiraalhoek en breedte of dikte zullen in beide helften hetzelfde zijn; het enige verschil is hun hand van helix.

Duwkracht: Spiraalvormige tandwielen bieden veel voordelen ten opzichte van rechte tandwielen, zoals geleidelijke belasting van de tanden, minder trillingen, meer laadvermogen, langere levensduur, enz. Het belangrijkste nadeel is de stuwkracht. Omdat de tanden van het rechte tandwiel recht en evenwijdig aan de tandwielas liepen, induceert een paar bijpassende tandwielen alleen radiale belasting. Vanwege de spiraalvormige vorm van tanden induceert een paar bijpassende spiraalvormige tandwielen zowel radiale als axiale belasting. Er zijn dus sterkere lagers nodig om beide soorten belasting tegelijkertijd te dragen. Visgraatversnelling kan vergelijkbare voordelen bieden als de spiraalvormige versnelling en elimineert tegelijkertijd de stuwkracht. Hier is de stuwkracht die door elke helft wordt geproduceerd gelijk en tegengesteld (vanwege de tegenovergestelde hand van de helix) en dus wordt de resulterende stuwkracht nul. Dus een paar bijpassende visgraattandwielen induceert geen axiale stuwkracht op de lagers (er bestaat alleen radiale kracht).

Helixhoek: Stuwkracht neemt toe met de spiraalhoek van de tanden; een grotere spiraalhoek kan echter trillingen en tandslijtage aanzienlijk verminderen en het draagvermogen vergroten. Deze stuwkracht beperkt de maximale schroefhoek in het geval van een tandwieloverbrenging. Meestal wordt het tussen 20 - 25° gehouden. Echter, het ontbreken van stuwkracht in visgraatuitrustingen maakt gebruik van een grotere spiraalhoek, zelfs tot 45°.

Lagers voor montage van de assen: Aandrijf- en aangedreven assen zijn aan beide uiteinden gemonteerd met behulp van geschikte lagers. Naast het ondersteunen van de assen en het behouden van een nauwkeurige positie, praten lagers ook de trillingen en belasting weg en brengen deze vervolgens via het frame naar de grond. Meestal worden rolcontactlagers gebruikt in tandwielkasten, tenzij het toerental erg hoog is. Er zijn verschillende soorten rolcontactlagers, sommige zijn alleen geschikt voor radiale belasting, sommige zijn alleen geschikt voor axiale belasting en weinigen kunnen radiale en stuwkracht aan. Zo kunnen groefkogellagers, hoekcontactlagers en kegelrollagers zowel radiale belasting als stuwkracht aan. Zo kunnen deze lagers worden gebruikt voor tandwielkasten. Aan de andere kant kunnen cilindrische rollagers zware radiale belasting aan en kunnen ze dus worden gebruikt met visgraatreductoren.

Overdrachtscapaciteit: De basisfunctie van elke mechanische aandrijving is het overbrengen van mechanisch vermogen van de aandrijfas naar de aangedreven as. Verschillende aandrijvingen bieden verschillende transmissiecapaciteiten op basis van grootte, materiaal en andere kenmerken. Hoewel de transmissiecapaciteit van spiraalvormige tandwielen relatief hoger is dan die van vergelijkbare rechte tandwielen, wordt deze over het algemeen niet gebruikt voor zware toepassingen. De stuwkracht en beschikbaarheid van lagers stellen de limiet in zware toepassingen. Visgraatversnellingen en dubbele spiraalvormige tandwielen hebben de voorkeur voor dergelijke gebieden. Zo kan visgraat planetaire tandwieltrein (HPGT) worden waargenomen in zware machines zoals kolensnijders, ruimtevaartmotoren, windturbines, enz.

Vervaardiging van tandwielen: Het snijden van spiraalvormige tanden op de onbewerkte cilindrische tandwielen is niet moeilijk; er ontstaat echter een probleem wanneer er geen speling is aan het einde van de tanden. Net als tandwielen kunnen tandwieltanden ook worden gesneden door een tandwielvormer van het rondseltype. Hobbing kan ook worden gebruikt voor het snijden van spiraalvormige tandwielen. Maar in visgraatuitrusting is er geen reliëfspleet tussen de linker- en rechterhelft. Het doorslijpen van tanden op deze kruising is dus behoorlijk gecompliceerd omdat er een risico bestaat dat u naar de andere helft gaat. Het vereist een gespecialiseerde afwikkelfrees met een groef die past bij de visgraatuitrusting. Een hoge mate van locatiebepaling en hoekuitlijning zijn ook vereist om te behouden.

Wetenschappelijke vergelijking tussen spiraalvormige tandwielen en visgraatversnellingen wordt in dit artikel gepresenteerd. De auteur raadt u ook aan de volgende referenties door te nemen voor een beter begrip van het onderwerp.

1. Ontwerp van machine-elementen door V. B. Bhandari (vierde editie; McGraw Hill Education).
2. Machineontwerp door R.L. Norton (vijfde editie; Pearson Education).
3. Een leerboek over machineontwerp door R.S. Khurmi en J.K. Gupta (S. Chand; 2014).