Зубчатая передача: виды, зацепление, параметры

Достоинства и недостатки зубчатых передач

Прежде всего, среди достоинств зубчатой передачи можно выделить:

Также выделяют и недостатки зубчатой передачи:

• повышенные требования к качеству изготовления и точности установки;
• при высокой скорости вращения возникает шум по причине возможных неточностей при изготовлении шага и профиля зубьев;
• повышенная жесткость не позволяет эффективно компенсировать динамические нагрузки, в результате чего возникает разрушение и пробуксовки, появляются дефекты;

Напоследок отметим, что во время обслуживания механизм нужно осматривать, производя проверку состояния зубчатых колес, шестерен и зубьев на предмет повреждений, трещин, сколов и т.д.

Также проверяется само зацепление и его качество (часто используется краска, которая наносится на зубья). Нанесение краски позволяет изучить величину пятна контакта, а также расположение относительно высоты зуба. Для регулировки зацепления применяются прокладки, которые ставятся в подшипниковые узлы.

Распространение шевронных колес

Как уже было отмечено выше, механические передачи используются во многих отраслях промышленности. Рассмотрев шевронные передачи, достоинства и недостатки которых наглядно показывают их целесообразность, можно сказать об уникальности. Тем не менее ввод в эксплуатацию шевронов повсеместно нельзя назвать целесообразным, что обусловлено высокой стоимостью и сложностью конструкции.

Но несмотря на это, без них нельзя обойтись на металлургических предприятиях. Там шевронная передача используется на прокатных станах, режущих станках и другом оборудовании. Обусловлено это тем, что шевронное колесо может быть:

• тихоходным;
• среднескоростным;
• скоростным;
• быстроходным.

Тип работы зависит от окружной скорости. Наиболее часто шевронная передача применяется при высоких окружных скоростях (более 30 м/с). Автомобильная промышленность — еще одна отрасль, где без использования данной механической передачи обойтись довольно сложно. Это же касается и химической, а также пищевой промышленности.

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:

Визуальный осмотр требуется для того, чтобы исключить вероятность наличия трещин или сколов на поверхности.
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.
На момент работы уделяется внимание тому, чтобы не возникало торцевое биение или другая неравномерность хода.
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.
После высыхания краски уделяется внимание тому, чтобы точка касания была в средней части высоты зуба. Изменить положение можно путем установки специальных подкладок под подшипники.
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.

Расчет зубчатой передачи

Перед проектированием следует изучить исходные данные и определиться с условиями планируемой эксплуатации механизма. Учитывается исходный контур, тип и вид передачи, ее расположение в узле, допустимые нагрузки, материал для колесных пар и их термообработка

На этом этапе берется во внимание частота вращения валов и их диаметры, крутящий момент, передаточное число

Чтобы произвести расчет зубчатой передачи, нужно определиться с общим модулем зацепления, числом зубьев для шестерни и колеса, их профилем, углом наклона и расположением. Определяют межосевое расстояние, выбирается ширина зубчатых венцов пары.

Рассчитываются геометрические показатели станочного зацепления, для которого проектируется зубчатая передача. Чертеж должен отображать не менее двух проекций: фронтальный и боковой вид слева с нанесенными промерами. Дополнительно составляется таблица основных геометрических и конструктивных параметров, строятся графики.

Значения рассчитывают по формулам, таблицам, применяют коэффициенты и соотношения, при этом используются исходные данные колеса и шестерни. В алгоритме расчетов для отдельных передач может присутствовать до пятидесяти и более шагов и логических этапов. Оптимальным решением вопроса детального проектирования является использование специализированной компьютерной программы.

Размеры пазов под шпонки или шлицы подбирают по стандартам. На общем плане чертеж монтажа колес на валах разрабатывают отдельно.

