Виды зубчатых передач и отличительные особенности

Детали машин

Зубчатые передачи

В зубчатой передаче движение передается с помощью зацепления пары зубчатых колес. Меньшее зубчатое колесо принято называть шестерней, большое – колесом. Термин «зубчатое колесо» относится как к шестерне, так к большому колесу.
При написании расчетных формул и указании параметров передачи шестерне присваивают индекс 1, колесу – индекс 2, например: d1 , d2 , n1 , n2 .
Зубчатые передачи являются самым распространенным видом механических передач, поскольку они могут надежно передавать мощности от долей до десятков тысяч киловатт при окружных скоростях до 275 м/с. По этой причине они широко применяются во всех отраслях машиностроения и приборостроения.

Достоинства зубчатых передач

К достоинствам этого вида механических передач относятся:

  • Высокая надежность работы в широком диапазоне нагрузок и скоростей;
  • Малые габариты;
  • Большой ресурс;
  • Высокий КПД;
  • Сравнительно малые нагрузки на валы и подшипники;
  • Постоянство передаточного числа;
  • Простота обслуживания;

Недостатки зубчатых передач

Как и любой другой вид механических передач, зубчатые передачи имеют ряд недостатков, к которым относятся:

  • Относительно высокие требования к точности изготовления и монтажа;
  • Шум при больших скоростях, обусловленный неточностями изготовления профиля и шага зубьев;
  • Высокая жесткость, не дающая возможность компенсировать динамические нагрузки, что часто приводит к разрушению передачи или элементов конструкции (для примера – ременная или фрикционная передача при внезапных динамических нагрузках могут пробуксовывать).

Классификация зубчатых передач

Зубчатые передачи классифицируются по ряду конструктивных признаков и особенностей.
В зависимости от взаимного расположения осей , на которых размещены зубчатые колеса, различают передачи цилиндрические (при параллельных осях), конические (при пересекающихся осях) и винтовые (при перекрещивающихся осях).
Винтовые зубчатые передачи применяются ограниченно, поскольку имеют низкий КПД из-за повышенного скольжения в зацеплении и низкую нагрузочную способность. Тем не менее, они имеют и некоторые достоинства – высокую плавность хода и возможность выводить концы валов за пределы передачи в обе стороны.

На рисунке 1 представлены наиболее широко применяемые виды зубчатых передач:

1 — цилиндрическая прямозубая передача;
2 — цилиндрическая косозубая передача;
3 — шевронная передача;
4 — реечная передача;
5 — цилиндрическая передача с внутренним зацеплением;
6 — винтовая передача;
7 — коническая прямозубая передача;
8 — коническая косозубая передача;
9 — коническая передача со спиралевидными зубьями;
10 — гипоидная передача.

В зависимости от вида передаваемого движения различают зубчатые передачи, не преобразующие передаваемый вид движения и преобразующие передаваемый вид движения. К последним относятся реечные зубчатые передачи, в которых вращательное движение преобразуется в поступательное или наоборот. В таких передачах рейку можно рассматривать, как зубчатое колесо с бесконечно большим диаметром.
Среди перечисленных видов зубчатых передач наиболее распространены цилиндрические передачи, поскольку они наиболее просты в изготовлении и эксплуатации, надежны и имеют небольшие габариты.

В зависимости от расположения зубьев на ободе колес различают передачи прямозубые, косозубые, шевронные и с круговыми (спиральными) зубьями.
Шевронные зубчатые колеса можно условно сравнивать со спаренными косозубыми колесами, имеющими противоположный угол наклона зубьев. Такая конструкция позволяет избежать осевых усилий на валы и подшипники опор, неизбежно появляющихся в обычных косозубых передачах.

