Типы зубчатых. Общие сведения и классификация зубчатых передач. Что такое модуль зубчатого колеса

Лекция № 16

Изложенного материала

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите примеры деталей с поверхностями сложной кофигурации.

2. Какие виды поверхностей используются при проектировании деталей с поверхностями сложной конфигурации?

3. Приведите способы обработки поверхностей сложной конфигурации.

4. Что такое обработка по копиру ?

5. Какие виды копиров используются в производстве?

1. Изучите номенклатуру деталей сложной конфигурации, производимую (ремонтируемую) на выбранном Вами предприятии.

2. Составьте технологический маршрут их обработки.

3. Определите инструменты и способы обработки конкретных поверхностей сложной конфигурации.

ОБРАБОТКА ЗУБЧАТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

В передачах современных машин широко используются зубчатые колёса, разнообраз-ные по форме, размерам и профилям (рис. 16.1). Наиболее распространены цилиндрические зубчатые колёса с прямыми (рис. 16.1а) и косыми (рис. 16.1б) зубьями. Соединение двух косых зубьев с противоположными углами наклона на ободе цилиндрического колеса представляет собой зубчатую передачу с шевронными (ёлочными) зубьями.

Рис. 16.1. Типы зубчатых передач

На рис. 16.1в представлена коническая передача с пересекающимися осями, причём угол встречи осей может быть любым. Конические колёса могут иметь прямые, косые и криволинейные зубья.

На рис. 16.1г представлена зубчатая передача со скрещивающимися осями, состоящая из двух зубчатых колёс с винтовыми зубьями . На рис. 16.1д пре-дставлена ещё одна схема передачи со скрещивающимися осями – червячная передача , отличающаяся от перечисленных выше тем, что один элемент передачи представляет собой винт (червяк), а другой - зубчатое колесо с фасонным зубом, сцепляющимся с витками винта.

На рис. 16.1е изображена реечная передача, одним элементом которой является зубчатое колесо с прямым или косым зубом, а другим – зубчатая рейка, которую можно представить как зубчатое колесо с бесконечно большим чи-слом зубьев. Реечная пара передаёт движение как от зубчатого колеса к рейке,

так и наоборот.

На рис. 16.1ж представлена схема волновой передачи , основанной на передаче движения за счёт бегущей волновой деформации одного из зубчатых ко-лёс. Эта передача состоит из водила 3 с двумя роликами, свободно вращающимися на осях, закреплённых в водиле, неподвижного жесткого зубчатого колеса 1 с внутренними зубьями и вращающего гибкого колеса 2 с наружными зубьями. Жёсткое зубчатое колесо соединяется с корпусом передачи. Гибкое зубчатое колесо изготавливают либо в виде стакана с тонкой легко деформирующейся стенкой, либо в виде свободно деформирующегося кольца.

В современных механизмах применяют зубчатые колёса с профилем зуба, очерченным эвольвентной кривой. В ряде случаев используются передачи с зацеплением Новикова, основным отличием которых является выпуклый и вогнутый круговые профили зубьев.

Действующими ГОСТами установлено 12 степеней точности цилиндрических зубчатых колёс и передач, с обозначением степеней в порядке убывания точности. За основу принята 7-я степень точности, соответствующая 7-му квалитету. Для каждой степени точности установлены нормы: кинематическая точность колеса; плавность работы колеса; контакта зубьев; бокового зазора.

Показатели кинематической точности представлены на рис. 16.2.

Нормы кинематической точности определяют значение наибольшей погрешности угла поворота зубчатого колеса за оборот при зацеплении с точным колесом. Эта погрешность возникает при нарезании зубчатых колёс вследствие погрешностей взаимного расположения заготовки обрабатываемого колеса и режущего инструмента, а также вследствие кинематической погрешности зуборезного станка. Показателем кинематической точности является предельная кинематическая погрешность (рис. 16.2а).

Кинематическую погрешность можно оценить предельной накопленной погрешностью окружного шага , являющейся наибольшей погрешностью во взаимном расположении двух любых одноименных профилей зубьев по одной окружности колеса (рис. 16.2б).

Показателем кинематической погрешности, обозначаемым называемым колебанием длины общей нормали , т.е. размер между наибоьшей и наименьшей длинами общей нормали в одном и том же колеса (рис. 16.2в).

Норма плавности работы зубчатого колеса определяет составляющую полной погрешности углов поворота зубчатого колеса, многократно повторяющуюся за оборот колеса (рис. 16.2г). Показателем плавности работы колёс является циклическая погрешность , которая представляет собой среднее значение размаха колебаний кинематической погрешности зубчатого колеса по всем циклам за оборот колеса. Плавность работы зубчатого зацепления влияет на бесшумность и долговечность передач (рис. 16.2д).

Погрешность профиля характеризует расстояние расстояние по нормали между двумя теоретическими профилями зуба колеса, ограничивающими действительный профиль в пределах его рабочего участка (рис. 16.2е).

Рис. 16.2. Показатели кинематической точности зубчатой передачи

Нормы контакта зубьев определяют точность выполнения сопряжённых зубьев в передаче. Пятном контакт называется часть боковой поверхности зуба колеса, на которой располагаются следы прилегания его к зубьям парного колеса после вращения передачи при лёгком торможении (рис.16.2ж). Норма точности определяется относительными размерами пятна контакта (в процентах):

1) по длине зуба – отношением расстояния между крайними точками следов прилегания за вычетом разрывов с, превосходящих размер модуля, к полной длине В зуба (см. рис. 16.2ж):

2) по высоте зуба – отношение средней высоты пятна прилегания по всей длине зуба к рабочей высоте зуба:

Пример норм размеров пятна контакта приведен в табл. 16.1.

Боковым зазором называется зазор между зубьями сопряжённых колёс в передаче, обеспечивающий свободный поворот одного из колёс при неподвиж-ном втором колесе. Боковой зазор определяется в сечении, перпендикулярном направлению зубьев, в плоскости, касательной к основным цилиндрам.

Гарантированный боковой зазор обозначается .

Для зубчатых колёс в передаче установлены шесть видов сопряжений: А, В, С, D, E, H и восемь видов допуска на боковой зазор, обозначенных в порядке

Таблица 16.1

Нормы размера пятна контакта (%%) для цилиндрических колёс

его возрастания буквами: h, d, c, b, a, z, y, x.