Классификация зубчатых передач

Зубчатые передачи и колеса классифицируют по следующим призна­кам

(см. рис. 1):

— по взаимному расположению осей колес: с параллельными осями (цилиндрические, см. рис. 1, а—д),

с пересекающимися осями (ко­нические, см. рис. 1,ж—и), со скрещивающимися осями (винто­вые, см. рис. 1, е, гипоидные, см .р ис . 1,к), с преобразованием движения (реечные, см. рис. 1, г); — по расположению зубьев относительно образующих колес: прямозубые (продольная ось зуба параллельна образующей поверх­ности колеса (рис. 1, а)); косозубые (продольная ось зуба направлена под углом к образующей поверхности колеса (рис. 1, б)); шевронные (зуб выполнен в форме двух косозубых колес со встреч­ным наклоном осей зубьев (рис. 1, в)); с круговым зубом (ось зуба выполнена по окружности относительно образующей поверхности колеса);

— по направлению косые зубья бывают правые и левые.

— шевронные колеса по виду шеврона бывают с непрерывным шевроном (см. рис. 1,в) и имеющие между полушевронами канавку для выхода режущего инструмента.

Какие функции выполняет зубчатое зацепление

Прежде чем говорить о том, что такое цилиндрическая шевронная передача, необходимо разобраться с общими положениями. Зубчатое зацепление используется для передачи вращательного движения между валами. Так в непосредственный контакт входит пара зубьев шестерни и колеса. Передаточное число изменяется в зависимости от размера шестерни и количества зубьев на ней.

Изменение угловых скоростей и моментов — основные функции любой зубчатой передачи, в том числе и шевронной. Широкое же применение в различных отраслях промышленности требует постоянного развития и улучшения технических характеристик передачи. В результате появляются новые виды зацеплений, используются высокопрочные сплавы зубьев и т.д.

Шум во время работы — так ли это важно?

Еще один недостаток — шумность на высоких скоростях. Хотя отнести его исключительно к шевронной передаче было бы глупо, ведь это касается всего раздела. Пара металлических зубьев, входящих в зацепление на высокой скорости, — это всегда звонкий шум, который хоть и глушится с помощью специальной смазки и кожухов, но не полностью. Также было сказано и о плавающем валу, который необходим для корректной работы узла, а это увеличивает сложность конструкции. Изготовление шевронной передачи тщательно контролируется на всех этапах, поэтому бракованных изделий мало, хотя еще несколько лет назад ситуация была более печальной.

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.

Виды зубчатых передач

Как уже было сказано, зубчатые зацепления (передачи зацеплением) позволяют эффективно реализовать передачу вращательного движения, которое поступает от двигателя.

Параллельно осуществляется преобразование движения, изменяется частота вращения, величина крутящего момента, направление осей вращения и т.д. Чтобы выполнять такие задачи, существуют разные виды передач. Прежде всего, их принято классифицировать согласно особенностям расположения осей вращения.

• Цилиндрическая передача. Такая передача состоит из пары, которая обычно имеет разное количество зубьев, а оси зубчатых колес цилиндрической передачи являются параллельными. Также отношение чисел зубьев принято называть передаточным отношением. Меньшее по размеру зубчатое колесо называется шестерней, тогда как большое называют зубчатым колесом.

Зубчатые передачи могут иметь наружное или внутреннее зацепление. Если с наружным все понятно (в данном случае схема зубчатой передачи предполагает, что зубья расположены сверху), то при внутреннем зацеплении зубья большего колеса располагаются на внутренней поверхности. Также вращение возможно только в одном направлении.

Рассмотрев выше основные виды зацеплений (зубчатых передач), следует добавить, что при этом указанные типы могут использоваться в разных сочетаниях с учетом особенностей тех или иных кинематических схем.

Еще зубчатые передачи могут отличаться по форме зубьев, профилю и типу. С учетом отличий принято выделять следующие зацепления: эвольвентные, круговые и циклоидальные. При этом чаще всего используются именно эвольвентные зацепления, так как технологически данное решение превосходит другие аналоги.

Прежде всего, такие зубья нарезаются при помощи простого реечного инструмента. Указанное зацепление имеет постоянное передаточное отношение, которое никак не зависит от степени смещения межцентрового расстояния. Недостатком зацепления является только то, что во время передачи большой мощности сказывается небольшое пятно контакта в двух выпуклых поверхностях зубьев. Результат — разрушение поверхности и другие дефекты материала.

