Helicale vs. Herringbone Tandwielen: Verschillen en Prestatie-inzichten

Machines vereisen een continue bron van vermogen om bepaalde taken uit te voeren. De meeste industriële machines worden aangedreven door mechanisch vermogen, dat in de vorm van draaiend koppel komt. Een primemover wordt gebruikt om mechanische energie te genereren door andere energievormen om te zetten; bijvoorbeeld zet een elektromotor elektrische energie om in mechanische energie. Het mechanische vermogenstransmissiesysteem wordt gebruikt om vermogen van dergelijke primemovers naar de beoogde locaties van de machine-eenheid over te brengen. Het omvat in essentie vier aandrijvingen; het maakt echter ook gebruik van andere mechanische elementen voor ononderbroken vermogenstransmissie. Tandwielaandrijving, riemaandrijving, kettingaandrijving en touwaandrijving zijn vier mechanische aandrijvingen die beweging, koppel en vermogen kunnen overbrengen van de aandrijvende as naar de gedreven as. Elk van deze vier aandrijvingen heeft verschillende kenmerken en kan dus specifieke voordelen bieden ten opzichte van anderen.

Een tandwielaandrijving is een ingriepings-type starre mechanische aandrijving die geschikt is voor vermogensoverdracht over korte afstand. Het kan zwaar vermogen zonder glijding overbrengen (positieve aandrijving). Gebaseerd op de relatieve oriëntatie van aandrijvende en gedreven assen en tandprofiel, kan tandwielaandrijving in vier groepen worden ingedeeld: standaard tandwiel, helicaal tandwiel, kegeltandwiel en wormwiel. Standaard tandwiel is het eenvoudigste type tandwiel met rechte tanden parallel aan de tasas en kan vermogen alleen tussen parallelle assen overbrengen. Hoewel helicaal tandwiel ook voor parallelle assen wordt gebruikt, zijn de tanden niet parallel aan de tasas. Hier zijn de tanden in helicale vorm op de tandwielkern gesneden met behoud van dezelfde helixhoek. Kegeltandwiel kan rechte of spiraaltanden hebben en wordt gebruikt voor snijende assen; wormwiel wordt gebruikt voor loodrechte maar niet-snijnde assen.

Hoewel helciaale tandwielen bepaalde voordelen bieden ten opzichte van standaard tandwiel, oefent het axiale druklast uit op de lager. Deze druklast is nadelig en beperkt het vermogensvermogen. Bovendien vereist het dure en voluminieuze lagers om onder radiale en axiale belasting te weerstaan. Echter, deze druklast kan worden geëlimineerd door herringbone of dubbele helicale tandwielen te gebruiken. In herringbone tandwiel worden de tanden in twee helften van de tandwielkern gesneden met behoud van dezelfde module, aantal tanden en helixhoek maar tegengestelde helixhand. Dus de drukkracht die door elke helft van het herringbone tandwiel wordt geproduceerd, is gelijk en tegengesteld en elimineert elkaar daardoor. Bovendien kan het vergelijkbaar hoger vermogen zonder veel problemen overbrengen. De diverse verschillen tussen helicaal tandwiel en herringbone tandwiel zijn hieronder in tabelvorm weergegeven.

Tabel: Verschil tussen helicaal tandwiel en herringbone tandwiel

Tandprofiel

Tanden van het helicale tandwiel zijn in de vorm van een helix op de deeltjescilinder gesneden. Een specifiek helicaal tandwiel bestaat uit tanden met linkerhandige of rechterhandige helix. Tijdens ingrieping kan een helicaal tandwiel met linkerhandige helix alleen samenwerken met een helicaal tandwiel met rechterhandige helix. Aan de andere kant bestaat een herringbone tandwiel uit beide helixhanden in een enkele tandwieleenheid. Elk herringbone tandwiel heeft twee verschillende helften: één helft moet linkerhandige helix tanden hebben en de andere helft moet rechterhandige helix tanden hebben. Andere kenmerken zoals deeltjescirkeldiameter, module, aantal tanden, helixhoek en breedte of dikte zullen in beide helften hetzelfde zijn; het enige verschil is hun helixhand.