Для конических колёс и червячных пар установлены особые нормы точности.

16.2. Основные методы обработки зубьев цилиндрических и конических колёс.

Выбор метода обработки зубчатых колёс находится в непосредственной зависимости от установленной нормы точности различных их элементов, а так-же от основных требований к передачам в процессе их эксплуатации. С этой точки зрения зубчатые передачи можно разделить на следующие группы: 1) силовые передачи больших мощностей и высоких скоростей; основное требование – обеспечение высоких КПД; 2) силовые промышленные и транспортные передачи при средних скоростях; основное требование – надёжность и плавнос-ть хода; 3) силовые передачи в станкостроении; основное требование – постоя-нство передаточного отношения и плавность хода; 4) передачи в автомобилестрении; основное требование – плавность и лёгкость хода; бесшумность; 5) кинематические передачи в точных приборах; основное требование – постоянство передаточных отношений, отсутствие мертвого хода. Установленные ГОСТом степени точности учитывают эти условия, допуская высокие технические показатели в одном направлении и низкие в другом.

Зубчатые колёса обрабатывают на разнообразных зубообрабатывающих станках. Зубья на колёсах нарезают двумя способами: копированием (рис.16.3а, б) и обкаткой (огибанием; рис. 16.3в). При копировании инструменту придают форму впадины между зубьями, а затем проводят обработку. При этом профиль инструмента копируется на обрабатываемой поверхности.

Зубонарезание способом способом копирования можно выполнять: последовательным нарезанием каждого зуба колеса модульной дисковой или па-льцевой фрезой на универсальном фрезерном станке; одновременным долблением всех зубьев колес; одновременным протягиванием всех зубьев колес; круговым протягиванием. Способ копирования применяется главным образом для изготовления зубчатых колёс невысокой точности.

Современным, точным и производительным способом изготовления зуб-чатых колёс является нарезание зубьев обкаткой червячной фрезой, круглым

Рис. 16.3. Схемы нарезания зубьев

долбяком, реечным долбяком (гребенкой), зубострогальными резцами, резцовой головкой, накатыванием зубчатыми валками.

Способ обкатки заключается в том, что зубья на заготовке формируются при согласованном совместном вращении (обкатке) режущего инструмента и заготовки. Так при зубофрезеровании (рис. 16.4) прямолинейные боковые режущие кромки зубьев фрезы, имеющую в осевом сечении трапецеидальную форму, поочередно касаются нарезаемого зуба. Рассматривая последовательные положения зубьев фрезы, видим, что профиль впадины формируется постепенно и состоит из множества прямолинейных участков, образованных зубьями фрезы. Эти прямолинейные участки накладываются один на другой и практически образуют не ломаный, а криволинейный (эвольвентный).

Рис. 16.4. Обкатка зубьев колёс

Ни один хороший механизм не может быть построен без такой детали, как зубчатое колесо (или, иначе, шестерня). Правильное понимание того, как шестерни влияют на такие параметры, как крутящий момент и скорость вращения, очень важно. Ниже будет рассказано об азах зубчатых передач и о том, как правильно их использовать.

Механическое преимущество: крутящий момент против скорости вращения

Зубчатые передачи работают по принципу механического преимущества. Это значит, что с помощью использования шестерен различных диаметров вы можете изменять скорость вращения выходного вала и вращающий момент, развиваемый приводным двигателем.

Любой электродвигатель имеет определенную скорость вращения и соответствующий его мощности крутящий момент. Но, к сожалению, для многих механизмов предлагаемые на рынке и подходящие по стоимости асинхронные двигатели обычно не обладают желаемым соотношением между скоростью и моментом (исключением являются сервоприводы и мотор-редукторы с высоким моментом). Например, вы действительно хотите, чтобы колеса вашего робота-уборщика вращались со скоростью 3000 об/мин при низком крутящем моменте? Нет конечно, поэтому последний зачастую предпочтительнее скорости.

Уравнение зубчатой передачи

Она обменивает высокую входную скорость на больший выходной крутящий момент. Этот обмен происходит по очень простому уравнению, которое можно записать так:

Момент входной * Скорость входная = Момент выходной * Скорость выходная

Скорость входную можно найти, просто просматривая табличку приводного электродвигателя. Момент входной легко определить по этой скорости и механической мощности из той же таблички. Затем просто подставим выходную скорость или требуемый крутящий момент в правую часть уравнения.

Например, предположим, что ваш асинхронный двигатель при моменте на выходном валу 0,5 Н∙м имеет скорость 50 об/с, но вы хотите только 5 об/с. Тогда ваше уравнение будет выглядеть так:

0,5 Н∙м * 50 об/с = Момент выходной * 5 об/с.

Ваш выходной крутящий момент будет 5 Н∙м.

Теперь предположим, что с тем же мотором вам нужно 5 Н∙м, но при этом требуется минимальная скорость 10 об/с. Как бы узнать, способен ли на это ваш мотор вместе с зубчатой передачей (т. е., по сути, мотор-редуктор)? Обратимся снова к нашему уравнению

0,5 Н∙м * 50 об/с = 5 Н∙м * Скорость выходная,

Скорость выходная = 5 об/с.

Итак, вы определили, используя простое уравнение, что при показателе Момент выходной =5 Н∙м обеспечить скорость выходную в 10 об/с ваша зубчатая передача не способна. Вы только что сохранили себе кучу денег, так как не потратили их на механизм, который никогда не заработал бы.

Передаточное число зубчатой передачи

Мы записали уравнения, но как механически поменять местами крутящий момент и скорость? Для этого нужны две шестерни (иногда больше) различных диаметров, чтобы иметь конкретное передаточное число. В любой паре шестерен большее зубчатое колесо будет двигаться более медленно, чем меньшее, но оно будет передавать на выходной вал больший крутящий момент. Таким образом, чем больше величина разницы (или передаточное число) между двумя колесами, тем больше разница их скоростей и передаваемых крутящих моментов.

Передаточное число показывает, во сколько раз зубчатая передача изменяет скорость и вращающий момент. Для него, опять же, имеется очень простое уравнение.

Предположим, что передаточное число равно 3/1. Это будет означать, что вы увеличиваете ваш крутящий момент втрое, а скорость втрое снижаете.

