Зубчатые колеса и шестерни – основные элементы зубчатой передачи, широко используемой в разнообразных промышленных машинах и механизмах. Как правило, термины «шестерня» и «зубчатое колесо» являются синонимами, и между ними не находят особых различий. Но не все специалисты отождествляют шестерню и зубчатое колесо, считая, что между этими деталями есть существенная разница. Рассмотрим основные точки зрения по этому вопросу.
Особенности зубчатых колес и шестерен
И зубчатое колесо, и шестерня имеют вид диска с зубьями, расположенными на конической или цилиндрической поверхности. Эти детали используются в механизмах для преобразования и передачи крутящего момента. Изготовление шестерен и зубчатых колес возможно несколькими способами: методом обката, копированием, горячим и холодным накатыванием. Традиционно зубчатые колеса и шестерни используются парами, в зацеплении одна деталь становится ведущей, а вторая – ведомой. И вот здесь кроется главное различие элементов: ведущую деталь часто называют шестерней, а ведомую – зубчатым колесом. То есть разница основывается на роли элемента в работе механизма, но конструктивно шестерни и зубчатые колеса остаются одинаковыми деталями.
Также при парном зацеплении двух зубчатых колес шестерней называют ту деталь, которая имеет большее число зубьев. То, что зубчатые колеса и шестерни – понятия синонимичные, подтверждает и ГОСТ 16530-83: в определении шестерни указано, что она является ведущим зубчатым колесом передачи (при равном количестве зубьев на обеих деталях) или же колесом с меньшим числом зубьев.
Несмотря на это, некоторые специалисты (особенно работающие в специфических областях) считают необходимым строго разделять понятия шестерни и зубчатого колеса. Для них производство зубчатых колес и изготовление шестерен – принципиально разные процессы, а сами детали имеют свои сходства и различия.
Сходства и различия шестерен и зубчатых колес
Придерживаясь вышеописанного мнения о разделении шестерен и зубчатых колес на два самостоятельных вида деталей, специалисты все же сходятся во мнении, что у этих элементов есть некоторые сходства:
Подобные сходства несколько противоречивы, но все же они встречаются в профессиональной среде. То же самое касается и различий, согласно которым:
Даже исходя из такой точки зрения можно сделать вывод, что шестерни и зубчатые колеса одинаковы по функционалу и в большинстве сфер не имеют формальной разницы.
Вывод
Большинство мастеров, механиков и специалистов с техническим образованием сходится во мнении, что «шестерня» и «зубчатое колесо» – это разные названия одного типа детали. Эту позицию подтверждает и текст межгосударственного стандарта, в котором перечислена основная терминология и обозначения, связанные с зубчатыми передачами. Определения ГОСТа точно дают понять, что главное различие шестеренок и зубчатых колес заключается в роли, которую выполняет элемент в передаче.
О том, какова разница между шестерней и зубчатым колесом, стараются узнать далеко не многие любители автомобилей, а порой многие даже путают данные понятия. В действительности, шестерня и зубчатое колесо во многом похожи между собой, однако принципиальных отличий все же больше.
Что представляет собой шестерня
Шестерня – это небольшое колесико с зубьями, которое крепится к специальной вращающейся оси. Поверхность у шестеренки в данном случае может быть как конической, так и цилиндрической.
Шестеренчатые передачи также имеют свою классификацию:
Данные разновидности являются наиболее распространенными, однако далеко не единственными, поэтому используемый вид напрямую соотносится с тем, какую функцию он должен будет выполнять.
При этом каждая шестеренка имеет определенное количество зубьев, что определяется ее назначением. Разница между количеством используемых зубьев необходима, поскольку благодаря этому фактору появляется возможность регулировать обороты вала и крутящийся момент. Шестеренки также разделяются на ведущие и ведомые. Ведущей называется та шестерня, к которой вращательный момент подводится снаружи, а ведомой – та, с которой она снимается.
Что представляет собой зубчатое колесо
Зубчатое колесо во многом напоминает шестеренку, поэтому многие механики или люди с техническим образованием формальной разницы между ними не видят, если дело не касается каких-то конкретных моментов работы.
Зубчатое колесо является колесом с небольшими зубчиками, которые выпирают в разные стороны. Основная ее задача – это придавать вращательное движение другим деталям, к которым присоединено данное зубчатое колесо. Внешне такое колесо выглядит как диск с конической или цилиндрической поверхностью, а зубчики располагаются на разном расстоянии друг от друга. Причем количество зубьев может сильно разниться, все зависит от того, чему именно служит то или иное колесо, какова его основная задача.
Использование зубчатых колес также нередко осуществляется парами, чтобы все процессы проходили максимально равномерно и спокойно. Задача любого вращательного механизма, в котором используется зубчатое колесо – это преобразование определенного количества оборотов во вращательный момент. Количество зубьев на колесе сильно влияет на то, насколько плавной будет передача, поэтому, чем их больше, тем более плавной будет скорость передачи. В том случае, если диаметр зубчатого колеса несколько больше, чем ведомая шестерня, то вращательный момент ведомого элемента может, как уменьшаться, так и увеличиваться, все зависит от скорости вращения.
В чем заключаются сходства между шестерней и зубчатым колесом
Между шестерней и зубчатым колесом можно отметить несколько схожих моментов:
Внешние сходства между шестеренкой и зубчатым колесом обоснованы также еще тем, что зачастую эти два элемента могут выполнять схожие функции и быть взаимозаменяемыми в определенных системах и механизмах.
В чем заключаются отличия между шестеренкой и зубчатым колесом
Между шестеренкой и зубчатым колесом при детальном рассмотрении имеются определенные различия:
Исходя из всех вышеприведенных фактов, можно сказать, что по своему функционалу шестеренка и зубчатое колесо является примерно одним и тем же элементом. Различия между ними могут быть заметны только в каких-то сложных механизмах, так как они по-разному воздействуют на результат, однако большинство людей, имевших с этим дело, нередко утверждают, что формальной разницы между данными элементами нет.
