4. Зубчатые передачи

В зубчатой передаче движение передают с помощью зацепления пары зубчатых колес. Меньшее зубчатое колесо принято называть шестерней, большее – колесом. Термин "зубчатое колесо" относят как к шестерне, так и к колесу.

Достоинства зубчатых передач:

1.Относительно малые размеры и масса зубчатых колес при высокой нагрузочной способности и надежности.

2. Высокий КПД (97–98 %).

3. Возможность использования зубчатых передач в большом диапазоне нагрузок (окружные силы от близких к нулю в приборных механизмах до 1000 кН в приводах прокатных станов).

4. Возможность применения в широком диапазоне скоростей (окружные скорости от близких к нулю в системах перемещения телескопов до 250 м/с в приводе несущего винта вертолета).

5. Сравнительно малые нагрузки на валы и подшипники.

6. Постоянство среднего значения передаточного числа.

7. Простота обслуживания.

Недостатки:

1. Необходимость высокой точности изготовления и монтажа.

2. Шум при работе передачи. Шум обусловлен переменным значением мгновенного передаточного числа в пределах одного оборота.

Зубья колес получают нарезанием или накатыванием.

Зубчатые передачи применяют в широком диапазоне областей и условий работы: в часах, приборах, коробках передач автомобилей, тракторов, других транспортных и дорожно-строительных машин, механизмах подъема и поворота кранов, коробках скоростей станков, приводах прокатных станов, конвейеров и др.

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».

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).

Наиболее распространен эвольвентный профиль зуба, предложенный Эйлером в 1760 г. Он обладает рядом существенных технологических и эксплуатационных преиму­ществ. Круговой профиль зуба предложен М.Л.Новиковым в 1954 г. По сравнению с эвольвентным он позволяет повысить нагрузку передач.

Также существуют передачи с гибкими зубчатыми колесами – волновые.

Основные виды зубчатых передач представлены на рис. 4.1.

-

и

е

в

г

д

з

ж

к

а

б

Рис. 4.1. Основные виды зубчатых передач: 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

Зубчатые передачи подразделяют по геометрическим парамет­рам на цилиндрические с внешним или внутренним зацеплением и конические.

Цилиндрические передачи с внешним и внутренним зацеплением представлены на (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Цилиндрические передачи с внешним и внутренним зацеплением

Линии пересечения боковых поверхностей зубьев с любой кру­говой цилиндрической поверхностью, соосной с начальной, назы­вают линиями зубьев. Если линии зубьев параллельны оси зубчатого колеса, то его называют прямозубым (рис. 4.2, а). Если эти линии винтовые постоянного шага, то зубчатое колесо называют косозубые (рис. 4.2, б). С увеличением угла β наклона зуба повышается нагрузочная способность передачи, но возрастает осевая сила, дей­ствующая на валы и опоры. Обычно (β = 8...20°).

Разновидность косозубых зубчатых колес – шевронные колеса: без канавки (рис. 4.2, в) и с канавкой для выхода инструмента (рис. 4.2, г). Вследствие противоположного направления зубьев на полушевронах осевые силы взаимно уравновешены на колесе и не нагружают опоры. Обычно β = 25 ... 40°.

Точку W касания начальных окружностей d_w1 шестерни и d_w2 колеса называют полюсом зацепления.

Для простоты изложения будем здесь рассматриваются передачи без смещения, для зубчатых колес которых диаметры d_w начальные и d делительные совпадают: d₁ = d_w1, d₂ = d_w2. Однако в обозначении межо­севого расстояния для общности изложения индекс _w сохраним: a_w.

Расстояние между одноименными точками профилей соседних зубьев, измеренное в сечении, нормальном линиям зубьев, называют нормальным шагом р. Отношение р/π называют модулем и обозначают m.

Модуль является основной характеристикой размеров зубьев. Мо­дуль измеряют в мм и назначают из стандартного ряда:... 2; 2,5; 3; 4 ....

Запишем основные параметры зубчатой передачи через пара­метры зубчатых колес:

передаточное число с учетом того, что d = mz,

и = n₁ / n₂ = d₂ /d₁ = z₂ /z₁.

Межосевое расстояние для передач с внешним зацеплением а_w= 0,5(d₂ +d₁) и с внутренним а_w= 0,5(d₂ – d₁).

Значения а_w принимают из ряда предпочтительных чисел R_a40.

Обычно ширина b₂ зубчатого колеса меньше ширины шестерни. В расчетах используют отношение ψ_ba = b₂/ а_w , которое называют коэффици­ентом Ширины. Значения ψ_ba стандартизованы: 0,1; 0,125; 0,16; 0,2; 0,25; 0,315; 0,4; 0,5; 0,63; 0,8.

Конические зубчатые передачи передают механическую энер­гию между валами с пересекающимися осями. Обычно ∑ = 90° (рис. 4.3, а). Зацепление конических зубчатых колес можно рас­сматривать как качение делительных круговых конусов шестерни и колеса. Основные характеристики: углы делительных конусов δ₁ и δ₂, внешнее конусное расстояние R_e.

Линии пересечения боковых поверхностей зубьев с делитель­ной конической поверхностью называют линиями зубьев. В зависи­мости от формы линии зуба различают передачи с прямыми зубьями (рис. 4.3, б), у которых линии зубьев проходят через вершину дели­тельного конуса, и с круговыми зубьями (рис. 4.3, в), линии зубьев которых являются дугами окружности d₀ .

Конические колеса с круговыми зубьями характеризуют накло­ном линии зуба в среднем сечении по ширине зубчатого венца. Угол β_n наклона – острый угол между касательной в данной точке к ли­нии зуба и образующей делительного конуса (рис. 4.3, в). Подробнее конические передачи рассматриваются ниже.

Разновидностью конических передач являются гипоидные пе­редачи, у которых оси вращения зубчатых колес не пересекаются, а перекрещиваются.

Рис. 4.3. Коническая передача