Момент входной = 1,5 Н∙м, Скорость входная = 100 об/с,

Передаточное число = 2/3

Скорость выходная = Скорость входная * 3/2 = 150 об/с.

Итак, на выходе передачи момент в полтора раза вырос, а скорость точно так же снизилась.

Достижение определенного передаточного числа

Если вы хотите достичь простой его величины, скажем 2 к 1, вы должны использовать две шестерни, одна из которых вдвое больше другой. Это не что иное, как отношение их диаметров. Если диаметр зубчатого колеса в 3 раза больше, чем у сцепленного с ним другого, то вы получите передаточное число 3/1 (или 1/3).

Для гораздо более точного способа вычислить передаточное число подсчитайте отношение зубьев на шестернях. Если одна из них имеет 28 зубьев и другая - 13, вы получите передаточное число 28 / 13 = 2,15 или 13 / 28 = 0,46. Подсчет зубьев всегда будет давать вам наиболее точную величину.

Эффективность передач

К сожалению, в зубчатой передаче вы имеете определенные энергетические потери. Это обусловлено очевидными причинами, такими как трение, рассогласование углов давления, смазкой, зазорами (расстоянием между сцепленными зубьями двух шестерен), а также угловыми моментами и т. д. Различные типы передач, разные виды зубчатых колес, различные материалы и износ шестерен, - все это будет влиять на КПД передачи. Возможные их комбинации дадут слишком большой список, поэтому точную величину КПД передачи, которые вы используете, вы сможете найти в документации на нее.

Предположим, что вы используете два цилиндрических зубчатых колеса. Обычное КПД такой передачи примерно ~ 90%. Умножьте это число на вашу скорость выходную и момент выходной, чтобы получить истинные выходные величины передачи.

Если (из предыдущего примера):

Передаточное число = 2/3

Момент выходной = Момент входной * 2/3 = 1 Н∙м,

Скорость выходная = Скорость входная * 3/2 = 150 об/с,

то тогда:

Истинный Момент выходной = 1 Н∙м * 0,9= 0,9 Н∙м,

Истинная Скорость выходная = 150 об/с * 0,9 = 135 об/с.

Направление вращения шестерен

Разрабатывая любую зубчатую передачу, нужно понимать, как она изменяет направление вращения выходного вала. Две сцепленные шестерни всегда будут вращаться в противоположных направлениях. Это означает, что если одна вращается по часовой стрелке, то другая всегда будет вращаться против нее. Это вполне очевидно. Но что делать, если у вас есть передача, скажем, из шести сцепленных шестерен? Правило здесь следующее: входной и выходной валы у передач с нечетным числом шестерен всегда вращаются в одном направлении, а при четном числе шестерен - в противоположном.

Конструкция и параметры зубчатого колеса

Оно содержит венец с зубьями, диск и ступицу. Имеется три наиболее важных его параметра: модуль, диаметр делительной окружности и количество зубьев. Какую же делительную окружность имеет зубчатое колесо? Чертеж цилиндрического колеса с типовыми эвольвентными зубьями показан ниже.

Делительная окружность показана на нем пунктиром. По ней принято определять окружной шаг зубьев p (шаг зацепления), т. е. часть ее длины, приходящуюся на один зуб, и модуль шестерни m - часть диаметра делительной окружности d , приходящуюся на один зуб. Чтобы его вычислить, просто используйте формулу ниже:

m = d /z = p /3,14, мм.

Например, зубчатое колесо с 22 зубьями и диаметром 44 мм имеет модуль m = 2мм. Сцепленные шестерни должны обе иметь один модуль. Значения их стандартизованы, и как раз на делительной окружности модуль данного колеса принимает свое стандартное значение.

Высота головки зуба одного колеса меньше высоты ножки зуба второго, зацепляющегося с ним, благодаря чему образуется радиальный зазор c .

Для обеспечения бокового зазора δ между двумя сцепленными зубьями сумма ихтолщин принимается меньше их окружного шага p . Радиальный и боковойзазоры предусматриваются для создания необходимых условий смазки, нормальной работы передачи при неизбежных неточностях изготовления и сборки, тепловом увеличении размеров передачи и т. п.

Расчет зубчатого колеса

Он всегда ведется в составе расчета конкретной зубчатой передачи. Исходными данными для него обычно являются мощность (или крутящий момент), угловые скорости (или скорость одного вала и передаточное число), условия работы (характер нагрузки) и срок службы передачи.

Дальнейший порядок относится к закрытой цилиндрической прямозубой передаче.

1. Определение передаточного числа u .

2. Выбор материалов колес в зависимости от условий работы, назначение термообработки и значения твердости рабочих поверхностей зубьев.

3. Расчет зубьев передачи на изгиб.

4. Расчет зубьев передачи на контактную прочность (прочности контактирующих поверхностей зубьев).

5. Определение межосевого расстояния a W из условия контактной прочности и округление его значения до стандартного.

6. Задание модуля из соотношения m = (0,01 - 0,02) х a W и округление его значения до ближайшего стандартного. При этом в силовых передачах желательно иметь m ≥1,5 - 2 мм.

7. Определение суммарного числа зубьев передачи, числа зубьев шестерни и колеса.

8. Выбор коэффициентов формы зубьев для шестерни и колеса.

9. Проверка прочности зубьев по напряжениям изгиба.

10. Проведение геометрического расчета передачи.

11. Определение окружной скорости колеса и назначение соответствующей точности зацепления.

Расчет зубчатого колеса в составе открытой зубчатой передачи несколько отличается от приведенного, но в основном последовательность его такая же.

Как обозначается точность изготовления зубчатых колес

При изготовлении любые их виды имеют ряд погрешностей, среди которых выделяют четыре основные:

• кинематическую погрешность, связанную в основном с радиальным биением зубчатых венцов;
• погрешность плавности работы, вызываемую отклонениями шага и профиля зубьев;
• погрешность контакта зубьев в передаче, которая характеризует полноту прилегания их поверхностей в зацеплении;
• боковой зазор между неработающими поверхностями зубьев.

Для контроля первых трех погрешностей стандартами установлены специальные показатели - степени точности от 1 до 12, причем точность изготовления увеличивается с уменьшением показателя. Для контроля четвертой погрешности изготовления имеются два показателя:

• вид сопряжения зубчатых колес - обозначается литерами A, B, C, D, E, H;
• допуск на боковой зазор - обозначается литерами x, y, z, a, b, c, d, e, h.

