Dişli çarklar hızı ve kuvveti nasıl değiştirir?
Dişli çarklar, birbirine geçen dişler aracılığıyla dönme hareketini aktarır. Farklı diş sayıları dönme hızını ve torku değiştirir; ideal bir düzende hızdan kazanmak torktan, torktan kazanmak hızdan ödün vermeyi gerektirir.
Mekanizma ve temel kavramlar
1. Dişler hareketi nasıl aktarır? Bir çarkın dişi karşı çarkın dişine temas ederek kuvvet uygular. Temas kuvvetinin dönme eksenine uzaklığı, oluşturduğu torku belirler. Çarkların diş biçimleri, hareketin takılmadan aktarılması için birbirine uygun olmalıdır. Sıradan dış dişli çiftinde iki çark zıt yönde döner. Araya eklenen bir çark son dönme yönünü değiştirebilir; ancak ara çarkın varlığı tek başına giriş ile çıkış arasındaki hız oranını istediğimiz kadar büyütmez. Bunun için diş sayıları ve düzen önemlidir. 2. Diş sayısından hız oranına Birinci çarkta yirmi, ikinci çarkta altmış diş olduğunu düşünelim. Küçük çark bir tur attığında yirmi diş ilerletir; büyük çarkın tam dönmesi için küçük çarkın üç tur atması gerekir. Böylece büyük çarkın dönme hızı küçük çarkın üçte biridir. Bu ilişki uyumlu dişlerin kaymadan kavraştığı varsayımına dayanır. Çap ile diş sayısı uygun diş ölçüsünde birlikte değişir. Yalnız çarkın dıştan yaklaşık büyüklüğüne bakmak, farklı diş standartlarındaki sistemleri karşılaştırmak için yeterli olmaz. 3. Tork neden ters yönde değişir? İdeal durumda girişten alınan mekanik güç çıkışa aktarılır. Dönme gücü tork ile açısal hızın çarpımıyla ilişkilidir. Çıkış üç kat daha yavaşsa aynı güç için tork üç kat büyük olabilir. Bu enerji üretildiği anlamına gelmez; çıkış aynı sürede daha az açı döner. Ağır bir yükü yavaşça hareket ettirmek için redüksiyon kullanılmasının nedeni budur. Gerçekte sürtünme, yağın hareketi ve şekil değişimleri nedeniyle çıkış gücü giriş gücünden küçüktür; hesapta verim de yer alır.
Örnekler, sınırlar ve doğru yorumlama
1. Çok kademeli düzenler Bir şaft üzerinde sabitlenmiş iki çark aynı açısal hızda dönebilir. Bunlardan biri başka bir çarkı sürerse birden fazla kademe elde edilir. Uygun düzenlenmiş kademelerin hız oranları çarpılarak büyük toplam oranlara ulaşılabilir. Ancak her ek kademe yer, ağırlık ve kayıp getirir. Bir makinenin yalnız toplam oranı değil, hangi şaftta ne kadar tork oluştuğu da önemlidir. Diş, mil ve yatakların dayanımı bu yüklere göre seçilmelidir; yüksek oran sonsuz yük kaldırma kapasitesi sağlamaz. 2. Bisiklet ve otomobil örneği Bisiklette zincir, farklı büyüklükteki dişliler arasında hareket taşır. Yokuş için düşük vites seçildiğinde pedalların bir turuna karşılık tekerlek daha az döner; sürücü uygun koşullarda daha küçük pedal kuvvetiyle ilerleyebilir, fakat aynı mesafe için daha fazla pedal turu gerekir. Otomobil şanzımanında da motorun çalışma aralığı ile tekerleğin hız ve tork ihtiyacı eşleştirilir. Motor gücü aynıyken yalnız dişli değiştirerek hem hızı hem çekişi sınırsız artırmak mümkün değildir. Kazanç ile verilen ödün birlikte okunmalıdır. 3. Boşluk ve kayıpların anlamı Dişler arasında küçük çalışma boşlukları bulunabilir; yön değişiminde bu boşluk kısa bir gecikme olarak hissedilir. Buna boşluk etkisi denir ve hassas konumlandırmada önem taşır. Yağlama, yüzey kalitesi, hizalama ve aşınma gürültü ile verimi etkiler. Bir dişli kutusunun hız oranı sabit olsa da kullanım ömrü ve güvenli yükü ayrıca belirlenir. Bu genel açıklama mekanik koruyucuları kaldırmak için gerekçe değildir. Dönen dişliler sıkışma tehlikesi oluşturduğundan bakımda üretici talimatları ve enerjiyi güvenle kesme kuralları uygulanır.