Зубчатые передачи

В настоящее время в агрегатах используются механические передачи нескольких различных видов. Самый распространенный вариант соединения движущихся деталей машин – зубчатые передачи, обеспечивающие повышенную надежность, стабильность передаточного числа и высокий КПД. При этом данный вид передач отличается компактностью, удобством, простотой эксплуатации и ремонтопригодностью.

Благодаря повсеместному применению, производство зубчатых передач различных типов не теряет своей значимости, продолжая сохранять актуальность из года в год.

Конструктивные особенности и принцип действия

Зубчатая передача представляет собой механизм, в котором двигательная энергия между валами передается посредством взаимодействия колес с зубьями и реек.

Колесо на передающем вращение валу называется ведущим, а на том, что получает энергию – ведомым. При этом более крупная деталь пары именуется собственно колесом, а меньшая – шестерней. Всю конструкцию нередко называют колесной парой.

Взаимодействие элементов тандема заключается в том, что головка зуба колеса входит во впадину шестерни, заставляя тем самым ее вращаться. Как правило, вращение последней происходит в направлении, противоположном движению колеса.

Между элементами предусмотрен минимальный зазор, что позволяет выполнять смазку, улучшая вращение и предотвращая заклинивание.

Практическое применение

С развитием промышленности, разнообразное применение зубчатая передача получила в самых разных отраслях: от крупногабаритных агрегатов (электротурбины) до небольших бытовых приборов (часы и различные средства измерений).

Среди крупнейших потребителей колесных пар:

• машиностроение (ДВС);
• добывающая отрасль (буровое оборудование);
• металлургия.

Не менее активно используют подобные элементы и при создании бытовых приборов различного назначения. Одним из простых и ярких примеров можно считать часовой механизм, приводящийся в действие именно колесными парами.

Классификация

Все многообразие колесных пар специалисты разделяют по различным признакам на несколько групп.

По взаиморасположению элементов

В данной категории выделяются такие виды зубчатых передач как:

• цилиндрическая (колеса в них находятся параллельно по отношению друг другу);
• коническая (с перекрещивающимися валами и, соответственно, деталями тандема);
• зубчато-винтовая (при скрещивающимся расположении элементов).

Первые используются наиболее широко, а их изготовление требует наименьших временных и финансовых затрат.

Детали конических передач по форме напоминают усеченный конус, и соприкасаются друг с другом боковыми сторонами. Это увеличивает площадь взаимодействующих поверхностей. Однако такая конструкция имеет большую чувствительность к погрешностям, и не способна выдерживать слишком большие нагрузки. Поэтому ее нередко используют в машинах и агрегатах, где есть другие типы зубчато-колесных механизмов.

Что касается зубчато-винтового типа, второе его название – червячный хорошо передает особенности соединения, которое состоит из червяка (винта) и колеса. К его достоинствам относят плавный ход, практическую бесшумность, большое передаточное отношение и способность к самоторможению.

По форме зуба

Зацепления в колесных связках отличаются по виду и профилю зубьев. На сегодняшний день известны:

• Зубчатые передачи эвольвентного зацепления. При таком варианте профили выступающих элементов колеса и шестерни очерчены по эвольвенте окружности. Это дает возможность сохранять стабильность передаваемой энергии при взаимодействии деталей.
• Циклоидальное. В нем профили зубьев очерчены по участкам циклоид. Достоинства этого вида – компактность в сочетании со способностью выдерживать усиленные нагрузки, плавность хода.
• Круговые (передача Новикова). Данный вид предполагает перемещение площадки контакта зубьев вдоль профиля зуба. Это обеспечивает более высокие значения передаточных чисел и возможность использовать даже при максимальных нагрузках.

Чаще всего, в механизмах применяются передачи с эвольвентным вариантом зацепления, что обусловлено достаточной простотой их изготовления, монтажа и эксплуатации. Циклоидальные и круговые передачи, в свою очередь, требуют больших затрат на производство, стоят дороже, но и позволяют обеспечить улучшенный функционал механизмов.

По расположению зубьев

По своему расположению зубья колеса и шестерни передачи бывают:

• Прямыми. Востребованы там, где необходимо передать крутящий момент с не очень большой и средней нагрузкой. Устанавливаются в механизмах с необходимостью смещения колес вдоль оси вала во время рабочего процесса.
• Косыми. Этот вариант позволяет повысить плавность вращения колес в тандеме.
• Шевронными – в виде «в елочку», сформированной из двух рядов косых зубьев.

