Зубчатые передачи
Зубчатая передача - Механизм, в котором два подвижных звена являются зубчатыми колесами, образующими с неподвижным звеном вращательную или поступательную пару
Виды зубчатых передач: а, б, в - цилиндрические зубчатые передачи с внешним зацеплением; г - реечная передача; д - цилиндрическая передача с внутренним зацеплением; е - зубчатая винтовая передача; ж, з, и - конические зубчатые передачи; к - гипоидная передача
В большинстве случаев зубчатая передача служит для передачи вращательного движения. В некоторых механизмах эту передачу применяют для преобразования вращательного движения в поступательное. Зубчатые передачи - наиболее распространенный тип передач в современном машиностроении и приборостроении; их применяют в широких диапазонах скоростей (до 100 м/с), мощностей (до десятков тысяч киловатт).
Основные достоинства зубчатых передач по сравнению с другими передачами:
Технологичность, постоянство передаточного числа;
Высокая нагрузочная способность;
Высокий КПД (до 0,97-0,99 для одной пары колес);
Малые габаритные размеры по сравнению с другими видами передач при равных условиях;
Большая надежность в работе, простота обслуживания;
Сравнительно малые нагрузки на валы и опоры.
К недостаткам зубчатых передач следует отнести:
Невозможность бесступенчатого изменения передаточного числа;
Высокие требования к точности изготовления и монтажа;
Шум при больших скоростях; плохие амортизирующие свойства;
Громоздкость при больших расстояниях между осями ведущего и ведомого валов;
Потребность в специальном оборудовании и инструменте для нарезания зубьев;
Зубчатая передача не предохраняет машину от возможных опасных перегрузок.
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, к);
По расположению зубьев относительно образующих колес - прямозубые, косозубые, шевронные и с криволинейным зубом;
По конструктивному оформлению - открытые и закрытые;
По окружной скорости - тихоходные (до 3 м/с), для средних скоростей (3-15 м/с), быстроходные (св. 15 м/с);
По числу ступеней - одно- и многоступенчатые;
По расположению зубьев в передаче и колесах - внешнее, внутреннее (см. рис. 1, д) и реечное зацепление (см. рис. 1, г);
По форме профиля зуба - с эвольвентными, круговыми;
По точности зацепления. Стандартом предусмотрено 12 степеней точности. Практически передачи общего машиностроения изготовляют от шестой до десятой степени точности. Передачи, изготовленные по шестой степени точности, используют для наиболее ответственных случаев.
Из перечисленных выше зубчатых передач наибольшее распространение получили цилиндрические прямозубые и косозубые передачи, как наиболее простые в изготовлении и эксплуатации. Преимущественное распространение получили передачи с зубьями эвольвентного профиля, которые изготавливаются массовым методом обкатки на зубофрезерных или зубодолбежных станках. Достоинство эвольвентного зацепления состоит в том, что оно мало чувствительно к колебанию межцентрового расстояния. Другие виды зацепления применяются пока ограниченно. Так, циклоидальное зацепление, при котором возможна работа шестерен с очень малым числом зубьев (2-3), не может быть, к сожалению, изготовлено современным высокопроизводительным методом обкатки, поэтому шестерни этого зацепления трудоемки в изготовлении и дороги; новое пространственное зацепление Новикова пока еще не получило массового распространения, вследствие большой чувствительности к колебаниям межцентрового расстояния.
Прямозубые колёса (около 70%) применяют при невысоких и средних скоростях, когда динамические нагрузки от неточности изготовления невелики, в планетарных, открытых передачах, а также при необходимости осевого перемещения колёс.
Косозубые колёса (более 30%) имеют большую плавность хода и применяются для ответственных механизмов при средних и высоких скоростях.
Шевронные колёса имеют достоинства косозубых колёс плюс уравновешенные осевые силы и используются в высоконагруженных передачах.
Конические передачи применяют только в тех случаях, когда это необходимо по условиям компоновки машины; винтовые - лишь в специальных случаях.
Колёса внутреннего зацепления вращаются в одинаковых направлениях и применяются обычно в планетарных передачах.
Для изготовления зубчатых колес применяют следующие материалы :
Сталь углеродистую обыкновенного качества марок Ст5, Ст6; качественную сталь марок 35, 40, 45, 50, 55; легированную сталь марок 12ХНЗА, 30ХГС, 40Х, 35Х, 40ХН, 50Г; сталь 35Л, 45Л, 55Л;
Серый чугун марок СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ40, высококачественный чугун марок ВЧ50-2, ВЧ45-5;
Неметаллические материалы (текстолит марок ПТК, ПТ, ПТ-1, лигнофоль, бакелит, капрон и др.).
Практикой эксплуатации и специальными исследованиями установлено, что нагрузка, допускаемая по контактной прочности зубьев, определяется в основном твердостью материала. Высокую твердость в сочетании с другими характеристиками, а, следовательно, малые габариты и массу передачи можно получить при изготовлении зубчатых колес из сталей, подвергнутых термообработке. Сталь в настоящее время - основной материал для изготовления зубчатых колес и в особенности для зубчатых колес высоконагруженных передач.
