Из чего состоит зубчатая передача

6

Детали машин / Konspekty_lekcii / Конспекты лекций / Лекция 5. Зубчатые передачи

6. Конструкция колес. Материалы и допускаемые напряжения.

1. Общие сведения

Зубчатая передача – это механизм, который с помощью зубчатого зацепления передает или преобразует движение с изменением угловых скоростей и моментов. Зубчатая передача состоит из колес с зубьями, которые сцепляются между собой, образуя ряд последовательно работающих кулачковых механизмов.

Зубчатые передачи применяют для преобразования и передачи вращательного движения между валами с параллельными, пересекающимися или перекрещивающимися осями, а также для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот.

Достоинства зубчатых передач :

1. Постоянство передаточного отношения i .

2. Надежность и долговечность работы.

4. Большой диапазон передаваемых скоростей.

5. Небольшое давление на валы.

7. Простота обслуживания.

Недостатки зубчатых передач :

1. Необходимость высокой точности изготовления и монтажа.

2. Шум при работе со значительными скоростями.

3. Невозможность бесступенчатого регулирования передаточного отно-

2. Классификация зубчатых передач

Зубчатые передачи, применяемые в механических системах, разнообразны. Они используются как для понижения, так и для повышения угловой скорости.

Классификация конструкций зубчатых преобразователей группирует передачи по трем признакам:

1 . По виду зацепления зубьев . В технических устройствах применяются передачи с внешним (рис. 5.1, а ), с внутренним (рис. 5.1, б ) и с реечным (рис. 5.1, в ) зацеплением.

Передачи с внешним зацеплением применяются для преобразования вращательного движения с изменением направления движения. Передаточное отношение колеблется в пределах –0,1 i –10. Внутреннее зацепление применяется в том случае, если требуется преобразовывать вращательное движение с сохранением направления. По сравнению с внешним зацеплением передача имеет меньшие габаритные размеры, бóльший коэффициент перекрытия и повышенную прочность, но более cложна в изготовлении. Реечное зацепление применяется при преобразовании вращательного движения в поступательное и обратно.

2 . По взаимному расположению осей валов различают передачи цилиндрическими колесами с параллельными осями валов (рис. 5.1, а ), коническими колесами с пересекающимися осями (рис. 5.2), колесами со скрещивающимися осями (рис. 5.3). Передачи c коническими колесами обладают меньшим передаточным отношением (1/6 i 6), более сложны в изготовлении и эксплуатации, имеют дополнительные осевые нагрузки. Винтовые колеса работают с повышенным скольжением, быстрее изнашиваются, имеют малую нагрузочную способность. Эти передачи могут обеспечивать различные передаточные отношения при одинаковых диаметрах колес.

3 . По расположению зубьев относительно образующей обода колеса

различают передачи прямозубые (рис. 5.4, а ), косозубые (рис. 5.4, б ), шевронные (рис. 5.5) и с круговыми зубьями.

Косозубые передачи имеют боль-

шую плавность зацепления, меньше

прямозубым, но в передаче возникают

Сдвоенная косозубая со

наклонами зубьев (шевронная) переда-

ча имеет все преимущества косозубой

и уравновешенные осевые силы. Но

передача несколько сложнее в изготов-

лении и монтаже. Криволинейные

зубья чаще всего применяются в кони-

работы при высоких скоростях.

3. Геометрические параметры зубчатых колес

К основным геометрическим параметрам зубчатых колес (рис. 5.6) относятся: шаг зуба Р t , модуль m ( m = P t / ), число зубьев Z , диаметр d делительной окружности, высота h a делительной головки зуба, высота h f делительной ножки зуба, диаметры d a и d f окружностей вершин и впадин, ширина зубчатого венца b .

Диаметр делительной окружности d = mZ . Делительной окружностью зуб колеса делится на делительную головку и делительную ножку, соотношение размеров которых определяется относительным положением заготовки колеса и инструмента в процессе нарезания зубьев.

При нулевом смещении исходного контура высота делительной головки и ножки зуба колеса соответствует таковым у исходного контура, т. е.

h a = h a * m ; h f = ( h a * + c * ) m ,

где h a * – коэффициент высоты головки зуба; c * – коэффициент радиального

Для колес с внешними зубьями диаметр окружности вершин

d a = d + 2 h a = ( Z + 2 h a * ) m.

Диаметр окружности впадин

d f = d – 2 h f = ( Z – 2 h a * – 2 c * ) m.

При m ≥ 1 мм h a * = 1, c * = 0,25, d a = ( Z – 2,5) m .

Для колес с внутренними зубьями диаметры окружностей вершин и впадин следующие:

d a = d – 2 h a = ( Z – 2 h a * ) m ;

d f = d + 2 h f = ( Z + 2 h a * + 2 c * ) m.

Для колес, нарезанных со смещением, диаметры вершин и впадин определяются с учетом величины коэффициента смещения по более сложным зависимостям.

Если два колеса, нарезанные без смещения, ввести в зацепление, то их делительные окружности будут касаться, т. е. совпадут с начальными окружностями. Угол зацепления при этом будет равен углу профиля исходного контура, т. е. начальные ножки и головки совпадут с делительными ножками и головками. Межосевое расстояние будет равняться делительному межосевому расстоянию, определяемому через диаметры делительных окружностей:

a w = a = ( d 1 + d 2 )/2 = m ( Z 1 + Z 2 )/2.