Изготовление первого варианта деталей требует меньших финансовых и временных затрат, что снижает их стоимость и делает наиболее востребованными. Однако второй и третий вариант обладают рядом неоспоримых достоинств, которые позволяют комплектовать ими наиболее ответственные механизмы, работающие в условиях повышенных нагрузок.

Другие варианты классификации

Помимо особенностей взаиморасположения элементов в колесной паре, форм и расположения зубьев на них, передачи также классифицируются по:

• Конструкции (открытые и закрытые). Вторые могут работать только при постоянном наличии смазки, первые функционируют на сухом ходу.
• Окружной скорости (тихоходные – до 3 м/с; средние – от 3 до 15 м/с; быстроходные – свыше 15 м/с).
• Числу ступеней (одно- и многоступенчатые).
• Точности зацепления (существует 12 степеней, однако чаще всего используют с 6 по 10).

Кроме того, различают силовые зубчатые передачи и кинематические (не силовые). Первые передают вращающий момент и их размеры зависят от прочности зубьев. Вторые же практически не передают нагрузку, а их габариты определяются конструктивными особенностями.

Основные параметры

При изготовлении и применении колесных пар важное значение имеют параметры их составляющих. К основным параметрам относятся:

• Делительная окружность. Это те части элементов, которые соприкасаются между собой и катятся одна по другой без скольжения.
• Шаг – расстояние между профильными поверхностями соседних зубьев.
• Модуль (длина делительной окружности).
• Высота делительной головки.
• Диаметр окружности в районе вершин и на точках впадин зубьев.

Эти и другие параметры зубчатой передачи в обязательном порядке отображаются на чертежах. Их выбор зависит от назначения механизма, в котором будет использована зубчатая передача.

Большинство параметров инженеры рассчитывают во время проектирования, другие используют в готовом виде, выбирая их по специальным утвержденным таблицам.

Изготовление зубчатых передач

Среди основных требований к зубчатым передачам, независимо от их вида и предназначения – надежность при работе на любых скоростях и при различных нагрузках. Поэтому изготовление колесных пар является ответственным процессом. Состоит он из нескольких этапов, каждый из которых напрямую влияет на качество готовых изделий.

Материал изготовления

Сырьем, чаще всего используемым для создания элементов зубчатых передач, является сталь. При этом, для повышения прочности металл могут подвергать термической обработке, либо легировать, добавляя дополнительные элементы. Как правило, при изготовлении колесных пар используют:

• углеродистую сталь обыкновенного качества;
• высококачественные марки;
• легированные стали.

Наряду со стальными заготовками, в производстве зубчатых передач применяется и серый чугун. Этот сплав хорошо подходит для создания тихоходных крупногабаритных зубчатых передач с открытым типом конструкции. К плюсам чугуна относят нетребовательность к смазке, и способность деталей хорошо притираться друг к другу.

Также в производстве нередко используют бронзу, латунь, капролон, текстолит, различные пластики и формальдегиды.

Широко распространена практика, при которой для элементов используются разные по прочности металлы. Так, и колеса, и шестерни могут изготавливаться из стали. Но при этом металл для изготовления одной из составляющих пройдет более сильную термообработку и получит повышенную прочность.

Используемое оборудование

На всех предприятиях, которые изготавливают зубчатые передачи, цеха оснащаются современными устройствами, способствующими повышению эффективности процесса и точности нарезки колес. С их помощью можно быстро заготавливать не только цилиндрические колеса и шестерни, но и элементы червячного, шевронного, косозубого типа.

Большим плюсом высокотехнологичных станков последнего поколения является то, что заготовки на них можно располагать вертикально и максимально правильно нарезать зубья необходимой формы даже на колесах диаметром не превышающем 12 мм.

Максимальную точность изготовления колес до 75 модуля обеспечивают пальцевые фрезы, до 40 модуля – дисковые и до 30 модуля – червячные. Все эти варианты фрез также имеются на большей части оборудования.

Помимо станков с вертикальным расположением заготовок, на предприятиях используется оборудование и с горизонтальным вариантом установки элементов. На них обрабатываются колеса с косыми, прямыми и шевронными зубьями.