Для обоих показателей бокового зазора обозначения даны в порядке убывания его величины и допуска на него.

Условно точность зубчатых колес обозначается двумя способами. Если степень точности по первым трем погрешностям одинакова, то ставится один общий для них численный показатель степени точности, за которыми стоят литеры обозначения вида сопряжения и допуска на боковой зазор. Например:

8-Ас ГОСТ 1643 - 81.

Если точности по первым трем погрешностям разные, то в обозначении ставятся три численных показателя последовательно. Например:

5-4-3-Са ГОСТ 1643 - 81.

Типы зубчатых передач

Любое зубчатое колесо, независимо от его типа, делается и работает по одним и тем же вышеприведенным принципам. Однако различные их типы позволяют выполнить разные задачи. Некоторые виды передач обладают или высоким КПД, или высоким передаточным отношением, или же работают с непараллельными осями вращения шестерен, к примеру. Ниже приведены основные общие типы. Это не полный список. Также возможно и сочетание нижеприведенных типов.

Примечание: Приведены только типичные КПД передач. Из-за многих других возможных факторов приводимые КПД должны использоваться только в качестве справочных величин. Часто производители приводят ожидаемые КПД в паспортах для своих передач. Помните, что износ и смазка будут также существенно влиять на эффективность передач.

Цилиндрические прямозубые колеса (КПД ~ 90%)

Цилиндрическое зубчатое колесо имеет зубья, расположенные на цилиндрической поверхности. Передачи с ними являются наиболее часто используемыми типами благодаря своей простоте и максимальной эффективности среди всех других. Передаточное число для одной пары u ≤ 12,5. Не рекомендуется для очень высоких нагрузок, так как прямые зубья зубчатого колеса довольно легко ломаются.

Цилиндрические косозубые колеса (КПД ~ 80%)

Они работают так же, как цилиндрические прямозубые, для передачи момента между параллельными валами, но у такой передачи более плавно происходит зацепление. Вследствие этого они создают меньше шума при работе и имеют меньшие габариты. У них большая нагрузочная способность. К сожалению, из-за сложной формы зубьев они, как правило, более дорогие.

Цилиндрические шевронные колеса

Являются разновидностью предыдущего вида. Чем отличается такое зубчатое колесо. Чертеж его показан ниже. Видно, что по ширине его венца расположены зубья с правым и левым наклоном, так что такие составные зубья зубчатого колеса по форме напоминает «шевроны». Эти колеса обладают всеми преимуществами косозубого их вида, плюс отсутствием осевых нагрузок. Они способны самоцентрироваться и не нуждаются в дорогостоящих радиально-упорных подшипниках для восприятия осевых нагрузок.

Конические зубчатые колеса (КПД ~ 70%)

Зубья этих колес, располагающиеся на конических поверхностях, выполняют прямыми, косыми, круговыми (дугообразными). Эти передачи применяют для передачи момента между перекрещивающимися под разными углами валами. К сожалению, их КПД довольно низок, поэтому следует избегать их применения, если возможно.

Червячные передачи (КПД ~ 70%)

Это передача с винтом-червяком на одном валу и червячным колесом на втором, перпендикулярном первому, валу. Они имеют очень высокое передаточное число. В расчетах принимают во внимание то, что у червяка (однозаходного) имеется только один зуб (виток).

Еще одним преимуществом червячной передачи является то, что у нее только одно направление вращения. Это означает, что только приводной двигатель может вращать такую передачу, в то время как сила тяжести или другие сторонние силы не вызовут каких-либо вращений. Это бывает полезно, например, для стопорения груза на высоте.

Описание зубчатых передач

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧАХ

Зубчатые передачи являются разновидностью механических передач, работающих на принципе зацепления. Их используют для передачи и преобразования вращательного движения между валами.

Зубчатые передачи отличаются высоким КПД (для одной ступени – 0,97-0,99 и выше), надежностью и длительным сроком службы, компактностью, стабильностью передаточного отношения из-за отсутствия проскальзывания. Зубчатые передачи применяют в широком диапазоне скоростей (до 200 м/сек), мощностей (до 300 МВт). Размеры зубчатых колес могут быть от долей миллиметра до нескольких метров.

К недостаткам можно отнести сравнительно высокую сложность изготовления, необходимость нарезания зубьев с высокой точностью, шум и вибрация при высоких скоростях, большую жесткость, не позволяющая компенсировать динамические нагрузки.

Передаточные числа в редукторных передачах могут достигать 8, в открытых передачах – до 20, в коробках передач – до 4.

По расположению зубьев различают передачи с наружным и внутренним зацеплением.

Конструктивно зубчатые передачи большей частью выполняются закрытыми в общем жестком корпусе, что обеспечивает высокую точность сборки. Лишь тихоходные передачи (v < 3 м/сек) с колесами значительных размеров, нередко встроенных в конструкцию машин (например, в механизмах поворота подъемных кранов, станков), изготавливаются в открытом исполнении.

Чаще всего зубчатые передачи применяют в качестве замедлительных (редукторов), т.е. для уменьшения частоты вращения и увеличения вращающего момента, но также с успехом используются для повышения скорости вращения (мультипликаторы).

Для предохранения рабочих поверхностей зубьев от заедания и абразивного износа, а также для уменьшения потерь на трение и связанного с этим нагревания, применяют смазку. Закрытые передачи обычно смазываются жидкими минеральными маслами, окунанием колес или принудительной подачей масла к зацепляющимся зубьям. Открытые передачи смазываются консистентными смазками, периодически наносимыми на зубья.

Зубчатые передачи с параллельными валами называются цилиндрические (рис. 2.1), с пересекающимися валами – конические (рис. 2.2).

По расположению зубьев различают передачи с наружным (рис. 2.1а -в ) и внутренним зацеплением (рис. 2.1г ).

По профилю зубьев колес передачи подразделяют: на передачи с эвольвентным зацеплением , в котором профили зубьев очерчены эвольвентами; на передачи с циклоидальным профилем ; на передачи с зацеплением Новикова . Далее в пособии будут описываться только передачи эвольвентного профиля с наружным зацеплением.

Шестерня – это зубчатое колесо передачи с меньшим числом зубьев (чаще всего – ведущее). Колесо – это зубчатое колесо передачи с большим числом зубьев. Термин "зубчатое колесо" можно применять как к шестерне, так и к колесу зубчатой передачи.