Для колес, нарезанных со смещением, имеется различие для начальных и делительных диаметров, т. е.

d w 1 ≠ d 1 ; d w 2 ≠ d 2 ; a w ≠ a ; α w = α.

4. Точность преобразования параметров

В процессе эксплуатации зубчатой передачи теоретически постоянное передаточное отношение претерпевает непрерывные изменения. Эти изменения вызываются неизбежными погрешностями изготовления размеров и формы зубьев. Проблема изготовления зубчатых зацеплений с малой чувствительностью к погрешностям решается в двух направлениях:

а) применение специальных видов профилей (например, часовое зацепление);

б) ограничение погрешностей изготовления.

В отличие от таких простых деталей, как валы и втулки, зубчатые колеса являются сложными деталями, и погрешности выполнения их отдельных элементов не только сказываются на сопряжении двух отдельных зубьев, но и оказывают влияние на динамические и прочностные характеристики зубчатой передачи в целом, а также на точность передачи и преобразования вращательного движения.

Погрешности зубчатых колес и передач в зависимости от их влияния на эксплуатационные показатели передачи можно разделить на четыре группы:

1) погрешности, влияющие на кинематическую точность, т. е. точность передачи и преобразования вращательного движения;

2) погрешности, влияющие на плавность работы зубчатой передачи;

3) погрешности пятна контакта зубьев;

4) погрешности, приводящие к изменению бокового зазора и влияющие на мертвый ход передачи.

В каждой из этих групп могут быть выделены комплексные погрешности, наиболее полно характеризующие данную группу, и поэлементные, частично характеризующие эксплуатационные показатели передачи.

Такое разделение погрешностей на группы положено в основу стандартов на допуски и отклонения зубчатых передач: ГОСТ 1643–81 и ГОСТ 9178–81.

Для оценки кинематической точности передачи, плавности вращения, характеристики контакта зубьев и мертвого хода в рассматриваемых стандартах установлено 12 степеней точности изготовления зубчатых колес

и передач. Степени точности в порядке убывания обозначаются числами 1–12. Степени точности 1 и 2 по ГОСТ 1643–81 для m > 1 мм и по ГОСТ 9178–81 для 0,1 < m < 1 являются перспективными, и для них в стандартах численные значения допусков нормируемых параметров не приводятся. Стандартом устанавливаются нормы кинематической точности, плавности, пятна контакта и бокового зазора, выраженные в допустимых погрешностях.

Допускается использование зубчатых колес и передач, группы погрешностей которых могут принадлежать к различным степеням точности. Однако ряд погрешностей, принадлежащих к различным группам по своему влиянию на точность передачи, взаимосвязаны, поэтому устанавливаются ограничения на комбинирование норм точности. Так, нормы плавности могут быть не более чем на две степени точнее или на одну степень грубее норм кинематической точности, а нормы контакта зубьев можно назначать по любым степеням, более точным, чем нормы плавности. Комбинирование норм точности позволяет проектировщику создавать наиболее экономичные передачи, выбирая при этом такие степени точности на отдельные показа-

тели, которые отвечают эксплуатационным требованиям, предъявляемым к данной передаче, не завышая затрат на изготовление передачи. Выбор степеней точности зависит от назначения, области применения колес и окружной скорости вращения зубьев.

Рассмотрим более подробно погрешности зубчатых колес и передач, влияющие на их качество.

5. Динамические соотношения в зубчатых зацеплениях

Зубчатые передачи преобразуют не только параметры движения, но и параметры нагрузки. В процессе преобразования механической энергии часть мощности P тр , подводимой к входу преобразователя, расходуется на преодоление трения качения и скольжения в кинематических парах зубчатых колес. В результате мощность на выходе уменьшается. Для оценки потери

мощности используется понятие коэффициента полезного действия (КПД), определяемого как отношение мощности на выходе преобразователя к мощности, подводимой к его входу, т. е.

Если зубчатая передача преобразует вращательное движение, то соответственно мощности на входе и выходе можно определить как

P вх = ω вх T вх ; P вых = ω вых T вых ,

где ω вх , ω вых – угловые скорости на входе и выходе; T вх , T вых – крутящие

моменты на входе и выходе.

Подставив значения из выражения (5.2) в формулу (5.1), получим

η = (ω вых /ω вх )( Т вых / Т вх ).

Обозначим ω вых /ω вх через i , а величину T вых / T вх через i м , которое назовем передаточным отношением моментов. Тогда выражение (5.3) примет вид

Величина η колеблется в пределах 0,94–0,96 и зависит от типа передачи и передаваемой нагрузки.

