Hammaspyörä

Hammaspyörä eli hammasratas on mekaanisen voimansiirtolaitteen osa, jonka avulla pyörivä liike voidaan siirtää akselilta toiselle tai muuttaa suoraviivaiseksi liikkeeksi. Hammaspyörässä on tasavälein poikittaisia tai viistoja harjanteita, joita kutsutaan hampaiksi. Hampaat vastaavat toisen hammaspyörän tai hammastangon hampaisiin ja välittävät siten voiman ja liikkeen kone-elimestä toiseen. Kun kaksi eri akseleilla olevaa hammasratasta on hampaidensa kautta yhteydessä toisiinsa, sanotaan, että ne ovat "rynnössä".
Hammaspyörien koko vaihtelee käyttötarkoituksen mukaan: suurimmat ovat halkaisijaltaan useita metrejä. Pienehköjä hammaspyöriä on esimerkiksi mekaanisissa rannekellokoneistoissa ja tarkkuusmittavälineissä. Hammaspyöriä käytetään paljon ajoneuvojen vaihteistoissa ja erilaisissa vaihteissa. Hammaspyörillä on helppo aikaansaada erisuuruisia välityssuhteita hammaslukuja ja samalla halkaisijoita muuttamalla.
Hammaspyörien avulla voidaan muuttaa pyörimisliikkeen nopeutta ja momenttia. Kun kaksi erikokoista hammaspyörää on rynnössä ja pyörii, pienemmän hammaspyörän pyörimisnopeus on suurempi kuin isomman hammaspyörän. Kun kaksi erikokoista hammaspyörää on rynnössä ja välittää voimaa, pienempään pyörään vaikuttaa pienempi momentti kuin suurempaan pyörään. Hammaspyörä välityksen avulla voidaan siis pienentää momenttia ja suurentaa nopeutta tai suurentaa momenttia ja pienentää nopeutta. Välityssuhde ilmaisee miten hammaspyörien momentit ja pyörimisnopeudet suhteutuvat toisiinsa. Esimerkiksi kun 20-hampainen hammasratas on rynnössä 60-hampaiseen hammasrattaaseen, 20-hampainen ratas pyörii kolminkertaisella nopeudella 60-hampaiseen verrattuna. Jos kyseisessä tilanteessa hammaspyörät välittävät voimaa, on 20-hampaisella rattaalla vaikuttava momentti yhden kolmasosan 60-hampaisella rattaalla vaikuttavasta momentista.
Rynnössä olevat hammaspyörät vaikuttavat toisiinsa yhtä suurella voimalla. Voimien vaikutuspisteet ovat kuitenkin hammaspyörien pyörimisakseleilta eri etäisyydellä, mikä aiheuttaa sen, että momentit ovat erisuuret.
Pyörimisliikkeen teho säilyy hammaspyörävälityksessä samana, jos häviöitä ei oteta huomioon.
Kun kaksi ulkopuolisesti hammastettua hammaspyörää laitetaan ryntöön, ne pyörivät eri suuntiin. Kun sisäpuolisesti ja ulkopuolisesti hammastettu pyörä laitetaan ryntöön, ne pyörivät samaan suuntaan.
Hammaspyöriä muistuttavat ketjupyörät ja hammashihnapyörät.
Sovellukset.
Hammaspyörien pääasiallinen käyttötarkoitus on voiman mekaaninen siirto lyhyillä etäisyyksillä. Pidemmillä matkoilla käytetään hihnoja, köysiä tai ketjuvälitystä. Muita käyttötarkoituksia ovat hammaspyöräpumput ja -moottorit, joissa hampaiden välissä olevaa tilaa käytetään nesteen siirtämiseen.
Jaottelut.
Hammaspyörätyypit.
Tavanomaisin hammaspyörätyyppi on lieriöhammaspyörä, jota käytetään samansuuntaisten akselien välisessä voimansiirrossa.
Kartiohammaspyöriä käytetään kulmavoimansiirrossa, eli kun hammaspyörien akselit eivät ole yhdensuuntaiset.
Kierähammaspyörillä siirretään voimaa sellaisten akseleiden välillä, jotka eivät ole yhdensuuntaisia eivätkä leikkaa toisiaan.
Ulko- ja sisähammastus.
Hammaspyörät jaetaan hammastuksen sijainnin mukaan ulko- ja sisähammastettuihin pyöriin. Hammastus voi olla suora, vino tai kaareva.
Hammastukset.
Suora hammastus.
Yleisin hammastustapa on suora hammastus, jossa hampaat ovat yhdensuuntaiset akselin kanssa.
Vino hammastus.
Vinohampaisten pyörien hampaat ovat kulmassa hammaspyörän akseliin nähden. Vinohampaisen pyöräparin hampaiden välissä ei synny äkillistä kosketusta, vaan vähintään kaksi hammasparia on jatkuvasti kosketuksessa keskenään. Tästä syystä vinohampainen pyöräpari on suorahampaista hiljaisempi. Vinohampaisen pyörän hampaat ovat pidemmät kuin saman levyisen suorahampaisen pyörän, joten hammaspyörän tehonsiirtokyky paranee vinouskulman kasvaessa. Rajoittavana tekijänä on kuitenkin hammaspyörien laakeroinnin kyky ottaa vastaan tästä aiheutuva aksiaalinen kuorma. Käytännössä vinouskulma on tyypillisesti 8°–15°.
Nuolihammastus.
Vinohampaisen hammaspyörän aiheuttama aksiaalikuorma voidaan poistaa laittamalla samalle akselille kaksi erikätistä, vinohampaista hammaspyörää, jolloin aksiaalivoimat kumoavat toisensa. Käytännössä hammaspyörät voidaan valmistaa yhdestä kappaleesta. Tämänkaltaista hammastusta sanotaan nuoli-, kulma- tai kalanruotohammastukseksi. Vinohampaisten pyörien tapaan nuolihammaspyörissä on jatkuva hammaskosketus ja ne ovat erittäin lujia sekä tärinättömiä. Nuolihammaspyöriä käytetään esimerkiksi raskaissa valssikoneissa sekä joissain laivojen vaihteissa.
Kaarihammastus.
Kartiohammaspyörissä toisinaan käytetyllä kaarevalla hammastuksella saavutetaan suoraa hammastusta suurempi tehonsiirtokyky ja hiljaisempi käyntiääni. Kaarihammastusta kutsutaan myös spiraalihammastukseksi tai ruuvihammastukseksi, sillä hampaat liukuvat hiukan samalla tavalla kuin ruuvikierre.
Kaarihampaisista, samoin kuin vinohampaisista kartiopyöristä, voidaan rakentaa hypoidivaihde, mikäli pyöräparin hammaspyörillä on erisuuruiset vinouskulmat. Tällöin käyttävän pyörän akseli ei leikkaa käytettävän pyörän akselia. Tyypillisesti hypoidivaihteita käytetään ajoneuvojen vetopyörästöissä.