3.2. Второй этап эскизной компоновки

В результате выполнения первого этапа эскизной компоновки получены контуры зубчатых или червячных колес и червяков. Следующим шагом является конструктивная отработка их формы.

3.2.1. Конструирование зубчатых, червячных колес и червяков

Зубчатые колеса. Зубчатые колеса состоят из обода, несущего зубья; ступицы, насаживаемой на вал, и диска, соединяющего обод со ступицей. Форма зубчатых колес в большинстве случаев выбирается с учетом способа получения заготовки, материала и размеров колес, а также объема выпуска. В единичном и мелкосерийном производстве зубчатые колеса диаметром d_a до 200 мм изготовляются точением из круглого проката.

Шестерни конструируются двух исполнений: вместе с валом (вал-шестерня; рис. 3.18) и отдельно от него (насадная шестерня).

Если при расчете шпоночного или шлицевого соединения установлено, что толщина x тела шестерни между впадиной зуба и пазом для шпонки или шлица (рис. 3.19) меньше установленной, то шестерня выполняется вместе с валом. Недостатком объединенной конструкции является необходимость изготовлять вал из того же материала, что и шестерню, часто более качественного и дорогого, чем требуется. Кроме того, при замене шестерни, например, вследствие износа или поломки зубьев приходится заменять и вал. Несмотря на это, в редукторах шестерню часто выполняют заодно с валом и даже при толщине, значительно превышающей указанные нормы. Это объясняется большой жесткостью и прочностью, а также технологичностью вала-ш естерни, что в конечном итоге снижает ее стоимость.

К олеса с диаметром вершин зубьев d_a < 200 мм выполняются в виде дисков со ступицами или без них (рис. 3.20, а). Ступица может быть расположена симметрично или несимметрично. Это определятся технологическими или конструктивными условиями. При выполнении колес в виде дисков целесообразно на торцах выполнять выточки глубиной 1...2 мм, чтобы не обрабатывать с повышенной точностью большую торцовую поверхность диска, являющуюся базой при нарезании зубьев.

В ысокоскоростные колеса с диаметром вершин зубьев d_a = 200…500 мм выполняются в виде конструкции, представленной на рисунке 3.20, б. Переходы диска к зубчатому венцу и ступице могут выполняться с уклоном и радиусами или под прямым углом. Размеры конструктивных элементов колес в зависимости от модуля, делительного диаметра и диаметра сопрягаемого вала даны в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Размеры конструктивных элементов зубчатых колес

Параметры	Формулы
Диаметр ступицы стальных колес	dст ≈ 1,6dв
То же, чугунных колес	dст ≈ 1,8dв
Длина ступицы	lст ≈ (1,2…1,5)dв ≤ b
Толщина обода цилиндрических колес	s = (2,5…4,0)mn
Толщина обода конических колес: по внешнему дополнительному конусу; по внутреннему дополнительному конусу;	h = 2,5mte + 2 мм k ≥ 1,2mte
Толщина диска цилиндрических колес	c = (0,2…0,3)b
То же, конических колес	c = (0,1…0,17)Re
Глубина торцовой выточки	n ≈ 1…2 мм
Фаска	f ≈ 0,5mn
О б о з н а ч е н и я: dв – диаметр вала; mn – модуль нормальный; mte – внешний окружной модуль; b – ширина венца; Re – внешнее конусное расстояние.

Червячные колеса. По условиям работы червячной пары зубья червячного колеса должны изготавливаться из антифрикционных материалов (бронза, латунь). Обычно червячные колеса выполняются составными: диск и ступица колеса из стали или из серого чугуна, а венец - из антифрикционного материала. Применяются следующие способы соединения венца с диском.

Б андажированная конструкция, в которой бронзовый венец посажен на стальной или чугунный диск с натягом. Конструкция проста в изготовлении и применяется для колес относительно небольших диаметров, а также для колес передач, не испытывающих тепловые нагрузки Посадочная поверхность выполняется с упорным буртиком (рис. 3.21, а) или без буртика (рис. 3.21, б). При нагреве посадка может ослабнуть вследствие большего температурного коэффициента линейного расширения бронзы, чем чугуна. Для предотвращения взаимного смещения венца и ступицы ввертываются в стыкуемые поверхности 3...4 винта с последующим срезанием головок (рис. 3.21, в). Буртик предназначен для того, чтобы фиксировать относительное положение деталей при запрессовке, но в то же время он уменьшает посадочную поверхность, усложняет конструкцию и технологию. По этим соображениям конструкцию без буртика следует признать предпочтительной. Возможные неточности сборки устраняют последующей обработкой поверхностей после сборки.

Соединение венца с центром можно осуществить посредством литья в кокиль - такая конструкция колес называется биметаллической. Для улучшения сцепления бронзового венца с чугунным центром на ободе последнего выполняют пазы (рис. 3.21, г), заполняемые металлом венца при отливке. Предварительно очищенный центр подогревается до температуры 700... 800°С, закладывается в подогретый до температуры 150...200°С кокиль и заливается бронзой. После остывания между бронзовым венцом и чугунным диском возникает механическое сцепление, обеспечивающее монолитность конструкции.

При любой конфигурации зубчатого венца механическая обработка и нарезание зубьев производятся после соединения венца с центром.

Размеры конструктивных элементов червячных колес следует принимать согласно табл. 3.3

Таблица 3.3

Размеры конструктивных элементов колес

Параметры	Формулы
Диаметр ступицы колес	dст ≈ (1,6…1,8)dв
Длина ступицы	lст ≈ (1,2…1,7)dв
Толщина венца	s = 2m + 0,05b
Толщина обода центра	s0 ≈ 1,25s
Толщина диска	c = (0,2…0,3) b
Высота буртика	t ≈ 0,8e
Ширина буртика	e ≈ 0,15b
Диаметр резьбы	dр = (1,2…1,5)m
Глубина резьбового отверстия	lр = (0,3…0,4)b
Диаметр фрезы, обеспечивающей размер паза	Dфр ≈ 2b
Фаска	f ≈ 0,5 m
О б о з н а ч е н и я : dв – диаметр вала; m – модуль; b – ширина венца.

Червячные колеса, как правило, вращаются с небольшой скоростью, поэтому нерабочие поверхности обода, диска и ступицы колеса оставляют необработанными, но тщательно очищенными и делают конусными с большими радиусами закруглений.

Червяки. Червяки (рис. 3.22) чаще всего выполняются вместе с валом. Геометрические размеры червяка, в том числе длина нарезной части b₁ и ориентировочное расстояние l между опорами, известны из расчетов и эскизного чертежа редуктора. Одним из основных требований является конструктивное обеспечение высокой жесткости червяка. С этой целью расстояние между опорами делается как можно меньшим. Диаметр вала-червяка в ненарезанной части назначается таким, чтобы обеспечить свободный выход инструмента при обработке витков и необходимую величину упорного буртика для подшипника. Заготовкой служит круглый прокат, поковка или штамповка.