Передачи с неэвольвентным профилем

Существуют и альтернативные эвольвентной системе зацепления передачи. К ним можно отнести зацепление Новикова и арочные передачи. В зацеплении Новикова уменьшены следующие недостатки эвольвентного зацепления:

-малые приведенные радиусы кривизны рабочих поверхностей; - повышенная в связи с линейным контактом зубьев чувствительность к перекосам; - потери на трение в зацеплении в связи с существенным скольжением. Арочные передачиобладают следующими преимуществами по сравнению с эвольвентными: - малая чувствительность к перекосу осей; - повышение прочности зубьев на изгиб. Существуют также треугольные зубчатые зацепления.

Рисунок 10 Исходный контур передачи Новикова

Краткие сведения о методах изготовления зубчатых колес, их конструкциях, материалах

Существуют следующие способы изготовления зубчатых колес (обработки зубьев):

- литье (без последующей механической обработки зубьев), для современных машин этот способ применяют редко;

- накатка зубьев на заготовке (также без последующей их обработки);

- нарезание зубьев (т. е. зубья получаются в процессе механической обработки заготовки).

Способ изготовления зубчатых колес выбирают в зависимости от их на­значения и по технологическим соображениям.

Для отдельных конструкций машин в массовом производстве применяют способ накатки зубьев. Возможны также штамповка, протягивание и. т. д. В этом случае форма инструмента повторяет очертания впадины зубьев). В большинстве же случаев зубчатые колеса изготовляют нарезанием.

Зубья нарезают, как правило, методами копирования и обкатки. Копирование заключается в прорезании впадин между зубьями с помощью тисковой (рис. 2) или пальцевой (рис. 3) фрезы.

Рис. 2. Нарезание зубьев методом копирования дисковой фрезой

Рис. 3. Нарезание зубьев пальцевой фрезой

Обработка зубьев по методу обкатки производится инструментами очертаниями, отличными от очертаний нарезаемых зубьев, долбяком (рис.4 - зуб наружного зацепления, рис.5 - зуб внутреннего зацепления), червячной фрезой (рис.6) или инструментальной рейкой (рис.7):

Достоинством метода обкатки (огибания) является то, что он позволяет одним и тем же инструментом изготовлять колеса с зубьями различное формы. Изменяя относительное расположение инструмента и заготовки на станке, можно получать зубья различной формы и толщины (передачи со смещением).

Обкатка по сравнению со способом копирования обеспечивает большую точность и производительность.

Рис.4. Нарезание зубьев наружного зацепления.

Рис.5. Нарезание зубьев внутреннего зацепления

Рис.6. Нарезание зубьев червячной фрезой

Рис.7. Нарезание зубьев инструментальной рейкой

Рис.8. Нарезание зубьев конического колеса

Для достижения высокой точности и малой шероховатости поверхности зубьев после нарезания производится их отделка.

Способы отделки зубьев:

- шлифование - производится методом копирования или обкатки шлифовальным кругом;

- шевингование - выполняется специальным инструментом шевер-шестерней или шевер-рейкой (обкатывая обрабатываемое колесо, шевер отделывает зубья до требуемых точности и шероховатости поверхности);

- притирка - производится с помощью специального чугунного колеса (притира), находящегося в зацеплении с обрабатываемым колесом.

В зависимости от способа получения заготовки зубчатые колеса подразделяют на литые (рис.9), кованые или штампованные, изготовленные механической обработкой (рис. 10), сварные (рис.11).

Рис. 9. Литое зубчатое колесо

Рис. 10. Кованое или штампованное

Рис. 11. Сварное зубчатое колесо колесо, механически обработанное

Зубчатые колеса, у которых диаметр впадин незначительно превышает диаметр вала в месте посадки зубчатого колеса, изготовляют за одно целое с валом. Такую конструкцию (рис. 12) называют валом-шестерней. В остальных случаях зубчатое колесо выполняется отдельно, после чего насаживается на вал.

Рис. 12. Вал-шестерня

Колеса диаметром меньше 400 мм имеют форму диска с выточками (см. рис.9) или без выточек. Чаще всего эти колеса изготовляют из поко­вок. Колеса диаметром более 400-500 мм изготовляют со спицами (рис.13) различного сечения.

Рис. 13. Зубчатое колесо со спицами

При конструировании колеса наиболее важным требованием является его жесткость. Основные соотношения элементов зубчатых колес в зависимости от их конструкции приведены в специальных справочниках.