Для зубчатой цилиндрической передачи КПД можно определить из зависимости

η = 1 – cf π(1/ Z 1 + 1/ Z 2 ),

где с – поправочный коэффициент, учитывающий уменьшение КПД с уменьшением передаваемой мощности;

Зубчатые передачи

Механизм, в котором два подвижных звена являются зубчатыми ко­лесами, образующими с неподвижным звеном вращательную или поступатель­ную пару, называют зубчатой передачей (рис. 1). Меньшее из колес передачи принято называть шестерней, а большее – колесом, звено зубчатой передачи, соверша­ющее прямолинейное движение, называют зубчатой рейкой (рис. 1, г). Термин «зубчатое колесо» является общим. При одинаковых размерах колес шестерней называют ведущее зубчатое колесо. Параметры шестерни сопровождаются индексом “1”, а колеса – “2”.

Рис. 1. Виды зубчатых передач: а, б, в — цилиндрические зубчатые передачи с внешним зацеплением; г — реечная передача;

д — цилиндрическая передача с внутренним зацеп­лением; е — зубчатая винтовая передача; ж, з, и — конические зубчатые передачи; к — ги­поидная передача

В большинстве случаев зубчатая передача служит для передачи враща­тельного движения. В некоторых механизмах эту передачу применяют для преобразования вращательного движения в поступательное (или наоборот, см. рис. 1, г).

Зубчатые передачи — наиболее распространенный тип передач в совре­менном машиностроении и приборостроении. Их применяют для передачи мощностей от долей (механизм кварцевых наручных часов) до десятков тысяч киловатт (крупные шаровые мельницы, дробилки, обжиговые печи) при окружных скоростях до 150 м/с и передаточных числах до нескольких сотен и даже тысяч, с диаметром колес от долей миллиметра до 6 ми более. Диаметры колес судовых установок, например, в передачах на гребной винт достигают 6 м.

Достоинства и недостатки зубчатых передач

Основные достоинства зубчатых передач по сравнению с другими передачами:

— технологичность, постоянство передаточного числа;

— высокая нагрузочная способность (до N=50000 кВт);

— высокий КПД (до 0,97-0,99 для одной пары колес);

— малые габаритные размеры по сравнению с другими видами передач при равных условиях;

— большая надежность в работе, простота обслуживания;

— сравнительно малые нагрузки на валы и опоры.

К недостаткам зубчатых передач следует отнести:

— невозможность бесступенчатого изменения передаточного числа;

— высокие требования к точности изготовления и монтажа;

— шум при больших скоростях; плохие амортизирующие свойства;

— громоздкость при больших расстояниях между осями ведущего и ве­домого валов;

— потребность в специальном оборудовании и инструменте для нареза­ния зубьев;

— высокая жесткость, не позволяющая компенсировать динамические нагрузки;

— нерациональное использование зубьев – в работе передачи одновременно участвуют обычно не более двух зубьев каждого из зацепляющихся колёс;

— зубчатая передача не предохраняет машину от возможных опасных перегрузок.

Зубчатые передачи

В настоящее время в агрегатах используются механические передачи нескольких различных видов. Самый распространенный вариант соединения движущихся деталей машин – зубчатые передачи, обеспечивающие повышенную надежность, стабильность передаточного числа и высокий КПД. При этом данный вид передач отличается компактностью, удобством, простотой эксплуатации и ремонтопригодностью.

Благодаря повсеместному применению, производство зубчатых передач различных типов не теряет своей значимости, продолжая сохранять актуальность из года в год.

Конструктивные особенности и принцип действия

Зубчатая передача представляет собой механизм, в котором двигательная энергия между валами передается посредством взаимодействия колес с зубьями и реек.

Колесо на передающем вращение валу называется ведущим, а на том, что получает энергию – ведомым. При этом более крупная деталь пары именуется собственно колесом, а меньшая – шестерней. Всю конструкцию нередко называют колесной парой.

Взаимодействие элементов тандема заключается в том, что головка зуба колеса входит во впадину шестерни, заставляя тем самым ее вращаться. Как правило, вращение последней происходит в направлении, противоположном движению колеса.

Между элементами предусмотрен минимальный зазор, что позволяет выполнять смазку, улучшая вращение и предотвращая заклинивание.

Практическое применение

С развитием промышленности, разнообразное применение зубчатая передача получила в самых разных отраслях: от крупногабаритных агрегатов (электротурбины) до небольших бытовых приборов (часы и различные средства измерений).

Среди крупнейших потребителей колесных пар:

• машиностроение (ДВС);
• добывающая отрасль (буровое оборудование);
• металлургия.

Не менее активно используют подобные элементы и при создании бытовых приборов различного назначения. Одним из простых и ярких примеров можно считать часовой механизм, приводящийся в действие именно колесными парами.

Классификация

Все многообразие колесных пар специалисты разделяют по различным признакам на несколько групп.

По взаиморасположению элементов

В данной категории выделяются такие виды зубчатых передач как:

• цилиндрическая (колеса в них находятся параллельно по отношению друг другу);
• коническая (с перекрещивающимися валами и, соответственно, деталями тандема);
• зубчато-винтовая (при скрещивающимся расположении элементов).

Первые используются наиболее широко, а их изготовление требует наименьших временных и финансовых затрат.

Детали конических передач по форме напоминают усеченный конус, и соприкасаются друг с другом боковыми сторонами. Это увеличивает площадь взаимодействующих поверхностей. Однако такая конструкция имеет большую чувствительность к погрешностям, и не способна выдерживать слишком большие нагрузки. Поэтому ее нередко используют в машинах и агрегатах, где есть другие типы зубчато-колесных механизмов.