Важнейшими критериями работоспособности зубчатых колёс приводов являются объёмная прочность зубьев и износостойкость их активных поверхностей. Нагрузочная способность хорошо смазанных поверхностей ограничивается сопротивлением выкрашиванию. Для уменьшения расхода материалов назначают высокую твёрдость трущихся поверхностей.
Несущая способность зубчатых передач по контактной прочности тем выше, чем выше поверхностная твердость зубьев. Повышение твердости в два раза позволяет уменьшить массу редуктора примерно в четыре раза.
В зависимости от твердости (или термообработки ) стальные зубчатые, колеса разделяют на две основные группы: твердостью Н < 350 НВ - зубчатые колеса, нормализованные или улучшенные; твердостью Н > 350 НВ - с объемной закалкой, закалкой ТВЧ, цементацией, азотированием и др. Эти группы различны по технологии, нагрузочной способности и способности к приработке.
Объемная закалка - наиболее простой способ получения высокой твердости зубьев. При этом зуб становится твердым по всему объему. Для объемной закалки используют углеродистые и легированные стали со средним содержанием углерода 0,35...0,5% (стали 45, 40Х, 40ХН и т. д.). Твердость на поверхности зуба 45...55 HRC.
Недостатки объемной закалки : коробление зубьев и необходимость последующих отделочных операций, понижение изгибной прочности при ударных нагрузках (материал приобретает хрупкость); ограничение размеров заготовок, которые могут воспринимать объемную закалку. Последнее связано с тем, что для получения необходимой твердости при закалке скорость охлаждения не должна быть ниже критической. С увеличением размеров сечений детали скорость охлаждения падает, и если ее значение будет меньше критической, то получается так называемая мягкая закалка. Мягкая закалка дает пониженную твердость.
Объемную закалку во многих случаях заменяют поверхностными термическими и химико-термическими видами обработки, которые обеспечивают высокую поверхностную твердость (высокую контактную прочность) при сохранении вязкой сердцевины зуба (высокой изгибной прочности при ударных нагрузках).
Поверхностная закалка токами высокой частоты или пламенем ацетиленовой горелки обеспечивает Н = (48...54) HRC и применима для сравнительно крупных зубьев (m > 5 мм). При малых модулях опасно прокаливание зуба насквозь, что делает зуб хрупким и сопровождается его короблением. При относительно тонком поверхностном закаливании зуб искажается мало. И все же без дополнительных отделочных операций трудно обеспечить степень точности выше 8-й. Закалка ТВЧ требует специального оборудования и строгого соблюдения режимов обработки. Стоимость обработки ТВЧ значительно возрастает с увеличением размеров колес. Для поверхностной закалки используют стали 40Х, 40ХН, 45 и др.
Цементация (насыщение углеродом поверхностного слоя с последующей закалкой) - длительный и дорогой процесс. Однако она обеспечивает очень высокую твердость (58....63HRC). При закалке после цементации форма зуба искажается, а поэтому требуются отделочные операции. Для цементации применяют низкоуглеродистые стали простые (сталь 15 и 20) и легированные (20Х, 12ХНЗА и др.). Легированные стали обеспечивают повышенную прочность сердцевины и этим предохраняют продавливание хрупкого поверхностного слоя при перегрузках. Глубина цементации около 0,1 ...0,15 от толщины зуба, но не более 1,5...2 мм. При цементации хорошо сочетаются весьма высокие контактная и изгибная прочности. Ее применяют в изделиях, где масса и габариты имеют решающее значение (транспорт, авиация и т. п.).
Нитроцементация - насыщение углеродом в газовой среде. При этом по сравнению с цементацией сокращаются длительность и стоимость процесса,- упрочняется тонкий поверхностный слой (0,3...0,8 мм) до 60...63 HRC, коробление уменьшается, что позволяет избавиться от последующего шлифования. Нитроцементация удобна в массовом производстве и получила широкое применение в редукторах общего назначения, в автомобилестроении и других отраслях - материалы 25ХГМ, 25ХГТ и др.
Азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом) обеспечивает не меньшую твердость, чем при цементации.
Основные элементы зубчатой передачи. Термины, определения и обозначения
Одноступенчатая зубчатая передача состоит из двух зубчатых колес - ведущего и ведомого. Меньшее по числу зубьев из пары колес называют шестерней, а большее колесом. Термин «зубчатое колесо» является общим. Параметрам шестерни (ведущего колеса) приписывают при обозначении нечетные индексы (1, 3, 5 и т. д.), а параметрам ведомого колеса - четные (2, 4, 6 и т. д.).
Зубчатое зацепление характеризуется следующими основными параметрами:
da - диаметр вершин зубьев; dr - диаметр впадин зубьев;
da - начальный диаметр; d - делительный диаметр;
рt - окружной шаг; h - высота зуба;
ha - высота ножки зуба; с - радиальный зазор;
b - ширина венца (длина зуба); еt - окружная ширина впадины зуба;
st - окружная толщина зуба; аw - межосевое расстояние;
а - делительное межосевое расстояние; Z - число зубьев.
Делительная окружность - окружность, по которой обкатывается инструмент при нарезании. Делительная окружность связана с колесом и делит зуб на головку и ножку.
Лекция 12. Назначение. Классификация. Зубчатые передачи.
Раздел 6 Механические передачи.
