En liten tann i et tannhjul skal overføre enorme momenter, slik at du og dine kan kjøre trygt, behagelig og støysvakt på tur. Stål er tøft, men hvordan kan vi være sikre på at hver eneste lille tann skal klare jobben?
Bildet øverst: Om du tar sjansen og tømmer girkassen i en ganske vanlig VW finner du dette …(Foto: VW)
Av Stein Bekkevold
Vi skjønner jo at hver tann i tannhjul må kunne kobles inn mykt – uten slag og uten for mye friksjon – til neste tann, men hvordan skal den lille stakkaren klare å overføre hundrevis av Newtonmeter, tonn, kilo? Friksjon slipper vi jo med trykkfaste saker, derfor har flinke folk utviklet avansert girolje (og smørefett) som tåler ekstreme trykk.
Men momentet, kraftoverføringen? Kreftene prøver jo å knekke tannen ved roten der momentet er størst.
Først
Et tannhjul er en maskindel med tilskårne tenner. Disse settes i inngrep med helt like tenner– geometrisk sett – på et annet hjul for å overføre kraft. Tannhjul endrer hastighet, dreiemoment og rotasjonsretning.
Hjul av ulik størrelse – altså med ulikt antall tenner, gir oss en mekanisk fordel – økt dreiemoment – og det er bestemt av utvekslingsforholdet, og er egentlig en maskin i seg selv. 50 tenner mot et hjul med 100 dobler momentet …
Rotasjonshastighet og dreiemoment i to tannhjul varierer med diameteren og altså med antall tenner. Tennene må ha helt lik form, og lik størrelse og avstand (profil), ellers blir det ikke inngrep – dessuten vil de slå mot hverandre og skape utmatting og brudd.
Samtidig må de gli på hverandre, ikke gnage. Dette styres av profilen; konturen. To eller flere sammenkoblede tannhjul blir en transmisjon. En fordel med tannhjul er at tennene hindrer glidning og effekttap, sammenlignet med reimer.
Tannhjul er ofte overflatebehandlet for å øke slitasjemotstanden (riv-fastheten).
Tannbrudd
Viktigst i en girkasse er å unngå tannbrudd. Stål er et solid stoff med krystallinsk oppbygning og kan være seigt – diamanter er også harde og krystallinske men stive – du kan knuse dem med slegge. Metallurgene forbedrer tannstålet med saker som samler seg i utfellinger i jernatom-gitteret; stål er rent jern med smarte tilsettinger. Moderne høystyrkestål inneholder karbon pluss nikkel, kobolt, aluminium, molybden, og krom.
Poenget er å påvirke evnen til forlengelse under påkjenning, seighet. Da kan stålet svelge slag og støt uten å sprekke. Det skjer fordi ett lag atomer glir på laget under det (i en dislokasjon, en gitter-anomali) slik at kreftene tas opp som nanometer-bevegelse; en nanometer er en milliarddels meter …
Så stålets styrke kommer av evnen til plastisk deformasjon. Fenomenet avhenger av hvor smidig dislokasjonene kan bevege seg. Vil vi øke fastheten kan vi begrense bevegelsen, da styrker vi stoffet – det herdes.
Men det er vrient å senke antallet dislokasjoner, så vi må konsentrere oss om å hindre bevegelsen. Dette går ved å minske kornstørrelsen og/eller å legere inn spesielle stoffer. Poenget er å skaffe en seig (plastisk) kjerne – som så slitasjebeskyttes av et herdet ytre.
Litt av innmaten i en girkasse. Nesten som smykker … et sett tannhjul og aksler av finpusset spesialstål. Her fra ZF, storprodusent av tannhjul og girkasser. (Bilde: ZF)
Martensittherding
er en kjent og effektiv metode. Akkurat som jern kan stål ha flere ulike strukturer. Det kan være austenittisk om du gløder det en stund i 720 til 930 grader C, men blir fort en hard og sprø martensitt ved bråkjøling. Så kan du få stålet seigere igjen ved å gløde det i 250 til 650 grader en stund. Og da må du herde overflaten ved nitrering* slik at den blir slitasjefast. Det er ikke bare-bare å lage tannhjul heller.
Stålkvalitet
Ofte brukes nå elektrostål. De lages i lysbueovner som tar 200 tonn – eller i induksjonsovner. Til forskjell fra konverterstål, der mye av smelten er flytende råjern av malm, lages elektrostål ved å omsmelte og raffinere skrap, jernsvamp eller en miks av dette. Legerte stål lages nå nesten bare slik. Gjenbruk i stor skala, altså.
Girkassen
er en del av kraftoverføringen, og gir kraft til drivhjulene. Jobben er å tilpassedreiemomentet ved hjelp av tannhjul slik at det er balanse mellom ønsket drivkraft (dreiemoment), motorturtall og kjørehastighet. Med manuell kasse velger vi jo selv utveksling, mens automatkasser ordner dette på egen hånd.
Datastyrte girkasser lar oss velge kjørestil med vekt på økonomi eller kraft, og å velge mellom hel- eller halv-automatisk. Men hele tiden er det altså tannhjul som gjør jobben. Ofte i en planetgirkasse, men det er en annen historie. Motoren jobber fra 600-800 til omtrent 6 000-7000 o/min mens bilens hjul snurrer fra null til ca 2 500 o/min.
Hele dette rotasjonsområdet skal tannhjul ta hånd om. Motoren gir ofte best dreiemoment midt i turtalls-området, men bilen trenger høyt dreiemoment fra start for å akselerere. Derfor må vi ha noe som overfører nødvendig kraft og høyt dreiemoment i lav fart, men som også virker godt når det går unna.
Denne krevende jobben gjør girkassen. Og altså de omhyggelig utformede tannhjulene, av herdet spesialstål. Differensialboksene jobber også hardt, med sine avansert tilskårne hjul, ikke minst ved forhjulsdrift når du svinger.
Ulike former
Det nøyaktig freste og glattpolerte rommet mellom tennene kalles tannluke. To samarbeidende tannhjul har ofte ulike diametere og derfor ulikt tann-tall, men tennene må som sagt ha helt lik profil for at hjulene skal passe sammen; dette er presisjon på urmakernivå.
Tennene skal så vidt berøre hverandre, samtidig som de overfører mange hundre newtonmeter. Et samarbeidende hjulpar danner en utveksling.
Sylindriske tannhjul brukes i parallelle aksler. Disse har tennene i omkretsen, men kan også ha dem innvendig. Står akslene i vinkel i samme plan – som i en differensial, brukes koniske tannhjul – hvis de ikke ligger i samme plan brukes hyperbolske hjul.
Tannhjul lages av stål – eller av støpejern, bronse, fiberstoff og plast – for lavere laster. For å få jevnere inngrep og mindre støy legges tennene gjerne på skrå. Profilen blir oftest formet etter en egen geometri, en vakker evolventkurve ….
Men dette er så kronglete geometri og matematikk at vi bare får stole på de som har utviklet den.
*Nitrering gir overflateherding. Tannhjulet varmes til 500–550 gr C i noe som inneholder nitrogen – gjerne en smelte av cyanider – og ligger der en tid. Nitrogen trekker da inn i stålet og danner finfordelte nitrider med jern – og med legeringselementer som aluminium, krom og vanadium. Stålet får da en slitesterk og hard overflate.
