Как рассчитать передаточное число
Шестерня и колесо имеют разное количество зубов с одинаковым модулем и пропорциональный размер диаметров. Передаточное число показывает, сколько оборотов совершит ведущая деталь, чтобы провернуть ведомую на полный круг. Зубчатые передачи имеют жесткое соединение. Передающееся количество оборотов в них не меняется. Это негативно сказывается на работе узла в условиях перегрузок и запыленности. Зубец не может проскользнуть, как ремень по шкиву и ломается.
Расчет без учета сопротивления
В расчете передаточного числа шестерен используют количество зубьев на каждой детали или их радиусы.
Где u12 – передаточное число шестерни и колеса;
Z2 и Z1 – соответственно количество зубьев ведомого колеса и ведущей шестерни.
Знак «+» ставится, если направление вращения не меняется. Это относится к планетарным редукторам и зубчатым передачам с нарезкой зубцов по внутреннему диаметру колеса. При наличии паразиток – промежуточных деталей, располагающихся между ведущей шестерней и зубчатым венцом, направление вращения изменяется, как и при наружном соединении. В этих случаях в формуле ставится «–».
При наружном соединении двух деталей посредством расположенной между ними паразитки, передаточное число вычисляется как соотношение количества зубьев колеса и шестерни со знаком «+». Паразитка в расчетах не участвует, только меняет направление, и соответственно знак перед формулой.
Обычно положительным считается направление движения по часовой стрелке. Знак играет большую роль при расчетах многоступенчатых редукторов. Определяется передаточное число каждой передачи отдельно по порядку расположения их в кинематической цепи. Знак сразу показывает направление вращения выходного вала и рабочего узла, без дополнительного составления схем.
Вычисление передаточного числа редуктора с несколькими зацеплениями – многоступенчатого, определяется как произведение передаточных чисел и вычисляется по формуле:
Способ расчета передаточного числа позволяет спроектировать редуктор с заранее заданными выходными значениями количества оборотов и теоретически найти передаточное отношение.
Зубчатое зацепление жесткое. Детали не могут проскальзывать относительно друг друга, как в ременной передаче и менять соотношение количества вращений. Поэтому на выходе обороты не изменяются, не зависят от перегруза. Верным получается расчет скорости угловой и количества оборотов.
КПД зубчатой передачи
Для реального расчета передаточного отношения, следует учитывать дополнительные факторы. Формула действительна для угловой скорости, что касается момента силы и мощности, то они в реальном редукторе значительно меньше. Их величину уменьшает сопротивление передаточных моментов:
- трение соприкасаемых поверхностей;
- изгиб и скручивание деталей под воздействием силы и сопротивление деформации;
- потери на шпонках и шлицах;
- трение в подшипниках.
Для каждого вида соединения, подшипника и узла имеются свои корректирующие коэффициенты. Они включаются в формулу. Конструктора не делают расчеты по изгибу каждой шпонки и подшипника. В справочнике имеются все необходимые коэффициенты. При необходимости их можно рассчитать. Формулы простотой не отличаются. В них используются элементы высшей математики. В основе расчетов способность и свойства хромоникелевых сталей, их пластичность, сопротивление на растяжение, изгиб, излом и другие параметры, включая размеры детали.
Что касается подшипников, то в техническом справочнике, по которому их выбирают, указаны все данные для расчета их рабочего состояния.
При расчете мощности, основным из показателей зубчатых зацепления является пятно контакта, оно указывается в процентах и его размер имеет большое значение. Идеальную форму и касание по всей эвольвенте могут иметь только нарисованные зубья. На практике они изготавливаются с погрешностью в несколько сотых долей мм. Во время работы узла под нагрузкой на эвольвенте появляются пятна в местах воздействия деталей друг на друга. Чем больше площадь на поверхности зуба они занимают, тем лучше передается усилие при вращении.
Все коэффициенты объединяются вместе, и в результате получается значение КПД редуктора. Коэффициент полезного действия выражается в процентах. Он определяется соотношением мощности на входном и выходном валах. Чем больше зацеплений, соединений и подшипников, тем меньше КПД.
Как определить передаточное отношение зубчатой передачи
Как рассчитать передаточное отношение шестерен механической передачи.