Контрольные вопросы
1. Где применяют подшипники? Что представляет собой подшипник скольжения? Какие подшипники скольжения (по конструкции) вы знаете?
2. Какой материал используют для изготовления подшипников скольжения? Назовите режимы трения при работе подшипников скольжения.
3. Как рассчитывают подшипники скольжения?
4. Как устроен подшипник качения? Какие существуют разновидности
подшипников качения?
5. Какие вы знаете типы подшипников качения?
6. Как обозначают подшипники качения?
7. Как проводится расчет подшипников качения?
Большинство современных машин и установок состоят из неподвижной части – статора и подвижной – ротора. Чтобы подвижной части машины или аппарата (шпиндель, вал с мешалкой и т.д.) передать энергию и движение, необходимы специальные устройства, в качестве которых применяют двигатели и передачи, образующие привод. Функция передачи движения в большинстве случаев совмещается с преобразованием его параметров и соответствующим изменением действующих усилий, моментов, а иногда и с преобразованием самого вида движения (вращательного в поступательное или др.). Передачи являются важным элементом приводов машин. Наибольшее распространение получили механические передачи. Они используются преимущественно для передачи наиболее распространенного в машинах вращательного движения и реже – для преобразования вращательного движения в поступательное или наоборот.
Механические передачи различаются по принципу действия: на фрикционные , действующие за счет сил трения, создаваемых между элементами передачи (ременные, фрикционные) и передачи зацеплением (зубчатые, червячные, винтовые).
По характеру изменения скорости передачи бывают: понижающие (редукторы) и повышающие (мультипликаторы), соответственно уменьшающие или увеличивающие скорость вращения ведомого (выходного) вала по сравнению со скоростью ведущего (входного) вала передачи. При этом в зависимости от назначения и устройства передачи отношение угловых скоростей может быть постоянным или переменным (регулируемым). В последнем случае возможно ступенчатое или бесступенчатое регулирование в определенных пределах.
По взаимному расположению валов в пространстве передача движения осуществляется между параллельными, пересекающимися или перекрещивающимися валами.
По конструктивному оформлению передачи бывают – открытые, не имеющие общего, закрывающего их корпуса и закрытые, заключенные в общий корпус.
Основными кинематическими характеристиками передач вращения являются угловые скорости , или числа оборотов в единицу времени , совместно работающих валов и их отношение, именуемое передаточным отношением
Энергетическими характеристиками механических передач являются передаваемая мощность P кВт и коэффициент полезного действия (к.п.д.) h – отношение мощности сил полезных сопротивлений к мощности движущих сил
Так как мощность и момент на любом валу связаны зависимостями
кВт или кГм,
запишем соотношения между моментами на ведущем Т 1 и ведомом Т 2 валах
Для многоступенчатых передач, составленных из нескольких одноступенчатых, справедливы зависимости
; 
.
Механические передачи обладают многими достоинствами, обеспечивающими их широкое использование в современном машиностроении. Они компактны, отличаются высокой надежностью в эксплуатации, позволяют относительно просто осуществлять необходимые преобразования параметров и видов движения, имеют высокий к.п.д.
Зубчатые передачи. Зубчатые передачи являются разновидностью механических передач, работающих на принципе зацепления. Их применяют для передачи вращательного движения между валами с параллельными, пересекающимися и перекрещивающимися осями, а также для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот.
Передача вращательного движения между параллельными валами осуществляется цилиндрическими колесами с прямыми (рис.6.1а ), косыми (рис.6.1б ) и шевронными (рис.6.1в ) зубьями. Различают передачи внешнего (рис.6.1а-в ) и внутреннего зацепления (рис.6.1г ).
Преобразование вращательного движения в поступательное и наоборот осуществляется цилиндрическим колесом и рейкой (рис.6.1д ). Передачи между валами с пересекающимися осями осуществляются коническими колесами с прямыми (рис.6.1е )., круговыми (рис.6.1ж ). и тангенциальными (рис.6.1з ) зубьями.
Между перекрещивающимися валами вращение передается с помощью зубчато – винтовых передач.
Зубчатые передачи составляют наиболее распространенную группу передач благодаря таким достоинствам, как малые габариты, высокий к.п.д., постоянство передаточного отношения, возможность применения в широком диапазоне скоростей и передаточных отношений, надежность в работе.
Геометрия и кинематика эвольвентного зацепления . Зубчатые передачи в преобладающем большинстве изготавливают с эвольвентным профилем зубьев. Это объясняется тем, что эвольвентное зацепление имеет ряд существенных достоинств: простое изготовление и постоянство передаточного отношения, малые скорости скольжения и долговечность колес.
Эвольвентой
(рис.6.2) называют кривую, описываемую точкой С
прямой АВ
, перекатывающейся без скольжения по окружности диаметра d b
, которую называют основной окружностью.
Для таких передач общая нормаль NN к взаимодействующим профилям (рис.6.3), в любой момент движения сопряженных зубьев должна проходить через точку П – полюс зацепления, лежащий на линиицентров и делящий межосевое расстояние на отрезки, обратно пропорциональные передаточному отношению , где d ω2 и d ω1 – диаметры воображаемых окружностей, касающихся друг друга в полюсе зацепления П и перекатывающихся при вращении одна по другой без скольжения. Эти окружности называются начальными окружностями. Прямая NN называется линией зацепления , т.к. она является траекторией точек контакта сопряженных зубьев при вращении колес. Угол α ω между линией зацепления и прямой, перпендикулярной межосевой линии О 1 О 2 называется углом зацепления.
