Модуль m и число зубьев z являются основными величинами, определяющими зубчатые зацепления. Значение модулей для всех передач - величина стандартизированная, выраженная, как видно из формулы m = d/z, в миллиметрах. Ниже преведены числовые величины стандартных модулей, применяемые при изготовлении зубчатых колес, по ГОСТ 9563-60 (СТ СЭВ 310-76):

1-й ряд, мм.: 0,05; 0,06; 0,08; 0,1; 0,12; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1; 1,25; 1,5; 2; 2,5; 3; 4,5; 6; 8; 10; 12; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 60; 80; 100.

2-й ряд, мм.: 0,055; 0,07; 0,09; 0,11; 0,22; 0,28; 0,35; 0,45; 0,55; 0,7; 0,9; 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; 55; 70; 90.

При назначении величин модулей первый ряд следует предпочитать второму.

Зубчатые передачи. Общие сведения и классификация зубчатых передач

Механизм, в котором два подвижных звена являются зубчатыми ко лесами, образующими с неподвижным звеном вращательную или поступатель ную пару, называют зубчатой передачей (рис. 1).

Рис. 1. 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 - ги поидная передача

В большинстве случаев зубчатая передача служит для передачи вращательного движения. В некоторых механизмах эту передачу применяют для преобразования вращательного движения в поступательное (или наоборот, см. рис. 1, г).

Зубчатые передачи - наиболее распространенный тип передач в современном машиностроении и приборостроении; их применяют в широких диапазонах скоростей (до 275 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 иинструменте 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- имногоступенчатые;

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 компновки машины; винтовые - лишь в специальных случаях.

Колёса внутреннего зацепления вращаются в одинаковых направлениях и применяются обычно в планетарных передачах.

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.

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:

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:

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.

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.

Виды зубчатых передач

Виды зубчатых передач: а, б, в -- цилиндрические зубчатые передачи с внешним зацеплением; г -- передача винт-гайка; д -- цилиндрическая передача с внутренним зацеплением; е -- зубчатая винтовая передача; ж, з, и -- конические зубчатые передачи; к -- гипоидная передача

Зубчатые передачи и колеса классифицируют по следующим признакам

• 1. По взаимному расположению геометрических осей валов различают передачи :
  • - с параллельными осями - цилиндрические (рис. 1 а-г);
  • - с пересекающимися осями - конические (рис. 1 д, е);
  • - со скрещивающимися осями - цилиндрические винтовые (рис. 1 ж);
  • - конические гипоидные и червячные (рис. 1 з);
  • - реечная передача (рис. 1 и).

Рисунок 1

• 2. В зависимости от взаимного расположения зубчатых колёс :
  • - с внешним зацеплением (колёса передач вращаются в противоположных направлениях) (рис. 2 а);
  • - с внутренним зацеплением (направление вращения колёс совпадают) (рис. 2 б). Колёса внутреннего зацепления вращаются в одинаковых направлениях и применяются обычно в планетарных передачах.
  • -реечное зацепление (рис. 2 в);

Рисунок 2

• 3. По расположению зубьев на поверхности колёс различают передачи :
  • - прямозубые; косозубые; шевронные; с круговым зубом (рис. 3).

• 4. По форме профиля зуба различают передачи :
  • - эвольвентные;
  • - с зацеплением М. Л. Новикова;
  • - с эллиптическим профилем
  • -циклоидальное

Формы зубьев эвольвентного профиля

Формы зубьев эллиптического профиля (новая зубчатая передача Г.П.Гребенюка).

Формы зубьев в передачах с зацеплением М.Л. Новикова

• 5. По конструктивному исполнению: передачи могут быть открытые (не защищены от влияния внешней среды) и закрытые (изолированные от внешней среды).
• 6. В зависимости от числа ступеней: одно- и многоступенчатые.

Многоступенчатая.

7. В зависимости от относительного характера движения валов различают рядовые и планетарные.

Планетарная передача.

• 8. По окружной скорости :
  • -тихоходные (до 3 м/с);
  • - для средних скоростей (3--15 м/с);
  • - быстроходные (св. 15 м/с);
• 9. 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. Достоинство эвольвентного зацепления состоит в том, что оно малочувствительно 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.