Что касается зубчато-винтового типа, второе его название – червячный хорошо передает особенности соединения, которое состоит из червяка (винта) и колеса. К его достоинствам относят плавный ход, практическую бесшумность, большое передаточное отношение и способность к самоторможению.

По форме зуба

Зацепления в колесных связках отличаются по виду и профилю зубьев. На сегодняшний день известны:

• Зубчатые передачи эвольвентного зацепления. При таком варианте профили выступающих элементов колеса и шестерни очерчены по эвольвенте окружности. Это дает возможность сохранять стабильность передаваемой энергии при взаимодействии деталей.
• Циклоидальное. В нем профили зубьев очерчены по участкам циклоид. Достоинства этого вида – компактность в сочетании со способностью выдерживать усиленные нагрузки, плавность хода.
• Круговые (передача Новикова). Данный вид предполагает перемещение площадки контакта зубьев вдоль профиля зуба. Это обеспечивает более высокие значения передаточных чисел и возможность использовать даже при максимальных нагрузках.

Чаще всего, в механизмах применяются передачи с эвольвентным вариантом зацепления, что обусловлено достаточной простотой их изготовления, монтажа и эксплуатации. Циклоидальные и круговые передачи, в свою очередь, требуют больших затрат на производство, стоят дороже, но и позволяют обеспечить улучшенный функционал механизмов.

По расположению зубьев

По своему расположению зубья колеса и шестерни передачи бывают:

• Прямыми. Востребованы там, где необходимо передать крутящий момент с не очень большой и средней нагрузкой. Устанавливаются в механизмах с необходимостью смещения колес вдоль оси вала во время рабочего процесса.
• Косыми. Этот вариант позволяет повысить плавность вращения колес в тандеме.
• Шевронными – в виде «в елочку», сформированной из двух рядов косых зубьев.

Изготовление первого варианта деталей требует меньших финансовых и временных затрат, что снижает их стоимость и делает наиболее востребованными. Однако второй и третий вариант обладают рядом неоспоримых достоинств, которые позволяют комплектовать ими наиболее ответственные механизмы, работающие в условиях повышенных нагрузок.

Другие варианты классификации

Помимо особенностей взаиморасположения элементов в колесной паре, форм и расположения зубьев на них, передачи также классифицируются по:

• Конструкции (открытые и закрытые). Вторые могут работать только при постоянном наличии смазки, первые функционируют на сухом ходу.
• Окружной скорости (тихоходные – до 3 м/с; средние – от 3 до 15 м/с; быстроходные – свыше 15 м/с).
• Числу ступеней (одно- и многоступенчатые).
• Точности зацепления (существует 12 степеней, однако чаще всего используют с 6 по 10).

Кроме того, различают силовые зубчатые передачи и кинематические (не силовые). Первые передают вращающий момент и их размеры зависят от прочности зубьев. Вторые же практически не передают нагрузку, а их габариты определяются конструктивными особенностями.

Основные параметры

При изготовлении и применении колесных пар важное значение имеют параметры их составляющих. К основным параметрам относятся:

• Делительная окружность. Это те части элементов, которые соприкасаются между собой и катятся одна по другой без скольжения.
• Шаг – расстояние между профильными поверхностями соседних зубьев.
• Модуль (длина делительной окружности).
• Высота делительной головки.
• Диаметр окружности в районе вершин и на точках впадин зубьев.

Эти и другие параметры зубчатой передачи в обязательном порядке отображаются на чертежах. Их выбор зависит от назначения механизма, в котором будет использована зубчатая передача.

Большинство параметров инженеры рассчитывают во время проектирования, другие используют в готовом виде, выбирая их по специальным утвержденным таблицам.

Изготовление зубчатых передач

Среди основных требований к зубчатым передачам, независимо от их вида и предназначения – надежность при работе на любых скоростях и при различных нагрузках. Поэтому изготовление колесных пар является ответственным процессом. Состоит он из нескольких этапов, каждый из которых напрямую влияет на качество готовых изделий.

Материал изготовления

Сырьем, чаще всего используемым для создания элементов зубчатых передач, является сталь. При этом, для повышения прочности металл могут подвергать термической обработке, либо легировать, добавляя дополнительные элементы. Как правило, при изготовлении колесных пар используют:

• углеродистую сталь обыкновенного качества;
• высококачественные марки;
• легированные стали.

Наряду со стальными заготовками, в производстве зубчатых передач применяется и серый чугун. Этот сплав хорошо подходит для создания тихоходных крупногабаритных зубчатых передач с открытым типом конструкции. К плюсам чугуна относят нетребовательность к смазке, и способность деталей хорошо притираться друг к другу.

Также в производстве нередко используют бронзу, латунь, капролон, текстолит, различные пластики и формальдегиды.

Широко распространена практика, при которой для элементов используются разные по прочности металлы. Так, и колеса, и шестерни могут изготавливаться из стали. Но при этом металл для изготовления одной из составляющих пройдет более сильную термообработку и получит повышенную прочность.