В зависимости от формы профиля зубьев различают эвольвентные зубчатые передачи и передачи с зацеплением Новикова.
Эвольвентное зацепление в зубчатых передачах, предложенное еще в 1760 году российским ученым Леонардом Эйлером, имеет наиболее широкое распространение.
В 1954 году в России М. Л. Новиков предложил принципиально новый тип зацеплений в зубчатых колесах, при котором профиль зуба очерчен дугами окружностей. Такое зацепление возможно лишь для косых зубьев и носит название по имени своего изобретателя — зацепление Новикова или профиль Новикова.
В принципе, возможно изготовление зубчатых передач и с другими формами зубьев – даже квадратными, треугольными или трапецеидальными. Но такие передачи имеют ряд существенных недостатков (непостоянство передаточного отношения, низкий КПД и т. д.), поэтому распространения не получили. В приборах и часовых механизмах иногда встречаются зубчатые передачи с циклоидальным зацеплением.

В зависимости от взаимного положения зубчатых колес передачи бывают с внешним и внутренним зацеплением. Наиболее распространены передачи с внешним зацеплением.

В зависимости от конструктивного исполнения различают закрытые и открытые зубчатые передачи. В закрытых передачах колеса помещены в пыле- и влагонепроницаемые корпуса (картеры) и работают в масляных ваннах (зубчатое колесо погружают в масло до 1/3 радиуса).
В открытых передачах зубья колес работают всухую или при периодическом смазывании консистентной смазкой и не защищены от вредного воздействия внешней среды.

В зависимости от числа ступеней зубчатые передачи бывают одно- и многоступенчатые.

В зависимости от относительного характера движения осей зубчатых колес различают рядовые передачи, у которых оси неподвижны, и планетарные зубчатые передачи, у которых ось сателлита вращается относительно центральных осей.

Виды и принципы работы зубчатых передач

Большинство механических передач включает в себя зубчатые зацепления. Зубчатые передачи используются для изменения скоростей вращательного движения, направлений вращения и моментов. Они служат для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот, для изменения пространственного расположения элементов трансмиссии и осуществления многих других функций, необходимых для работы машин и механизмов.

  • Механизмы зубчатых передач
  • Форма зуба
  • Материалы для изготовления
  • Способы обработки
  • Обслуживание и расчёт

Механизмы зубчатых передач

Зубчатые зацепления применяются для передачи вращательного движения от двигателя к исполнительному органу.

При этом производятся необходимые преобразования движения, изменение частоты вращения, крутящего момента, направления осей вращения.

Для всего этого служат различные виды передач. Классификация видов зубчатых передач по расположению осей вращения:

  1. Цилиндрическая передача состоит из колёсной пары обычно с разным числом зубьев. Оси зубчатых колёс в цилиндрической передаче параллельны. Отношение чисел зубьев называется передаточным отношением. Малое зубчатое колесо называется шестернёй, большое — колесом. Если шестерня ведущая, а передаточное число больше единицы, то говорят о понижающей передаче. Частота вращения колеса будет меньше частоты вращения шестерни. Одновременно при уменьшении угловой скорости увеличивается крутящий момент на валу. Если передаточное число меньше единицы, то это повышающая передача.
  2. Коническое зацепление. Характеризуется тем, что оси зубчатых колёс пересекаются и вращение передаётся между валами, которые расположены под определённым углом. В зависимости от того, какое колесо в передаче ведущее, они тоже могут быть повышающими и понижающими.
  3. Червячная передача имеет скрещивающиеся оси вращения. Большие передаточные числа получаются из-за соотношения числа зубьев колеса и числа заходов червяка. Червяки используются одно-, двух- или четырехзаходные. Особенностью червячной передачи является передача вращения только от червяка к червячному колесу. Обратный процесс невозможен из-за трения. Система самотормозящаяся. Этим обусловлено применением червячных редукторов в грузоподъёмных механизмах.
  4. Реечное зацепление. Образовано зубчатым колесом и рейкой. Преобразует вращательное движение в поступательное и наоборот.
  5. Винтовая передача. Применяется при перекрещивающихся валах. Из-за точечного контакта зубья зацепления подвержены повышенному износу под нагрузкой. Применяются винтовые передачи чаще всего в приборах.
  6. Планетарные передачи — это зацепления, в которых применяются зубчатые колёса с подвижными осями. Обычно имеется неподвижное наружное колесо с внутренней резьбой, центральное колесо и водило с сателлитами, которые перемещаются по окружности неподвижного колеса и вращают центральное. Вращение передаётся от водила к центральному колесу или наоборот.

