Коническая передача и конические шестерни

Вращательное движение лежит в основе действия множества машин и механизмов, с которыми мы ежедневно сталкиваемся в жизни — от автомобилей и вертолетов до часов и детских игрушек. Довольно часто для того, чтобы нужный элемент конструкции начал вращаться, это движение необходимо не просто передать, а передать, изменив первоначальное направление оси вращения под определенным углом. Эту задачу позволяют решать конические зубчатые передачи. Они, как правило, применяются в комбинированных сложных механизмах, где используется вращательное движение с переменными углами и нагрузками. Например, в ведущих мостах автомобильной техники, в сельскохозяйственных машинах, в конструкции конвейеров и приводах промышленных станков.

Устройство конической передачи

Коническая зубчатая передача представляет собой пару конических шестерен — зубчатых колес, прошедших обработку под заданным углом. После обработки обе шестерни получают изменяемый от основания к вершине диаметр, форму, напоминающую конус, благодаря чему и получили свое название. Зубья шестерен вырезаются на боковой поверхности, при работе конические шестерни сопрягаются боковыми плоскостями. Конические пары в силу особенностей своей конструкции считаются наиболее сложными в изготовлении и сборке. К тому же они имеют не самую высокую несущую способность (например, у конической передачи при прочих равных параметрах она на 15% ниже). Тем не менее в узлах и механизмах, где необходима передача крутящего момента с угловым смещением, альтернативы им нет.

Элемент пары, передающий крутящий момент, называют ведущим (шестерней), а тот, что принимает крутящий момент — зубчатым колесом (ведомым). Результирующий угол изменения направления вращения равен сумме углов обеих конических шестерен. Наиболее часто в машинах и механизмах встречается ортогоническая коническая пара, изменяющая направление вращающего момента под углом 90 градусов (2 х45). Возможности конической передачи не исчерпываются способностью изменять направление оси вращения в широком диапазоне углов. С помощью такой конструкции можно также изменить частоту вращения (число оборотов в минуту) и мощность.

Классификация и параметры конических передач

Параметры, по которым классифицируются конические передачи, делятся на геометрические и механические. К геометрическим относятся линейные размеры и значения углов отдельных элементов деталей, образующих зубчатую пару.

К механическим параметрам конической зубчатой пары относятся следующие:

• форма передачи (чисто конические, конические линейные, цилиндрические конические);
• форма зубьев применяемых шестерен;
• количество ступеней (определяется числом фактически работающих на передачу крутящего момента пар);
• скорость вращения (количество оборотов в единицу времени)*;
• направление пересечения осей (относится к параметрам, заданным проектом);
• нагрузочная способность (рассчитывается при проектировании зубчатой передачи);
• значение передаточного числа (определяется числом зубьев в шестернях и позволяет рассчитать обороты для пары зацепления);
• прочность при изгибе (относится, преимущественно, к валам);
• величина усилия в зацеплении и передаваемая мощность (физические параметры, закладываемые в ТЗ и учитываемые при проектировании зубчатой пары).

* По показателю круговой скорости вращения конические зубчатые передачи подразделяются на три основные группы: тихоходные (вращаются с низкой скоростью, не превышающей 3м/с), среднескоростные (скорость вращения до 15м/с) и высокоскоростные (скорость вращения выше 15м/с).

Если число оборотов в единицу времени у ведущего зубчатого колеса больше, чем у ведомого, передача считается понижающей; если большое число оборотов делает шестерня коническая ведомая, пара признается повышающей. Определить класс зубчатой передачи позволяет также передаточное отношение. У понижающих передач (редукторов) оно меньше единицы, у повышающих (мультипликаторов) — больше единицы.

Классификация по форме линий зубьев: коническая передача может состоять из пары конических шестерен, которые по форме линий зубьев могут быть следующими:

• А. Шестерни конические прямозубые (линия зуба обязательно проходит через вершину делительного конуса);
• Б. Шестерни с криволинейными зубьями;
• В. Шестерни с тангенциальными зубьями;
• Г. Шестерни конические с круговыми зубьями (угол наклона зубьев острый, измеряется между линией самого зуба и касательной к выбранной точке, второе название — линия конуса).