В этой статье я приведу пример расчета передаточного отншения шестерен разного диаметра, с разным количеством зубьев
Данный расчет применяется в том случае, когда важно определить к примеру скорость вращения вала редуктора при известной скорости привода и характеристиках зубьев
Естественно, можно произвести замеры частоты вращения выходного вала, однако в некоторых случаях требуется именно расчет. Помимо этого, в теоретической механике, при конструировании различных узлов и механизмов требуется рассчитать шестерни, чтобы получить заданную скорость вращения.
Термин передаточное число является весьма неоднозначным. Он перекликается с термином передаточное отношение, что не совсем верно. Говоря о передаточном числе, мы подразумеваем сколько оборотов совершит ведомое колесо (шестерня) относительно ведущего.
Для правильного понимания процессов и строения шестерни – следует предварительно ознакомится с ГОСТ 16530-83.
Итак, рассмотрим пример расчета с использованием двух шестерен.
Чтобы рассчитать передаточное отношение мы должны иметь как минимум две шестерни. Это называется зубчатая передача. Обычно первая шестерня является ведущей и находится на валу привода, вторая шестерня называется ведомой и вращается входя в зацепление с ведущей. Пи этом между ними может находится множество других шестерен, которые называются промежуточными. Для упрощения расчета рассмотрим зубчатую передачу с двумя шестернями.
В примере мы имеем две шестерни: ведущую (1) и ведомую (2). Самый простой способ заключается в подсчете количества зубьев на шестернях. Посчитаем количество зубьев на ведущей шестерне. Так же можно посмотреть маркировку на корпусе шестерни.
Представим, что ведущая шестерня (красная) имеет 40 зубьев, а ведомая(синяя) имеет 60 зубьев.
Разделим количество зубьев ведомой шестерни на количество зубьев ведущей шестерни, чтобы вычислить передаточное отношение. В нашем примере: 60/40 = 1,5. Вы также можете записать ответ в виде 3/2 или 1,5:1.
Такое передаточное отношение означает, что красная, ведущая шестерня должна совершить полтора оборота, чтобы синяя, ведомая шестерня совершила один оборот.
Теперь усложним задачу, используя большее количество шестерен. Добавим в нашу зубчатую передачу еще одну шестерню с 14 зубьями. Сделаем ее ведущей.
Начнем с желтой, ведущей шестерни и будем двигаться в направлении ведомой шестерни. Для каждой пары шестерен рассчитываем свое передаточное отношение. У нас две пары: желтая-красная; красная-синяя. В каждой паре рассматриваем первую шестерню как ведущую, а вторую как ведомую.
В нашем примере передаточные числа для промежуточной шестерни: 40/14 = 2,9 и 60/40 = 1,5.
Умножаем значения передаточных отношений каждой пары и получаем общее передаточное отношение зубчатой передачи: (20/7) × (30/20) = 4,3. То есть для вычисления передаточного отношения всей зубчатой передачи необходимо перемножить значения передаточных отношений для промежуточных шестерен.
Определим теперь частоту вращения.
Используя передаточное отношение и зная частоту вращения желтой шестерни, можно запросто вычислить частоту вращения ведомой шестерни. Как правило, частота вращения измеряется в оборотах в минуту (об/мин) Рассмотрим пример зубчатой передачи с тремя шестернями. Предположим, что частота вращения желтой шестерни 340 оборотов в минуту. Вычислим частоту вращения красной шестерни.
Будем использовать формулу: S1 × T1 = S2 × T2,
S1 – частота вращения желтой (ведущей) шестерни,
Т1 – количество зубьев желтой (ведущей) шестерни;
S2- частота вращения красной шестерни,
Т2 – количество зубьев красной шестерни.
В нашем случае нужно найти S2, но по этой формуле вы можете найти любую переменную.
340 rpm × 7 = S2 × 40
Получается, если ведущая, желтая шестерня вращается с частотой 340 об/мин, тогда ведомая, красная шестерня будет вращаться со скоростью примерно 60 об/мин. Таким же образом рассчитываем частоту вращения пары красная-синяя. Полученный результат – частота вращения синей шестерни – будет являться искомой частотой вращения всей зубчатой передачи.
Выбор — передаточное число
Выбор передаточных чисел основной и дополнительной коробок передач производится при тяговом расчете автомобиля.
Выбор передаточного числа зависит от требуемой скорости движения автомобиля и мощности двигателя. У легковых автомобилей передаточное число колеблется в пределах от 3 2: 1 до 6 2: 1, у грузовых автомобилей — от 5 2: 1 до 7 5: I, а иногда и выше.
