Wrijvingsaandrijving vs. Ingriepingsaandrijving: Belangrijkste Verschillen Uitgelegd

Een machine is een samenstelling van mechanismen die een energiebron nodig heeft om een bepaalde taak op een vooraf gedefinieerde manier uit te voeren. Huishoudelijke of industriële machines worden meestal aangedreven door primemovers (zoals electromotoren, windmolens, hydraulische of stoomturbines, verbrandingsmotoren, enz.). Meestal bevindt zich deze primemover ver van de machine-eenheid en draait hij met een hogere snelheid dan vereist in de machine. Een mechanisch krachtoverdrachtssysteem wordt gebruikt om kracht van deze primemover naar de machine-eenheid over te brengen. Een dergelijk overdrachtssysteem dient een paar basiseindes: (i) het overbrengen van beweging, koppel en vermogen van de dryvende as naar de gedreven as, (ii) het omkeren van de draairichting, bijvoorbeeld van met de klok mee naar tegen de klok in of vice versa, en (iii) het verhogen of verlagen van de draaisnelheid.

Mechanisch krachtoverdrachtssysteem

Een mechanisch krachtoverdrachtssysteem bestaat uit vier aandrijvingen en enkele elementen. De vier aandrijvingen zijn tandwielaandrijving, riemaandrijving, ketenaandrijving en touwaandrijving. Elke van hen heeft bepaalde voordelen ten opzichte van de anderen. Ze nemen direct deel aan de overdracht en manipulatie van beweging en kracht om aan de exacte eisen te voldoen. Ze halen basisvermogen van de dryvende as en brengen het over naar de gedreven as. Dergelijke aandrijvingen kunnen worden gebruikt van toepassingen met lage snelheid en laag vermogen (zoals mechanische horloges, speelgoed, enz.) tot toepassingen met hoge snelheid en zware belasting (zoals scheepsaandrijvingen, elektriciteitscentrales, voertuigdifferentielen, enz.). Aan de andere kant omvatten krachtoverdrachtselementen as, sleutel, koppeling, rem, koppeling, kettenwiel, riemschijf, enz. Deze elementen worden samen met de aandrijving gebruikt om een gemakkelijke en efficiënte krachtoverdracht te vergemakkelijken.

Classificatie: Wrijvingsaandrijving en Ingriepingsaandrijving

De vier aandrijvingen van het mechanische krachtoverdrachtssysteem kunnen op verschillende manieren worden geclassificeerd. Een criterium voor classificatie is de manier van krachtoverdracht. Op deze basis kunnen de vier aandrijvingen in twee groepen worden ingedeeld: wrijvingsaandrijvingen en ingriepingsaandrijvingen. In alle aandrijvingen waarbij kracht wordt overgebracht door middel van wrijving, worden wrijvingsaandrijvingen genoemd. Riemaandrijving en touwaandrijving vallen in deze categorie. Hun krachtoverdrachtsvermogen is beperkt tot de wrijvingseigenschappen van twee oppervlakken in contact. Verlies van vermogen is ook groter door wrijving. Zij hebben echter de inherente mogelijkheid om het systeem te beschermen tegen overbelasting. Aan de andere kant, in ingriepingsaandrijvingen, vindt krachtoverdracht plaats door middel van opeenvolgende ingrieping en loslating van twee vaste delen. Wrijvingskracht speelt geen rol in dergelijke aandrijvingen. Tandwielaandrijving en ketenaandrijving vallen in deze categorie. Verschillende verschillen tussen wrijvingsaandrijving en ingriepingsaandrijving zijn hieronder in tabelvorm gegeven.

Tabel: Verschil tussen wrijvingsaandrijving en ingriepingsaandrijving

Gedetailleerde Vergelijking

Manier van krachtoverdracht

Basiseindes van mechanische aandrijvingen is het overbrengen van beweging en kracht van de dryvende as naar de gedreven as. Deze krachtoverdracht kan gerealiseerd worden ofwel door middel van wrijving, ofwel door middel van ingrieping. Dergelijke mechanische aandrijvingen waarbij bewegings- en krachtoverdracht plaatsvindt door middel van wrijving, worden wrijvingsaandrijvingen genoemd. Bijvoorbeeld, de wrijvingskracht tussen de riemschijf en de riem helpt bij het aandrijven van de ene as door kracht van de andere as over te nemen. Naast riemaandrijving valt ook touwaandrijving in deze categorie. Aan de andere kant, wanneer krachtoverdracht plaatsvindt door middel van opeenvolgende ingrieping en loslating van getande wielen, dan wordt die mechanische aandrijving geclassificeerd als ingriepingsaandrijving. Hier speelt wrijvingskracht geen directe rol in de krachtoverdracht. Bijvoorbeeld, bij ketenaandrijving helpt de ingrieping van de tanden van het kettenwiel met de bijbehorende sleuf in de ketting bij het overbrengen van kracht. Op dezelfde manier is tandwielaandrijving een ander voorbeeld van ingriepingsaandrijving.