Также на предприятиях можно встретить станки, работающие долбяком-шестерней. Однако такое оборудование не позволяет добиться высокой точности, не отличается универсальностью и считается малопроизводительным.

Подготовка чертежей

Создание колесных пар начинается с подготовки чертежей. При проектировании учитываются виды зубчатых передач и их применение, условия планируемой эксплуатации механизма, расположение тандема в узле и возможные нагрузки на него.

От правильности составления чертежа во многом зависит конечный результат – качество изделия и длительность его эксплуатации. Поэтому в схемах в мельчайших подробностях инженеры отражают все особенности геометрии колес, их размеры и другие важные параметры.

При расчетах проектировщикам приходится учитывать не только условия заказчика, но и требования целого ряда стандартов. Для этого инженеры составляют таблицы и строят графики, рассчитывая значения по формулам с учетом всех коэффициентов. Алгоритм расчетов может состоять из нескольких десятков последовательных действий.

В настоящее время большинство чертежей выполняется при помощи компьютерных программ, что позволяет значительно снизить риск возникновения ошибок при расчетах.

Как правило, готовый чертеж отображает две проекции детали (фронтальный и боковой слева), но в некоторых случаях могут потребоваться и другие ракурсы изображений. Это особенно актуально для зубчатых передач, устройство которых имеет повышенную сложность и требует максимальной точности при нарезке зубьев и состыковке элементов пары.

Процесс производства

На основе схем и таблиц, подготовленных проектировщиками, в производственных цехах, для начала, создаются заготовки. Они представляют собой диски определенной толщины с прорезью для шпонки в середине. Для их изготовления могут использоваться два различных метода: литье или штамповка. В ряде случаев также может применяться технология нарезания.

В дальнейшем заготовки подвергаются дополнительной обработке, в ходе которой на них формируются зубья необходимых размеров и типа.

Нарезка также может осуществляться по различным технологиям:

1. Копирование. Представляет собой процесс фрезерования. Впадины между зубьями детали в этом случае формируются при помощи дисковых, модульных или концевых фрез. После формирования очередной впадины, заготовка поворачивается на один шаг и процесс повторяется. Расстояние каждого шага равно зубу колеса. Главная особенность технологии заключается в том, что форма режущего инструмента повторяет контур впадины.
2. Обкатка заготовок зубчатых передач – этап изготовления, предусматривающий имитацию зацепления зубчатой пары, одним из элементов которой является червячная фреза. Вместо нее также могут быть использованы долбяки и гребенки.

С помощью червячной фрезы изготавливают колеса с внешним расположением зубьев, с помощью долбяков – с внутренним. А гребенки позволяют нарезать прямые и косые зубья с большим модулем зацепления.

Обкатка считается самым часто используемым методом изготовления зубчатых колес на сегодняшний день.

Помимо нарезки, в массовом производстве зубчатых передач активно используется такой метод обработки заготовок, как горячее накатывание зубьев. Заключается он в том, что венец заготовки нагревается при помощи высокочастотного тока, а затем обкатывается между колесами-накатниками. В процессе такой накатки на колесе выдавливаются выемки, и формируются зубья.

После накатки детали проходят дополнительную механическую обработку, либо подвергаются процессу холодного накатывания – калибровке.

Стандарты изготовления зубчатых передач

И классификация зубчатых передач, и их параметры регулируются рядом различных ГОСТов. При этом точность заготовок может устанавливаться для различных отраслей и даже разных предприятий индивидуально, в зависимости от технологических особенностей колесных пар.

Все современные нормативы разделяются на те, что устанавливают стандарты на:

• используемое сырье;
• геометрию и пропорции отдельных элементов;
• готовые узлы и агрегаты, в конструкции которых присутствуют зубчатые передачи.

Согласно стандартам, качественные системы должны соответствовать следующим требованиям:

• сохранять неизменность передаточного отношения;
• обеспечивать стабильную передачу нагрузки от одного элемента к другому;
• иметь зазоры, предупреждающие заклинивание зубьев.

Дополнительно, с учетом назначения механизмов могут быть регламентированы и другие параметры кинематики зубчатых передач и их отдельных элементов. По каждому пункту есть максимально допустимые погрешности, превышение которых может привести к быстрому износу системы и остановке всего механизма.