3. Рассмотрим более подробно некоторые виды передач

Винтовая передача.

Винтовая передача (разновидность косозубой) состоит из двух косозубых цилиндрических колес. Однако в отличие от косозубых цилиндрических передач с параллельными валами касания между зубьями здесь происходит в точке и при значительных скоростях скольжения. Поэтому при значительных нагрузках винтовые зубчатые передачи работать удовлетворительно не могут.

Винтовая зубчатая передача

Коническая передача

Коническая передача состоит из двух конических зубчатых колес и служит для передачи вращающего момента между валами с пересекающимися осями под углом. Колеса конических передач выполняют с прямыми, косыми, круговыми зубьями.

• а) -- колесо с прямыми зубьями;
• Б) -- колесо с косыми зубьями;
• В) -- колесо с круговыми зубьями

Гипоидная передача.

Передачу с коническими колесами для передачи вращающего момента между валами со скрещивающимися осями называют гипоидной. Эта передача находит применение в автомобилях.

Гипоиднаяя передача.

Червячные передачи

Червячная передача - это передача, которая состоит из винта, называемого червяком и червячного колеса. Червячная передача применяется для передачи вращения от одного вала к другому, когда оси валов перекрещиваются. Угол перекрещивания в большинстве случаев равен 90?. Червячная передача относится к зубчато - винтовым в отличии от косозубого колеса, обод червячного имеет вогнутую форму, это способствует облеганию червяка и соответственно длинны контактной линии, резьба червяка может быть однозаходной или многозаходной, а так же правой или левой.

Червячная передача

Червяки различают по следующим признакам: по форме поверхности, на которой образуется резьба, - цилиндрические и глобоидные; по форме профиля резьбы - архимедовы и эвольвентные цилиндрические червяки. Архимедов червяк имеет трапецеидальный профиль резьбы в осевом сечении, в торцевом сечении витки резьбы очерчены архимедовой спиралью.

Цилиндрический и глобоидный виды.

Эвольвентный червяк представляет собой косозубое зубчатое колесо с малым числом зубьев и большим углом их наклона. Профиль витка в торцевом сечении очерчен эвольвентой.

Наибольшее применение в машиностроении находят архимедовы червяки, так как технология их производства проста и наиболее отработана.

Профиль зубьев червячных колес в передачах эвольвентный. Поэтому зацепление в червячной передаче представляет собой эвольвентное зацепление зубчатого колеса с зубчатой рейкой.

Планетарная передача

Наиболее распространена зубчатая однорядная планетарная передача. Она состоит из центрального колеса 1 с наружными зубьями, неподвижного (центрального) колеса 2 с внутренними зубьями и водила на котором закреплены оси планетарных колес (или сателлитов).

Планетарная передача

Волновые зубчатые передачи.

Волновые передачи основаны на принципе передачи вращательного движения за счет бегущей волновой деформации одного из зубчатых колес.

Такая передача была запатентована американским инженером Массером в 1959 г.

Волновая зубчатая передача

Кинематически эти передачи представляют собой разновидность планетарной передачи с одним гибким зубчатым колесом. На рисунке изображены основные элементы волновой передачи: неподвижное колесо с внутренними зубьями, вращающееся упругое колесо с наружными зубьями и водило h. Неподвижное колесо закрепляется в корпусе и выполняется в виде обычного зубчатого колеса с внутренним зацеплением. Гибкое зубчатое колесо имеет форму стакана с легко деформирующейся тонкой стенкой: в утолщенной части (левой) нарезаются зубья, правая часть имеет форму вала. Водило, состоит из овального кулачка и специального подшипника.

При вращении водила овальной формы образуются две волны. Такую передачу называют двухволновой. Бывают трехволновые передачи, ниже показана схема такой передачи.

зубчатый передача эвольвентный винтовой

Волновые передачи обладают большой нагрузочной способностью (в зацеплении находится большое число пар -- зубьев) и высоким передаточным числом (< 300 для одной ступени) при сравнительно малых габаритах. Это основные достоинства этих передач. Передача может работать, находясь в герметизированном корпусе, что очень важно для использования волновых передач в химической, авиационной и других отраслях техники.