Нужно различать наружное и внутреннее зацепление. При внутреннем зацеплении зубья большего колеса располагаются на внутренней поверхности окружности, и вращение происходит в одном направлении. Это основные виды зацеплений.

Существует огромное количество возможностей для их сочетания и использования в различных кинематических схемах.

Форма зуба

Зацепления различаются по профилю и типу зубьев. По форме зуба различают эвольвентные, круговые и циклоидальные зацепления. Наиболее часто используемыми являются эвольвентные зацепления. Они имеют технологическое превосходство. Нарезка зубьев может производиться простым реечным инструментом. Эти зацепления характеризуются постоянным передаточным отношением, не зависящим от смещения межцентрового расстояния. Но при больших мощностях проявляются недостатки, связанные с небольшим пятном контакта в двух выпуклых поверхностях зубьев. Это может приводить к поверхностным разрушениям и выкрашиванию материала поверхностей.

В круговых зацеплениях выпуклые зубья шестерни сцепляются с вогнутыми колесами и пятно контакта значительно увеличивается. Недостатком этих передач является то, что появляется трение в колёсных парах. Виды зубчатых колёс:

  1. Прямозубые. Это наиболее часто используемый вид колёсных пар. Контактная линия у них параллельна оси вала. Прямозубые колёса сравнительно дешевы, но максимальный передаваемый момент у них меньше, чем у косозубых и шевронных колёс.
  2. Косозубые. Рекомендуется применять при больших частотах вращения, они обеспечивают более плавный ход и уменьшение шума. Недостатком является повышенная нагрузка на подшипники из-за возникновения осевых усилий.
  3. Шевронные. Обладают преимуществами косозубых колёсных пар и не нагружают подшипники осевыми силами, так как силы направлены в разные стороны.
  4. Криволинейные. Применяются при больших передаточных отношениях. Менее шумные и лучше работают на изгиб.

Прямозубые колёсные пары имеют наибольшее распространение. Их легко проектировать, изготавливать и эксплуатировать.

Материалы для изготовления

Основной материал для изготовления колёсных пар — это сталь. Шестерня должна иметь более высокие прочностные характеристики, поэтому колёса часто изготавливают из разных материалов и подвергают разной термической или химико-термической обработке. Шестерни, изготовленные из легированной стали, подвергают поверхностному упрочнению методом азотирования, цементации или цианирования. Для углеродистых сталей используется поверхностная закалка.

Зубья должны обладать высокой поверхностной прочностью, а также более мягкой и вязкой сердцевиной. Это предохранит их от излома и износа поверхности. Колёсные пары тихоходных машин могут быть изготовлены из чугуна. В различных производствах применяются также бронза, латунь и различные пластики.

Читайте также  Снятие и замена передних и задних тормозных шлангов ваз 2108, 2109, 21099

Способы обработки

Зубчатые колёса изготавливаются из штампованных или литых заготовок методом нарезания зубьев. Нарезание производится методами копирования и обкатки. Обкатка позволяет одним инструментом вырезать зубья различной конфигурации. Инструментами для нарезания могут быть долбяки, червячные фрезы или рейки. Для нарезания методом копирования используются пальцевые фрезы. Термообработка производится после нарезки, но для высокоточных зацеплений после термообработки применяется ещё шлифовка или обкатка.

Обслуживание и расчёт

Техобслуживание заключается в осмотре механизма, проверке целостности зубьев и отсутствия сколов. Проверка правильности зацепления производится при помощи краски, наносимой на зубья. Изучается величина пятна контакта и его расположение по высоте зуба. Регулировка производится установкой прокладок в подшипниковых узлах.

Сначала надо определиться с кинематическими и силовыми характеристиками, необходимыми для работы механизма. Выбирается вид передачи, допустимые нагрузки и габариты, затем подбираются материалы и термообработка. Расчёт включает в себя выбор модуля зацепления, после этого подбираются величины смещений, число зубьев шестерни и колеса, межосевое расстояние, ширина венцов. Все значения можно выбирать по таблицам или использовать специальные компьютерные программы.