Зубчатая передача — это механизм, который с помощью зубчатого зацепления передаёт или преобразует движение с изменением угловых скоростей и моментов. Зубчатая пара состоит из шестерни и колеса. В большинстве случаев шестерня является ведущим элементом зубчатой пары, а колесо — ведомым, хотя встречается и обратное соотношение. Обычно шестерня имеет меньший диаметр. Как правило, при рассмотрении одинаковых параметров шестерни и колеса, шестерне присваивают индекс 1, колесу — 2. Например, Z1 — количество зубьев шестерни, Z2 — количество зубьев колеса.
Зубчатые колёса различаются по форме зубчатого венца, по взаимному расположению валов, по форме зуба относительно оси колеса, по форме профиля зуба, по различным отклонениям от стандартного профиля (корригирование) и т.д. Каждое сочетание перечисленных геометрических особенностей имеет свои особенности выбора конструкции, материала и изготовления колеса.
Форма венца зубчатого колеса
цилиндрические зубчатые колёса
конические зубчатые колёса
Примечания
Форма зубьев относительно оси колеса
прямые, косые и шевронные
винтовые
прямые, круговые и тангенциальные
Взаимное расположение осей валов
оси валов параллельны
оси валов скрещены
оси валов пересекаются (межосевой угол может быть как равен 90º; так и отличен от 90º)
Профиль зубьев
в основном эвольвентный
Достоинством является малая чувствительно к отклонению межосевого расстояния и возможность изготовления простым инструментом
Смещение исходного контура: высотное, тангенциальное. Сочетание высотной и тангенциальной модификации.
Фланкирование применяют для быстроходных зубчатых передач в целях уменьшения сил удара при входе и выходе зубьев их из зацепления
Зубчатые передачи для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот осуществляются цилиндрическим колесом (шестерней) и рейкой.
Зубчатые передачи могут отличаться по условиям работы зубчатого зацепления. Они могут быть как открытыми, так и закрытыми. Открытые передачи не защищены от попадания загрязняющих веществ и работают в условиях со скудной смазкой густой консистенции, либо вообще без смазки.
Зубчатое зацепление используется также в планетарных передачах, в которых ось хотя бы одного зубчатого колеса подвижна.
Цилиндрические зубчатые колёса [ править | править код ]
Профиль зубьев колёс как правило имеет эвольвентную боковую форму. Однако существуют передачи с круговой формой профиля зубьев (передача Новикова с одной и двумя линиями зацепления) и с циклоидальной. Кроме того, в храповых механизмах применяются зубчатые колёса с несимметричным профилем зуба.
Параметры эвольвентного зубчатого колеса:
В машиностроении приняты определённые значение модуля зубчатого колеса m
Высота головки зуба — haP
и высота ножки зуба — hfP — в случае т. н. нулевого зубчатого колеса (изготовленного без смещения, зубчатое колесо с «нулевыми» зубцами) (смещение режущей рейки, нарезающей зубцы, ближе или дальше к заготовке, причем смещение ближе к заготовке наз. отрицательным смещением , а смещение дальше от заготовки наз. положительным ) соотносятся с модулем m следующим образом: haP = m; hfP = 1,25 m , то есть:
Отсюда получаем, что высота зуба h
(на рисунке не обозначена):
Вообще из рисунка ясно, что диаметр окружности вершин da
больше диаметра окружности впадин df на двойную высоту зуба h . Исходя из всего этого, если требуется практически определить модуль m зубчатого колеса, не имея нужных данных для вычислений (кроме числа зубьев z ), то необходимо точно измерить его наружный диаметр da и результат разделить на число зубьев z плюс 2:
Продольная линия зуба [ править | править код ]
Зубчатые колеса классифицируются в зависимости от формы продольной линии зуба на:
О том, какова разница между шестерней и зубчатым колесом, стараются узнать далеко не многие любители автомобилей, а порой многие даже путают данные понятия. В действительности, шестерня и зубчатое колесо во многом похожи между собой, однако принципиальных отличий все же больше.
Цилиндрические зубчатые колёса
Как видно из таблицы прямозубыми могут быть как цилиндрические, так и конические колёса.
Прямозубые колёса применяют в следующих случаях:
1) при невысоких и средних окружных скоростях,
2) при большой твёрдости зубьев (когда динамические нагрузки от неточностей изготовления невелики по сравнению с полезными),
3) также применяются в открытых и планетарных передачах.
а) прямозубое колесо, б) косозубое колесо,
в) шевронное колесо
Хотя максимальные окружные скорости прямозубых колёс могут доходить до 15 м/с, наиболее часто применяются скорости до 5 м/с. Одним из достоинств прямозубой передачи является отсутствие осевых усилий.
Косозубая передача используется обычно в следующих случаях:
1) если нельзя подобрать цилиндрическую прямозубую пару со стандартным модулем при заданных межосевом расстоянии и передаточном отношении;
2) в случае необходимости иметь малое колесо с небольшим числом зубьев при одновременно высоких требованиях к плавности и равномерности передачи;
3) при повышенных окружных скоростях колёс (при средних и высоких скоростях) и требованиях в отношении бесшумности передачи;
4) при больших передаточных отношениях
Косозубые и шевронные зубчатые колёса в зависимости от качества изготовления могут применяться при окружных скоростях до 30 м/с. Косозубые передачи иногда используются при малых окружных скоростях. Это объясняется некоторыми их преимуществами перед прямозубыми: одновременно в зацеплении находится несколько зубьев, передача вращения происходит более плавно, уменьшаются динамические нагрузки, возникающие вследствие неточности изготовления колёс. Кроме того, изготовление косозубых колёс не требует специального оборудования и оснастки. Одним из недостатков косозубых колёс является наличие осевого усилия, что вызывает необходимость усиления подшипниковых узлов и вала. Поэтому при больших осевых усилиях при передачи больших мощностей рационально применение более сложных шевронных передач, в которых осевые усилия скомпенсированы.
Рисунок 2
Рисунок 3
Цилиндрическиепередачи с косозубыми (винтовыми) колёсами могут быть как с параллельными осями колёс, так и с пересекающимися.