Недостатки волновой передачи: практически индивидуальное, дорогостоящее, весьма трудоемкое изготовление гибкого колеса и волнового генератора; возможность использования этих передач только при сравнительно невысокой угловой скорости вала генератора; ограниченные обороты ведущего вала (во избежание больших центробежных сил инерции некруглого генератора волн; мелкие модули зубьев 1,5-2 мм)

Зубчатые передачи с зацеплением Новикова.

Передачи с зацеплением Новикова состоят из двух цилиндрических косозубых колес или конических колес с винтовыми зубьями и служат для передачи момента между валами с параллельными или пересекающимися осями. Особенность зацепления Новикова состоит в том, что в этом зацеплении первоначальный линейный контакт заменен точечным, превращающимся под нагрузкой в контакт с хорошим прилеганием. Простейшими профилями зубьев, обеспечивающими такой контакт, являются профили, очерченные по дуге окружности или близкой к ней кривой

Профили зубьев в передачах с зацеплением М. Л. Новикова

В зацеплении Новикова контакт зубьев теоретически осуществляется в точке, в эвольвентном зацеплении соприкосновение зубьев происходит по линии. Однако при одинаковых габаритных размерах передачи соприкосновение зубьев в зацеплении Новикова значительно лучше, чем соприкосновение в эвольвентном зацеплении.

К сожалению, при этом приходится пожертвовать основным достоинством эвольвентных зацеплений - качением профилей зубьев друг по другу и соответственно получить высокое трение в зубьях. Однако для тихоходных машин это не так важно.

К достоинствам зацепления Новикова относятся возможность применения его во всех видах зубчатых передач: с параллельными, пересекающимися и скрещивающимися осями колес, с внешним и внутренним зацеплением, постоянным и переменным передаточным отношением. Потери на трение в этой системе зацепления примерно в 2 раза меньше потерь в эвольвентном зацеплении, что увеличивает КПД передачи.

К основным недостаткам передач с зацеплением Новикова относятся: технологическая трудоемкость изготовления колес, ширина колес должна быть не менее 6 модулей и др. В настоящее время передачи с зацеплением Новикова находят применение в редукторах больших размеров.

Зубчатой передачей называется трехзвенный механизм, в котором два подвижных звена являются зубчатыми колесами, или колесо и рейка с зубьями, образующими с неподвижным звеном (корпусом) вращательную или поступательную пару.

Зубчатая передача служит для передачи вращательного движения с одного вала на другой и изменения частоты вращения посредством зубчатых колес и реек.

Зубчатое колесо, сидящее на передающем вращение валу, называется веду­щим , а на получающем вращение - ведомым .

Меньшее из двух колес со­пряженной пары называют шестерней ; большее - колесом ;

термин «зубчатое колесо » является общим. Параметрам шестерни приписывают индекс 1, а параметрам колеса – 2.

Основными преимуществами зубчатых передач являются:

Постоянство передаточного числа (отсутствие проскальзывания);

Компактность по сравнению с фрикционными и ременными передачами;

Высокий КПД (до 0,97…0,98 в одной ступени);

Большая долговечность и надежность в работе (например, для редукторов общего применения установлен ресурс ~ 30 000 ч);

Возможность применения в широком диапазоне скоростей (до 150 м/с), мощностей (до десятков тысяч кВт).

Недостатки:

Шум при высоких скоростях;

Невозможность бесступенчатого изменения передаточного числа;

Необходимость высокой точности изготовления и монтажа;

Незащищенность от перегрузок;

Наличие вибраций, которые возникают в результате неточного изготовления и неточной сборки передач.

5.4. Классификация зубчатых передач

По расположению осей валов различают передачи с параллельными (рис. 2.1, а – в, з), с пересекающимися (рис. 2.1, г, д) и перекрещивающимися (рис. 2.1, е, ж) геометрическими осями.

По форме могут быть цилиндрические (рис. 2.1, а – в, з), конические (рис. 2.1, г, д, ж), эллиптические, фигурные зубчатые колеса и колеса с неполным числом зубьев (секторные).

По форме профилей зубьев различают эвольвентные и круговые передачи, а по форме и расположению зубьев – прямые (рис. 2.1, а, г, е, з), косые (рис. 2.1, б), шевронные (рис. 2.1, в) и круговые (рис. 2.1, д, ж).