Для экономии высокопрочных дорогостоящих материалов изготовляют сборные конструкции - бандажированные колеса (рис. 14). В этом случае зубчатый венец колеса изготовляют из качественной стали, а центральную часть делают из менее дорогого материала (например, чугуна).

Рис. 14. Зубчатый венец бандажированного колеса

Для изготовления зубчатых колес применяют следующие материалы:

- сталь углеродистую обыкновенного качества марок Ст5, Ст6; качесвенную сталь марок 35, 40, 45, 50, 55; легированную сталь марок 12ХНЗА, 30ХГС, 40Х, 35Х, 40ХН, 50Г; сталь 35Л, 45Л, 55Л;

- серый чугун марок СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ40, высококачественный чугун марок ВЧ50-2, ВЧ45-5;

- неметаллические материалы (текстолит марок ПТК, ПТ, ПТ-1, лигнофоль, бакелит, капрон и др.).

Практикой эксплуатации и специальными исследованиями установлено, что нагрузка, допускаемая по контактной прочности зубьев, определяется в основном твердостью материала. Высокую твердость в сочетании с другими характеристиками, а следовательно, малые габариты и массу передачи можно получить при изготовлении зубчатых колес из сталей, подвергнутых термообработке. Сталь в настоящее время — основной материал для изготовления зубчатых колес и в особенности для зубчатых колес высоконагруженных передач (табл.1).

Таблица 1. Механические свойства сталей

Марка стали	Термообработка	Толщина или диаметр, мм	Твердость		, МПа	, МПа
			поверхности (НВ) или HRC	сердцевины (НВ) или HRC
Ст. 5	Горячекатанный	-	-	-	500…640	260… 290
45	нормализация улучшение улучшение и закалка объем	Любая 80/125 50/80 до (20) 50	-	180 – 206 235 – 262 268 – 302 230 - 260	600 780 890 820 (920)	320 540 650 640 (730)
20Х	Нормализ. Ц. 3.0.2000С	До 100 До 60	180 56…60	- -	480 650	220 400
18Х ГТ	Ц. 3.0.2000С Ц. 3.0.1800С	Образцы до 160	- 58…62	- > (240)	1000 1000	900 800
25Х ГТ	Ц. 3.0.2000С Ц. 3.0.1900С	Образцы до 40	- 58…62	- 30…45	1300 -	1000 -
12ХНЗА	Ц. 3.0.1800С Ц. 3.0.2000С	15 до 100	58…63 56…62	(300) (250)	950 850	700 600
25Х ГМ	Н. 3.0.2000С Ц. 3.0.1900С	Образцы 40…75	- 58…61	- > (250)	1200 -	1100 -
40Х	Нормализа. улучшение Улучшение У+3 ТВЧ 3.0.5600С 3.0.2000С	до 100 до 200 до 125 до 125 25 до 20	(170…220) - - 45…50 - -	- (235…260) (270…300) (270…300) - > 46	600 790 900 900 1000 1600	350 640 750 750 800 1300
40Х Н	Нормализ. улучшение Улучшение 3. 0. 6500С 3. 0. 1700С 3. 0. 2200С	до 700 200/315 125/200 25 до 40 до 500	- - - - > 46 48…54	- - (270…300) - - -	630 800 920 1000 1600 -	330 630 750 800 1400 -
35ХГСА	3. 0. 6500С 3. 0. 2400С 3. ТВЧ 0. 2000С	до 100 до 30 до 100	- 44…52 > 48	(250…300) > 44 -	800 1700 -	650 1500 -
38Х2МЮА	3. 0. 6400С Азотирован.	30 -	- 850…1000	- -	1000 -	850 -

Таблица 2

	Твердость	Материал	Замечания
Улучшение (закалка до малой твердости)	НB =260-300	Ст.40 Ст.45 Cт.40X Ст.45Х и др.	Окончательная на­резка зубьев после термообработки во избежание коробления
Закалка	HRC =40-50	Ст.40Х Ст.40ХН и др.	Необходима шлифовка зубьев по профили для устранения ко­робления
Цементация и за­калка	HRC = 56-63	Ст.20Х Ст.18ХГТ Ст.12ХНЗА Ст.20ХНЗА Ст.18ХНЗА	Окончательная обра­ботка зубьев до термообработки. Коробление невелико.
Закалка ТВЧ	НRC = 50-60	Ст. 45 Ст.40Х	Только для крупных шестерен с модулем >8

Основная теорема зубчатого зацепления. Понятия о линии и полюсе зацепления. Профилирование зубьев

Для обеспечения нормальной работы пары зубчатых колес с постоянным передаточным числом профили зубьев должны быть очерчены по кривым, подчиняющимся определенным законам. Эти законы вытекают из основной теоремы зацепления, сущность которой заключается в следующем.