Вариант с пересекающимися осями колёс возможен в следующих случаях.
1. Оси колёс скрещиваются под углом 90º. В этом случае угол наклона зубьев ведущего колеса больше, чем у ведомого.
2. Оси скрещиваются под углом не равным 90º. В этом случае угол наклона зубьев ведущего колеса больше, чем угол наклона зубьев ведомого колеса. Возможны три сочетания колёс:
а) ведущее колесо винтовое, ведомое — прямозубое;
б) зубья обоих колес винтовые одного направления;
в) зубья обоих колес винтовые разного направления.
Цилиндрические передачи с внутренним зацеплением
По сравнению с передачами наружного зацепления цилиндрические передачи с внутренним зацеплением имеют во много раз меньшее относительное скольжение рабочих поверхностей зубьев, меньшее удельное давление между рабочими поверхностями зубьев и меньшие размеры при сравнительно большом передаточном отношении и малом межцентровом расстоянии. Однако они не получили большого распространения, поскольку они более сложны в изготовлении и при их применении не обеспечивается достаточная жесткость валов вследствие консольного расположения колеса и шестерни.
Корригирование цилиндрических зубчатых колёс
Цилиндрические зубчатые колёса могут быть как со смещением исходного контура, так и без смещения исходного контура. Эвольвентное зубчатое зацепление обладает ценным свойством: допускает успешную работу передачи и при изменении расстояния между центрами. Возможно три положения шестерни по отношению к колесу: нормальное, сближенное и раздвинутое. Таким образом, эвольвентное зацепление допускает использование для образования профиля зубьев различных участков эвольвенты, что даёт возможность осуществлять сдвиги профиля как при неизменном расстоянии между центрами (высотная коррекция), так и при раздвинутых или сближенных центрах (угловая коррекция).
Смещение исходного контура является одним из видов модификации профилей зубьев (корригирования). Преимущества эвольвентного зацепления при использовании корригирования:
— уменьшается минимально допустимое число зубьев (увеличивается модуль при том же диаметре шестерни);
— повышается прочность (особенно изгибная, так как зуб утолщается у основания);
— повышается плавность эвольвентных передач.
К недостаткам коррегирования можно отнести уменьшение коэффициента перекрытия.
Что представляет собой шестерня
Шестерня – это небольшое колесико с зубьями, которое крепится к специальной вращающейся оси. Поверхность у шестеренки в данном случае может быть как конической, так и цилиндрической.
Шестеренчатые передачи также имеют свою классификацию:
Данные разновидности являются наиболее распространенными, однако далеко не единственными, поэтому используемый вид напрямую соотносится с тем, какую функцию он должен будет выполнять.
При этом каждая шестеренка имеет определенное количество зубьев, что определяется ее назначением. Разница между количеством используемых зубьев необходима, поскольку благодаря этому фактору появляется возможность регулировать обороты вала и крутящийся момент. Шестеренки также разделяются на ведущие и ведомые. Ведущей называется та шестерня, к которой вращательный момент подводится снаружи, а ведомой – та, с которой она снимается.
Описание и виды шестерёнок
Шестерня – это колесо (диск) с зубьями (другим словом – зубчатое колесо (ЗК)), которое крепится ко вращающейся оси. Она может быть, как с конической, так и с цилиндрической поверхностью. Шестерёнчатые передачи подразделяются (в зависимости от линии зуба) на следующие виды:
Прямозубые. Это самые применяемые из всех видов ЗК, у которых зубья располагаются в радиальных плоскостях.
Червячные (спиральные) используются для рулевого управления автомобилем.
Винтовые имеют цилиндрическую форму, зубья располагаются по линии винта. Используются на валах, расположенных перпендикулярно относительно друг друга.
Секторные являются частью шестерни различного типа, что значительно экономит габариты. Применяется в таких передачах, где не нужно вращение ЗК.
Есть ещё немало других видов этих деталей, каждая из которых может выполнять определённую функцию.
Область применения и принцип действия
ЗК считается одной из важнейших деталей, применяемых в механизмах с зубчатой передачей, как в сложных, так и в простых. Их применяют в машиностроении, пищевой и горнодобывающей промышленности, в судостроении, в подъёмных кранах, коробках передач, лебёдках, танках, буровых установках…
Зубчатые колёса применяются парно и работают при помощи зубьев, цепляясь за соседние, благодаря чему и выполняется основная функция ЗК – передача вращательных движений между валами.
Каждая из шестерён имеет своё число зубьев. Разница в количестве зубьев шестерни необходима для возможности преобразования числа оборотов вала и крутящего момента, то есть для передачи или изменения КМ от ведущего к ведомому ЗК. Ведущей называется та шестерня, к которой крутящий момент подводится снаружи, а ведомая – та, с коей он снимается.
При этом, когда диаметр ведущей детали меньше, чем у ведомой – КМ увеличивается пропорционально уменьшению скорости вращения, а в обратном случае (диаметр ведомой меньше ведущего) – наоборот. Кроме того, нужно знать то, что от числа зубьев на шестерёнке зависит плавность хода передачи (больше зубьев – плавный ход, и наоборот).
Износ шестерни (откалывание зубцов) влечёт за собой необходимость её замены, так как ремонту деталь не подлежит.
Что представляет собой зубчатое колесо
Зубчатое колесо во многом напоминает шестеренку, поэтому многие механики или люди с техническим образованием формальной разницы между ними не видят, если дело не касается каких-то конкретных моментов работы.
Зубчатое колесо является колесом с небольшими зубчиками, которые выпирают в разные стороны. Основная ее задача – это придавать вращательное движение другим деталям, к которым присоединено данное зубчатое колесо. Внешне такое колесо выглядит как диск с конической или цилиндрической поверхностью, а зубчики располагаются на разном расстоянии друг от друга. Причем количество зубьев может сильно разниться, все зависит от того, чему именно служит то или иное колесо, какова его основная задача.