Для решения сложных технических задач применяются также прямозубые конические зубчатые колеса с нарезкой в форме спирали и радиальной нарезкой, шестерни с криволинейными эвольвентными зубьями (поверхность ведущего зуба перекатывается по образующей плоскости ведомого колеса), а также с зубьями циклоидной формы.

Преимущества и недостатки конических зубчатых передач

Конические зубчатые пары позволяют эффективно решать проблему изменения угла передачи крутящего момента. Среди преимуществ данного конструкционного решения выделяют:

• Возможность изменения направления передаваемого движения;
• Широкая сфера применения;
• Угол передачи крутящего момента от ведущего колеса к ведомому может быть задан в широком диапазоне;
• Эффективная реализация передачи, преобразования и увеличения мощности вращательного движения между расположенными под углом друг к другу осями передачи;
• Большой выбор вариантов технического решения при компоновке комбинированных зубчатых систем;
• Высокая передаваемая мощность (до 5000 кВт);
• Нетребовательность в обслуживании, отсутствие проблем при эксплуатации;
• Высокий коэффициент полезного действия (КПД).

Среди недостатков, свойственных коническим передачам, выделяют сложность изготовления зубчатых колес с нужными параметрами, в частности, из-за повышенных требований к точности нарезания зубьев. Отмечают также повышенные осевые нагрузки и нагрузки на изгиб на валы, на которых закреплены зубчатые колеса. Особенно сильно это проявляется в механизмах, где валы расположены консольно. К недостаткам относят также большую, по сравнению с другими типами зубчатых передач, массу, большие затраты на изготовление. При проектировании и производстве систем с изменяемым передаточным числом могут возникнуть трудно разрешимые проблемы, процесс передачи вращения требует регулировки, общая жесткость конструкции повышенная. И, наконец, в числе недостатков отмечают, что несущая способность у пары конических шестерен ниже на 15%, чем у цилиндрической зубчатой передачи, а нагрузочная на 20%.

Изготовление конических зубчатых колес

Главными элементами конической передачи являются зубчатые колеса — ведущее и ведомое. Они изготавливаются, преимущественно, из стали на специализированных станках с использованием нескольких технологических процессов.

Материалы и технологии

Ведущая шестерня должна иметь более высокую прочность, поэтому при изготовлении конических пар для зубчатых колес могут использоваться различные марки стали и разные методы химико-термической и термической обработки. Если для изготовления шестерни используется легированная сталь, она может быть подвергнута поверхностному уплотнению методами цианирования, цементации или азотирования. Зубчатые колеса из углеродистой стали подвергаются поверхностной закалке.

Расчеты и степени точности

В конической паре шестерен зубчатое колесо изначально характеризуется модулем (длина делительной окружности, приходящаяся на один зуб) и числом зубьев. Диаметры впадин и выступов определяют по таблице. Расчету подлежат параметры зуба (толщина, высота и длина) и его элементов — ножки и головки, а также делительный диаметр. Используется коэффициент ширины зубчатого венца, определяется угол наклона косых зубьев. В расчет также принимаются угол профиля, коэффициенты перекрытия и смещения, линии зацепления.

Для конических зубчатых колес приняты четыре степени точности из 12-ти существующих, каждая из которых определяется скоростью передаваемого вращения. Значения разрешенных круговых скоростей следующие:

• не более 3 м/с для девятой степени;
• от 3 до 7 м/с для восьмой степени;
• 7-10 м/с для седьмой;
• до 20 м/с до 6 степени включительно.

Методы изготовления

Операции фрезерования и прорезки зубьев не позволяют достичь требуемой точности, поэтому их обычно дополняют обкаткой. Обкатка представляет собой способ обработки зубчатого колеса, при котором припуск на его боковых поверхностях срезается режущими кромками инструмента непосредственно в процессе главного движения резания заготовки. После обкатки пара помещается на специальный стенд, где производится притирка конических зубчатых колес. И, наконец, финальным этапом является процесс закалки зубьев.

В настоящее время оснащение современных металлообрабатывающих предприятий позволяет изготавливать конические пары любых размеров, видов и технологических профилей. Качество готовой продукции проверяется как визуально, так и в лабораторных условиях с применением передовых методов диагностики и сканирования.