В зависимости от относительного расположения зубчатых колес передачи могут быть с внешним (рис. 2.1, а) или внутренним (рис. 2.1, з) их зацеплением. Для преобразования вращательного движения в возвратно поступательное и наоборот служит реечная передача (рис. 2.1, е).

Зубчатые передачи эвольвентного профиля широко распространены во всех отраслях машиностроения и приборостроения. Они применяются в исключительно широком диапазоне условий работы. Мощности, передаваемые зубчатыми передачами, изменяются от ничтожно малых (приборы, часовые механизмы) до многих тысяч кВт (редукторы авиационных двигателей). Наибольшее распространение имеют передачи с цилиндрическими колесами, как наиболее простые в изготовлении и эксплуатации, надежные и малогабаритные. Конические, винтовые и червячные передачи применяют лишь в тех случаях, когда это необходимо по условиям компоновки машины.

Эвольвента окружности и ее свойства.

Эволютой называется геометрическое место центров кривизны данной кривой. Данная кривая по отношению к эволюте называется эвольвентой. Согласно определению нормаль к эвольвенте (на которой лежит центр кривизны) является касательной к эволюте. Эвольвенты окружности описываются точками производящей прямой при ее перекатывании по окружности, которую называют основной.

Свойства эвольвенты окружности:

Форма эвольвенты окружности определяется только радиусом основной окружности r b . При эвольвента переходит в прямую линию.

Производящая прямая является нормалью к эвольвенте в рассматриваемой произвольной точке M y . Отрезок нормали в произвольной точке эвольвенты l MyN =  равен радиусу ее кривизны и является касательной к основной окружности.

Эвольвента имеет две ветви и точку возврата М 0 , лежащую на основной окружности. Эвольвента не имеет точек внутри основной окружности.

Точки связанные с производящей прямой но не лежащие на ней при перекатывании описывают: точки расположенные выше производящей прямой W - укороченные эвольвенты, точки, расположенные ниже производящей прямой L - удлиненные эвольвенты.

Если производящая прямая задана параметрическими уравнениями х = x (t ), y = y (t ), то параметрические уравнения её эволюты будут следующие:

Эвольвентное зацепление и его свойства.

В зубчатой передаче контактирующие элементы двух профилей выполняются по эвольвентам окружности и образуют, так называемое эвольвентное зацепление. Это зацепление обладает рядом полезных свойств, которые и определяют широкое распространение эвольвентных зубчатых передач в современном машиностроении. Рассмотрим эти свойства.

Свойство 1. Передаточное отношение эвольвентного зацепления определяется только отношением радиусов основных окружностей и является величиной постоянной.

Свойство 2. При изменении межосевого расстояния в эвольвентном зацеплении его передаточное отношение не изменяется.

Свойство 3. При изменении межосевого расстояния в эаольвентном зацеплении величина произведения межосевого расстояния на косинус угла зацепления не изменяется.

Свойство 4. За пределами отрезка линии зацепления N 1 N 2 рассматриваемые ветви эвольвент не имеют общей нормали, т. е. профили выполненные по этим кривым будут не касаться, а пересекаться. Это явление называется интерференцией эвольвент или заклиниванием.

Классификация зубчатых передач приведена на рис 2.2.

Классификация по взаимному расположению осей колес: с па­раллельными осями (цилиндрическая передача - рис. 172, I-IV); с пере­секающимися осями (коническая передача - рис. 172, V, VI); со скрещива­ющимися осями (винтовая передача - рис. 172, VII; червячная передача - рис. 172, VIII).

Рис 2. Классификация зубчатых передач

В зависимости от относительного вращения колес и расположения зубьев различают передачи с внеш­ним и внутренним зацеплением. В первом случае (рис. 2, I-III) враще­ние колес происходит в противоположных направлениях, во втором (рис. 2, IV) - в одном направлении. Реечная передача (рис. 2, IX) служит для преобразования вращательного движения в поступательное.

По форме профиля различают зубья эвольвентные (рис. 2, I, II) и неэвольвентные, например цилиндрическая передача Новикова, зу­бья колес которой очерчены дугами окружности.