Шестерня (зубчатое колесо)
Определение шестерня
Зубчатое колесо или Шестерня – это важнейшая деталь, которая применяется в механизмах зубчатой передачи и выполняет основную функцию — передает вращательное движения между валами, при помощи зацепление с зубьями соседней шестерни. Выглядит шестерня как диск с конической или цилиндрической поверхностью на которой на равном расстоянии расположены зубья. В зубчатой передаче шестерней называют малое зубчатое колесо с небольшим количеством зубьев, а большое — зубчатым колесом. В случае применения пары шестерен с одинаковым количеством зубьев, ведущую называют шестерней, а ведомую – зубчатым колесом. Но чаще всего все зубчатые колеса и малые и большие называют шестернями (шестеренками). Заурядно используют шестерни парами с различным количеством зубьев, этот механизм зубчатой передачи позволяет преобразовать число оборотов валов и вращающий момент. Передаточное число — это отношение чисел оборотов валов в минуту, определяется отношением диаметров шестерен или отношением чисел из зубьев. К стати, число зубьев на колесах влияет на плавность хода передачи, чем их число больше, тем плавнее ход передачи. Ведущей шестерней называется та, вращение которой передается извне, а ведомой называют шестерню, с которой снимается вращающий момент. Если диаметр ведущей шестерни больше, то вращающий момент ведомой шестерни уменьшается за счёт пропорционального увеличения скорости вращения, и наоборот.
Изобретение Шестерни
Изобретатель шестерни не известен, в истории шестерни упоминаются Ктезибием он использовал древнее зубчатое колесо в своих водяных часах во II веке до нашей эры, а так же упоминает в своем сочинении о применение шестерен Архимедом в III веке до н.э. Есть данные о использовании шестерен Римлянами в начале новой эры. В работах Леонардо да Винчи, в чертежах некоторых механизмов присутствуют шестерни с формой зуба близкой к современной.
Области применения шестерен
Шестерни применяются в различных, сложных и простых механизмах в машиностроении, судостроении, в пищевой и горнодобывающей промышленности, а так же: в буровых установках, железно дорожных вагонах, в подъемных кранах, в автомобильных дифференциалах, коробке передач, танках, лебедках, шестеренных гидромашинах – насосах, часах и в прочих механизмах.
В чем заключаются сходства между шестерней и зубчатым колесом
Между шестерней и зубчатым колесом можно отметить несколько схожих моментов:
Внешние сходства между шестеренкой и зубчатым колесом обоснованы также еще тем, что зачастую эти два элемента могут выполнять схожие функции и быть взаимозаменяемыми в определенных системах и механизмах.
В чем заключаются отличия между шестеренкой и зубчатым колесом
Между шестеренкой и зубчатым колесом при детальном рассмотрении имеются определенные различия:
Исходя из всех вышеприведенных фактов, можно сказать, что по своему функционалу шестеренка и зубчатое колесо является примерно одним и тем же элементом. Различия между ними могут быть заметны только в каких-то сложных механизмах, так как они по-разному воздействуют на результат, однако большинство людей, имевших с этим дело, нередко утверждают, что формальной разницы между данными элементами нет.
Основу конструкции любого механизма составляют элементы, призванные передать механическое усилие от двигателя на рабочий орган. В зависимости от принципа действия принято различать несколько видов таких передач: клиноременные, фрикционные или червячные. Но самое широкое распространение в технике получили зубчатые передачи.
Такие механизмы в простейшем случае использующие сопрягаемую пару, включающую ведущую шестерню и колесо зубчатое. Благодаря зубчатой форме поверхности эти элементы входят в зацепление между собой и за счет этого передают вращение с одного вала на другой. Кроме возможности передать механическую мощность, такая передача способна обеспечить изменение скорости вращения выходного вала, относительно входного. Благодаря таким свойствам, практически в каждом промышленном механическом устройстве встречается редуктор, понижающий скорость вращения или мультипликатор, наоборот увеличивающий ее. В более сложных механизмах, так называемых коробках передач, группа зубчатых колес способна выполнить ступенчатое изменение скорости.
Широкое распространение зубчатые передачи получили благодаря высокой надежности и способности передавать момент в большом диапазоне нагрузок и скоростей вращения. При этом конструкция таких механизмов отличается относительной простотой и компактностью. Зубчатые передачи не предъявляют высоких требований к обслуживанию и характеризуются длительным сроком службы.
Наряду с очевидными достоинствами, этим механизмам присущ и ряд недостатков. В отличие от других типов передач, они более сложны в изготовлении, требуют более высокой точности обработки и применения специализированного обрабатывающего оборудования. Выбор материалов для зубчатых колес должен обеспечить сопротивляемость значительным механическим усилиям. Высокая жесткость, реализуемая зубчатой передачей, способствует минимизации потерь при передаче механической энергии. КПД таких механизмов приближаются к абсолютным значениям. Но при этом конструкция не позволяет преодолевать большие значения динамической нагрузки, что часто приводит к разрушению механизма. Еще одним негативным явлением, возникающим в процессе работы зубчатой пары, становится шум. Его уровень напрямую связан частотой вращения механизма и зависит от качества изготовления колес.
Корригирование зубчатых колёс
(от лат. corrigo — исправляю, улучшаю), приём улучшения формы зубьев эвольвентного зубчатого зацепления. При нарезании зубчатых колёс исходный стандартный контур производящей рейки смещают в радиальном направлении так, что её делительная прямая не касается делительной окружности колеса. При этом можно использовать нормальный реечный зуборезный инструмент (гребёнку, червячную фрезу и т. п.) или долбяки. Обработку ведут на зубообрабатывающем станке методом обкатки (см. Зубонарезание ) , нарезая колёса с требуемым смещением исходного контура.
К. з. к. появилось как средство устранения нежелательного подрезания ножки зуба у колёс с малым числом зубьев из-за несовершенства инструмента. Современное К. з. к. имеет более общее значение и практически выражается в преднамеренном смещении исходного контура, которое является одним из основных геометрических параметров зубчатых колёс. Смещение от центра колеса может быть отрицательным или положительным (рис. 1
). В случае положительного смещения для профиля зубьев используются участки эвольвенты с большими радиусами кривизны, что повышает контактную прочность зубьев, а также увеличивает их прочность на излом. К. з. к. может быть использовано для повышения качества зацепления как двух колёс, так и зацепления колеса с рейкой. Целесообразный выбор смещений может уменьшить скольжение зубьев друг по другу, снизить их износ, уменьшить опасность заедания и повысить кпд передачи.