Используемое оборудование

На всех предприятиях, которые изготавливают зубчатые передачи, цеха оснащаются современными устройствами, способствующими повышению эффективности процесса и точности нарезки колес. С их помощью можно быстро заготавливать не только цилиндрические колеса и шестерни, но и элементы червячного, шевронного, косозубого типа.

Большим плюсом высокотехнологичных станков последнего поколения является то, что заготовки на них можно располагать вертикально и максимально правильно нарезать зубья необходимой формы даже на колесах диаметром не превышающем 12 мм.

Максимальную точность изготовления колес до 75 модуля обеспечивают пальцевые фрезы, до 40 модуля – дисковые и до 30 модуля – червячные. Все эти варианты фрез также имеются на большей части оборудования.

Помимо станков с вертикальным расположением заготовок, на предприятиях используется оборудование и с горизонтальным вариантом установки элементов. На них обрабатываются колеса с косыми, прямыми и шевронными зубьями.

Также на предприятиях можно встретить станки, работающие долбяком-шестерней. Однако такое оборудование не позволяет добиться высокой точности, не отличается универсальностью и считается малопроизводительным.

Подготовка чертежей

Создание колесных пар начинается с подготовки чертежей. При проектировании учитываются виды зубчатых передач и их применение, условия планируемой эксплуатации механизма, расположение тандема в узле и возможные нагрузки на него.

От правильности составления чертежа во многом зависит конечный результат – качество изделия и длительность его эксплуатации. Поэтому в схемах в мельчайших подробностях инженеры отражают все особенности геометрии колес, их размеры и другие важные параметры.

При расчетах проектировщикам приходится учитывать не только условия заказчика, но и требования целого ряда стандартов. Для этого инженеры составляют таблицы и строят графики, рассчитывая значения по формулам с учетом всех коэффициентов. Алгоритм расчетов может состоять из нескольких десятков последовательных действий.

В настоящее время большинство чертежей выполняется при помощи компьютерных программ, что позволяет значительно снизить риск возникновения ошибок при расчетах.

Как правило, готовый чертеж отображает две проекции детали (фронтальный и боковой слева), но в некоторых случаях могут потребоваться и другие ракурсы изображений. Это особенно актуально для зубчатых передач, устройство которых имеет повышенную сложность и требует максимальной точности при нарезке зубьев и состыковке элементов пары.

Процесс производства

На основе схем и таблиц, подготовленных проектировщиками, в производственных цехах, для начала, создаются заготовки. Они представляют собой диски определенной толщины с прорезью для шпонки в середине. Для их изготовления могут использоваться два различных метода: литье или штамповка. В ряде случаев также может применяться технология нарезания.

В дальнейшем заготовки подвергаются дополнительной обработке, в ходе которой на них формируются зубья необходимых размеров и типа.

Нарезка также может осуществляться по различным технологиям:

1. Копирование. Представляет собой процесс фрезерования. Впадины между зубьями детали в этом случае формируются при помощи дисковых, модульных или концевых фрез. После формирования очередной впадины, заготовка поворачивается на один шаг и процесс повторяется. Расстояние каждого шага равно зубу колеса. Главная особенность технологии заключается в том, что форма режущего инструмента повторяет контур впадины.
2. Обкатка заготовок зубчатых передач – этап изготовления, предусматривающий имитацию зацепления зубчатой пары, одним из элементов которой является червячная фреза. Вместо нее также могут быть использованы долбяки и гребенки.

С помощью червячной фрезы изготавливают колеса с внешним расположением зубьев, с помощью долбяков – с внутренним. А гребенки позволяют нарезать прямые и косые зубья с большим модулем зацепления.

Обкатка считается самым часто используемым методом изготовления зубчатых колес на сегодняшний день.

Помимо нарезки, в массовом производстве зубчатых передач активно используется такой метод обработки заготовок, как горячее накатывание зубьев. Заключается он в том, что венец заготовки нагревается при помощи высокочастотного тока, а затем обкатывается между колесами-накатниками. В процессе такой накатки на колесе выдавливаются выемки, и формируются зубья.

После накатки детали проходят дополнительную механическую обработку, либо подвергаются процессу холодного накатывания – калибровке.

Стандарты изготовления зубчатых передач

И классификация зубчатых передач, и их параметры регулируются рядом различных ГОСТов. При этом точность заготовок может устанавливаться для различных отраслей и даже разных предприятий индивидуально, в зависимости от технологических особенностей колесных пар.

Все современные нормативы разделяются на те, что устанавливают стандарты на:

• используемое сырье;
• геометрию и пропорции отдельных элементов;
• готовые узлы и агрегаты, в конструкции которых присутствуют зубчатые передачи.

Согласно стандартам, качественные системы должны соответствовать следующим требованиям:

• сохранять неизменность передаточного отношения;
• обеспечивать стабильную передачу нагрузки от одного элемента к другому;
• иметь зазоры, предупреждающие заклинивание зубьев.

Дополнительно, с учетом назначения механизмов могут быть регламентированы и другие параметры кинематики зубчатых передач и их отдельных элементов. По каждому пункту есть максимально допустимые погрешности, превышение которых может привести к быстрому износу системы и остановке всего механизма.