В зависимости от расположения теоретичес­кой линии зуба различают колеса с прямыми зубьями (рис. 2, I), косыми (рис. 2, II), шевронными (рис.2, III) и винтовыми (рис. 2, IV). В непрямозубых передачах возрастает плавность работы, уменьшается износ и шум. Благодаря этому непрямозубые передачи большей частью применяют в установках, требующих высоких окружных скоростей и пере­дачи больших мощностей.

По конструктивному оформлению различают закры­тые передачи, размещенные в специальном непроницаемом корпусе и обес­печенные постоянной смазкой из масляной ванны, и открытые, работаю­щие без смазки или периодически смазываемые консистентными смазками (рис. 174).

По величине окруж­ной скорости различают: тихо­ходные передачи (v равной до 3 м/с), среднескоростные (v равной от 3... 15 м/с) и быстроходные (v более 15 м/с)

Зубчатые передачи. Общие сведения

Зубчатой передачей называется трехзвенный механизм, в котором два подвижных зубчатых звена образуют с неподвижным звеном вращательную или поступательную пару. Зубчатое звено передачи может представлять собой колесо, сектор или рейку. Зубчатые передачи служат для преобразования вращательных движений или вращательного движения в поступательное.

Все применяемые здесь и в дальнейшем термины, определения и обозначения, относящиеся к зубчатым передачам, соответствуют ГОСТ 16530—83 «Передачи зубчатые», ГОСТ 16531—83 «Передачи зубчатые цилиндрические» и ГОСТ 19325—73 «Передачи зубчатые конические».

Зубчатое зацепление представляет собой высшую кинематическую пару, так как зубья теоретически соприкасаются между собой по линиям или точкам, причем меньшее зубчатое колесо пары называется шестерней, а большее—колесом. Сектор цилиндрического зубчатого колеса бесконечно большого диаметра называется зубчатой рейкой.

Зубчатые передачи можно классифицировать по многим признакам, а именно: по расположению осей валов (с параллельными, пересекающимися, скрещивающимися осями и соосные); по условиям работы (закрытые — работающие в масляной ванне и открытые—работающие всухую или смазываемые периодически); по числу ступеней (одноступенчатые, многоступенчатые); по взаимному расположению колес (с внешним и внутренним зацеплением); по изменению частоты вращения валов (понижающие, повышающие); по форме поверхности, на которой нарезаны зубья (цилиндрические, конические); по окружной скорости колес (тихоходные при скорости до 3 м/с, среднескоростные при скорости до 15 м/с, быстроходные при скорости выше 15 м/с); по расположению зубьев относительно образующей колеса (прямозубые, косозубые, шевронные, с криволинейными зубьями); по форме профиля зуба (эвольвентные, круговые, циклоидальные).

Кроме перечисленных существуют передачи с гибкими зубчатыми колесами, называемые волновыми.

Основные виды зубчатых передач (рис.) с параллельными осями: а — цилиндрическая прямозубая, б— цилиндрическая косозубая, в— шевронная, г — с внутренним зацеплением; с пересекающимися осями: д— коническая прямозубая, е — коническая с тангенциальными зубьями, ж — коническая с криволинейными зубьями; со скрещивающимися осями: з— гипоидная, и— винтовая; к — зубчато-реечная прямозубая (гипоидная и винтовая передачи относятся к категории гиперболоидных передач).

Зубчатая передача, оси которой расположены под углом 90°, называется ортогональной.

Достоинство зубчатых передач заключается прежде всего в том, что при одинаковых характеристиках они значительно более компактны, по сравнению с другими видами передач. Кроме того, зубчатые передачи имеют более высокий к. п. д.(до 0,99 в одной ступени), сохраняют постоянство передаточного числа, создают относительно небольшую нагрузку на опоры валов, имеют большую долговечность и надежность работы в широких диапазонах мощностей (до десятков тысяч киловатт), окружных скоростей (до 150 м/с) и передаточных чисел (до нескольких сотен).

Недостатки зубчатых передач: сложность изготовления точных передач, возможность возникновения шума и вибраций при недостаточной точности изготовления и сборки, невозможность бесступенчатого регулирования частоты вращения ведомого вала.