Цилиндрические зубчатые передачи бывают прямозубыми, косозубыми и шевронными.

Прямозубые колеса (рис. 2.1а ) применяют преимущественно при невысоких и средних окружных скоростях, при большой твердости зубьев (когда динамические нагрузки от неточностей изготовления невелики по сравнению с полезными), в планетарных передачах, в открытых передачах, а также при необходимости осевого перемещения колес (в коробках передач).

Косозубые колеса (рис. 2.1б ) обладают более высокой нагрузочной способностью (за счет большей длины зуба при одинаковой ширине зубчатого венца), повышенной плавностью и пониженной шумностью, поэтому их применяют для ответственных передач при средних и высоких скоростях. Объем их применения – свыше 40 % объема применения всех цилиндрических колес в машинах.

Косозубые колеса с твердыми поверхностями зубьев требуют повышенной защиты от загрязнений во избежание неравномерности износа по длине контактных линий и опасности выкрашивания. В косозубом зацеплении возникает осевая сила, которую надо учитывать при проектировании опор и валов.

Шевронные колеса (рис. 2.1в ) обладают всеми преимуществами косозубых колес, и при этом отсутствует вредная осевая сила, но их технология изготовления сложней.

Для прямозубых колес угол наклона зубьев b = 0°, для косозубых - b = 8...20°, для шевронных - b = 25...40°.

В косозубых передачах редукторов для шестерен рекомендуют принимать направление зуба левое, для колес – правое.

Большинство серийных редукторов имеют косозубые колеса, причем и в быстроходных и в тихоходных ступенях.

Среди конических зубчатых передач наибольшее распространение в машиностроении имеют передачи с прямыми зубьями. Также часто применяются передачи с круговыми зубьями. Гораздо реже – с тангенциальными и другими криволинейными зубьями.

	а	б
Рис. 2.2. Виды конических зубчатых передач

Прямозубые конические передачи (рис. 2.2а ) применяют при невысоких окружных скоростях (до 2…3 м/сек, допустимо до 8 м/сек), как наиболее простые в монтаже.

Конические передачи с круговыми зубьями (рис. 2.2б ) имеют более плавное зацепление и поэтому большие быстроходность и несущую способность. Они более технологичны.

2.3Материалы зубчатых колес и термическая или химико-термическая обработка

Материалы зубчатых колес и термическая или химико-термическая обработка выбираются в зависимости от назначения передачи, условий эксплуатации и требований к габаритным размерам.

Для повышения несущей способности передач целесообразно повышение твердости поверхности зубьев, т.к. несущая способность передач по контактной прочности пропорциональна квадрату твердости поверхности зубьев. Однако повышение твердости материала отрицательно сказывается на изгибной прочности. Для повышения изгибной прочности желательно сохранять вязкую сердцевину зуба. Поэтому в основном применяется поверхностная термическая или химико-термическая обработка.

Способы упрочнения :

· Нормализация позволяет получить твердость 180…220 HB, поэтому нагрузочная способность относительно невелика, но при этом зубья колес хорошо прирабатываются и сохраняют точность, полученную при механической обработке. Нормализованные колеса обычно используют во вспомогательных механизмах, например, в механизмах ручного управления.

Применяемые стали: 40, 45, 50 и др. Для повышения стойкости против заедания шестерни и колеса следует изготавливать из разных материалов.

· Улучшение позволяет получить твердость поверхности и сердцевины 200…240 HB (для небольших шестерен 280…320 HB), нагрузочная способность несколько выше, чем при нормализации, но зубья колес прирабатываются хуже. Обычно улучшенные колеса применяют в условиях мелкосерийного и единичного производства при отсутствии жестких требований к габаритам.

Применяемые стали: 40, 45, 50Г, 35ХГС, 40Х и др.

· Закалка токами высокой частоты (ТВЧ) дает среднюю нагрузочную способность при достаточно простой технологии упрочнения. Позволяет достигать поверхностной твердости 45…55 HRC при глубине упрочненного слоя до 3…4 мм. Закалке ТВЧ обычно предшествует улучшение, поэтому механические свойства сердцевины – как при улучшении. Изгибная прочность по сравнению с объемной закалкой выше в 1,5-2 раза. Из-за повышенной твердости зубьев передачи плохо прирабатываются. Размеры зубчатых колес практически неограниченны. Необходимо помнить, что при модулях менее 3…5 мм, зуб прокаливается насквозь, что приводит к значительному их короблению и снижению ударной вязкости.

Применяемые стали: 40Х, 40ХН, 35ХМ, 35ХГСА.

· Цементация (поверхностное насыщение углеродом) с последующей закалкой ТВЧ и обязательной шлифовкой позволяет получить поверхностную твердость 56…63 HRC при глубине упрочненного слоя 0,5…2 мм. Нагрузочная способность высокая, но технология упрочнения более сложная. Изгибная прочность по сравнению с объемной закалкой выше в 2-2,5 раза.

Широко применяют сталь 20Х, а для ответственных зубчатых колес, особенно работающих с перегрузками и ударными нагрузками, стали 12ХН3А, 20ХНМ, 18ХГТ, 25ХГМ, 15ХФ.

· Азотирование (поверхностное насыщение азотом) обеспечивает высокую твердость и износостойкость поверхностных слоев, при этом не требуется последующая закалка и шлифование. Азотирование позволяет получить поверхностную твердость 58…67 HRC при глубине упрочненного слоя 0,2…0,5 мм. Малая толщина упрочненного слоя не позволяет применять азотированные колеса при ударных нагрузках и при работе с интенсивным изнашиванием (при загрязненной смазке, попадании абразива). Длительность процесса азотирования достигает 40-60 часов. Обычно азотирование применяют для колес с внутренним зацеплением и других, шлифование которых затруднено.

Применяют молибденовую сталь 38Х2МЮА, но возможно азотирование сталей 40ХФА, 40ХНА, 40Х до меньшей твердости, но большей вязкости.

· Нитроцементация – насыщение поверхностных слоев углеродом и азотом в газовой среде с последующей закалкой обеспечивает высокую контактную прочность, износостойкость и сопротивление заеданиям, обладает достаточно высокой скоростью протекания процесса – около 0,1 мм/час и выше. В связи с малым короблением позволяет во многих случаях обойтись без шлифования. Содержание азота в поверхностном слое позволяет применять менее легированные стали, чем при цементации: 18ХГТ, 25ХГТ, 40Х и др.