Зубчатая передача: виды, зацепление, параметры

Существует достаточно большое количество различных механизмов, предназначенных для передачи усилия и вращения. Довольно большое распространение получила зубчатая передача. Подобный механизм выступает в качестве промежуточного элемента, который изготавливается при применении металла с различными эксплуатационными характеристиками. Рассмотрим особенности подобного механизма подробнее.

Общее описание

Стандартная ременная передача предусматривает использование промежуточного элемента, в качестве которого выступает ремень. Зубчатое зацепление характеризуется наличием поверхности зацепления и сопряжения зубьев. Основные элементы зубчатой передачи следующие:

1. Ведущее и ведомое колесо.
2. Вал, который предназначен для непосредственного крепления колес.
3. Подшипники, обеспечивающие подвижность колес.
4. Шпонка, исключающая вероятность проворачивания колеса на валу.

Параметры зубчатой передачи могут существенно отличаться. Для начала отметим, что между ведомым и ведущим колесом предусмотрено наличие технологического зазора, который обеспечивает скольжение и возможность теплового расширения, а также смазывание основных элементов для исключения вероятности заклинивания механизма.

Детали машин изготавливаются при применении самых различных металлов, в большинстве случаев это углеродистая сталь. Скорость вращения механизма зависит от точности шестерен, а также некоторых ее других параметров. Принцип работы устройства позволяет использовать его при создании самых различных механизмов, к примеру, насосов или передач.

Конструкция передач

Классическая схема зубчатой передачи применяется уже на протяжении длительного периода. Рассматриваемая конструкция имеет следующие особенности:

1. В качестве основы применяется корпус. Зачастую он изготавливается из чугуна или других коррозионностойких сталей. Корпус обеспечивает надежное крепление основных элементов, а также является контейнером для смазки. Существует просто огромное количество различных корпусов, все зависит от области применения механизма.
2. Основным элементом является вал, который передает зубчатым зацеплением вращение. Как правило, вал получает вращение от электрического привода или других элементов. Для их крепления устанавливаются подшипники. Вал подбирается под посадочное отверстие зубчатых колес, может иметь ступенчатую форму.
3. Садятся шестерни на валы методом прессования. За счет этого исключается вероятность проворачивания элементов, которые находятся в зацеплении. Кроме этого, фиксация обеспечивается за счет шпонки.
4. Расстояние между валами зубчатого зацепления выбирается с учетом диаметра колес, а также их других параметров.
5. Форма шестерен может существенно отличаться. Зачастую боковая сторона имеет небольшие выступы, а рабочая поверхность представлена сочетанием зубьев. Количество зубьев, их направление и многие другие параметры могут существенно отличаться. Характеристики выбираются в зависимости от области применения механизма.

В целом можно сказать, что рассматриваемое устройство довольно просто, за счет чего обеспечивается длительный срок эксплуатации. Разновидностью зубчатой передачи также является винтовой механизм или рейка. Сегодня чертеж винтовой передачи при необходимости можно сказать с интернета.

Классифицируют зубчатые передачи по довольно большому количеству различных признаков. Только при правильном выборе наиболее подходящего варианта исполнения можно обеспечить длительный срок эксплуатации и требуемые характеристики.

Классификация зубчатых передач

Бывают самые различные виды зубчатых передач. Классификация проводится по большому количеству различных признаков:

1. Относительное расположение осей, на которых крепятся колеса. По этому признаку выделяют механизмы с параллельными осями, пересекающимися или скрещивающимися. Проще всего в изготовлении самая распространенная цилиндрическая зубчатая передача, так как в этом случае механизм характеризуется высокой надежностью и длительным сроком эксплуатации. Если нужно изменять направление вращения, то применяется другая конструкция. Зубчатые передачи с параллельными и пересекающимися осями применяются в самых различных случаях, к примеру, при создании насосов и приводом различных устройств.
2. Расположение зуба на поверхности изделия относительно посадочного отверстия. По этому признаку выделяют передачи с внутренним и наружным зацеплением. Кроме этого, в некоторых механизмах есть реечная конструкция: прямая рейка подходит для преобразования вращений в прямолинейное движение.
3. По форме профиля. Чаще всего устанавливается эвольвентная зубчатая передача, но также применяются неэвольвентные механизмы. Проводится классификация зубчатых колес в зависимости от расположения теоретической линии зуба. По этому признаку выделяют прямозубые устройства и с косым расположением. Кроме этого, есть шевронная зубчатая передача и с винтовым расположением. Современная косозубая передача получила широкое распространение, так как за счет подобного расположения зуба снижается износ и степень шума. Именно поэтому подобные варианты исполнения устанавливаются в случае, когда нужно передать высокую скорость или сделать бесшумное устройство. Конические зубчатые передачи могут изготавливаться и с прямым зубом, но подобные механизмы не предназначены для длительной работы, так как зуб при работе контактирует по всей площади.
4. Классификация проводится по конструктивному оформлению корпуса. Выделяют закрытые и открытые передачи. Первый вариант исполнения могут работать исключительно при подаче смазывающего вещества, второй работает и на сухом ходу.
5. Передача бывает понижающая и повышающая. Выбор проводится в зависимости от того, нужно ли увеличить количество оборотов или повысить передаваемое усилие.
6. По величине окружности выделяют тихоходные, среднескоростные и быстроходные устройства. Выбор проводится в зависимости от того, каким свойствами должно обладать полученный механизм.