Вершины и впадины зубьев очерчиваются соответственно окружностями выступов с диаметрами , и впадин – , .
В качестве исходного контура для эвольвентного зацепления принят контур, расположенный на прямой – рейка (рис.6.4). Линия а-а,
на которой толщина зуба равна ширине впадины, называется средней линией рейки.
Расстояние р между соответственными точками профилей соседних зубьев, измеренное вдоль средней линии, называется шагом зацепления , а отношение – модулем зацепления.
Применительно к зубчатому колесу окружность, на которой шаг равен шагу исходного контура р , называется делительной окружностью d. Очевидно, что , где z – число зубьев колеса. Откуда . Соответственно, окружной модуль представляет собой частное от деления диаметра делительной окружности на число зубьев колеса. Часть зуба, расположенная между окружностями выступов и делительной, называется головкой зуба h a , а между окружностью впадин и делительной – ножкой зуба h f .
Цилиндр, диаметр которого равен диаметру делительной окружности, называется делительным цилиндром. Кратчайшее расстояние по делительному цилиндру между одноименными профильными поверхностями двух смежных зубьев называется нормальным шагом р n (рис.6.5). Справедлива зависимость , где b – угол наклона линии зуба. Нормальный модуль вычисляется по формуле . Для прямозубых передач (b = 0) окружные и нормальные шаги и модули соответственно совпадают. Величины модулей определяются стандартом. Для косозубых цилиндрических колес стандартными являются нормальные модули.
Для цилиндрических зубчатых передачдолжны выполняться следующие соотношения:
Межосевое расстояние 
Высота головки зуба h a = m ;
Высота ножки зуба h f = 1,25m ;
Высота зуба h = h a + h f = 2,25m ;
Диаметры делительные (начальные) , 
;
Диаметры вершин зубьев , ;
Диаметры впадин зубчатых колес 
, 
;
Угол зацепления ;
передаточное число зубчатой передачи равно отношению числа зубьев колеса к числу зубьев шестерни u = z 2 / z 1 .
Отношение активной части линии зацепления АВ
к шагу р t
называется коэффициентом перекрытия зубьев . Он показывает, сколько пар зубьев одновременно находятся в работе. Коэффициент перекрытия в большой степени определяет плавность работы передачи. Для прямозубых передач он должен быть больше 1.
Силы, действующие в цилиндрических передачах (рис.6.6). Нормальную силу F n , давления одного зуба на другой, возникающую при работе сопряженных зубьев можно разложить на и , а , в свою очередь, на и .
В результате имеем
,
где F t – окружная сила, , Т – вращающий момент, d – делительный диаметр.
Из схемы сил
, ,
где F r – радиальная, а F a – осевая силы, – угол зацепления, – угол наклона линии зуба.
Нормальная к поверхности зуба сила 
.
Расчет зубьев цилиндрических передач
и расчет на контактную прочность
в большинстве случаев является основой для определения габаритных размеров передачи. Исходной зависимостью для расчета контактных напряжений
(рис.6.7), возникающих на рабочих поверхностях зубьев служит формула Герца-Беляева
,
где Z Е – коэффициент, учитывающий механические свойства контактирующих материалов; q – нормальная нагрузка на единицу длины контактной линии; – приведенный радиус кривизны контактирующих поверхностей, R 1 и R 2 – радиусы кривизны профилей контактирующих зубьев.
Подставляя в эту формулу параметры и характеристики цилиндрических зубчатых передач с эвольвентным профилем зубьев, после ряда преобразований получим формулу для расчета контактной прочности рабочих поверхностей зубьев
,
где Z Е – коэффициент, учитывающий механические свойства материалов шестерни и колеса; Z e – коэффициент, учитывающий суммарную длину контактных линий; Z Н – коэффициент, учитывающий форму сопряженных поверхностей зубьев; К Н – к оэффициент нагрузки (учитывает динамическую нагрузку и неравномерность распределения нагрузки по ширине зуба и между зубьями); F t – окружная сила на делительном диаметре d 1 ; b – ширина венца колеса; u – передаточное число.
Виды зубчатых передач
Зубчатые передачи являются разновидностью механических передач, работающих на принципе зацепления. Их используют для передачи и преобразования вращательного движения между валами.
Зубчатые передачи отличаются высоким КПД (для одной ступени – 0,97- 0,99 и выше), надежностью и длительным сроком службы, компактностью, стабильностью передаточного отношения из-за отсутствия проскальзывания. Зубчатые передачи применяют в широком диапазоне скоростей (до 200 м/сек), мощностей (до 300 МВт). Размеры зубчатых колес могут быть от долей миллиметра до нескольких метров.
К недостаткам можно отнести сравнительно высокую сложность изготовления, необходимость нарезания зубьев с высокой точностью, шум и вибрация при высоких скоростях, большую жесткость, не позволяющая компенсировать динамические нагрузки.
Передаточные числа в редукторных передачах могут достигать 8, в открытых передачах – до 20, в коробках передач – до 4.