Зубчатые передачи являются наиболее распространенными типами механических передач и находят широкое применение во всех отраслях машиностроения, в частности в металлорежущих станках, автомобилях, тракторах, сельхозмашинах и т. д.; в приборостроении, часовой промышленности и др. Годовое производство зубчатых колес в нашей стране исчисляется сотнями миллионов штук, а габаритные размеры их от долей миллиметра до десяти и более метров. Такое широкое распространение зубчатых передач делает необходимой большую научно-исследовательскую работу по вопросам конструирования и технологии изготовления зубчатых колес и всестороннюю стандартизацию в этой области. В настоящее время стандартизованы термины, определения, обозначения, элементы зубчатых колес и зацеплений, основные параметры передач, расчет геометрии, расчет цилиндрических эвольвентных передач на прочность, инструмент для нарезания зубьев и многое другое.

Основная кинематическая характеристика всякой зубчатой передачи — передаточное число, определяемое по стандарту как отношение числа зубьев колеса к числу зубьев шестерни и обозначаемое и, следовательно,

Определение передаточного отношения остается таким же, как для других механических передач, т. е.

Потери энергии в зубчатых передачах зависят от типа передачи, точности ее изготовления, смазки и складываются из потерь на трение в зацеплении, в опорах валов и (для закрытых передач) потерь на перемешивание и разбрызгивание масла. Потерянная механическая энергия переходит в тепловую, что в некоторых случаях делает необходимым тепловой расчет передачи.

Потери в зацеплении характеризуются коэффициентом, потери в одной паре подшипников — коэффициентом и потери на перемешивание и разбрызгивание масла — коэффициентом. Общий к. п. д. одноступенчатой закрытой передачи

Ориентировочно = 0,96...0,98 (закрытые передачи), = 0,95...0,96 (открытые передачи), = 0,99...0,995 (подшипники качения), = 0,96...0,98 (подшипники скольжения), = 0,98...0,99.

Поверхности взаимодействующих зубьев колес, обеспечивающие заданное передаточное отношение, называются сопряженными. Процесс передачи движения в кинематической паре, образованной зубчатыми колесами, называется зубчатым зацеплением.

Цилиндрическая прямозубая передача

На рис. изображено цилиндрическое колесо с прямыми зубьями. Часть зубчатого колеса, содержащая все зубья, называется венцом; часть колеса, насаживаемая на вал, называется ступицей. Делительная окружность диаметром d делит зуб на две части — головку зуба высотой h a и ножку зуба высотой h f , высота зуба h = h а + h f . Расстояние между одноименными профилями соседних зубьев, измеренное по дуге делительной окружности, называется окружным делительным шагом зубьев и обозначается р. Шаг зубьев слагается из окружной толщины зуба s и ширины впадины е. Длина хорды, соответствующая окружной толщине зуба, называется толщиной по хорде и обозначается. Линейная величина, в раз меньшая окружного шага, называется окружным делительным модулем зубьев, обозначается т и измеряется в миллиметрах (впредь слова «окружной делительный» в терминах будем опускать)

Модуль зубьев — основной параметр зубчатого колеса. Для пары колес, находящихся в зацеплении, модуль должен быть одинаковым. Модули зубьев для цилиндрических и конических передач регламентированы ГОСТ 9563—60*. Значения стандартных модулей от 1 до 14 мм приведены в табл.

Модули, мм

1-й ряд 1; 1,25; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12

2-й ряд 1,125; 1,375; 1,75; 2,25; 2,75; 3,5; 4,5; 5,5; 7; 9; 11; 14

Примечание . При назначении модулей 1-й ряд следует предпочитать 2-му.

Все основные параметры зубчатых колес выражают через модули, а именно: шаг зубьев

диаметр делительной окружности

Последняя формула позволяет определить модуль как число миллиметров диаметра делительной окружности, приходящихся на один зуб колеса.

В соответствии со стандартным исходным контуром для цилиндрических зубчатых колес высота головки зуба h a = т, высота ножки зуба h f = 1,25т. Высота зубьев цилиндрических колес

h = h а + h f = 2,25 m .

Диаметр вершин зубьев

d a = m (z + 2),

диаметр впадин

d f = m (z – 2,5).