К. з. к. позволяет изменять межосевые расстояния в зубчатых передачах, что даёт возможность решать ряд важных конструктивных задач. Например, в коробках скоростей, планетарных механизмах и др. можно разместить между двумя валами передачи, у которых одно и то же колесо входит в зацепление с колёсами, имеющими разные числа зубьев, или при ремонте нестандартные зубчатые передачи можно заменять стандартными.
При расчёте геометрии корригированных зацеплений пользуются коэффициентом смещения х,
который равен смещению исходного контура, деленному на модуль зубчатого колеса. При назначении x1 для 1-го и х2 для 2-го колеса необходимо учитывать ограничивающие условия: отсутствие или ограничение подреза ножки зуба; отсутствие интерференции, т. е. взаимного пересечения профилей зубьев при относительном движении колёс; получение достаточного коэффициента перекрытия, надёжно обеспечивающего вхождение в зацепление последующей пары зубьев, пока предыдущая не вышла из зацепления; отсутствие заострения зубьев, т. е. получение достаточной толщины зубьев у вершины. В СССР разработан удобный способ учёта этих условий т. н. блокирующими контурами — кривыми, построенными в координатах x1 и x2. Эти графики отражают указанные ограничения и образуют замкнутый контур, очерчивающий зону допустимых сочетаний x1 и x2 ( рис. 2 ). Для каждого сочетания чисел зубьев колёс ( Z1 и Z2 ) строится свой блокирующий контур. Если к передаче не предъявляется особых требований, то x1 и x2 в зоне допускаемых значений выбирают по общим рекомендациям, учитывающим улучшение всех свойств зацепления (т. н. универсальные системы К. з. к.). При наличии специальных требований к передаче (например, высокая прочность зубьев на излом и т. п.) x1 и x2 выбирают из условия наиболее полного удовлетворения этих требований (специальные системы К. з. к.).
Виды зубчатых колес
Само название зубчатой передачи отражает ее конструкцию. В простейшем случае в состав такого механизма входят два вращающихся диска, на боковой поверхности, которых выполнены зубья. В процессе работы эти зубья зацепляются между собой. Колесо, связанное с источником вращающего момента, увлекает за собой второе. В итоге ведомый вал начинает вращаться.
В зависимости от направления передачи энергии используются разные обозначения зубчатых колес. Элемент, к которому присоединен вал двигателя, называется ведущим зубчатым колесом. В понижающих передачах оно характеризуется небольшим диаметром и малым числом зубьев. В технической литературе этот элемент часто называют шестерней. Сопрягаемое с ней колесо большого диаметра с большим числом зубьев называется ведомым. Вал этого колеса используется для передачи мощности на рабочий орган исполнительного механизма. Более сложные виды передач используют большее количество зубчатых колес. Например, такие устройства используются для реализации возможности отбора мощности от одного вала на несколько устройств или переключения скоростей вращения.
Высокие технические характеристики передачи и различные направления применения привели к созданию большого числа вариантов зубчатых колес. Наиболее простыми и распространенными из них являются цилиндрические прямозубые колеса. Зуб такой детали расположен на боковой поверхности колеса, параллельно оси. Второе колесо механической передачи имеет аналогичную геометрию. Оси обеих колес должны располагаться параллельно, на строго заданном расстоянии. Высокая технологичность изготовления этого типа деталей способствует массовому применению прямозубых передач в различных отраслях промышленности.
Из недостатков следует отметить только невысокий предельный момент. В сложных условиях работы используют другие виды зубчатых колес. Благодаря изменению геометрии зацепления, такие передачи обладают улучшенными свойствами. Например, для передач повышенной мощности проектируют косозубые колеса. В них ось зуба расположена под углом к оси вращения, за счет чего достигается большая зона контакта сопрягаемых деталей. В механизмах, характеризующихся сверхтяжелыми нагрузками, применяют шевронные модели. Зацепление в такой передаче выполняется на основе V-образных зубьев, чем обеспечивается оптимальное распределение нагрузки. Еще один вид зуба, называемый, круговым или криволинейным, выполняется в виде дуги. Он обеспечивает улучшенные механические характеристики, но достаточно трудоемок в изготовлении, поэтому большого распространения не получил.
Конструкция зубчатого колеса
Несмотря на кажущуюся простоту, в технике принято выделять несколько отдельных частей зубчатого колеса. Как и любое другое колесо, зубчатый вариант в своей основе имеет диск необходимого диаметра. Основной частью является обод, на боковой или торцевой поверхности которого выполнены зубья. Все вместе они образуют так называемый венец зубчатого колеса. Геометрия зубьев различна у разных типов зубчатой передачи. Сам зуб условно разбивается на несколько частей. Наружная часть называется вершиной. Прилегающие к ней боковые поверхности носят название головки зуба. Внутренняя часть именуется ножкой зуба. Две соседние ножки образуют впадину зубчатого колеса.
Для крепления на валу механизма в центре диска изготавливается ступица со сквозным отверстием. Форма отверстия зависит от геометрии сечения вала и может быть цилиндрической, квадратной или многоугольной. При использовании цилиндрических валов, в ступице обычно выполняют шпоночный паз.
С целью уменьшения веса толщина диска колеса выполняется обычно меньше, чем толщина ступицы или обода. Также для этого в теле диска могут присутствовать окна разнообразной формы.
