Зубчатые передачи

Зубчатой передачей называется трехзвенный механизм, в котором два подвижных зубчатых звена образуют с неподвижным звеном I 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.

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 распиложению 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.1) 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, что будет пояснено далее).

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 КПД (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 стоящее время стандартизованы термины, определения, обозначения, элементы зубчатых колес и зацеплений, основные параметры передач, расчет геометрии, расчет цилиндрических эвольвентных передач на точность, 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,

u=z₁/z₂

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

u=ω₁/ω₂

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 η₃ потери в одной паре подшипников — коэффициентом η _П и потери на перемеши­вание и разбрызгивание масла — коэффициентом η_м. Общий КПД одно­ступенчатой закрытой передачи

η= η₃ η_п² η_м

Ориентировочно η₃ = 0,96...0,98 (закрытые передачи), η₃ = 0,95...0,96 (откры­тые передачи), η_n = 0,99...0,995 (подшипники качения), η_п = 0,96...0,98 (подшипники скольжения), η_м= 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.

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.

В зависимости от твердости активных поверхностей зубьев стальные Колеса делятся на две группы, а именно: колеса с твердостью Н ≤ 350 НВ, зубья которых хорошо прирабатываются; колеса с твердостью Н > 350 НВ, зубья которых прирабатываются плохо, а при твердости активных поверхностей обоих колес Н ≥ HRC_э полагаются неприрабатывающимися. Кроме способности к приработке эти группы различны по техноло­гии механической обработки, а также по нагрузочной способности.

Колеса первой группы, изготовляемые из средне- и высокоуглеродистых сталей, подвергают нормализации или улучшению; чистовое наре­зание зубьев производят после термообработки и применения отделочных операций не требуется. Эти технологические преимущества колес первой группы обеспечивают их широкое применение при единичном или мел­косерийном производстве мало- и средненагруженных передач, а также передач с крупногабаритными колесами.

Колеса второй группы изготовляют из легированных сталей, подвергаемых различным видам термической и химико-термической обработки (цементация, объемная или поверхностная закалка, азотирование, циани­рование, нитроцементация) и применяют для быстроходных и высоконагруженных передач.

Зубья колес второй группы нарезают до термической обработки, при которой происходит коробление зубьев и снижение точности зубчатого венца. Для исправления формы зубьев требуются дорогостоящие отде­лочные операции (шлифовка, обкатка, притирка зубьев и др.), поэтому колеса с зубьями высокой твердости применяют в изделиях крупносерий­ного и массового производства. При прочих равных условиях масса колес второй группы в 3—4 раза меньше, чем первой.

Для изготовления тихоходных, преимущественно открытых передач, ра­ботающих с окружной скоростью до 3 м/с, применяют серые, модифициро­ванные и высокопрочные чугуны, обладающие хорошими литейными свойст­вами, низкой стоимостью при минимальных отходах материала в стружку.

Нагрузочная способность зубчатых колес из неметаллических мате­риалов значительно ниже, чем стальных, поэтому их используют в слабонагруженных передачах, к габаритам которых не предъявляется жестких условий, но требуется снижение шума и вибраций, самосмазываемость или химическая стойкость. Зубчатые колеса из неметаллических материа­лов чаще всего используют в паре с металлическими. Для изготовления неметаллических колес применяют текстолит, древеснослоистые пласти­ки, капрон, нейлон и др.

При выборе материалов и назначении их термообработки необходи­мо учитывать, что зуб шестерни в и (передаточное число) раз чаще вхо­дит в зацепление, чем зуб колеса. Поэтому для стальных колес первой группы в целях выравнивания долговечности и улучшения прирабатываемости следует твердость активных поверхностей зубьев шестерни де­лать большей, чем у колеса, причем рекомендуется иметь Н_1ср – Н_2ср ≥ 20.

Для изготовления шестерни и колеса первой группы целесообразно использовать сталь одной марки, а разность твердости обеспечивать за счет термообработки.

Для колес с неприрабатывающимися зубьями обеспечивать разность твердостей зубьев шестерни и колеса не требуется.