Еще добавим, что круговое зацепление отличается тем, что выпуклые зубья шестерни сцеплены с вогнутыми колесами. Это позволяет значительно увеличить пятно контакта, однако также сильно возрастает сила трения в указанных парах.

Также можно отдельно выделить сами виды зубчатых колес: прямозубые, косозубые, шевронные и криволинейные. Прямозубые являются наиболее распространенными типами пар, они просты в разработке, дешевы в изготовлении и надежны в рамках эксплуатации. Линия контакта в данном случае параллельна оси вала. Такие колеса отличаются дешевизной производства, однако способны передать сравнительно небольшой максимальный крутящий момент по сравнению с косозубыми и шевронными зубчатыми колесами.

Косозубые колеса оптимально применять в том случае, если частота вращения очень высокая. Данное решение позволяет добиться плавности и снижения шума. Минусом принято считать большую нагрузку на подшипники, так как возникают осевые усилия.

Криволинейные колеса обычно используют в том случае, когда необходимы максимальные передаточные отношения. Такие колеса создают меньше шума при работе, а также более эффективно работают на изгиб.

Основные геометрические параметры

Построение кинематической схемы, технические характеристики, способы обработки отдельных деталей этих механизмов задаются геометрической формой отдельных элементов. Основными геометрическими параметрами, которые рассчитываются при проектировании являются:

• углы делительных конусов (каждого колеса или шестерёнки);
• диаметры всех элементов (обоих валов, ведущих и ведомых шестерён);
• внешний окружной модуль шестерни;
• расстояние от вершины конуса до его образующей (называется делительное расстояние);
• расстояние между осей;
• радиальный зазор применяемых подшипников;
• делительный диаметр (он определяет величину зуба шестерёнки);
• диаметр углублений и верхней части зубьев.

Для удобства проведения расчетов и понимания механизма зацепления вводят три вида торцовых сечений. Это сечения во внешней, внутренней и средней части каждого зуба.

Уменьшение толщины зубьев по направлению к вершине приводит к созданию надежного зацепления во время движения. Угол наклона по направлению к вершине определяет параметры, задаваемые при обработке.

Под линией зубьев понимают пересечение двух прямых. Одна образована боковой поверхностью зуба, вторая является краем делительной конической поверхности.

Для улучшения эксплуатационных характеристик — повышения износостойкости, сопротивления при контакте, уменьшение заедания и лучшей передачи коническим зубчатым колёсам энергии вращения используют метод выравнивания коэффициентов удельного скольжения.

С этой целью колесо и шестерню стараются изготовить с одинаковыми параметрами смещения, но с разными знаками. Например, для шестерни задают параметр со знаком плюс, а для колеса со знаком минус.

Основные геометрические соотношения задаются на этапе разработки всего механизма конической передачи качество передачи. Геометрические параметры рассчитываются на основании известных соотношений.

Разновидности

Начать стоит с изучения видов зубчатых передач, которые нашли широкое применение в разных отраслях, включая автомобилестроение.

Основной акцент будет сделан именно на автомобилях. В них используются различные типы зубчатых передач.

Зацепление зубцами способствует эффективной передаче вращательного движения, поступающего от автомобильного двигателя. В это же время преобразуется движение, меняется частота вращения, изменяется показатель крутящего момента.

Чтобы выполнять подобные функции, требуется использовать соответствующие механизмы. Согласно действующей классификации зубчатых передач, их можно разделить на несколько категорий.