При выборе передаточного числа следует избегать общих множителей между числом ходов червяка и числом зубьев червячного колеса. В этом случае с помощью цилиндрической фрезы получают более чистую боковую поверхность и более высокую точность в положении начальной окружности червячного колеса, а также более благоприятные условия для работы и меньшего износа червячной передачи.
Вопрос о выборе передаточного числа мультипликатора представляет собой отдельную задачу.
Некоторые рекомендации по выбору передаточных чисел помещены в табл. 6.4. Наибольшие значения передаточных чисел следует принимать лишь в крайних случаях, так как передачи с наибольшими значениями i имеют большие габариты.
Может быть несколько причин, вызывающих желательность выбора передаточного числа у нижнего предела допустимых значений. Например, если нагрузка от трения составляет небольшую часть от общей нагрузки, то зубчатая передача может быть сделана более простой и экономичной.
К этим значениям и следует стремиться путем выбора передаточного числа кинематической схемы соединения электромагнита с исполнительным устройством при заданной противодействующей характеристике последнего и заданных размерах полюсного наконечника.
Вторым шагом при предварительном выборе основных параметров электропривода является выбор передаточного числа / редуктора, связывающего основной вал проектируемого механизма с двигателем.
Приведенные оптимальные передаточные числа являются лишь отправными величинами при выборе рабочего передаточного числа. Последнее выбирается после производства ряда расчетов с различными передаточными числами и сопоставления результатов с учетом максимально допустимой скорости механизма и требуемой мощности двигателя.
Если для привода используется высокоскоростной двигатель, то возникает проблема выбора передаточного числа механизма, связывающего двигатель с исполнительным звеном.
Таким образом, отмечая возможность улучшения тягово-сцепных свойств и экономичности автомобилей выбором оптимального передаточного числа межосевого дифференциала, необходимо констатировать, что окончательно эту задачу можно решить после проведения широких экспериментальных исследований по оценке фактических режимов работы автомобилей в различных дорожных условиях и выявлению истинного статистического распределения динамических реакций на осях и крутящих моментов, подводимых к ним, в том числе и при отборе мощности.
Средние значения КПД отдельных передач приведены в табл. 5.4, а рекомендации по выбору передаточных чисел — в табл. 5.5. Так как передачи с большими передаточными числами имеют большие габариты, их следует применять лишь в крайних случаях.
Если в системе привода с неизменным потоком возбуждения оптимальное значение передаточного числа редуктора не зависело от полного пути перемещения, то в рассматриваемой — системе эта зависимость — явно имеет место. Следовательно, выбор оптимального передаточного числа редуктора следует производить с учетом гистограммы перемещений рассматриваемого механизма.
| Кривые статической характеристики муфты типа свключено — выключено. а — момент в функции скорости. б — момент в функции сигнала управления.| Видоизмененная характеристика момент — сигнал управления ( с учетом гистерезиса муфты типа включено — выключено.| Кривые нелинейных статических Характеристик, типичные для некоторых муфт вихревых токов и фрикционно-дисковых муфт. а — момент в функции скорости. о — момент в функции сигнала управления. |
Если действительный рабочий цикл совершается в растянутый период времени, то значительное количество тепла может быть удалено путем естественного охлаждения; но если рабочий цикл уплотнен в малый отрезок времени и включает высокие ускорения, то следует выбирать муфту увеличенного размера или прибегать к искусственному охлаждению. Способность муфты управлять заданной нагрузкой рассматривается в связи с выбором передаточного числа зубчатой передачи в § 14 — 7; здесь будет рассмотрена лишь энергия, рассеиваемая в муфте.
Ставим редуктор с другим передаточным числом
Что будет, если заменяемый редуктор имеет отличные от установленного параметры? Для примера рассмотрим передаточные числа редукторов ВАЗ. Линейка агрегатов представлена четырьмя редукторами. Их числа укладываются в диапазон от 3,9 до 4,44.
Редуктор с числом 3,9 будет самым быстрым из семейства, а с числом 4,44 – самым тяговитым. Потому как в первом случае передаваемая входным валом мощность уменьшается только в 3,9 раза против 4,44. Получается, что если редуктор быстрее передает момент вращения, автомобиль становится более «шустрым». Если заменить редуктор на вариант с пониженным передаточным числом, машина медленнее разгоняется, но становится более проходимой и тяговитой.