Главными условиями, необходимыми для длительной работы зубчатых передач, являются износостойкость контактных поверхностей зубьев и их прочность на изгиб.

Достижению хороших характеристик и уделяется основное внимание при проектировании и изготовлении зубчатых механизмов.

Зубчатые передачи: виды, достоинства и недостатки зубчатых передач

Подавляющее большинство механических передач имеет в своей основе зубчатые зацепления. Другими словами, в зубчатой передаче усилие передается благодаря зацеплению пары зубчатых колес (зубчатой пары). Зубчатые передачи активно используются, позволяя изменять скорость вращения, направление, моменты.

Основной задачей является преобразования вращательного движения, а также изменение расположения элементов трансмиссии и ряд других функций, которые необходимы для работы узлов, агрегатов и механизмов. Далее мы рассмотрим типы зубчатых передач, их особенности, а также достоинства зубчатых передач и их недостатки.

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.

Из чего изготавливаются зубчатые колеса и шестерни

Как правило, в основе зубчатого колеса лежит сталь. При этом шестерня должна иметь большую прочность, так как сами колеса могут иметь разные характеристики по прочности.

По этой причине шестерни изготавливаются из разных материалов, а также такие изделия проходят дополнительную термическую обработку и/или комплексную химическую и температурную обработку.

Например, шестерни, которые выполнены из легированной стали, также проходят процесс упрочнения поверхности, в рамках которого может быть использован метод, позволяющий добиться желаемых характеристик (азотирование, цементация или цианирование). Если для изготовления шестерни используется углеродистая сталь, такой материал проходит поверхностную закалку.

Сами зубчатые колеса выполняются из заготовки, полученной методом литья или штамповки. Затем применяется метод нарезки зубьев. Нарезка осуществляется путем использования методов копирования, обкатки. Метод обкатки дает возможность изготовить зубья разной конфигурации при помощи одного инструмента (долбяк, червячные фрезы, рейка).

Чтобы осуществить нарезку методом копирования, требуются пальцевые фрезы. После нарезки выполняется термическая обработка. Если же нужно зацепление высокой точности, после такой термообработки дополнительно выполняется шлифовка и обкатка.

Достоинства и недостатки зубчатых передач

Прежде всего, среди достоинств зубчатой передачи можно выделить:

  • высокую надежность с учетом расширенного диапазона нагрузок и скоростей;
  • компактность, большой ресурс и высокий КПД;
  • относительно небольшие нагрузки на валы и подшипники;
  • постоянное передаточное число (отношение);
  • простота изготовления и обслуживания;

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;

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.

Подведем итоги

Как видно, зубчатая передача является достаточно распространенным решением, которое используется в различных узлах, агрегатах и механизмах. С учетом того, что существует несколько типов таких передач, перед использованием одного или другого вида, в рамках проектирования конструкторы учитывают кинематические и силовые характеристики работы разных механизмов и агрегатов.

При этом основными условиями, которые определяют срок службы зубчатой передачи и ее ресурс, принято считать общую износостойкость поверхностей зубьев, а также прочность зубьев на изгиб. Чтобы получить нужные характеристики, в рамках проектирования производства зубчатых механизмов указанным особенностям уделяется отдельное повышенное внимание.

Гипоидная передача в устройстве трансмиссии автомобиля: что такое гипоидная передача, в чем ее особенности и отличия, а также преимущества и недостатки.

Дифференциал коробки передач: что это такое, устройство дифференциала, виды дифференциалов. Как работает дифференциал КПП в трансмиссии автомобиля.

Главная передача в устройстве трансмиссии автомобиля: принцип работы, особенности конструкции. Виды главных передач по типу зубчатого соединения.

Карданная передача: что это такое, устройство, особенности, принцип работы. Виды карданных передач в устройстве автомобильной трансмиссии.

Понижающая (пониженная) передача: назначение передачи, особенности работы. Как пользоваться понижающей передачей и когда включать пониженную передачу.