Пусть имеется пара зубчатых колес с центрами О₁ и О₂, вращающихся соответственно с угловыми скоростями. На рис.18, а показаны сложения, которые последовательно занимает пара сопряженных (эвольвентных) зубьев в процессе их зацепления; прямую О₁О₂ называют межосевой линией зубчатой передачи. Проведем в точках касания зубьев К₁, К₂, К₃, ... общие нормали к профилям. Все эти нормали NN должны пересекать межосевую линию О₁О₂ в постоянной точке Р. Эту точку называют полюсом зацепления; ее положение на межосевой линии определяется отношением угловых скоростей колес, т. е. их отношением:

Основную теорему зацепления можно сформулировать так: общая нормаль к профилям зубьев в точке их касания пересекает межосевую линию в точке Р, называемой полюсом зацепления и делящей межосевое расстояние на отрезки, обратно пропорционально угловым скоростям.

Следствие: для обеспечения постоянного передаточного отношения положение полюса Р на линии центров должно быть постоянным.

В процессе работы сопряженных (эвольвентных) профилей точка их касания все время перемещается по прямой NN. Эту прямую называют линией зацепления.

Место (точку) входа в зацепление и выхода из него сопряженных зубьев можно определить при следующем геометрическом построении.

Возьмем произвольное межосевое расстояние О₁О₂ (рис.18, г) и разделим его в произвольном отношении. Радиусами О₂Р и O₁P проведем начальные окружности зубчатых колес через точку Р, касательную ТТ к этим окружностям и линию NN — нормаль к боковым поверхностям зубьев — под углом и касательной ТТ. Угол называют углом зацепления.

а) б)

Рис. 18. Элементы зубчатого зацепления

Примем произвольную высоту головки зубьев и проведем окружности выступов зубчатых колес (высота головки зуба шестерни и колеса должна быть одинаковой). При направлении вращения колес, указанном на рисунке, зубья войдут в зацепление в точке А (точке пересечения нормали с окружностью выступов колеса) и выйду: из зацепления в точке В (точке пересечения нормали с окружностью выступов шестерни).

Все точки касания сопряженных зубьев будут лежать на участке АВ линии зацепления. Участок АВ называется рабочим участком линии зацепления.

Необходимое условие непрерывности зацепления: дуга зацепления должна быть больше шага. В противном случае при выходе из зацепления одной пары зубьев вторая пара еще не войдет.

Коэффициент торцового перекрытия — отношение длины линии зацепления к шагу:

Рис. 19. Геометрические параметры зубчатой передачи

Полюс зацепления Р (см. рис. 18, б) сохраняет неизменное положение на линии центров О₁О₂. Следовательно, радиусы О₁P (r₁) и О₁P (r₁) также неизменны. Окружности радиусов r₁ и r₂ называют начальными (делительными). При вращении зубчатых колес эти окружности перекатываются одна по другой без скольжения, о чем свидетельствует равенство их окружных скоростей (см. доказательство основной теоремы зацепления). Теоретически боковые поверхности зубьев (профили) могут быть очерчены любыми кривыми, удовлетворяющими основному закону зубчатого зацепления. Такие профили называют сопряженными.

В современном машиностроении для построения сопряженных профилей применяют ограниченное число кривых.

Профили зубьев должны быть технологичными, т.е. такими, чтобы их можно было получить в производственных условиях наиболее простыми методами. Из теоретически возможных профилей преимущественное применение получили эвольвентные профили (см. рис. 18, б), так как такие профили проще обработать и они обладают большими преимуществами. Эвольвентное зацепление предложено Эйлером более 200 лет назад. Это зацепление по сравнению с другими имеет следующие преимущества: при изменении межосевого расстояния не нарушается правильность их зацепления (не изменяется передаточное число); это зацепление может быть использовано и в сменных колесах.

В зацеплении М.Л. Новикова рабочие профили зубьев очерчены дугами окружностей (рис. 20, 21). По сравнению с эвольвентными передачами зацепления Новикова могут при одних и тех же габаритных размерах передавать в 1,5-2 раза большую мощность. Ввиду сложности изготовления и монтажа передачи с зацеплением Новикова пока нашли применение только в специальном машиностроении.

Рис. 20. Колесо с зацеплением М. Л. Новикова

Рис. 21. Кинематика зацепления зубчатых колес

Рис.22