По расположению зубьев различают передачи с наружным и внутренним зацеплением.
Конструктивно зубчатые передачи большей частью выполняются закрытыми в общем жестком корпусе, что обеспечивает высокую точность сборки. Лишь тихоходные передачи (v < 3 м/сек) с колесами значительных размеров, нередко встроенных в конструкцию машин (например, в механизмах поворота подъемных кранов, станков), изготавливаются в открытом исполнении.
Чаще всего зубчатые передачи применяют в качестве замедлительных (редукторов), т.е. для уменьшения частоты вращения и увеличения вращающего момента, но также с успехом используются для повышения скорости вращения (мультипликаторы).
Для предохранения рабочих поверхностей зубьев от заедания и абразивного износа, а также для уменьшения потерь на трение и связанного с этим нагревания, применяют смазку. Закрытые передачи обычно смазываются жидкими минеральными маслами, окунанием колес или принудительной подачей масла к зацепляющимся зубьям. Открытые передачи смазываются консистентными смазками, периодически наносимыми на зубья.
о расположению зубьев различают передачи с наружным (рис. 2.1а -в ) и внутренним зацеплением (рис. 2.1г ).
По профилю зубьев колес передачи подразделяют: на передачи с эвольвентным зацеплением , в котором профили зубьев очерчены
эвольвентами; на передачи с циклоидальным профилем ; на передачи сзацеплением Новикова . Далее в пособии будут описываться только передачи эвольвентного профиля с наружным зацеплением.
Шестерня – это зубчатое колесо передачи с меньшим числом зубьев (чаще всего – ведущее). Колесо – это зубчатое колесо передачи с большим числом зубьев. Термин "зубчатое колесо" можно применять как к шестерне, так и к колесу зубчатой передачи.
Цилиндрические зубчатые передачи бывают прямозубыми,
косозубыми и шевронными.
Прямозубые колеса (рис. 2.1а ) применяют преимущественно при невысоких и средних окружных скоростях, при большой твердости зубьев (когда динамические нагрузки от неточностей изготовления невелики по сравнению с полезными), в планетарных передачах, в открытых передачах, а также при необходимости осевого перемещения колес (в коробках передач).
ЧЕРВЯЧНЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Червячных передач (или винт) можно рассматривать как передачу одного зуба
Червячные передачи имеют некоторые особые свойства, которые делают их отличимых от других передач. Во-первых, они могут достичь очень высоких передач произведенных за одну движение.Потому что большинство червячных передач имеет только один нагруженный зуб, передаточное отношение это просто число зубьев на соединение передач. Например, червячных пара передач в паре с 40-
зубый цилиндрический редуктор имеет соотношение 40:1. Во-вторых, червячные передачи имеют гораздо более высокие трения (и ниже эффективность), чем другие типы передач. Это потому, что профиль зуба червячных передач постоянно скользят по зубам сопряженных передач. Это трение становится выше, тем больше нагрузка на передачу. Наконец, червячая передача не может работать с обратным эффектом. В анимации ниже, червячные передачи на зеленой оси ведет синие зубчатое колесо на красной оси. Но если вы включите красную ось в качестве ведущей, то червячных передач не получится. Это свойство передачи может применяться для остановки -блокировки вещи на определенном месте, без скатывания назад, например ворота гаража.
ЛИНЕЙНЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Это средство преобразования вращательного движения от оси вращения или шестерни в поступательное движение зубчатой рейки. Шестерня вращается, и толкает рейку вперед, поскольку в ней перемещаются зубы шестерни. Регулируется например меньшим количеством зубов на ведущей шестерни и большим на рейке. движение в рейки будет пропорционально количеству зубьев на шестерне
ДИФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ПЕРЕДАЧА
Дифференциал - это механическое устройство, которое передает крутящий момент с одного источника на два независимых потребителя таким образом, что угловые скорости вращения источника и обоих потребителей могут быть разными относительно друг друга. Такая передача момента возможна благодаря применению так называемого планетарного механизма. В автомобилестроении, дифференциал является одной из ключевых деталей трансмиссии. В первую очередь он служит для передачи момента от коробки передач к колёсам ведущего моста.
Почему для этого нужен дифференциал? В любом повороте, путь колеса оси, двигающегося по короткому (внутреннему) радиусу, меньше, чем путь другого колеса той же оси, которое проходит по длинному (внешнему) радиусу. В результате этого, угловая скорость
вращения внутреннего колёса должна быть меньше угловой скорости вращения внешнего колеса. В случае с не ведущим мостом, выполнить это условие достаточно просто, так как оба колеса могут не быть связанными друг с другом и вращаться независимо. Но если мост ведущий, то необходимо передавать крутящий момент одновременно на оба колеса (если передавать момент только на одно колесо, то возможность управления автомобилем по современным понятиям будет очень плохой). При жесткой же связи колёс ведущего моста
и передачи момента на единую ось обоих колёс, автомобиль не мог бы нормально поворачивать, так как колеса, имея равную угловую скорость, стремились бы пройти один и тот же путь в повороте. Дифференциал позволяет решить эту проблему: он передаёт крутящий
момент на раздельные оси обоих колёс (полуоси) через свой планетарный механизм с любым соотношением угловых скоростей вращения полуосей. В результате этого, автомобиль может нормально двигаться и управляться как на прямом пути, так и в повороте.