Цилиндрические. Эти передачи включают в себя пары преимущественно с разным числом зубцов. Оси зубчатых колёс в случае с цилиндрическими передачами параллельные

Важно помнить о таком понятии как передаточное отношение. Это отношение количества зубьев

Что интересно, зубчатое колесо, большее по размеру, так и называют, а вот колесо с меньшими габаритами принято называть шестернёй.
Зубчатые конические передачи. У них есть одна важная особенность. В случае с коническими зубчатыми передачи оси их колёс пересекаются. При этом вращение передаётся непосредственно между валами, которые могут располагаться под разным углом. В зависимости от того, какое колесо окажется ведущим в ситуации с конической зубчатой передачей, сама передача может оказаться повышающей или понижающей.
Червячные. Аналогом конической зубчатой передачи является червячная. Здесь предусмотрены скрещивающиеся оси вращения. Добиться большого передаточного числа можно за счёт соотношения количества зубцов на колесе и количества заходов так называемого червяка. Червяки делятся в зависимости от числа заходов. Они бывают одно-, двух- и четырёхзаходными. Тут есть ещё одна важная особенность. Здесь передача вращения происходит только на червячное колесо от самого червяка. Реализовать обратный процесс нельзя, поскольку возникнет сильное трение. У такой передачи предусмотрена способность самостоятельного торможения, что реализовано за счёт червячного редуктора. Наглядным примером выступает подъёмный механизм для работы с грузом.
Реечные. Конструкция предусматривает использование зубчатых колёс и реек. Тем самым удаётся превратить вращательное движение в поступательное, как и в обратном направлении. Ярким примером выступает автомобильная рулевая рейка.
Винтовые. Применяются передачи такого типа при скрещивании валов. Зубцы имеют точечное зацепление, они быстро изнашиваются из-за нагрузок. Потому винтовые передачи обычно реализуются в разных приборах.
Планетарные. Отличительной особенностью является применение зубчатых колёс, у которых оси подвижные. Обычно предусмотрено наружное колесо с жёсткой фиксацией и с внутренней резьбой. Дополнительно устанавливается центральное колесо, водило и сателлиты. С помощью таких элементов осуществляется перемещение по окружности неподвижного колеса, реализуя тем самым вращение центрального.

У всех разновидностей предусмотрен различный коэффициент перекрытия, являющихся характерной особенностью зубчатой передачи. Так называют величину отношения угла перекрытия колеса к угловому шагу. Что же касается угла перекрытия, то это угол, на который осуществляет проворачивание колесо за время, пока в зацеплении находится одна пара зубцов.

У конических зубчатых передач, как и у многих остальных, зацепление бывает внутренним и наружным. В случае с наружным расположением ничего сложного нет, поскольку зубцы находятся сверху. Если это внутреннее зацепление, тогда зубцы от большого колеса находятся со стороны внутренней поверхности. Тут реализовать вращение можно исключительно в одном направлении.

Изготовление зубчатых колёс

Существует несколько методов изготовления колес.

Метод обката

В настоящее время является наиболее технологичным, а поэтому и самым распространённым способом изготовления зубчатых колёс. При изготовлении зубчатых колёс могут применяться такие инструменты, как гребёнка, червячная фреза и долбяк.

Метод обката с применением гребёнки

Изготовление шестерни. Изготовление зубчатого колеса.

Режущий инструмент, имеющий форму зубчатой рейки, называется гребёнкой. На одной стороне гребёнки по контуру её зубьев затачивается режущая кромка.

Заготовка накатываемого колеса совершает вращательное движение вокруг оси. Гребёнка совершает сложные перемещения, состоящие из поступательного движения перпендикулярно оси колеса и возвратно-поступательного движения (на анимации не показано), параллельного оси колеса для снятия стружки по всей ширине его обода. Относительное движение гребёнки и заготовки может быть и иным, например, заготовка может совершать прерывистое сложное движение обката, согласованное с движением резания гребёнки.

Заготовка и инструмент движутся на станке друг относительно друга так, как будто происходит зацепление профиля нарезаемых зубьев с исходным производящим контуром гребёнки.

Метод обката с применением червячной фрезы

Помимо гребёнки в качестве режущего инструмента применяют червячную фрезу. В этом случае между заготовкой и фрезой происходит червячное зацепление.

Метод обката с применением долбяка

Зубчатые колёса также долбят на зубодолбёжных станках с применением специальных долбяков.

