Зубчасті передачі. Механізм та види зубчастих передач

Зубчасті передачі широко поширені і в промислових агрегатах, і в побутових приладах. Вони виступають проміжною ланкою між джерелом обертально-поступального руху і вузлом, що виступає кінцевим споживачем цієї енергії. Причому передавана потужність може обчислюватися як мізерно малими одиницями (годинникові механізми і вимірювальні прилади), так і величезними зусиллями (турбіни електростанцій).

Види передачі руху

Двигун, який генерує енергію, і кінцевий агрегат, її споживає, часто відрізняються за такими характеристиками, як швидкість обертання, потужність, кут додатка зусилля. Крім того, одне джерело обертальної енергії може служити для привида в дію одразу декількох різних вузлів або агрегатів. Щоб забезпечити доставку крутного моменту в таких умовах, необхідні проміжні модулі, які б передавали це зусилля з мінімальними втратами. Якщо в результаті такої роздачі або перетворення обертів ведучого вала стають більше, ніж у веденого, то прийнято говорити про понижувальної передачі. В цьому випадку втрата швидкості компенсується збільшенням навантаження на веденої осі і приростом потужності споживає сайту. У разі, коли в кінцевому підсумку спостерігається збільшення кількості оборотів, така передача буде підвищує. Відповідно, це буде супроводжуватися зниженням зусилля на веденому валу.

Особливості зубчастого механізму

Ремінна передача припускає наявність між шківами на пов'язаних валах проміжної ланки – гнучкого ременя. Зубчастий механізм від такого з'єднання відрізняється наявністю на поверхні спряжених деталей зачеплення зубів. За профілем і розміром вони ідентичні. Головка зуба колеса входить в зачеплення з повторює її профіль западиною на шестірні. При обертанні ведучого вала ведений провертається в протилежну бік. Між ними конструктивно передбачений мінімально можливий зазор, що забезпечує ковзання, теплове розширення і мастило для недопущення заклинювання. При цьому провідна частина парного механізму називається колесом, а ведена – шестірнею.




У пасової передачі площину зачеплення ременя зі шківом складає не менше третини довжини кола. В зубчастому механізмі між ведучим колесом і веденої шестерень під навантаженням в постійному контакті перебуває одна пара зубів. Колеса і шестерні на валах зазвичай монтуються на шпоночном з'єднанні.

Переваги

Зубчасті передачі мають широке поширення. Вони довговічні й надійні в роботі при додержання допустимих рівнів навантажень та належний рівень обслуговування. Малогабаритний механізм забезпечує високий коефіцієнт корисної дії і може застосовуватися для широкого кола зміни швидкостей. Наявність зубів зачеплення дозволяє добиватися сталості передавальних відносин між пов'язаними валами з-за відсутності можливості їх проковзування. При цьому навантаження на вали не перевищують допустимих меж.

Недоліки

Зубчасті передачі мають ряд особливостей, які можуть бути віднесені до їх недоліків. В плані експлуатації – такий механізм шумить при високій швидкості обертання. Він не може гнучко реагувати на зміни навантаження, так як являє собою жорстку конструкцію з точним регулюванням. У технологічному плані – це складність виготовлення пар коліс зачеплення. Для такого виду передач потрібна підвищена точність, так як зуби знаходяться в зачепленні при постійно змінній напрузі. В таких умовах можливі втомні руйнування матеріалу. Це відбувається при перевищенні допустимих навантажень. Зуби можуть фарбуватися, частково або повністю ламатися. Відкололися уламки потрапляють в механізм, пошкоджують сполучені ділянки, що призводить до заклинювання і виходу з ладу всього вузла.

Види

Найбільшого поширення набула циліндрична зубчаста передача. Її застосовують у вузлах і механізмах з паралельним розташуванням валів. За конструктивними особливостями розрізняють зуби з прямим, косим і шевроним профілем. Для перехрещуються валів використовують черв'ячну, гвинтові циліндричні передачі, а для пересічних – конічну. Рейкова передача відрізняється тим, що шестерня в загальному парному механізм замінюється робочою площиною. При цьому на неї нарізані зуби, ідентичні за профілем колеса. У підсумку обертальний рух перетворюється в поступальний. Також поділяють передачі по швидкості обертання: тихохідні, середні та швидкісні. За призначенням їх ділять на силові і кінематичні (не передають значної потужності). Крім того, зубчасті передачі можуть класифікуватися за величиною передавального числа, рухливості осей (рядові і планетарні), числу ступенів, точності зачеплення (12 класів), способом виготовлення. За формою профілю зуба можуть бути эвольвентние, циклоидальние, цевочние, кругові.