В технике зубчатыми передачами называются такие механизмы , которые осуществляют передачу вращательного движения с одного вала на другой и при этом изменяют частоты вращения с помощью зубчатых колес и реек.
Зубчатые колёса имеют свои функциональные названия, в зависимости от величины и положения установки. Ведущими называются те зубчатые колеса , которые располагаются на валах, передающих вращение, а ведомыми – на валах, принимающих вращение. Те колеса сопряженной пары, которые имеют меньший диаметр, называются шестернями . Что касается термина «зубчатое колесо », то им обозначаются обе детали, составляющие такую передачу.
Все элементы зубчатого зацепления при конструировании и изготовлении подвергаются расчётам согласно стандартному модулю .
Механизм зубчатой передачи
В современном машиностроении самым распространенным видом передач являются именно зубчатые. Они обеспечивают постоянное передаточное число, отличаются надежностью, компактными размерами и высоким коэффициентом полезного действия. Кроме того, с помощью зубчатых передач можно транслировать довольно значительные нагрузки, они считаются так же долговечными и простыми в эксплуатации.
У зубчатых передач есть и некоторые недостатки. К примеру, они не могут изменять передаточное число бесступенчатым образом, издают немало шума при больших скоростях вращения, а при их изготовлении и монтаже требуется соблюдать высокую точность.
Зубчатые передачи эксплуатируются в самых разнообразных условиях, и поэтому как их конструкции, так и формы элементов зубчатых зацеплений весьма различны.
Классификация зубчатых передачЗубчатые передачи принято классифицировать по целому ряду критериев. На основе такого из них, как взаимное расположение осей колес, они подразделяются на:
Цилиндрические передачи (с параллельными осями);
Конические передачи (с пересекающимися осями);
Червячные передачи и колёса с криволинейными зубьями (со скрещивающимися осями).
В зависимости от того, как расположены зубья, а также колеса друг относительно друга, зубчатые передачи подразделяются на те, что имеют внешнее и внутреннее зацепление. При внешнем зацеплении колеса вращаются в противоположных направлениях, а при внутреннем – в одном и том же.
По такому критерию, как форма профиля, различают эвольвентные и неэвольвентные зубья. Первые распространены гораздо более широко, чем вторые.
По тому, как расположена теоретическая линия зуба, различают колеса с зубьями косыми, прямыми, винтовыми и шевронными. Все непрямозубые передачи издают меньше шума, обладают меньшим износом и высокой плавностью в работе. Именно поэтому их чаще всего используют в тех механизмах, которые требуют передачи значительной мощности, а также высоких окружных скоростей.
Еще одним критерием классификации зубчатых передач является их конструктивное исполнение. Согласно которому различают закрытые и открытые зубчатые передачи . Первые размещаются в специальных корпусах, и с помощью расположенных в них масляных ванн обеспечиваются постоянной смазкой. Открытые зубчатые передачи или периодически смазываются специальными консистентными смазками, или же не смазываются вообще.
Что касается такого важного критерия классификации, как величина окружной скорости, то зубчатые передачи подразделяются на тихоходные (до 3м /с ), среднескоростные (3 – 15 м /с ), быстроходные (более 15 м /с ).
Материалы деталей зубчатых колесОсновным критерием при выборе того или иного материала для изготовления зубчатых колес и червячных передач является обеспечение необходимой стойкости против крошения и заедания рабочих поверхностей их зубьев.
Чаще всего для изготовления зубчатых колес применяются стали, обрабатываемые термически. Что касается чугунов и пластмасс то они используются редко. Зубчатые колеса , работающие в условиях средних нагрузок, обычно изготавливаются из легированных сталей 40Х , 45ХН , а также углеродистых сталей Ст 50Г , Ст 40 и Ст 35 с термической обработкой. Для малонагруженных и тихоходных передач используются чугунные зубчатые колеса , а те, что используются в самых ответственных передачах, изготавливают из стали 40ХНМА .
Лабораторная работа №1АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИХ ПАРАМЕТРОВ
Назначение и классификация зубчатых колес
Назначение зубчатого колеса : передача вращательного движения и крутящего момента от сопряженного колеса на вал или с вала на сопряженное колесо с обеспечением заданных нагрузочных и скоростных параметров в течение заданного срока эксплуатации.
Зубчатые колеса используют так же в реечных передачах , которые предназначены для преобразования вращательного движения в поступательное или наоборот.
^ Зубчатые колеса классифицируют :
- по типу передачи – цилиндрические и конические;
- по типу зубьев
– прямозубые, косозубые, шевронные и с криволинейными зубьями. (Рис 1, 2);
Рис 1. Примеры цилиндрических зубчатых передач с внешним и внутренним зацеплением
- по расположению зубьев
– с внешним и внутренним зацеплением (Рис 1);
- по конструктивному исполнению – колеса, изготовленные совместно с валом и называемые вал-шестерня (Рис.3.) и автономные (Рис.4.) В последнем случае вал и зубчатое колесо изготавливают отдельно, затем монтируют совместно в одну сборочную единицу за счет специальных соединений (чаще всего шпоночных или шлицевых ) таким образом, чтобы колесо не имело возможности поворота вокруг вала. В таком состоянии при эксплуатации передачи колесо и вал могут взаимно передавать крутящие моменты.