Заготовки для получения основных элементов получаются путем литья или штамповки. После этого проводится дальнейшая обработка. Процесс обработки предусматривает применение дисковых и пальцевых фрез, а также шлифовальных кругов для получения требуемого качества поверхности. Другими особенностями обработки отметим следующие моменты:

1. Подобные изделия нельзя изготовить методом чистовой прорезки выбранной фрезы. Эта технология применяется только на первоначальном этапе обработки.
2. Следующий шаг предусматривает механическую обработку путем обкатки при непосредственном зацеплении. Для этого применяется специальное колесо, которое изготавливается при применении высокопрочного металла.
3. В качестве основания часто применяется углеродистая сталь. Для улучшения основных качеств проводится цементация, закалка, цианирование, а также азотирование. Для получения низкокачественных изделий улучшение проводится уже после нарезки зубьев, после чего поверхность доводится до готового варианта путем шлифования или обкатки.

Цилиндрические зубчатые передачи получили самое широкое распространение. Также может устанавливаться эвольвентная разновидность устройства. Для создания особых механизмов применяются планетарные передачи, которые характеризуются более сложной конструкцией.

Многие встречаются с рассматриваемым механизмом в виде редуктора, представленного цилиндрической передачей. Их распространение можно связать со следующим моментами:

1. Технология изготовления подобных зубчатых колес достаточно проста, было создано просто огромное количество различного оборудования, которое предназначено для производства подобного изделия.
2. В большинстве случаев вращение передается между двумя валами, которые расположены параллельно.
3. Редуктор также имеет специальный корпус закрытого типа. Он предназначен для защиты механизма от воздействия окружающей среды, а также накопления масла.
4. Изменение передаваемого усилия проводится за счет изменения диаметрального размера изделий.

Многие при эксплуатации передачи не уделяют должного внимания смазке. Именно эта причина приводит к существенному износу рабочих элементов. Своевременная подача смазывающей жидкости существенно снижается трение в зоне контакта, а также снижает вероятность появления коррозии на поверхности.

Конические передачи получили также весьма широкое распространение. Их ключевой особенностью можно назвать расположение осей под углом 90 градусов относительно друг друга. Конструктивными особенностями этого варианта исполнения назовем следующие моменты:

1. Шестерни представлены формой срезанного конуса, которые могут соприкасаться друг с другом. Боковыми сторонами. За счет этого усилие передается под углом 90 градусов и поверхность соприкосновения достаточно большая.
2. Профиль каждого зуба характеризуется тем, что он больше у снования и меньше возле вершины.
3. Зубчатые венцы изготавливаются с прямой, криволинейной и тангенциальной нарезкой.
4. Выделяют также гипоидный вариант исполнения. Он характеризуется высокой плавностью хода и низким уровнем шума на момент работы. Устанавливается подобное устройство в случае, когда усилие передается на протяжении длительного периода. При применении гипоидного варианта исполнения рекомендуется смазывать зону контакта при применении специального вещества, которое также выступает в качестве охлаждения.

В отличии от цилиндрических вариантов исполнения, рассматриваемый способен передавать всего 85% несущей способности. Потери можно связать с тем, что проводится перенаправление передаваемого усилия под большим углом.

Реечные передачи также получили весьма широкое распространение. Их непосредственное предназначение заключается в преобразовании вращения в возвратно-поступательное движение. Среди особенностей подобного варианта исполнения отметим следующие моменты:

1. Реечная передача довольно проста в изготовлении и с ее монтажом, как правило, не возникает серьезных трудностей.
2. Высокая надежность и хорошие нагрузочные способности также определили широкое распространение реечной передачи.
3. Область применения довольно обширна: долбежные станки, транспортировочные механизмы, передачи других промышленных механизмов.

Разновидностью рассматриваемого варианта исполнения можно назвать зубчато-ременные передачи. Эта гибридная модель характеризуется свойствами, которые присущи обоим устройствам. К ключевым особенностям можно отнести:

1. Тихая работа. Большинство звездочек характеризуется тем, что металл при соприкосновен на большой скорости становится причиной появления шума. Это может создавать довольно много дискомфорта.
2. Отсутствие эффекта проскальзывания. За счет этого существенно повышается показатель КПД и область применения всего механизма.
3. Стабильная работа при высоких оборотах достигается за счет применения гибких ремней со специальным сердечником.

Подобный механизм чаще других применяется в качестве привода электрического двигателя.

Геометрические параметры зубчатых колес

Для обеспечения качественного зацепления и условий для передачи большого усилия создается особая геометрия зубчатого колеса. Она характеризуется следующими особенностями:

1. Боковые грани на момент работы механизма соприкасаются. Пятно контакта обеспечивается специальной криволинейной формой.
2. Наибольшее распространение получил эвольвентный профиль.
3. Создается угол зацепления таким образом, чтобы даже при несущественном смещении не происходило заклинивание механизма. Параметры зубчатых колес указываются на чертежах.