Застосування

Всі види зубчастих передач широко використовуються в різних галузях промислового виробництва. Річне виробництво різних колісних пар обчислюється мільйонами. Сфера їх застосування настільки широка, що рідкісний прилад, механізм або агрегат, який використовує в роботі обертальний рух, не має у своєму складі того чи іншого виду зубчастого рухомого з'єднання. Циліндрична зубчаста передача використовується для перетворення обертального руху з понижуючим або підвищувальним коефіцієнтом. Приклади: двигуни внутрішнього згоряння, коробки зміни передач в рухомому складі, верстатобудуванні, буровому, металургійному, гірничодобувному виробництві та всіх видах промисловості. Конічна зубчаста передача використовується в меншій мірі через труднощі в процесі виготовлення колісних пар. Застосовується в складних і комбінованих механізмах, де присутня обертальний рух зі змінними кутами і зміною навантажень. У спеціальних редукторах зазвичай використовуються конічні зубчасті передачі. Приклади: провідні мости автомобілів, сільськогосподарської техніки, локомотивів, колісні пари конвеєрів, приводи різного промислового устаткування.

Циліндричні передачі

Застосовуються найбільш широко, так як технологія виготовлення колісних пар порівняно проста і відпрацьована. Циліндрична зубчаста передача використовується для передачі крутного моменту між валами, розташованими в паралельних площинах. Розрізняються за формою зубців: з прямим розташуванням, косим і шевроним. У рідкісних випадках при перехрещенні валів і незначних навантаженнях використовується гвинтовий профіль. Зуби прямого розташування використовуються найбільше. Їх застосовують для передачі крутного моменту з незначною або середньою навантаженням, а також у випадках, коли є необхідність зміщення коліс в процесі роботи уздовж осі вала. Косі зуби застосовують для плавності ходу. Їх використовують для відповідальних механізмів і при підвищених навантаженнях. Шевронний профіль (два ряди косих зубів по краях, розташованих у формі ялинки) відрізняється високою врівноваженістю осьових сил зсуву, які є недоліком косозубих колісних пар. Циліндричні прямозубі передачі можуть бути відкритого і закритого типу. В останньому випадку зуби одного з коліс розташовуються не на зовнішній, а на внутрішній поверхні колу.

Конічна передача

В умовах, коли крутний момент від джерела до споживає вузла потрібно доставляти з кутовим зміщенням, використовують пересічні вали. Їх осі найчастіше знаходяться під кутом 90 градусів. У таких випадках зазвичай застосовується конічна зубчаста передача. Називається так через конструктивних особливостей пар шестерень. Вони мають форму зрізаного конуса і сполучаються своїми боковими площинами, на яких нарізаються зуби. За профілем вони вище у підстави і зменшуються у напрямку до вершини. Зубчастий вінець може мати пряму, тангенціальну або криволінійну нарізку. Якщо за профілем він виконаний у вигляді гвинтової спіралі, і вали крім перетину ще мають і осьове зміщення, то така конічна передача називається гіпоїдною. Вона володіє плавністю ходу і низьким рівнем шуму, але має підвищену схильність до заїдання, тому для неї використовуються спеціальні мастильні матеріали. У порівняння з циліндричними передачами конічні можуть забезпечити лише 85% їх несучої здатності. За технологією виготовлення і збірки вони є найскладнішими. Однак можливість передачі крутного моменту з кутовим зміщенням робить їх незамінними в складних вузлах і механізмах.

Рейкова і ремінна зубчаста передача

Коли потрібно перетворити обертальний рух в поступальний або навпаки, одне з коліс замінюється площиною з нарізаними зубами. Рейкова передача відрізняються простотою виготовлення і монтажу, надійністю і хорошими навантажувальними характеристиками. Застосовується у верстатобудуванні і для приводів, де використовується поступальний рух: довбальні верстати, транспортери з поперемінної подачею. Зубчасто-ремінна передача – це гібридна модель, що увібрала позитивні якості обох видів. Відрізняється постійністю передавального числа з-за відсутності проковзування. Тиха робота при високих обертах і навантаженнях досягається шляхом використання гнучких ременів з серцевиною. Часто використовуються в приводах електродвигунів. На парних шківах вузла, агрегату і на еластичному ремені, їх сполучному, є ідентичні за профілем зуби. Передача працює не за принципом тертя, а використовується механізм зачеплення. При цьому з однієї сторони відпадає необхідність сильного натягу між шківами і точного регулювання, з іншого – мастила між сопрягающимися металевими деталями.

Матеріал

Зубчасті передачі повинні мати надійністю в роботі при різних швидкостях і навантаженнях, міцністю зубів, їх стійкістю і здатністю протистояти заїдання. В якості основного матеріалу для колісних пар виступає сталь. Вона може піддаватися термообробці або мати у своєму складі легуючі добавки та домішки. Як матеріал для тихохідних механізмів, що мають великі габарити і відкритий тип конструкції, може виступати чавун. Для запобігання заїдання парні колеса виготовляють з різного по міцності матеріалу. Якщо для колеса і шестерні використовується високовуглецева сталь, то використовують різну ступінь їх термообробки. Також застосовується бронза, латунь, капролон, текстоліт, пластики і формальдегіди.