Устройство полного привода, виды и типы полного привода, схема устройства привода на полноприводных авто. Полноприводные коробки, особенности.

Виды и принципы работы зубчатых передач: изучаем по порядку

Зубчатые передачи получили широкое распространение как в промышленном оборудовании, так и в бытовых приборах. Они служат промежуточным элементом между источником вращательно-поступательного движения и агрегатом, который является потребителем получаемой энергии. При этом передаваемая мощность может варьироваться от незначительных величин (например, в часовых механизмах) до огромных значений (в турбинах электростанций).

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;
  • 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:

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.

Вопросы для контроля

  1. Что называют механической передачей, их основные разновидности?
  2. Что представляют собой зубчатые передачи: описание, назначение, классификация, достоинства и недостатки?
  3. Каков принцип работы червячных зубчатых передач, их основные достоинства и недостатки?
  4. Что представляют собой передачи с гибкими звеньями: описание, назначение, классификация?
  5. Какие основные достоинства и недостатки ременных передач в сравнении с цепными?
  6. Что представляют собой фрикционные передачи: описание, назначение, классификация?

Формула расчета параметров прямозубой передачи

Чтобы определить параметры прямозубой шестеренки, потребуется выполнить некоторые предварительные вычисления. Длина начальной окружности равна π×D, где D — ее диаметр.

Шаг зацепления t – это расстояние между смежными зубами, измеренное по начальной окружности. Если это расстояние умножить на число зубов z, то мы должны получить ее длину:

проведя преобразование, получим:

Если разделить шаг на число пи, мы получим коэффициент, постоянный для данной детали зубчатой передачи. Он и называется модулем зацепления m.

размерность модуля шестерни — миллиметры. Если подставить его в предыдущее выражение, то получится:

выполнив преобразование, находим:

Отсюда вытекает физический смысл модуля зацепления: он представляет собой длину дуги начальной окружности, соответствующей одному зубцу колеса. Диаметр окружности выступов D e получается равным

где h’- высота головки.

Высоту головки приравнивают к m:

Проведя математические преобразования с подстановкой, получим:

Диаметр окружности впадин D i соответствует D e за вычетом двух высот основания зубца:

где h“- высота ножки зубца.

Для колес цилиндрического типа h“ приравнивают к значению в 1,25m:

Выполнив подстановку в правой части равенства, имеем:

D i = m×z-2×1,25m = m×z-2,5m;

что соответствует формуле:

и если выполнить подстановку, то получим:

Иначе говоря, головка и ножка зубца относятся друг к другу по высоте как 1:1,25.

Следующий важный размер, толщину зубца s принимают приблизительно равной:

  • для отлитых зубцов: 1,53m:
  • для выполненных путем фрезерования-1,57m, или 0,5×t

Поскольку шаг t приравнивается к суммарной толщине зубца s и впадины s в, получаем формулы для ширины впадины

  • для отлитых зубцов: s в =πm-1,53m=1,61m:
  • для выполненных путем фрезерования- s в = πm-1,57m = 1,57m

Характеристики конструкции оставшейся части зубчатой детали определяются следующими факторами:

  • усилия, прикладываемые к детали при эксплуатации;
  • конфигурация деталей, взаимодействующих с ней.

Детальные методики исчисления этих параметров приводятся в таких ВУЗовских курсах, как «Детали машин» и других. Модуль шестерни широко используется и в них как один из основных параметров.

Для отображения шестеренок методами инженерной графики используются упрощенные формулы. В инженерных справочниках и государственных стандартов можно найти значения характеристик, рассчитанные для типовых размеров зубчатых колес.

Достоинства и недостатки зубчатых передач

Прежде всего, среди достоинств зубчатой передачи можно выделить:

  • высокую надежность с учетом расширенного диапазона нагрузок и скоростей;
  • компактность, большой ресурс и высокий КПД;
  • относительно небольшие нагрузки на валы и подшипники;
  • постоянное передаточное число (отношение);
  • простота изготовления и обслуживания;

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.