2.4Конструкция зубчатых колес

Конструкция зубчатых колес зависит от их размеров, материала, технологии изготовления и эксплуатационных требований.

Шестерни малых размеров, у которых диаметр окружности впадин зубьев близок к диаметру вала, выполняются за одно целое с валом (вал-шестерня) (рис. 2.3).

Колеса, допускающие посадку на вал, как правило, делаются насадными. Это дает возможность подбирать различные, наиболее подходящие материалы и термообработку для вала и колеса, упрощают технологию изготовления этих деталей, и позволяет после износа зубьев колеса производить его замену, сохраняя вал.

Шестерни небольшого диаметра (D £ 200 мм) обычно изготовляются из круглого проката (£ 150 мм), кованных или штампованных заготовок в виде сплошного диска или с выступающей ступицей и др. (рис. 2.4).

Колеса средних размеров (D £ 600 мм) изготовляются из поковок, штампованных или литых заготовок и большей частью имеют дисковую конструкцию (рис. 2.5).

Зубчатые колеса больших размеров можно изготовлять цельнолитыми, с одним или двумя параллельными дисками, подкрепленными ребрами, или со спицами крестовидного, таврового, двутаврового, овального или другой формы сечения (рис. 2.6).

При использовании высококачественных сталей для изготовления зубчатого венца, в целях экономии, колеса могут выполняться бандажированными (посадка с гарантированным натягом) или сборными (на призонных болтах, с помощью сварки или клея) (рис. 2.7).

Шестернями называют основные элементы зубчатых передач (ЗП) в виде дисков или конусов с выполненными на их поверхности (нарезанными, литыми) зацепами (зубьями), которые входят в зацепление с зубьями другой детали. В машиностроении принято меньшую деталь передачи называть шестерней, а большую – зубчатым колесом (ЗК), но в целом можно считать эти термины синонимами.

Форма зубьев шестерен имеет определяющее значение на ее характеристики (нагрузочную способность, износоустойчивость, шумность и др).

Подавляющее большинство современных зубчатых шестерен выполнены с зубьями эвольвентного профиля (в форме эвольвенты окружности). При всех их несомненных достоинствах, зацепы эвольвентной формы имеют ограниченную прочность. Потому в тихоходных механизмах с большим силовым потоком применяются шестерни с зацепами и выемками круглой формы (так называемая передача Новикова).

В машиностроении основу составляют четыре вида шестерен (формфактора):

• цилиндрические;
• конические;
• ЗК с внутренним зацеплением (эпициклы планетарных редукторов и др.);
• вал-шестерня.

Особняком стоят такие разнообразные по форме зубчатые детали, как:

• зубчатая рейка, применяемая в реечной передаче (кремальере);
• секторное колесо, применяемое в приводах с неполным оборотом валов;
• коронные шестерни с зацепами на боковой поверхности;
• звездочки, применяемые в цепных механизмах.

Как цилиндрические, так и конические шестерни могут выполняться с зубьями (зацепами) эвольвентной и круглозубой формы.

Цилиндрические ЗК в конструкции машин и механизмов являются самыми распространенными.

В зависимости от начертания продольной линии зуба, они бывают:

• прямозубые (продольная линия зуба параллельна оси вала);
• косозубая (линия зуба под углом к оси вала);
• шевронная (линии образуют по форме римскую букву V).

ЗК с внутренним зацеплением (эпициклы) имеют варианты продольной линии зуба такие же, как и у цилиндрических.

Конические шестерни в зависимости от формы линии зубьев бывают:

• прямые;
• тангенциальные;
• круговые;
• криволинейные.

Наиболее широко применяемым материалом для изготовления зубчатых деталей являются разнообразные сорта термически обрабатываемой (углеродистой и легированной) стали. Кроме того, в некоторых узлах и механизмах могут применяться шестерни, изготовленные из:

• чугуна (серый СЧ, высокопрочный (магниевый) ВЧ);
• латуни,
• конструкционных полимеров и пластиков, (текстолит, капролон, фенилон и др.).

Подробнее о видах шестерен и их особенностях

Каждый особый тип ЗК имеет свои характерные особенности и сферу применения.

Цилиндрические прямозубые – наиболее просты и технологичны в изготовлении, хорошо ведут себя в составе скоростных редукторов, малочувствительны к изменениям межосевых расстояний и углов при сильных вибрациях. Но имеют недостатком относительно ограниченную нагрузочную стойкость. Также в составе узлов и механизмов имеют сравнительно высокую шумность в работе, порождают высокочастотные вибрации.

Цилиндрические косозубые – имеют большую площадь контакта (нагрузочную стойкость), лучшую плавность работы, меньшую шумность и вибрации. Применяются в скоростных нагруженных редукторах, где требуется снижение шумности. Но в своей работе порождают продольные усилия на валу, которые требуют применения более дорогих упорных подшипников.

Цилиндрические шевронные (самоцентрирующиеся) – не имеют недостатков прямозубых и косозубых (высокий передаваемый крутящий момент, плавность в работе, низкая шумность, отсутствие продольных усилий), но менее технологичны и более сложны в изготовлении, чувствительны к изменениям межосевых расстояний и углов при вибрациях.

Эпициклы (с внутренним зацеплением) – применяются в планетарных редукторах, или в составе цилиндрических передач, где по инженерным требованиям требуется экономия места.

Вал-шестерня является вариантом цилиндрического ЗК, в котором (как правило, прямые) зубья нарезаны непосредственно на штанге. Применяется в конструкциях редукторов, где требуется экономия места, или малонагруженные зубчатые детали подвергаются малому износу.

Зубчатая рейка – прямолинейная рейка с нарезанными на ней с одной или двух сторон зацепами, как правило, эвольвентного или циклоидного профиля. Работает в паре с приводной шестерней. Применяется в разнообразных механизмах, где необходимо преобразовать вращательное движение привода в продольно-поступательное движение рейки.

Секторное колесо – это не цельная цилиндрическая шестерня, а только ее часть (сектор), насаженный на ось. Применяется в приводах, где не нужен полный поворот вала, а вполне достаточно частичного.