При установке редуктора с отличным от заводского числом в обязательном порядке следует проверять показания спидометра. Чаще всего он начинает привирать. Проблема может решаться регулировкой, а иногда приходится менять тросик спидометра. Самое сложное при работах по замене редуктора – это не снятие и установка, как может показаться изначально, а регулировка и настройка. Без грамотной регулировки даже правильно подобранный редуктор можно привести в негодность за несколько тысяч пробега.
Устройство коробки переключения передач
Механическая коробка передач – это многоступенчатый редуктор, предназначенный для увеличения или уменьшения крутящего момента, передаваемого с маховика двигателя, на карданный вал, а в последствие – на ведущие колеса. Управление таким редуктором осуществляется вручную, с помощью специального рычага, установленного в салоне автомобиля. При достижении максимальных оборотов одной передачи, водитель устанавливает рычаг в такое положение, при котором в действие включится вторая передача, таким образом, обороты уменьшаются, а крутящий момент меняется.
Любая МКПП представляет собой совокупность определенных валов и шестерней. Ведущий вал имеет связь с маховиком двигателя через сцепление и принимает на себя основной крутящий момент. Момент передается на промежуточный вал, а с последнего – на ведомый, который соединяется с карданным валом и передает измененный крутящий момент на ведущие колеса автомобиля.
Изменение передаточного отношения КПП: тюнинг коробки передач
Как известно, наилучшие динамические показатели достигаются в диапазоне оборотов максимального крутящего момента, а не мощности. Фактически, при нижнем и верхнем значении частоты вращения коленчатого вала крутящий момент двигателя меньше максимального.
Получается, чем больше обороты будут отличаться от оборотов максимального крутящего момента, тем медленнее разгоняется автомобиль. В стандартных КПП передаточное отношение каждой ступени подобрано так, чтобы водителю было комфортно разгонять машину на низких передачах, после чего на повышенных можно поддерживать набранную скорость одновременно с экономией топлива.
Если же отбросить экономичность, тогда путем ряда доработок коробки можно улучшить динамику. Прежде всего, сужается диапазона частот, которые мотор развивает при езде на одной передаче. Фактически, передачи делаются более короткими, а также сближаются передаточные отношения передач, которые расположены рядом (сближенный ряд КПП).
На практике, мотор в этом случае быстро выходит на максимальные обороты на более низкой передаче, однако после переключения на ступень выше обороты не падают, например, 3500 об/мин. на 1800, а остаются на отметке около 2500. Фактически, после переключения «вверх» обороты все равно остаются в диапазоне максимального крутящего момента.
Для решения такой задачи можно использовать колеса с меньшим радиусом, а также требуется установить другую главную пару редуктора с измененным передаточным числом (например, 3.9 или 4.1 вместо 3.7). Начнем с использования «стоковых» деталей.
Как правило, если модель автомобиля выпускается с разными двигателями (например, моторы 1.2, 1.4 и 1.6 литра), тогда главную пару для КПП в паре с 1.6 литровым двигателем используют от той версии, мотор которой менее мощный (в данном случае двигатель 1.2 или 1.4).
В результате после установки главной пары 3.9 или 4.1 передаточное число на 5-й передаче будет почти таким же, как и на 4-й при главной паре 3.7. Также дополнительно понизит общее передаточное число трансмиссии использование шин меньшего радиуса. В результате динамика автомобиля станет лучше, однако будет потеряна экономичность 5-й передачи.
На высоких скоростях двигатель будет на 5-й раскручиваться до максимальных оборотов, что может доставлять дискомфорт водителю и пассажирам. По этой причине ряд передаточных чисел КПП нужно подбирать с учетом конкретных задач и целей, учитывая мощность мотора, вес автомобиля, а также предпочтения водителя.
Если делать более серьезные доработки, тогда можно собрать коробку передач с измененным набором шестерен. Естественно, это дорого, однако удается сблизить ряды на всех передачах, а не только 4 и 5.
Кстати, подбором передаточных чисел трансмиссии можно или улучшить разгонную динамику, или же повысить экономичность. При этом на практике во втором случае изменения в устройство КПП вносятся достаточно редко, так как штатно передаточное отношение зачастую подобрано достаточно удачно.