Исходные данные и замеры

На практике перед инженерами часто встает задача определения модуля реально существующей шестерни для ее ремонта или замены. При этом случается и так, что конструкторской документации на эту деталь, как и на весь механизм, в который она входит, обнаружить не удается.

Самый простой метод — метод обкатки. Берут шестерню, для которой характеристики известны. Вставляют ее в зубья тестируемой детали и пробуют обкатать вокруг. Если пара вошла в зацепление — значит их шаг совпадает. Если нет — продолжают подбор. Для косозубой выбирают подходящую по шагу фрезу.

Такой эмпирический метод неплохо срабатывает для зубчатых колес малых размеров.

Для крупных, весящих десятки, а то и сотни килограмм, такой способ физически нереализуем.

Результаты расчетов

Для более крупных потребуются измерения и вычисления.

Как известно, модуль равен диаметру окружности выступов, отнесенному к числу зубов плюс два:

Последовательность действий следующая:

  • измерить диаметр штангенциркулем;
  • сосчитать зубцы;
  • разделить диаметр на z+2;
  • округлить результат до ближайшего целого числа.

Данный метод подходит как для прямозубых колес, так и для косозубых.

Форма зуба

Зацепления различаются по профилю и типу зубьев . По форме зуба различают эвольвентные, круговые и циклоидальные зацепления. Наиболее часто используемыми являются эвольвентные зацепления. Они имеют технологическое превосходство. Нарезка зубьев может производиться простым реечным инструментом. Эти зацепления характеризуются постоянным передаточным отношением, не зависящим от смещения межцентрового расстояния. Но при больших мощностях проявляются недостатки, связанные с небольшим пятном контакта в двух выпуклых поверхностях зубьев. Это может приводить к поверхностным разрушениям и выкрашиванию материала поверхностей.

В круговых зацеплениях выпуклые зубья шестерни сцепляются с вогнутыми колесами и пятно контакта значительно увеличивается. Недостатком этих передач является то, что появляется трение в колёсных парах. Виды зубчатых колёс:

Прямозубые колёсные пары имеют наибольшее распространение. Их легко проектировать, изготавливать и эксплуатировать .

Поперечный профиль зуба

Боковая форма профиля зубьев колёс для обеспечения плавности качения может быть: , неэльвовентной передача Новикова (с одной и двумя линиями зацепления), . Кроме того, в применяются зубчатые колеса с несимметричным профилем зуба.

Двойные косозубые шестерни (шевроны)

Двойные косозубые шестерни решают проблему осевого момента. Зубья таких шестерён изготавливаются в виде буквы «V» (либо они получаются стыковкой двух косозубых шестерён со встречным расположением зубьев). Осевые моменты обеих половин такой шестерни взаимно компенсируются, поэтому отпадает необходимость в установке осей и валов в специальные подшипники. Передачи, основанные на таких зубчатых колёсах, обычно называют «шевронными».

Зубчатые конические колёса

Кроме наиболее распространёных циллиндрических З. к. применяются колёса конической формы. Конические шестерни применяются там, где необходимо передать крутящий момент под определённым углом. Такие конические шестерни с круговым зубом, например, применяются в автомобильных , используемых для передачи момента от двигателя к колёсам.

Секторные колёса

Секторная шестерня представляет собой часть обычной шестерни любого типа. Такие шестерни применяются в тех случаях, когда не требуется вращение механизма на 360°, и поэтому можно сэкономить на его габаритах.

Зубчатые колёса с внутренним зацеплением

При жестких ограничениях на габариты, в планетарных механизмах, в шестерённых насосах с внутренним зацеплением, в приводе башни , удобно применение колёс с зубчатым венцом, нарезанным с внутренней стороны. Также стоит заметить что вращение ведущего и ведомого колеса направленно в одну сторону.

Из чего изготавливаются зубчатые колеса и шестерни

Как правило, в основе зубчатого колеса лежит сталь. При этом шестерня должна иметь большую прочность, так как сами колеса могут иметь разные характеристики по прочности.

По этой причине шестерни изготавливаются из разных материалов, а также такие изделия проходят дополнительную термическую обработку и/или комплексную химическую и температурную обработку.