Косозубые колеса классифицируют по направлению зубьев – с правым и левым направлением. Для определения направления нужно посмотреть вдоль зуба в верхней части косозубого колеса. Если по направлению взгляда зуб отклоняется вправо, то соответственно направление зуба правое и наоборот.
Рис.2. Конические зубчатые передачи с прямыми (а.) и криволинейными (б.) зубьями;
в - реечная передача с прямыми зубьями
Рис. 3. Зубчатое колесо, изготовленное совместно с валом
2. Конструктивные исполнения цилиндрических зубчатых колес
Основными конструктивными элементами зубчатого колеса являются:
- обод, на котором нарезаны или накатаны зубья;
- ступица , закрепляемая на валу,
- диск , соединяющий обод со ступицей. В диске могут выполняться отверстия для уменьшения массы и момента инерции колес (Рис. 4 в, г).
В частных случаях:
Обод, диск и ступица объединены в одну конструкцию (Рис. 4 а).
Выполнены заодно только обод и диск (Рис. 4 б).
Рис. 4. Конструктивные элементы автономных зубчатых колес:
а – только обод; б – обод и ступица; в – обод, диск и ступица (толщина диска равна ширине обода); г - обод, диск и ступица
^
3. Материалы и технологии изготовления зубчатых колес
Зубчатые колеса в большинстве случаев изготавливают из сталей. Реже из чугунов, полимерных материалов и цветных металлов . Колеса из сталей используют как в открытых, так и в закрытых передачах относительно высокой мощности. Для изготовления колес открытых передач при окружной скорости до 6 м/с используют высокопрочный чугун. Колеса тихоходных и малонагруженных открытых передач можно изготавливать из серого чугуна. Колеса из полимерных материалов применяют в малонагруженных передачах, когда необходимо обеспечить бесшумную работу, так как эти материалы обладают высокими демпфирующими свойствами, т. е. способны поглощать энергию ударов.
Производство стальных зубчатых колес может быть организовано в одну или две стадии. Одностадийное производство – это механическая обработка готового проката (прутка). В две стадии вначале изготавливают стальную заготовку методами свободной ковки, объемной штамповки или литья, затем проводят ее механическую обработку. Для повышения эксплуатационных свойств материалы колес подвергают термической или термохимической обработке: улучшению, закалке, цементации или азотированию. Улучшение проводят в объеме заготовки до ее механической обработки; закалку, цементацию и азотирование - рабочих поверхностей зубьев после их нарезки. Способ изготовления стальных колес определяется их размерами и программой выпуска. Колеса диаметром до 200 мм чаще всего изготавливают механической обработкой из прутка. На боковых плоских поверхностях таких изделий отчетливо различимы канавки, образованные в результате проходов токарного резца. Колеса диаметром от 200 до 500 мм чаще всего изготавливают с использованием кованых или штампованных заготовок. Боковые поверхности таких колес, не подвергнутые механической обработке, имеют однородную чистоту обработки без явно выраженных неровностей, так как она соответствует чистоте обработки формообразующего инструмента штампа. При больших диаметрах (более 500 мм) колеса изготавливают литыми. При малых тиражах выпуска или в индивидуальном производстве для изготовления слабонагруженных металлических колес любых размеров могут использоваться заготовки, отформованные литьем. При этом шероховатость боковых поверхностей относительно высока, так как она определяется контактом металлического расплава с формовочной смесью, основным компонентом которой является песок.
Независимо от способа получения заготовки зубья на колесах получают способами нарезания или горячей накатки. Последний способ наиболее экономичен, позволяет повысить изгибную прочность зубьев, но снижает их размерную точность.
Технологические приемы изготовления зубчатых колес из полимерных материалов наиболее производительны и экономичны, так как окончательное формообразование изделия реализуется за одну операцию. Такими операциями являются: литье под давлением из термопластичных материалов и прессование из термореактивных. Конфигурация оформляющей полости технологической оснастки полностью соответствует конфигурации зубчатого колеса с обеспечением высокой чистоты обработки по всей поверхности. Вместе с тем эксплуатация такой дорогостоящей оснастки и соответствующего формующего оборудования экономически оправданы только при больших тиражах выпуска деталей для низконагруженных передач. Вместе с тем в последние годы интенсивно развивается индустрия композиционных материалов на полимерной основе , содержащих высокопрочные волокна, сухие смазки, добавки, устраняющие хрупкость материала и др. Рецептура таких материалов, как правило, соответствует условиям эксплуатации изделия.
Однако стоимость полимерных композиционных материалов значительно выше стоимости металлов. Поэтому из композиционных материалов на полимерной основе изготавливают зубчатые колеса в основном малой массы в конструкциях приборов точной механики и бытовой техники. Зубчатые передачи из полимерных материалов могут работать без смазки, поэтому они успешно применяются в оборудования пищевой промышленности.
^
4. Геометрические параметры зубчатых колес
В инженерной практике решаются две задачи:
Анализ существующего механизма, когда требуются измерения его геометрических параметров;
Синтез механизма, когда необходимо рассчитать эти параметры.
В данной работе рассматриваются элементы, как анализа, так и синтеза, применительно к колесам зубчатых передач.