Основные параметры
Для обеспечения подвижности и работоспособности, конструкция отдельных деталей механической передачи должна быть согласована по размерам и геометрии. Для этого при описании подобных устройств принято использовать систему специальных параметров. В их число входят геометрические, массогабаритные и прочностные величины, закрепленные стандартами. Применение стандартных параметров позволяет сравнительно просто производить расчет унифицированных зубчатых передач и обеспечивает гарантированное сопряжение всех изделий между собой. Естественно, что для разных видов, параметры будут несколько отличаться. Далее рассматриваются термины, связанные с конструкцией эвольвентного цилиндрического колеса. Эти параметры, в своем большинстве, описывают основные характеристики и других вариантов колес.
В основе сечения зуба большинства шестерен лежит эвольвентный профиль, который получается на основе одноименной кривой. Его применение легко стандартизируется, характеризуется высокой технологичностью изготовления и низкими требованиями к качеству сборки механизма. Основными параметры эвольвентного зубчатого колеса считаются модуль зацепления и количество зубьев зубчатого колеса. При одном и том же наружном диаметре деталей значения этих величин могут существенно отличаться в разных вариантах конструкции.
Число зубьев определяет коэффициент передачи и геометрические размеры зубьев. На ведущем колесе редуктора оно выполняется меньшим, чем на ведомом. В итоге один нормальный оборот ведущей шестерни приводит к повороту ведомого колеса только на определенный угол. Отношение числа зубьев двух колес дает значение передаточного коэффициента. Размеры зубьев определяются как отношение их количества к длине окружности колеса. С целью упрощения расчетов и гарантированного обеспечения зацепления между разными колесами, предусмотрен дополнительный параметр, называемый модулем зацепления. Любые шестерни с одинаковым модулем обеспечивают взаимодействие между собой и могут использоваться для построения механизмов, без дополнительной обработки.
Сумма ширины зуба и впадины совместно дают шаг зубчатого колеса. Учитывая неравномерность профиля по радиусу и зависимость длины дуги от диаметра, в каждом колесе можно определить бесконечное число значений этого параметра. С целью стандартизации принято рассматривать шаг по делительной окружности, называемый так же окружным шагом. Отношение этого шага к числу пи дает модуль зацепления. В некоторых случаях для описания шестерен используют угловой шаг, измеряемый в градусах. Стандартами предусмотрены и несколько других угловых величин. Например, для упрощения настройки оборудования при изготовлении колес рассматривают угловую ширину зуба и угловую ширину впадины. Определяются они также на основе делительной окружности.
Диаметры окружностей
Рассмотрение геометрии зубчатых пар невозможно без определения диаметров. На каждой детали их выделяется несколько. Широкое распространение имеет диаметр окружности по выступам, иногда называемый диаметром вершин. Он определяет максимальные габариты диска колеса. Его противоположностью считается диаметр окружности впадин. Разность этих величин, поделенная пополам, дает полную длину зуба. Но этот параметр в чистом виде не используется. При расчетах принято выделять высоту головки и ножки зуба. Граница, отделяющая два этих понятия, называется делительной окружностью зубчатого колеса. Диаметр данной окружности выполняет функцию опорного параметра при выполнении расчетов геометрии, так как именно по ней определяется окружной шаг и модуль зацепления. Еще один диаметральный параметр, называемый основной окружностью, описывает теоретическую кривую, которая является базой при построении эвольвенты. Диаметр основной окружности используется для построения конкретного профиля зуба.
Модуль зубчатого колеса
Универсальным понятием, позволяющим определить геометрические параметры деталей, выступает модуль зубчатой передачи. Его значение равно длине дуги в миллиметрах, приходящейся на один зуб колеса. Конкретное значение определяется по делительной окружности. Ее численно подбирают таким образом, что бы значение модуля совпадало с одним из общепринятых значений, найти которые можно в специальной литературе. В отечественной практике стандартные модули зубчатых колес нормированы в ГОСТ 9563-60. При проектировании шестерен обычно задаются значением этого параметра, а от него легко рассчитают все множество других. Исходными данными для определения требуемого модуля зубчатого колеса выступают расчеты прочности, призванные обеспечить требуемую мощность механической передачи.
Модуль зубчатого колеса связан с целым набором производных параметров. Используя несложные формулы расчета и значение необходимого числа зубьев, можно получить окружной шаг, диаметры верши и впадин, толщину зуба и ширину впадины по делительной окружности.
В зарубежной литературе аналогом отечественного модуля выступает питч. По своей сути это обратная к модулю зацепления величина, приведенная к дюймовой системе измерений. Аналогично для питчей разработаны специальные таблицы, содержащие нормированные значения параметра.
Цилиндрические косозубые колёса.
Главная Избранные Случайная статья Познавательные Новые добавления Обратная связь FAQ
⇐ ПредыдущаяСтр 18 из 26Следующая ⇒
Косозубые зубчатые передачи, как и прямозубые, предназначены для передачи вращательного момента между параллельными валамя
Рис. 36. Цилиндрическая косозубая передача
Достоинства косозубых передач по сравнению с прямозубыми:
уменьшение шума при работе; меньшие габаритные размеры; высокая плавность зацепления; большая нагрузочная способность; значительно меньшие дополнительные динамические нагрузки.
За счет наклона зуба в зацеплении косозубой передачи появляется осевая сила.
Направление осевой силы зависит от направления вращения колеса (рис. 37), направления винтовой линии зуба, а также от того, каким является колесо — ведущим или ведомым. Осевая сила дополнительно нагружает валы и опоры, что является недостатком косозубых передач.
Рис. 37. Усилия в косозубой цилиндрической передаче
Шевронные зубчатые колеса представляют собой разновидность косозубых колес
Рис. 38. Шевронная зубчатая передача
Цилиндрическое зубчатое колесо, венец которого по ширине состоит из участков с правыми и левыми зубьями (рис. 38, а),
называют шевронным колесом. Часть венца зубчатого колеса, в пределах которого линии зубьев имеют одно направление, называют полушевроном. Различают шевронные колеса с жестким углом (рис. 38, б), предназначенным для выхода режущего инструмента при нарезании зубьев. Шевронные передачи обладают всеми преимуществами косозубых, а осевые силы (рис. 39) противоположно направлены и на подшипник не передаются.