Например, шестерни, которые выполнены из легированной стали, также проходят процесс упрочнения поверхности, в рамках которого может быть использован метод, позволяющий добиться желаемых характеристик (азотирование, цементация или цианирование). Если для изготовления шестерни используется углеродистая сталь, такой материал проходит поверхностную закалку.

Что касается зубьев, для них предельно важна прочность поверхности, а также сердцевина должна быть мягкой и вязкой. Данные характеристики позволяют избежать излома и быстрого износа рабочей нагруженной поверхности. Еще добавим, что колесные пары механизмов, где нет больших нагрузок и высокой частоты вращения, изготавливают из чугуна. Также можно встретить в качестве материала для изготовления колесных пар бронзу, латунь и даже всевозможные виды пластика.

Сами зубчатые колеса выполняются из заготовки, полученной методом литья или штамповки. Затем применяется метод нарезки зубьев. Нарезка осуществляется путем использования методов копирования, обкатки. Метод обкатки дает возможность изготовить зубья разной конфигурации при помощи одного инструмента (долбяк, червячные фрезы, рейка).

Чтобы осуществить нарезку методом копирования, требуются пальцевые фрезы. После нарезки выполняется термическая обработка. Если же нужно зацепление высокой точности, после такой термообработки дополнительно выполняется шлифовка и обкатка.

Примеры расчетов и лабораторных по термеху и сопроматы

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.

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.

Достоинства шевронного колеса

Следует отметить, что все механические передачи имеют общие преимущества и недостатки. Это относится и к шевронному зацеплению. Рассмотрим сильные стороны. Во-первых, высокая плавность хода, что достигается благодаря большому углу наклона зубьев. Следовательно, и габариты будут гораздо меньше по сравнению с косозубым колесом. Это позволяет несколько снизить массу изделия, а также размер узла в целом.

Долговечность при соблюдении норм эксплуатации (регулярная смазка, выбраковка, отсутствие перегрева и механических повреждений) составляет порядка 40 000 часов. Соответственно надежность данного узла будет очень высокой. Это обусловлено еще и отсутствием осевых нагрузок на подшипник. Как следствие, не возникает перегрева вала и опоры.

Высокий КПД (97-98 %) — еще одна сильная сторона шевронных колес. Данный показатель нередко является определяющим фактором при выборе типа передачи в том или ином узле, так как позволяет добиться минимальных потерь во время эксплуатации. Постоянное передаточное число также немаловажный фактор, который хоть и не выдвигается на первый план, но все же имеет место. Такие достоинства шевронной передачи играют немаловажную роль при эксплуатации в тяжелонагруженных узлах машин.

Что ещё следует знать

Узнав, какие бывают применяемые в механизмах зубчатые передачи, следует немного дополнить информацию.

Рассмотренные зацепления могут применяться в разном сочетании, учитывая используемые кинематические схемы.

Сами передачи отличаются между собой ещё и по форме зубцов, типу и профилю. Это позволяет выделить несколько разновидностей зацепления. Оно может быть:

  • циклоидальным;
  • круговым;
  • эвольвентным.

В основном применяются именно эвольвентные виды зацеплений. Это обусловлено их техническим превосходством над конкурентами.

Подобные зубцы нарезают путём применения реечных инструментов. У лидирующего вида зацепления передаточное отношение постоянное, и оно не зависит от того, какая степень смещения в отношении межцентрового расстояния.

Но у эвольвентного зацепления есть свой недостаток. Если передаётся большая мощность, в паре выпуклых поверхностей зубцов может сказаться небольшое пятно контакта. Из-за этого образуются дефекты, и постепенно разрушается поверхность.

Особенностью кругового зацепления выступает сцепление выпуклых зубьев с помощью вогнутых колёс. Это хорошо тем, что пятно контакта увеличивается. Но параллельно усиливается трение.

Если говорить про разновидности зубчатых колёс, то они бывают:

  • криволинейными;
  • шевронными;
  • косозубыми;
  • прямозубыми.