Зубодолбёжный долбяк представляет собой зубчатое колесо, снабжённое режущими кромками. Поскольку срезать сразу весь слой металла обычно невозможно, обработка производится в несколько этапов.

При обработке инструмент совершает возвратно-поступательное движение относительно заготовки. После каждого двойного хода, заготовка и инструмент поворачиваются относительно своих осей на один шаг. Таким образом, инструмент и заготовка как бы «обкатываются» друг по другу. После того, как заготовка сделает полный оборот, долбяк совершает движение подачи к заготовке. Этот процесс происходит до тех пор, пока не будет удалён весь необходимый слой металла.

Литейная форма для бронзового храпового колеса (Китай, династия Хань. (206 до н. э. — 220 н. э.)).

Метод копирования (Метод деления)

Дисковой или пальцевой фрезой нарезается одна впадина зубчатого колеса. Режущая кромка инструмента имеет форму этой впадины. После нарезания одной впадины заготовка поворачивается на один угловой шаг при помощи делительного устройства, операция резания повторяется.

Метод применялся в начале XX века. Недостаток метода состоит в низкой точности: впадины изготовленного таким методом колеса сильно отличаются друг от друга.

Горячее и холодное накатывание

Процесс основан на последовательной деформации нагретого до пластического состояния слоя определенной глубины заготовки зубонакатным инструментом. При этом сочетаются индукционный нагрев поверхностного слоя заготовки на определенную глубину, пластическая деформация нагретого слоя заготовки для образования зубьев и обкатка образованных зубьев для получения заданной формы и точности.

Изготовление конических колёс

Технология изготовления конических колёс теснейшим образом связана с геометрией боковых поверхностей и профилей зубьев.

Способ копирования фасонного профиля инструмента для образования профиля на коническом колесе не может быть использован, так как размеры впадины конического колеса изменяются по мере приближения к вершине конуса. В связи с этим такие инструменты, как модульная дисковая фреза, пальцевая фреза, фасонный шлифовальный круг, можно использовать только для черновой прорезки впадин или для образования впадин колёс не выше восьмой степени точности.

Для нарезания более точных конических колёс используют способ обкатки в станочном зацеплении нарезаемой заготовки с воображаемым производящим колесом. Боковые поверхности производящего колеса образуются за счёт движения режущих кромок инструмента в процессе главного движения резания, обеспечивающего срезание припуска. Преимущественное распространение получили инструменты с прямолинейным лезвием. При прямолинейном главном движении прямолинейное лезвие образует плоскую производящую поверхность. Такая поверхность не может образовать эвольвентную коническую поверхность со сферическими эвольвентными профилями. Получаемые сопряжённые конические поверхности, отличающиеся от эвольвентных поверхностей, называют квазиэвольвентными.

Что такое модуль зубчатого колеса

Современные шестерни далеко ушли от своих деревянных шестизубых предков, изготавливаемых механиками с помощью воображения и мерной веревочки. Конструкция передач намного усложнилась, тысячекратно возросли скорость вращения и усилия, передаваемые через такие передачи. В связи с этим усложнились и методы их конструирования. Каждую шестеренку характеризует несколько основных параметров

• диаметр;
• число зубьев;
• шаг;
• высота зубца;
• и некоторые другие.

Одним из самых универсальных характеристик является модуль зубчатого колеса. Существует для подвида — основной и торцевой.

В большинстве расчетов используется основной. Он рассчитывается применительно к делительной окружности и служит одним из важнейших параметров.

Для расчета этого параметра применяют следующие формулы:

Параметры зубчатых колес

Модуль зубчатого колеса можно рассчитать и следующим образом:

где h — высота зубца.

где De — диаметр окружности выступов,а z — число зубьев.

Что же такое модуль шестерни?

это универсальная характеристика зубчатого колеса, связывающая воедино такие его важнейшие параметры, как шаг, высота зуба, число зубов и диаметр окружности выступов. Эта характеристика участвует во всех расчетах, связанных с конструированием систем передач.