Glijden en snelheidsverhouding

De verhouding van de snelheid van de dryvende as tot de snelheid van de gedreven as heet snelheidsverhouding. Verschillende verschijnselen zoals glijden, kruipen en het polygonale effect kunnen de snelheidsverhouding veranderen. Een mechanische aandrijving die een constante snelheidsverhouding levert, heet een positieve aandrijving. Riemaandrijving, als wrijvingsaandrijving, is gevoelig voor glijden. Glijden in deze context duidt op een van de twee gevallen: (i) de dryvende as draait, maar de riem draait niet, en (ii) de riem draait, maar de gedreven as draait niet. Elke wrijvingsaandrijving is gevoelig voor glijden en kan dus geen constante snelheidsverhouding leveren (niet-positieve aandrijving). Ingriepingsaandrijvingen zijn vrij van glijden; echter, zij leveren niet noodzakelijk een constante snelheidsverhouding. Ketenaandrijving wordt niet beïnvloed door glijden, maar het polygonale effect in de ketting kan de snelheidsverhouding in geringe mate beïnvloeden. Tandwielaandrijving kan beschouwd worden als de enige echte positieve aandrijving.

Bescherming tegen overbelasting

Soms neemt de belasting op de dryvende as abrupt toe boven de toegestane grens. Dit kan ontstaan door diverse redenen zoals breuk van de snijder, berekeningsfout, plotselinge klem in een deel van de machine, enz. Het inherente glijden in wrijvingsaandrijvingen kan het dryvende element (electromotor) beschermen tegen overbelasting op de gedreven as. Wanneer de belasting de maximaal aan te kunnen belasting overschrijdt, treedt glijden automatisch op. Zulke isolatiefaciliteit is niet beschikbaar in ingriepingsaandrijvingen. Er bestaat dus een grote kans dat elk element permanent beschadigt kan raken. Bijvoorbeeld, de ketting kan breken of de tanden van het tandwiel kunnen catastrofaal breken. In extreme gevallen kan de primemover ook beschadigd raken.

Krachtoverdrachtscapaciteit

Het vermogen van elke wrijvingsaandrijving is beperkt door de wrijvingskracht die werkt tussen twee contactoppervlakken. Volgens de wrijvingseigenschappen van de contactoppervlakken, de initiële spanning en de omslaghoek spelen een cruciale rol bij het definiëren van de krachtoverdrachtsgrens. Glijden treedt inherent op wanneer deze grens wordt overschreden. Dus wrijvingsaandrijvingen zijn niet geschikt voor zware krachtoverdracht. Aan de andere kant definieert de sterkte van de betrokken elementen (zoals tandwieltanden of kettenwieltanden) primair de krachtoverdrachtsgrens in ingriepingsaandrijvingen. Wrijvingskracht speelt hier geen rol. Deze aandrijvingen kunnen voordelig worden gebruikt voor zware krachtoverdracht.

Smering

Wrijvingsaandrijvingen vereisen slechts incidentele smering. In feite wordt meer dan gewenste smering niet aanbevolen omdat het glijden verhoogt, wat resulteert in onnodige fluctuatie van de snelheidsverhouding en kracht op de lagers. Warmteontwikkeling en slijtage zijn geen significante factoren in dergelijke aandrijvingen. Integenstelling, ingriepingsaandrijvingen produceren voldoende warmte en ondergaan geleidelijke slijtage. Dus smering is hier sterk gewenst. Ketenaandrijving vereist frequente smering; terwijl tandwielaandrijving meestal volledige smering vereist. Volgens de onderhoudskosten zijn deze hoger in ingriepingsaandrijvingen.

Vermogensverlies en rendement

Vermogensverlies door wrijving en glijden maakt wrijvingsaandrijvingen minder efficiënt. Typisch kan een riem- of touwaandrijving 92–96% rendement leveren voor een enkele trap. Ingriepingsaandrijvingen kunnen een hoger rendement leveren door goede smering (verminderde wrijving) en minder vermogensverlies. Een ketenaandrijving kan 95–97% rendement leveren; terwijl een tandwielaandrijving tot 99% rendement kan leveren in een enkele trap.

De wetenschappelijke vergelijking tussen wrijvingsaandrijving en ingriepingsaandrijving wordt in dit artikel gepresenteerd. De auteur adviseert u ook 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).