Основным элементом передачи можно считать зубчатые колеса. Их основными параметрами назовем следующие моменты:

1. Делительная окружность. Она указывается на всех чертежах. Под этим параметром понимают соприкасающиеся окружности, катящиеся одна по другой без скольжения.
2. Шаг расположения зубьев-расстояние между профильными поверхностями соседних зубьев. Этот параметр указывается для всех передач и механизмов в спецификации и на чертежах.
3. Длина делительной окружности или модуль также является важным параметром, который нужно учитывать.
4. Высота делительной головки.
5. Зуб является важным элементом каждого колеса. Он характеризуется довольно большим количеством различных характеристик, среди которых отметим высоту ножки, самого зуба и делительной головки.
6. Диаметр окружности вершин и впадин зубьев.

Некоторые их приведенных выше параметров рассчитываются при проектировании передачи, другие выбираются по табличным данным. Прямозубая передача проще всего в проектировании и изготовлении, но она характеризуется менее привлекательными эксплуатационными характеристиками. Крутящий момент и другие параметры выбираются в зависимости от поставленной задачи при проектировании конструкции.

Применение зубчатых передач

Области применения зубчатых передач весьма обширны. Сегодня подобные механизмы применяются в различных отраслях промышленности. Проведенные исследования указывают на то, что в год изготавливается несколько миллионов экземпляров подобных изделий. Рассматривая применение и назначение отметим нижеприведенные моменты:

1. Цилиндрическая передача используется для повышения или понижения передаваемого усилия. Примером их применения можно назвать двигатели внутреннего сгорания или коробки передач, буровые и металлургические установки, оборудование горнодобывающей промышленности.
2. Конические передачи применяют намного реже. Это прежде всего связано с тем, что они довольно сложны в производстве. Область применения – сложная механическая передача с переменными углами и изменением нагрузки. Примером можно назвать ведущие мосты транспортных средств, а также конвейеры и другие устройства, применяемые в агропромышленном комплексе.

Область применения зависит от конструктивных особенностей механизма, а также типа применяемого материала при производстве.

На момент работы слышен монотонный умеренный шум. Если появляются посторонние звуки, то это может указывать на появление существенных проблем, к примеру, сильного износа поверхности. Техническое обслуживание проводится следующим образом:

1. Визуальный осмотр требуется для того, чтобы исключить вероятность наличия трещин или сколов на поверхности.
2. Особое внимание уделяется тому, чтобы при работе колеса правильно зацеплялись. Слишком большой зазор может привести к сильному износу и другим проблемам, так как нагрузка распределяется неравномерно. Изменение зазора проводится путем регулировки положения вала и подшипников.
3. На момент работы уделяется внимание тому, чтобы не возникало торцевое биение или другая неравномерность хода.
4. Для определения правильности хода на зубья наносятся отметки при помощи специальной краски. До момента их полного засыхания валы проворачивают несколько раз. Форма отпечатка определяет то, насколько правильно соединение.
5. После высыхания краски уделяется внимание тому, чтобы точка касания была в средней части высоты зуба. Изменить положение можно путем установки специальных подкладок под подшипники.
6. На момент обслуживания проводится добавление требующегося количества смазывающего вещества. Как ранее было отмечено, без него существенно увеличивается степень износа поверхности.

Периодическое обслуживание позволяет существенно увеличить эксплуатационный срок устройства. На момент осмотра устройства уделяется внимание также состоянию вала, подшипников и других элементов, которые обеспечивают стабильную и надежную работу. К примеру, незначительный изгиб вала становится причиной повышенного износа определенной части колеса. В самых сложных случаях происходит его обрыв.

Достоинства и недостатки

Рассматриваемое устройство характеризуется довольно большим количеством достоинств и недостатков, которые во многом определяют область применения. К преимуществам отнесем следующие моменты:

1. Длительный эксплуатационный срок и высокая надежность. Применение стали в качестве основного материала при изготовлении механизма определяет то, что оно может прослужить в течение длительного периода. Поверхность зуба дополнительно закаливается для снижения степени износа.
2. При правильном и своевременном обслуживании эксплуатационный срок существенно увеличивается. Примером можно назвать применение смазывающего масла, его подачу в зону контакта.
3. Устройство характеризуется небольшими размерами. За счет этого повышается КПД зубчатой передачи.
4. Передача может применяться для изменения скорости в достаточно большом диапазоне.
5. При правильном выборе колес можно исключить вероятность воздействия на поверхность чрезмерной нагрузки.

Коэффициент КПД может варьировать в достаточно большом диапазоне, зачастую он ниже 70%.

Недостатков у зубчатой передачи также довольно много. Основными можно назвать следующие моменты:

1. При высокой скорости вращения появляется сильный шум, который может создавать массу дискомфорта.
2. Устройство не может быстро реагировать на изменение нагрузок.
3. Основные элементы дороги в изготовлении, получить их можно только при применении специального оборудования.

В заключение отметим, что привод угловой зубчатой передачей зачастую является незаменимым устройством. В большинстве случаев основные элементы зубчатой передачи изготавливаются в зависимости от того, какое устройство нужно получить. Большая доля производственной деятельности машиностроительных заводов связана с непосредственным производством зубчатых колес различного типа.