Расстояние между торцами зубьев колеса называется шириной венца. Контакт пары зубьев цилиндрической прямозубой передачи теоретически происходит по линии, параллельной оси; длина линии контакта равна ширине венца. В процессе работы передачи пара зубьев входит в зацепление сразу по всей длине линии контакта (что сопровождается ударом зубьев), после чего эта линия перемещается по высоте зуба, оставаясь параллельной оси.

Межосевое расстояние цилиндрической передачи с внешним и внутренним зацеплением

называется делительным межосевым расстоянием (знак минус для внутреннего зацепления). Если межосевое расстояние отличается от делительного, то оно обозначается а w .

ГОСТ 1643—81 на допуски для цилиндрических зубчатых колес и передач установлены двенадцать степеней точности, обозначенных цифрами (первая степень — наивысшая). Для каждой степени точности установлены нормы: кинематической точности, плавности работы и контакта зубьев колес и передач.

В процессе изготовления зубчатых передач неизбежны погрешности в шаге, толщине и профиле зубьев, неизбежно радиальное биение венца, колебание межосевого расстояния при беззазорном зацеплении контролируемого и измерительного колес и т. д. Все это создает кинематическую погрешность в углах поворота ведомого колеса, выражаемую линейной величиной, измеряемой по дуге делительной окружности. Кинематическая погрешность определяется как разность между действительным и расчетным углом поворота ведомого колеса. Нормы кинематической точности регламентируют допуски на кинематическую погрешность и ее составляющие за полный оборот колеса. Нормы плавности устанавливают допуски на циклическую (многократно повторяющуюся за один оборот) кинематическую погрешность колеса и ее составляющие. Нормы контакта устанавливают размеры суммарного пятна контакта зубьев передачи (в процентах от размеров зубьев) и допуски на параметры, влияющие на этот контакт.

В машиностроении зубчатые передачи общего назначения изготовляют по 6—9-й степеням точности. Цилиндрические прямозубые колеса 6-й степени точности применяют при окружных скоростях колес до 15 м/с; 1-й степени—до 10 м/с; 8-й степени — до 6 м/с; 9-й — до 2 м/с.

Рассмотрим силы, действующие в зацеплении прямозубой цилиндрической передачи. При изображенном на этом рисунке контакте пары зубьев в полюсе П скольжение (следовательно, и трение) отсутствует, зацепление будет однопарным и силовое взаимодействие колес будет заключаться в передаче по линии давления (нормали NN ) силы нормального давления . Разложим эту силу на две взаимно перпендикулярные составляющие и , называемые соответственно окружным и радиальным усилиями, тогда

где — угол зацепления.

Если известен передаваемый вращающий момент Т и диаметр d делительной окружности, то

(так как = 20°, то ).

Сила , вызывает вращение ведомого колеса и изгибает вал колеса в горизонтальной плоскости, сила г изгибает вал в вертикальной плоскости.

Цилиндрические передачи с косыми и шевронными зубьями

Косозубыми называют колеса, у которых теоретическая делительная линия зуба является частью винтовой линии постоянного шага (теоретической делительной линией называется линия пересечения боковой поверхности зуба с делительной цилиндрической поверхностью). Линия зуба косозубых колес может иметь правое и левое направление винтовой линии. Угол наклона линии зуба обозначается.

Косозубая передача с параллельными осями имеет противоположное направление зубьев ведущего и ведомого колес и относится к категории цилиндрических зубчатых передач, так как начальные поверхности таких зубчатых колес представляют собой боковую поверхность цилиндров. Передача с косозубыми колесами, оси которых скрещиваются, имеет одинаковое направление зубьев обоих колес и называется винтовой зубчатой передачей, которая относится к категории гиперболоидных зубчатых передач, так как начальные поверхности таких зубчатых колес являются частями однополостного гиперболоида вращения; делительные поверхности этих колес — цилиндрические.

У косозубых передач контактные линии расположены наклонно по отношению к линии зуба, поэтому в отличие от прямых косые зубья входят в зацепление не сразу по всей длине, а постепенно, что обеспечивает плавность зацепления и значительное снижение динамических нагрузок и шума при работе передачи. Поэтому косозубые передачи по сравнению с прямозубыми допускают значительно большие предельные окружные скорости колес. Так, например, косозубые колеса 6-й степени точности применяют при окружной скорости до 30 м/с; 7-й степени—до 15 м/с; 8-й степени — до 10 м/с; 9-й — до 4 м/с.