Также добавим, что стандартную 5-и ступенчатую коробку иногда переделывают в 6-и ступенчатую (особенно в паре с тюнингованным форсированным двигателем). Фактически, в КПП интегрируется комплект шестой передачи
Важно понимать, что помимо высокой стоимости такой доработки снижается общая надежность такой коробки
Зубчатая передача
Передаточное отношение зубчатой передачи можно вычислять не только по соотношению зубьев ее колес, но также путем деления значения угловой скорости ведомого вала на угловую скорость ведущего вала, а также благодаря соотношению числа оборотов ведомого и ведущего валов.
Диапазон передаточного отношения может быть очень велик и достигать больших значений. При этом само по себе передаточное отношение зубчатой передачи характеризуется постоянством, так как зацепление не подвержено проскальзыванию. Коэффициент полезного действия такой передачи находится в пределах 0,97-0,98.
Зубчатые передачи передают вращение между валами, которые могут иметь параллельные, скрещивающиеся или перпендикулярные оси. Кроме того, такие передачи способны трансформировать (преобразовывать) поступательное движение во вращательное и наоборот (передчи «винт-гайка»).
Зацепление в зубчатых передачах может быть как внешним, так и внутренним. Колеса изготавливаются с прямыми, косыми или шевронными зубьями.
Зубчатые передачи способны передавать большие скорости вращения с постоянным передаточным отношением и имеют высокий КПД.
Передаточное отношение редуктора является одним из важнейших критериев в процессе его выбора
Вторым по важности показателем считается межосевое расстояние
Повышающая и понижающая передача
Рассмотрим нижнюю картинку. Зеленый шкив с помощью ручки крутит персонаж с силой F. Это ведущий шкив. Синий шкив крутится за счет ремня. Это ведомый шкив. К нему на вал подвешен груз с максимально возможной массой, которую может поднять механизм.
Рис. 8. Виды ремённых передач
- В первом случае диаметр ведущего и ведомого шкивов одинаковый. Скорость и сила на выходе не поменяется.
- Во втором случае диаметр ведущего шкива меньше ведомого. Скорость на выходе упадет. Такая передача называется понижающей. Сила при этом увеличится и механизм сможет поднять груз большей массы, чем первый.
- В третьем случае диаметр ведущего шкива больше ведомого. Скорость на выходе увеличится. Такая передача называется повышающей. Сила при этом уменьшится и механизм сможет поднять груз меньшей массы, чем первый и второй.
Почему так происходит? Любой сложный механизм можно представить через простые механизмы. В данном случае ручка, за которую тянет персонаж и радиус к точке на окружности, которую толкает приводной ремень, образуют рычаг. Посмотрите на следующий рисунок.
Рис. 9. Схема понижающей и повышающей ремённой передачи
Короче плечо рычага к нагрузке (радиус шкива) – больше сила, но меньше пройденный путь.
Длиннее плечо рычага к нагрузке (радиус шкива) – меньше сила, но больше пройденный путь.
Эти схемы с понижающей и повышающей ремённой передачей наглядно демонстрируют работу золотого правила механики — за выигрыш в силе приходится платить таким же проигрышем в расстоянии (схема 1) или за выигрыш в расстоянии приходится платить таким же проигрышем в силе (схема 2).
Модернизация редукторов — стабильная тенденция
В модельном ряду производителей представлены стандартные и модернизированные решения. В усовершенствованных агрегатах сохраняются прежние габариты и размеры присоединений.
Основу модернизации составляют:
- Стандарты ISO.
- Блочно-модульные конструкции.
- Усовершенствованные механизмы защиты редукторов.
- Модификации зубчатых зацеплений.
- Модернизация корпусов редукторов, ориентированная на производство монолитных конструкций небольшого веса, характеризующихся высокой теплоотдачей.
- Применение технологии литья под давлением при производстве корпусов из алюминиевых сплавов.
- Использование синтетического масла для всего периода эксплуатации редуктора.
- Отсутствие необходимости в техническом обслуживании приводных механизмов в процессе их эксплуатации.
Непрерывный процесс модернизации способствует улучшению технических характеристик редукторов, расширению их функциональности и вариативности исполнений. Сегодня продукция крупных российских производителей не уступает по качеству иностранным аналогам.
Романов Сергей Анатольевич, руководитель отдела механики компании Техпривод