Конические – применяются в зубчатых передачах, в которых оси валов пересекаются под произвольным углом (как правило, 90 град, но может быть и другой), или имеют динамически переменный угол зацепления. Предназначены для трансляции силового потока с изменением его направления. Среди них самые скоростные, технологичные в изготовлении, но в то же время и самые шумные – прямозубые конические шестерни. Как и в случае с цилиндрическими ЗК, изменение (усложнение) формы линии зубьев (от прямой к тангенциальной, круговой, криволинейной) приводит к увеличению плавности работы, нагрузочной способности, снижению шумности в механизмах. Но в то же время повышает их чувствительность к вибрациям, нарушениям зазоров в зацеплении, сложность и затратность изготовления.

Круглозубые (передача Новикова) – имеют высокую прочность зацепов и соответственно, нагрузочную стойкость. Но в то же время очень чувствительны к изменениям межосевых расстояний, углов, что случается при работе на высоких скоростях, в условиях вибраций. Потому применяются, как правило, только в тихоходных высоконагруженных машинах и механизмах. Имеют характерную особенность – в зубчатой паре профили зацепов на обоих колесах разные – на одном круглые выемки, на другом – круглые зубья.

Пара коронной (с зацепами на боковой поверхности цилиндрического колеса) и прямозубой ведущей шестерни (барабана) – применяется в механизмах с фиксированным неизменным углом трансляции силового потока в 90 град.

Звездочки – особый класс зубчатых деталей с разнообразной формой и профилем зубьев, применяются в цепных передачах с роликовыми, втулочными, силовыми, круглозвенными и др. цепями.

Ременная зубчатая передача одновременно совмещает особенности цепной и реечной. В ее составе имеются как гибкий зубчатый ремень, так и цилиндрические прямозубые шестерни (часто применяются как шестерня распредвала двигателя).

Практически любой механизм в современной технике отчасти или полностью состоит из различных типов передач. В большинстве случаев в качестве передаточных устройств движения используются именно зубчатые элементы В данной статье будет подробнейшим образом рассмотрена классификация зубчатых передач. Об их разновидностях и особенностях мы и поговорим.

Определение

Итак, с технической точки зрения зубчатой передачей является механизм, который служит для передачи вращения с одного вала на другой и для изменения частоты вращения с помощью реек и колес.

Классификация зубчатых передач гласит, что зубчатое колесо, расположенное на валу, передающем вращение, принято называть ведущим, а принимающее вращение - ведомым. Также тот элемент, который обладает в паре меньшими размерами, называют шестерней, а то, которое большими - колесом.

Сфера применения

Классификация, основные параметры и особенности работы которых будут описаны ниже, вполне обосновано считаются самыми распространёнными деталями в машиностроении и прочих отраслях народного хозяйства. Такая высокая востребованность объясняется возможностью передачи с их помощью мощностей в диапазоне от нескольких долей до нескольких десятков тысяч киловатт. При этом окружные скорости вращения могут составлять до 150 м/с, а передаточные числа колеблются от сотен до тысяч. Диаметр самих колес находится в пределах от считанных миллиметров (иногда даже их долей) до шести и более метров.

Дифференциация

Назначение и классификация зубчатых передач предусматривает их разделение по следующим признакам:

1. По расположению осей колес в пространстве:

• с параллельными осями (цилиндрические передачи);
• с пересекающимися осями (конические передачи);
• со скрещивающимися осями (червячные и

2. По типу относительного вращения колес и расположению зубьев:

3. По форме профиля:

• эвольвентные зубья;
• циклоидальные;

4. По расположению теоретической линии зуба:

• прямозубые колеса;
• косозубые;
• шевронные;
• винтовые (с круговым зубом).

Стоит отметить, что непрямозубые передачи обладают большой плавностью своей работы, в них гораздо меньший износ и шум по сравнению с прямозубыми передачами.

5. По показателю окружной скорости:

• тихоходные передачи (менее 3 м/с);
• среднескоростные (от 3 м/с до 15 м/с);
• быстроходные (свыше 15 м/с).

Градация по областям применения

Классификация зубчатых передач по функциональному назначению предусматривает их деление на:

• Кинематические (отсчетные) передачи. Их применяют в разнообразных приборах, счетно-решающих механизмах. Главное требование к таким передачам - соблюдение высочайшей кинематической точности, то есть должна быть чёткая согласованность углов поворота как ведущего, так и ведомого колес.
• Скоростные передачи применяются в редукторах турбомашин, коробках передач автомобилей. Требования: максимально возможная плавность работы.
• Силовые передачи эксплуатируются в крановых и прокатных механизмах. Они работают при малых скоростях, но при этом передают внушительные крутящие моменты. Главное требование, выдвигаемое к передачам данного типа, - плотный контакт зубьев, находящихся между собой в сопряжении.

Дополнительные критерии

Классификация зубчатых передач по конструктивному оформлению учитывает, что они могут быть открытого и закрытого типа. Открытые передачи могут работать либо без смазки (крайне редко), либо же обрабатываться специальными консистентными смазочными веществами.

Закрытые передачи, в свою очередь, смазываются за счет погружения зубьев в специальное масло, которым заполоняют картер (погружное смазывание). В некоторых случаях предусмотрена централизованная подача состава в картер. При этом регулировка потока смазывающей жидкости осуществляется с помощью специальных дросселей.

В зависимости от того, как меняется частота вращения, зубчатые передачи разделяются на:

• понижающие (их называют редукторами). В таких передачах передаточное отношение больше или равно единице.
• Мультипликаторы - передаточное число меньше единицы.

Кстати, бывают как постоянными, так и ступенчато-регулируемыми благодаря перемещению колес непосредственно по валу (например, коробка скоростей).

Положительные качества

Классификация зубчатых передач будет неполной, если не рассмотреть их достоинства. В сравнении с другими типами передач зубчатые характеризуются:

• Технологичностью.
• Постоянством передаточного отношения.
• Высокой нагрузочной способностью (до 50000 кВт).
• Внушительным коэффициентом полезного действия (до 0,99).
• Малыми габаритными размерами по сравнению с прочими передачами при одинаковых условиях.
• Большой надежностью во время работы.
• Простотой обслуживания.