Силу нормального давления в зацеплении косозубых колес можно разложить на три взаимно перпендикулярные составляющие (рис. 7.10,б): окружную силу , радиальную силу и осевую силу , равные:

где Т— передаваемый вращающий момент; — угол зацепления.

Наличие осевой силы — существенный недостаток косозубых передач. Во избежание больших осевых сил в косозубой передаче угол наклона линии зуба ограничивают значениями =8...20°, несмотря на то, что с увеличением увеличивается прочность зубьев, плавность работы передачи, ее нагрузочная способность.

В современных передачах косозубые колеса имеют преимущественное распространение.

Цилиндрическое зубчатое колесо, венец которого по ширине состоит из участков с правыми и левыми зубьями, называется шевронным. Часть венца с зубьями одинакового направления называется полушевроном. Из технологических соображений шевронные колеса изготовляют двух типов: с дорожкой посредине колеса (а) и без дорожки (б). В шевронном колесе осевые силы на полушевронах, направленные в противоположные стороны, взаимно уравновешиваются внутри колеса и на валы и опоры валов не передаются. Поэтому у шевронных колес угол наклона зубьев принимают в пределах = 25...40°, в результате чего повышается прочность зубьев, плавность работы передачи и ее нагрузочная способность. Поэтому шевронные колеса применяют в мощных быстроходных закрытых передачах. Недостатком шевронных колес является высокая трудоемкость и себестоимость изготовления.

Геометрические, кинематические и прочностные расчеты шевронной и косозубой передач аналогичны.

Материалы цилиндрических колес

Материалы для изготовления зубчатых колес в машиностроении— стали, чугуны и пластмассы; в приборостроении зубчатые колеса изготовляют также из латуни, алюминиевых сплавов и др. Выбор материала определяется назначением передачи, условиями ее работы, габаритами колес и даже типом производства (единичное, серийное или массовое) и технологическими соображениями.

Общая современная тенденция в машиностроении — стремление к снижению материалоемкости конструкций, увеличению мощности, быстроходности и долговечности машины. Эти требования приводят к необходимости уменьшения массы, габаритов и повышения нагрузочной способности силовых зубчатых передач. Поэтому основные материалы для изготовления зубчатых колес — термообработанные углеродистые и легированные стали, обеспечивающие высокую объемную прочность зубьев, а также высокую твердость и износостойкость их активных поверхностей.

Критерии работоспособности зубчатых колес и расчетная нагрузка

Под действием сил нормального давления и трения зуб колеса испытывает сложное напряженное состояние, но решающее влияние на его работоспособность оказывают два фактора: контактные напряжения и напряжения изгиба , которые действуют на зуб только во время нахождения его в зацеплении и являются, таким образом, повторно-переменными.

Повторно-переменные напряжения изгиба вызывают появление усталостных трещин у растянутых волокон основания зуба (место концентрации напряжений), которые с течением времени приводят к его поломке (рис. а, б).

Повторно-переменные контактные напряжения и силы трения приводят к усталостному изнашиванию активных поверхностей зубьев. Так как сопротивление усталостному изнашиванию у опережающих поверхностей выше, чем у отстающих, то нагрузочная способность головок зубьев выше, чем ножек. Этим объясняется отслаивание и выкрашивание частиц материала на активной поверхности ножек зубьев (рис. в ) при отсутствии видимых усталостных повреждений головок. Усталостное изнашивание активных поверхностей зубьев характерно для работы закрытых передач.

В открытых передачах и в передачах с плохой (загрязняемой) смазкой усталостное изнашивание опережается абразивным износом активных поверхностей зубьев (рис. г).

В тяжелонагруженных и высокоскоростных передачах в зоне контакта зубьев возникает высокая температура, способствующая разрыву масляной пленки и образованию металлического контакта, в результате чего происходит заедание зубьев (рис. д), которое может завершиться прекращением относительного движения колес передачи.

Итак, критерием работоспособности зубчатых передач является износостойкость активных поверхностей зубьев и их изгибная прочность.