Рис.39. Усилия в зацеплении шевронных зубчатых колес
В этих передачах допускают большой угол наклона зубьев ( ). Ввиду сложности изготовления шевронные передачи применяют реже, чем косозубые, т.е. в тех случаях, когда требуется передавать большую мощность и высокую скорость, а осевые нагрузки нежелательны.
Рис. 40
Косозубые и шевронные колеса в отличие от прямозубых имеют два шага и два модуля:
Для косозубых и шевронных колес значения нормального модуля тn
стандартизованы, так как профиль косого зуба в нормальном сечении соответствует исходному контуру инструментальной рейки и, следовательно, т = тп (косозубые и шевронные колеса нарезают, тем же способом и инструментом, что и прямозубые). Нормальный модуль тп является исходным при геометрических расчетах.
Определим зависимость между нормальным и торцовым шагом и модулем через угол наклона зубьев.
Геометрические параметры цилиндрической косозубой и шевронной передач
с эвольвентным профилем зуба рассчитают по формулам, приведенным в табл. 15. По торцовому модулю тt рассчитывают делительные (начальные) диаметры, а до тп — все остальные размеры зубчатых колес.
Таблица 15. Геометрические параметры цилиндрической косозубой передачи
Параметр, обозначение
Расчетные формулы
Нормальный модуль
Торцовый (окружной модуль)
Диаметр вершин зубьев в
Делительный диаметр d
Диаметр впадин зубьев
Шаг нормальный
Шаг торцовый (окружной)
Окружная толщина зубьев
Ширина впадин зубьев
Высота зуба
Высота головки зуба
Высота ножки зуба
Радиальный зазор
Межосевое расстояние
Длина зуба
Ширина венца
Эту силу разложим на две составляющие: окружную силу на эквивалентном колесе и радиальную (распорную) силу на этом колесе .
Если, в свою очередь, силу разложить по двум направлениям, то получим такие силы: — окружную силу, — осевую.
Рис. 42
Рис. 43
Расчет параметров
Расчет параметров зубчатых колес выполняют комплексно, для всей передачи. Необходимость расчета отдельного колеса возникает только в процессе ремонта оборудования с неизвестными данными. Расчет начинают с определения требуемого числа зубьев и модуля зацепления. Для того чтобы узнать значение модуля, предварительно проводят расчеты на прочность, исходя из срока службы и выбранного материала будущего механизма. Также на этом этапе рассчитывают межосевое расстояние между колесами. На основе полученных данных выносливости зубьев вычисляется минимально допустимая величина модуля зацепления. Конкретное его значение выбирается на основе таблиц, приведенных в справочной литературе. Далее, используя требуемое передаточное отношение, производится вычисление числа зубьев на сопрягаемых колесах.
При известном модуле зацепления и количестве зубьев шестерни и колеса, доступно произвести вычисление геометрических размеров отдельных деталей. Основные диаметры и профиль зуба передачи рассчитываются с использованием несложных арифметических действий. Сложные операции потребуются только для ограниченного числа параметров. Для цилиндрического прямозубого колеса тригонометрические функции содержат только формулы расчета делительного диаметра. При проектировании других типов зубчатых колес, используют тот же математический аппарат, что и для прямозубых, но с добавлением расчетов, учитывающих иную геометрию деталей. Результаты расчетов используют для построения чертежей будущих шестерен, а также при вычислении параметров редукторов.
Заключительным этапом расчета зубчатой передачи становится окончательная проверка механизма на прочность. Если результаты этих вычислений укладываются в принятые нормативы, то полученные значения величин можно использовать для изготовления готового механизма. В противном случае может потребоваться выполнить новый расчет, изменив исходные данные, например, увеличить геометрические размеры, либо поменять тип зубчатой передачи или количество ступеней редуктора.
Конструкции и расчет редукторов
В зубчатых колесах со смещенными дисками из-за большой деформации обода увеличивается неравномерность распределения нагрузки по длине зуба, в результате чего несущая способность таких колес уменьшается на 10—15% по сравнению с несущей способностью колес с симметричным расположением диска относительно обода, что подтверждается экспериментальными исследованиями. Такие зубчатые колеса рекомендуется применять при сравнительно малой ширине обода. Однодисковые зубчатые колеса с симметричным расположением диска и ребрами жесткости выполняют с большей шириной обода, чем у косозубых колес с несимметричным диском. С увеличением ширины зубчатых колес, для обеспечения конструктивной прочности, применяют двухдисковые зубчатые колеса без ребра жесткости (лист 1, рис. 3 и лист 2, рис. 1) и с кольцевым ребром жесткости (лист 1, рис. 4 и лист 2, рис. 2). В зависимости от ширины обода и наружного диаметра двухдисковые зубчатые колеса выполняют с пятью, шестью и семью спицами (см. лист 1 и 2). На многих заводах благодаря усовершенствованию технологии литья двухдисковые зубчатые колеса отливают с прямыми дисками (см. лист 1, рис. 3, 4 и лист 2, рис. 1, 2). При изготовлении двухдисковых зубчатых колес с наклонными (лист 2, рис. 3) и изогнутыми дисками повышаются затраты на модели и отливку, затрудняется их крепление на металлообрабатывающих станках и крепление балансирного груза на наклонных дисках.
Область применения литых однодисковых и двухдисковых зубчатых колес, а также выбор числа их спиц устанавливают из технологических возможностей отливки и формовки.
Конструкции литых зубчатых колес выбирают в зависимости от размеров ширины венца зубчатого колеса b, диаметра вершин зубьев da, граничной ширины bгр и граничного диаметра Drp. Граничная ширина и граничный диаметр являются параметрами, обусловливающими технологическую возможность изготовления зубчатых колес. Устанавливают границы применения пяти- и шестиспицевых зубчатых колес.
При некоторых значениях диаметров вершин зубьев зубчатых колес окна в дисках между спицами по высоте и ширине оказываются меньше технологически допустимых, что вызывает затруднения при формовке и очистке внутренних полостей. В этих случаях требуется переход к меньшему числу спиц. Широкие литые двухдисковые зубчатые колеса при коэффициенте ширины от 0,5 до 0,63 должны иметь кольцевое ребро жесткости.