Максимальная мощность, передаваемая зубчатой передачей, в значительной степени зависит от двух параметров: высоты зубьев
H
и делительных диаметров
колес d
. Оба эти параметра одновременно учитывает основная характеристика передачи – ее модуль:
,
где z – число зубьев колеса. Чем крупнее зубья, тем меньше их количество при постоянном значении d и тем выше модуль.
Предварительное значение модуля m " можно определить через высоту зуба H :
Для цилиндрических колес m " = H / 2,5 .
Ниже приведены ряды значений стандартного модуля m , наиболее часто применяемых в машиностроении (в реальном промышленном проектировании 1-й ряд предпочитают второму):
1-й ряд: 1; 1,25; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12; 16; 20; 25; 32; 40 мм.
2-й ряд: 1,125; 1,375; 1,75; 2,25; 2,75; 3,5; 4,5; 5,5; 7; 9; 11; 14; 18; 22; 28; 36; 45 мм.
В настоящей работе величину модуля m " следует уточнить по стандарту и принять значение m ближайшее большее из любого указанного ряда.
При известных значениях параметров z и d модуль m " определяют из выражения:
d = m ∙ z .
Диаметр делительной окружности колеса d измерить невозможно. Поэтому с помощью измерительных устройств, например, штангенциркулем, оценивают диаметр вершин зубьев d a и диаметр впадин d f . При заранее заданных параметрах делительного диаметра и модуля расчетные значения d a и d f определяют из выражений:
d a = d + 2∙ m ; d f = d – 2,4∙ m .
Для косозубых колес угол наклона зуба β (Рис. 5) можно определить по зависимости:
β = arccos ((m ∙ z)/(d – 2,4∙m)) .
Рис. 5 Сечение зубчатого венца по дуге делительной окружности А - Б
При зацеплении зубчатых колес обод воспринимает нагрузку от зубьев. Поэтому его толщина q
должна быть достаточной, чтобы обеспечить как его прочность и жесткость, так и податливость. Податливость способствует равномерному распределению нагрузки между зубьями и по длине каждого зуба. Рекомендуется выполнять толщину обода в соответствии с формулой:
q = (2,5…4,0) ∙ m , но не менее 8 мм.
Тогда внутренний диаметр обода D 0 будет определяться из выражения:
D 0 = d f - 2 q .
Ступица служит для соединения колеса с валом и передачи вращающего момента, а ее торцы определяют положение колеса по длине вала. Для передачи вращающего момента отверстие d вал в ступице выполняют либо с посадкой с натягом либо со шпоночными или шлицевыми пазами (Рис 6). Размеры пазов зависят от диаметра вала, определяются стандартом и приведены в таблице 1.
Рис 6 Шпоночное соединение
Таблица 1
Размеры сечений шпонок и пазов, мм, по ГОСТ 8788-68 *
(В таблице: b
– ширина шпонки и соответственно шпоночного паза;
h
– высота шпонки.)
Длина ступицы L с m должна быть достаточной, чтобы обеспечить монтаж зубчатого колеса на валу без перекоса и работоспособность соединения ступицы с валом. Рекомендуется выполнять длину ступицы равной:
L с m = (0,8…1,5) ∙ d вал ,
но не менее ширины обода в , т.е. L с m ≥ в . Диаметр ступицы d с m принимают достаточным для обеспечения прочности и надежности соединения по выражению:
d с m = 1,8 ∙ d вал .
Толщина диска С должна быть достаточной, чтобы обеспечить жесткость колеса, и определяется в зависимости от способа его изготовления. Рекомендуется выполнять толщину диска у цилиндрических колес:
Кованых и штампованных C = 0,3 · в ;
Литых С = 0,2 ∙ в.
d отв = 0,25 ∙(D 0 - d с m ).
а располагать их на диаметре
D отв = 0,5 ∙(D 0 + d с m ).
На торцах обода и ступицы выполняют фаски, размер которых n × 45°. Параметр n определяется из выражения:
n = (0,5…0,7) ∙ m .
Сопряжение обода и диска, диска и ступицы выполняют по радиусу r , величина которого принимается в зависимости от диаметра колеса:
при d а ≤ 500 мм - r = 5 мм; при d а > 500 мм - r = 7 мм.
Зубчатое колесо должно быть зафиксировано на вале как в окружном, так и в осевом направлениях. Наиболее простым способом фиксации колеса является применение посадок с большим натягом или штифтов (Рис. 6 а ). В этих случаях обеспечивается фиксация колеса в обоих направлениях, Однако использование посадок с натягом связано с большими трудностями при монтаже и демонтаже узла. Поэтому для окружного фиксирования колеса чаще используют шпонки и шлицы. Эти виды соединений существенно облегчают монтаж и демонтаж узла, но требуют дополнительного фиксирования колеса в осевом направлении. В этих случаях осевое фиксирование осуществляется установочными винтами, пружинными кольцами, распорными втулками и т.д. (рис. 7 б, в, г ).
Рис.7. Способы осевого фиксирования колеса: а - штифтом; б - установочным винтом; в - пружинными кольцами; г - распорной втулкой
Порядок измерения параметров и их расчета приведены в бланке отчета о выполнении настоящей работы