Отрицательные качества

Что касается недостатков зубчатых передач, то в их числе значатся:

• Отсутствие возможности изменять передаточное число бесступенчато.
• Точность изготовления и монтажа должна быть на высоком уровне.
• Возникновение шума при больших скоростях работы.
• Неудовлетворительные амортизирующие свойства.
• Большие габариты в случаях, когда между осями ведомого и ведущего валов внушительное расстояние.
• Нарезание зубьев требует наличия специального оборудования и инструмента.
• Неспособность к компенсации динамических нагрузок по причине высокой жестокости.
• Отсутствие предохранительной функции. Зубчатая передача не способна защитить машину или механизм от перегрузки.

Также зубчатые передачи (достоинства и недостатки, классификация и виды которых указаны выше) нерационально используют свои зубья, что проявляется в одновременной работе не более двух зубьев каждого из колес, находящихся в сопряжении.

Деформация зубьев колес

Правильная проектировка и эксплуатация зубчатой передачи проявляется в отсутствии сильного шума и перегрева во время работы. Если эти два указанных критерия все же имеют несоответствия, то это вполне может привести к разрушениям зубьев колес. Классификация зубчатых передач по эксплуатационному назначению также вносит свои корректировки в работу передачи, однако в целом виды разрушений зубьев бывают следующие:

• Пластическая деформация рабочих поверхностей.
• Поломка.
• Заедание.
• Изнашивание.
• Выкрашивание.

В тех случаях, когда зубья ломаются, зачастую происходит не только поломка передачи, но и повреждение различных смежных узлов, деталей (например, разрушаются подшипники, валы). Это происходит по причине заклинивающего действия отломившихся кусочков.

Довольно часто зубья ломаются по причине своей «усталости», которая появляется как следствие возникновения и прогрессивного развития трещины. Такой вид поломки более всего характерен для закрытых передач.

Истирание зубьев чаще всего наблюдается в открытых передачах, что объясняется проникновением в зону зацепления разнообразных частиц металла, грязи, пыли (абразивный износ). Также причиной может служить плохая смазка, поэтому от данного не застрахованы и закрытые передачи.

Производство колес

Важно знать, что зубчатые передачи, достоинства и недостатки, классификация которых зависят от их технологических и физических свойств, изготавливаются из различных материалов.

Чаще всего на практике применяются такие:

• обыкновенного качества (Ст6, Ст5).
• Высококачественные марки стали.
• Легированные марки сталей.
• Серый и высококачественный чугун.
• Некоторые неметаллические материалы (бакелит, текстолит).

Наибольшее распространение получили передачи с зубчатыми колесами из стали, что объясняется оптимальным сочетанием прочности, надёжности и массы. Такой материал идеально подходит для высоконагруженных передач.

В свою очередь, серый чугун используется для колес, работающих нечасто, а также тихоходных открытых передач. Чугун хорош тем, что зубья колес на его основе не слишком требовательны к смазке и хорошо притираются друг к другу.

Пластмассовые зубчатые колеса производят для механизмов, где требуется максимальная бесшумность работы высокоскоростной передачи, при этом не нужна высокая точность изготовления.

Твердость и термическая обработка

Зубчатые передачи, классификация, применение которых находятся также в зависимости от несущей способности, в обязательном порядке проходят термообработку.

Зубчатые колеса из стали условно делят на две группы:

• Колеса с твердостью зубьев менее 350 НВ. Такой показатель формируется благодаря нормализации или улучшению стали. Непосредственно зубья нарезают уже после термической обработки.
• Колеса, твердость которых превышает 350 НВ. Такую твёрдость обеспечивает химико-термическое упрочнение: цементация, азотирование, цианирование, поверхностная закалка с помощью токов высокой частоты.

Смазывание зубчатых колес

Классификация зубчатых передач по расположению зубьев будет неполной, если не рассмотреть вопрос смазывания зубчатого зацепления. Сам по себе процесс смазки ориентирован на понижение скорости износа зубьев, отвод тепла и мелких абразивных частиц, повышение КПД всей передачи. Благодаря применению качественных смазочных материалов повышается сопротивляемость колес к заеданию. В роли смазки могут выступать пластичные, жидкие и твердые материалы.

Пластичная смазка чаще всего применяется в открытых передачах, которые работают с температурой не более +120 градусов. Твёрдая смазка эксплуатируется также в открытых передачах, но в тех, рабочая температура которых превышает 100 градусов по Цельсию. Самой востребованной смазкой является жидкая. Наибольшую популярность получили нефтяные масла. Что касается синтетических материалов смазки, то их применяют лишь в особых случаях, поскольку цена их достаточно высока.

Обозначение жидких масел следующее:

• Индустриальное масло - литера И.
• Для использования в гидравлических системах - Г.
• Для тяжелонагруженных передач - Т.
• Масло, имеющее антикоррозионные, антиокислительные, противоизносные присадки, - С.
• Масло, не имеющее каких-либо присадок, - А.

Конические зубчатые колеса

Классификация конических зубчатых передач в упрощенном варианте имеет следующий вид:

• Колеса конические зубчатые с прямыми зубьями.
• С тангенциальными зубьями.
• С криволинейными зубьями.
• С круговыми зубьями.
• С линией зубьев в виде эвольвенты.

Прямозубые конические колеса чаще всего применяются в открытых передачах, а вот элементы с круговыми зубьями задействованы в редукторах.

Характеристики и обозначения

Основные параметры, на которые опирается классификация зубчатых передач, таковы:

• Число зубьев - Z.
• Межосевое расстояние - a.
• Ширина венца колеса - b.
• Радиальный зазор - с.
• Высота ножки зуба - ha.
• Высота зуба - h.
• Делительный диаметр - d.
• Начальный диаметр - dw.
• Диаметр впадин зубьев - dr.
• Диаметр вершин зубьев - da.

Производство зубчатых передач

Зубчатые колеса производятся на автоматических линиях. Эти узкоспециализированные линии делятся на короткие и комплексные. Первая группа связана лишь с нарезанием и отделкой зубчатых колес. Вторая представляет собой совокупность станков самого различного предназначения, которые обеспечивают полноценное изготовление зубчатых колес. В таких линиях применяются полуавтоматические станки для зубообработки, дополнительно укомплектованные загрузочно-разгрузочными и прочими устройствами автоматизации.

В технологических линиях производства колес между производственными станками чаще всего применяют гибкие транспортные связи в виде ленточных и цепных транспортеров, а также подвижных передаточных тележек, которые исключают возникновение забоин и прочих дефектов.