Граничные значения ширины и диаметра определяют по формулам:
где δ0 — расчетная толщина обода (определяется по формулам, приведенным в табл. 2);
где dст-диаметр наружной поверхности ступицы, мм; К и К1 — коэффициенты.
Пределы граничных значений ширины и диаметра определены исследованиями однодисковых и многодисковых литых зубчатых колес.
Коэффициент К учитывает влияние суммы чисел зубьев шестерни и зубчатого колеса и коэффициента ширины на величину граничного диаметра и определяется по формуле, приведенной в табл. 2 (для некоторых значений суммы зубьев и стандартных значений коэффициента ширины — по табл. 3). Коэффициент К1 учитывает влияние передаточного числа на величину граничного диаметра и определяется по формуле, приведенной в табл. 2 (для стандартных передаточных чисел — по табл. 4). Исходя из граничных значений изготовляют однодисковыми (см. рис. 1 на листе 1). При невыполнении указанных неравенств зубчатые колеса изготовляют двухдисковыми (см. рис. 3 на листе 1 или рис. 1 на листе 2) в зависимости от соотношений между da и Dгр.
Выбор конструкции зубчатого колеса по ширине венца b и диаметру вершин зубьев da
Примечания: 1. Для зубчатых колес с углом наклона зубьев на делительном цилиндре β ≤ 15° при выполнении неравенств:
ширины и диаметра по табл. 1 определяют конструкции зубчатых колес, пределы их ширины и диаметра вершин зубьев. Двухдисковые зубчатые колеса выполняют и семиспицевыми. На листе 2, рис. 3 показано зубчатое колесо с наклонными дисками, семью спицами, отбуртовкой вокруг окон, с отверстиями в спицах.
Рассмотренные литые конструкции зубчатых колес имеют технологические приливы с наружной стороны для прибылей при отливке, которые удаляются при механической обработке. Иногда в однодисковых и двухдисковых зубчатых колесах технологические приливы располагают с внутренней стороны обода без последующего их удаления (лист 2, рис. 4 и лист 3, рис. 1). Число технологических приливов должно быть кратным числу спиц. Вес таких зубчатых колес больше на 10…15% по сравнению с колесами, отлитыми с приливами с наружной стороны обода. В зубчатых колесах с одним или двумя дисками по конструктивной необходимости ступица располагается асимметрично относительно обода (лист 3, рис. 2). В широких зубчатых колесах при длине ступицы более 400 мм для получения более правильной геометрии при механической обработке отверстие для посадки колеса на вал выполняют двухступенчатым (лист 3, рис. 3) с разницей в диаметрах 5… 10 мм. В шевронных зубчатых колесах для выхода инструмента при нарезании зубьев выполняют проточку (b1), ширина которой включается в общую ширину зубчатого колеса. Размеры фасок на торцах зубьев выполняют, как показано на листе 3, рис. 4.
Определение размеров элементов зубчатых колес. Размеры элементов литых зубчатых колес должны быть приняты такими, чтобы при их сочетании обеспечивались необходимая прочность, жесткость и технологические возможности изготовления.
Нагрузка, воспринимаемая зубьями колеса, определяется межосевым расстоянием аw, шириной зубчатого колеса b, которая задается коэффициентом ширины
С увеличением ширины зубчатого колеса возникают технологические трудности в обеспечении одинаковой прочности по высоте обода и устранении раковин и других пороков литья. Поэтому необходимо увеличивать толщину обода на некоторую величину по сравнению с результатами расчета.
Формулы для определения размеров элементов зубчатых колес
Продолжение табл. 2.
Размеры остальных элементов зубчатого колеса выражены через толщину обода.
Многие элементы зубчатых колес определяются их конструктивными соотношениями, а также необходимостью формовки и выбивки горелой земли и очистки от пригаров, полученных в процессе отливки.
При определении размеров толщины дисков и поперечных ребер дисков зубчатых колес учитывается качество литой стали — ее склонность к образованию трещин.
Предварительное определение диаметра отверстия в ступице можно выполнить из условия передачи прессовой посадкой наибольшего крутящего момента и допускаемой прочности зубьев колеса на изгиб:
Диаметр отверстия в ступице определяется конструкцией редуктора и может колебаться в пределах, зависящих от межосевого расстояния — d = (0,2…0,4) aw. При анализе большого числа литых цилиндрических зубчатых колес, изготовленных на разных заводах, установлено, что 90% зубчатых колес имеют диаметр отверстия в ступице d = 0,32 aw. Для стандартных значений коэффициента ширины ψb и наиболее распространенных значений суммарного числа зубьев z∑ размеры основных элементов зубчатых колес при межосевом расстоянии aw = 1 мм определяют по табл. 3, при этом вычисление упрощается.
Размеры элементов зубчатых колес для стандартных значений коэффициента ширины ψba и наиболее распространенных значений суммарного числа зубьев z∑ при a w = 1 мм и К1 = 1 мм
Продолжение табл. 3
Примечание. Для определения действительных размеров элементов колес их табличные значения следует умножить на aWK1
Значения коэффициента
Изложенная методика выбора конструкции зубчатых колес и их элементов не распространяется на зубчатые колеса с поверхностным упрочнением зубьев.
Пример. Выбрать конструкцию и определить размеры элементов литого зубчатого колеса для редуктора со следующими параметрами: aw = 1000 мм; m = 10 мм; z1 = 29; z2 = 147; z∑ = 176; b = 500 мм; ψbа = 0,5; u=5,07; da = 1690 мм; dcm = 660 мм; β = 28°21’27».
Из табл. 3 находим размер толщины обода
Из графика на листе 3, рис. 5 определяем А: при
Из табл. 1 при da > 1200 мм определяем, что зубчатое колесо пятиспицевое с кольцевым ребром жесткости.
Из табл. 2 толщина дисков δ2 = 0,86δо = 0,8·40 = 32 мм, толщина поперечного ребра δр2 = 0,8δ2 = 0,8·32 = 25 мм и т. д.