Среди них наибольшее распространение получили прямозубые варианты. Они простые в изготовлении, доступные для производства, предельно надёжные в процессе эксплуатации. У них линия контакта всегда остаётся параллельной относительно оси вала.

Недостаток прямозубых колёс в том, что они способны передавать меньший предельный крутящий момент, если сравнивать с шевронными и косозубыми аналогами.

Косозубые рекомендуется применять в ситуациях, когда необходимо передавать максимально высокую частоту вращения. Тогда механизм будет работать плавно и с минимальным уровнем шума. Но параллельно в таких системах сильно нагружается подшипник, что связано с большим осевым усилием.

У шевронных колёс практически те же преимущества, что и у косозубых аналогов. Но они при этом не нагружают подшипники, поскольку здесь силы разнонаправлены.

Если говорить про криволинейные типы колёс, их актуально использовать в узлах с высоким передаточным отношением. Они меньше шумят в процессе вращения, лучше справляются с работой на изгиб.

Шевронные зубчатые передачи и все о них

Как мы уже разобрались, данный вид зацепления относится к зубчатым. Определимся немного с конструктивными особенностями данной передачи. От классической зубчатой мы имеем существенные отличия. Во-первых, венец состоит из зубьев, направленных в разные стороны. Соответственно по одной стороне венца они имеют наклон в одну, с обратной — в другую стороны.

Можно смело говорить о том, что шевронные передачи обладают огромным количеством преимуществ. К примеру, отсутствие осевой нагрузки на подшипник, что позволяет продлить срок службы узла. Помимо этого, данный тип передачи позволяет существенно увеличить угол наклона зубьев, который приблизительно равен 25-40 градусам. В то время как в обычном косозубом колесе пределом является 18 градусов.

Конечно, есть и свои нюансы. Во-первых, высокая сложность и дороговизна изготовления шеврона. Так как используется данный вид зацепления для передачи большой мощности и скорости при отсутствии осевых нагрузок, то точность изготовления должна быть очень высокой, а следовательно и себестоимость такого колеса получается высокой. Во-вторых, необходимость использования плавающего вала в конструкции. По этой простой причине инженеры стараются применять косозубую передачу, где это возможно, и только потом использовать шевронную.

Материалы изготовления

Вполне закономерно предположить, что назначение используемых зубчатых передач предусматривает применение высокопрочных материалов для их изготовления.

Поэтому в основе конструкции практически всегда лежит сталь. К прочности шестерни предъявляются повышенные требования в плане прочности, а вот колёса менее требовательные. Их характеристики прочности могут отличаться.

Учитывая этот момент, при производстве шестерней применяются различные материалы. Изделия проходят через дополнительную процедуру обработки. На них воздействуют термически, химически и температурно.

Изделия на основе легированной стали обычно дополнительно улучшают свои характеристики путём цианирования, азотирования и цементации. Это влияет на изменение внутренних характеристик. А вот шестерни на основе углеродистой стали в основном проходят только поверхностные процедуры по закалке.

С зубьями всё иначе. К ним предъявляются повышенные требования в плане прочности поверхности. При этом сердцевина должна оставаться достаточно вязкой и мягкой. При таких характеристиках можно предотвратить изломы и быстрый процесс износа при активной эксплуатации под нагрузкой.

Колёсные пары, в работе которых не предусматривается высокая нагрузка и повышенная частота вращения, изготавливаются обычно на основе чугуна.

Намного реже при производстве колёсной пары применяется такой материал как бронза, латунь и пластик.

Зубцы колёс создают на основе заготовок, выполненных одним из двух методов. Это штамповка или литьё. Затем проводится нарезка. При нарезке применяются методики обкатки или копирования. Обкатка позволяет создать зубцы с разными параметрами, используя один инструмент. В роли инструментов выступают рейки, долбяки и червячные фрезы.

При использовании метода копирования применяются пальцевые виды фрезы. Затем, завершив нарезку, наступает очередь термообработки. Если требуется получить высокоточное зацепление, после термической обработки обязательно нужно сделать шлифовку и финишную обкатку изделия.