Виготовлення

Заготовки для колісних пар зубчастих передач можуть бути виготовлені методом лиття або штампуванням. Надалі вони піддаються додатковій обробці, і проводиться нарізування зубів. Використовують для цього дискові і пальцеві фрези, фасонні шліфувальні круги. Механізм зубчастої передачі конічного типу можна виготовити методом чистової прорізання фрезою або шліфуванням, так як профіль виступів і западин не постійний. Це можна робити лише на початковому етапі чорнової обробки. Подальша доведення проводиться на верстатах в процесі обкатки з зачепленням. Для цього використовується парне колесо з високоміцного матеріалу, що повторює основний профіль. Воно виступає в ролі ріжучого інструменту. Вуглецеві сталі піддають загартуванню, цементації, азотування або ціанування. Для невідповідальних вузлів термообробка може проводитися після нарізування зубів. Для колісних пар високої точності вимагається додаткова фінішне шліфування або обкатка.

Обслуговування

При нормальній роботі зубчастий механізм працює плавно, а процес супроводжується монотонним помірним шумом. Наявність сторонніх звуків і нерівномірність обертання свідчать про знос поверхонь, що входять в зачеплення, або порушення регулювання. Під час проведення технічного обслуговування при огляді перевіряють відсутність тріщин, поломок зубів або їх сколів. Особлива увага звертається на правильність зачеплення колісних пар і відсутність зазорів. При роботі перевіряють торцеве биття і контролюють поверхні тертя. Правильність зачеплення визначають нанесенням фарби на зуби передачі. Поки вона не засохла, вали провертають кілька разів і оглядають місця зіткнення робочих поверхонь. За формою отпечатка (він повинен бути у формі еліпса) визначають загальний стан передачі. Звертають увагу на точки дотику. Вони повинні бути приблизно в середній частині висоти зуба. Пляму фарби повинно займати 70 – 80% його довжини. Регулювання в основному зводиться до збільшення або зменшення товщини прокладок під підшипниками. Залежно від типу вузла мастило відкритого механізму може проводитися періодично вручну пластичним матеріалом. Для закритих конструкцій вона здійснюватися примусово розбризкуванням або зануренням частини вінця робочого колеса у ванну з мастилом.

Параметри зубчастої передачі

Для характеристики механізму зачеплення визначають діаметри ділильної і основний окружності, міжосьова відстань і можливе зміщення валів. Взаємозв'язок кількості зубців ведучого та веденого колеса визначає передавальне відношення. Воно по вихідним даним дозволяє обчислити обертів для пари зачеплення. Колесо зубчастої передачі спочатку характеризується числом зубів і модулем. Він стандартизований і відображає довжину ділильної окружності, що припадає на один зуб. Визначають діаметри виступів та западин. Розраховують загальну довжину, висоту і товщину зуба, а також окремих його частин – головки і ніжки. Розраховується ділильний діаметр. Використовується коефіцієнт ширини зубчастого вінця. У випадку з косими зубцями визначаються з кутом їх нахилу. Потрібно враховувати, що в конічних і циліндричних передачах він різний. Крім перерахованого ще використовується кут профілю, коефіцієнт торцевого перекриття і зсуву, лінії зачеплення. Для черв'ячних передач розраховують число витків, діаметр і вид черв'яка.

Розрахунок зубчастої передачі

Перед проектуванням слід вивчити вихідні дані і визначитися з умовами планованої експлуатації механізму. Враховується вихідний контур, тип і вид передачі, її розташування у вузлі, допустимі навантаження, матеріал для колісних пар і їх термообробка. На цьому етапі береться до уваги частота обертання валів і їх діаметри, крутний момент, передаточне число. Щоб зробити розрахунок зубчастої передачі треба визначитися з загальним модулем зачеплення, числом зубів для шестерні і колеса, їх профілем, кутом нахилу і розташуванням. Визначають міжосьова відстань, вибирається ширина зубчастих вінців пари. Розраховуються геометричні показники верстатного зачеплення, для якого проектується зубчаста передача. Креслення повинен відображати не менше двох проекцій: фронтальний і бічний вид зліва з нанесеними промірами. Додатково складається таблиця основних геометричних і конструктивних параметрів, будуються графіки. Значення розраховують за формулами, таблицями, застосовують коефіцієнти та співвідношення, при цьому використовуються вихідні дані колеса і шестерні. В алгоритмі розрахунків для окремих передач може бути до п'ятдесяти і більше кроків і логічних етапів. Оптимальним вирішенням питання детального проектування є використання спеціалізованої комп'ютерної програми. Розміри пазів під шпонки або шліци підбирають за стандартами. На загальному плані креслення монтажу коліс на валах розробляють окремо.

Стандарти

Нормуються чи зубчасті передачі? ГОСТ, діючий в даний час, визначає допустимі відхилення для готових колісних пар. Точність заготовок встановлюється в залежності від технологічних особливостей і може регулюватися для кожної галузі або заводу-виробника окремо. Для кожного виду зубчастих передач існують норми взаємозамінності. Окремі стандарти втратили актуальність взагалі, деякі діють лише в окремих регіонах. Тим не менш, норми, розроблені раніше, використовуються для загальної термінології, позначень, порядку розроблення документації та побудови креслень. Гости регулюють параметри розрахунків геометрії зубчастих колісних пар, їх модулі, вихідні контури, ступеня точності і види сполучень. Інші нормативи встановлюють стандарти на окремі елементи деталей, а треті – на вже готові вузли та агрегати.