Drukkracht

Helciaal tandwiel biedt veel voordelen ten opzichte van standaard tandwiel, zoals geleidelijke belasting op tanden, minder trillingen, hogere belastbaarheid, langere levensduur, enz. Het hoofdnadeel is de druklast. Omdat tanden van standaard tandwiel recht en parallel aan de tasas zijn, induceert een paar paarvormende standaard tandwielen alleen radiale belasting. Vanwege de helicale vorm van de tanden induceert een paar paarvormende helicale tandwielen zowel radiale belasting als axiale belasting. Dus sterkere lagers zijn vereist om beide typen belasting gelijktijdig te weerstaan. Herringbone tandwiel kan vergelijkbare voordelen bieden als het helicale tandwiel en tegelijkertijd de drukkracht elimineren. Hier is de drukkracht die door elke helft wordt geproduceerd gelijk en tegengesteld (vanwege tegengestelde helixhand) en dus wordt de resultante drukkracht nul. Dus een paar paarvormende herringbone tandwielen induceert geen axiale drukkracht op de lagers (alleen radiale kracht bestaat).

Helixhoek

Drukkracht neemt toe met de helixhoek van de tanden; echter, een hogere helixhoek kan trillingen en tandslijtage aanzienlijk verminderen en de belastbaarheid verhogen. Deze drukkracht beperkt de maximale helixhoek in het geval van helicaal tandwiel. Doorgaans wordt deze tussen 20–25° gehouden. Echter, afwezigheid van drukkracht in herringbone tandwiel maakt gebruik van hogere helixhoek mogelijk, zelfs tot 45°.

Lagers voor het monteren van de assen

Aandrijvende en gedreven assen worden aan beide uiteinden gemonteerd met behulp van geschikte lagers. Naast het ondersteunen van de assen en het handhaven van nauwkeurige positionering, dempen lagers ook trillingen en lasten, en brengen ze vervolgens via het frame naar de grond. Doorgaans worden wrijvingslagers in tandwieleenheden gebruikt, tenzij de draaisnelheid zeer hoog is. Er zijn verschillende typen wrijvingslagers, waarvan sommige geschikt zijn voor alleen radiale belasting, sommige voor alleen axiale belasting en enkele voor zowel radiale als druklast. Bijvoorbeeld, dieploopkogellagers, hoekcontactlagers en kegelrollerlagers kunnen zowel radiale belasting als druklast aan. Dus deze lagers kunnen worden ingezet voor helicaal tandwieleenheid. Aan de andere kant kunnen cilinderrollerlagers zware radiale belasting aan en dus gebruikt worden met herringbone tandwieleenheid.

Vermogensvermogen

Basisfunctie van elke mechanische aandrijving is het overbrengen van mechanisch vermogen van de aandrijvende as naar de gedreven as. Verschillende aandrijvingen bieden variërende niveaus van transmissiecapaciteit gebaseerd op grootte, materiaal en andere kenmerken. Hoewel het transmissievermogen van helicaal tandwiel vergelijkbaar hoger is dan dat van vergelijkbaar standaard tandwiel, wordt het doorgaans niet gebruikt voor zware toepassingen. De druklast en beschikbaarheid van lagers leggen de limiet in zware toepassingen. Herringbone tandwielen en dubbele helicale tandwielen zijn de voorkeurskeuze voor dergelijke gebieden. Bijvoorbeeld, herringbone planeet tandwieltrain (HPGT) kan worden waargenomen in zware machines zoals koolmijnen, luchtvaartmotoren, windturbines, enz.

Tandwielfabrikatie

Het snijden van helicale tanden op de cilindrische tandwielkern is niet moeilijk; echter, het probleem ontstaat wanneer er geen vrijruimte bestaat aan het einde van de tanden. Net als standaard tandwiel, kunnen helicale tandwieltanden ook worden gesneden met pignon-type tandwielvormsnijder. Hobben kan ook worden gebruikt voor het snijden van helicale tandwielen. Maar bij herringbone tandwiel bestaat er geen ontlastingsgat tussen linker- en rechterhelft. Dus het snijden van tanden op deze verbinding is tamelijk ingewikkeld omdat er een risico bestaat van overstappen naar de andere helft. Het vereist een gespecialiseerde hobmes met een groef die overeenkomt met het herringbone tandwiel. Een hoge graad van locatie- en hoekuitlijning is ook vereist om te handhaven.

Een wetenschappelijke vergelijking tussen helicaal tandwiel en herringbone 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).