Детали цилиндрических, конических, круглозубых зубчатых передач

Детали цилиндрических, конических и круглозубых зубчатых передач: сфера применения

Среди всего разнообразия зубчатых передач в машиностроении наибольшее распространение получили цилиндрические и конические с эвольвентной системой зацепления зубьев. Их разновидностью является передача Новикова с круговой формой зуба.

Основными деталями, берущими участие в передаче вращательного усилия от ведущего вала на ведомый (или превращения вращательного движения в поступательное), могут быть:

• шестерни внешнего зацепления;

• поворотные сектора;

• зубчатые рейки;

• корончатые колеса внутреннего зацепления;

• валы-шестерни.

Шестерни для передачи вращения между параллельными валами называются цилиндрическими. По форме линии зубьев цилиндрические зубчатые колеса подразделяются на:

• прямозубые;

• косозубые;

• шевронные (зацепы имеют V образную форму).

Форма зуба в деталях классических цилиндрических передач рассчитана на эвольвентную (линейную) систему зацепления, и соответственно, имеет очертания эвольвенты окружности. В шестернях с минимальным количеством зацепов, во избежание подрезания (ослабления) их основания в процессе изготовления (нарезания, накатки), применяются методы улучшения (корригирования) формы зацепа (высотная, угловая коррекция). В результате такого улучшения получаются корригированные зубчатые колеса.

В машиностроении основным материалом для них являются термически обрабатываемые (упрочняемые) стали. Для крупноразмерных открытых тихоходных редукторов иногда применяется серый чугун или высокопрочный магниевый чугун, для слабонагруженных малошумных или химически устойчивых механизмов – пластики, преимущественно текстолит.

Способами обработки зубчатых колес (по ГОСТ) являются:

• нарезание на заготовке фрезерованием;

• накатка долбежным инструментом;

• обработка без снятия стружки (горячая штамповка, горячее накатывание);

• прессование с одновременным спеканием методом порошковой металлургии;

• формовое литье.

Для подачи усилия на валы машин, расположенных под углом друг к другу, применяются зубчатые передачи с коническими шестернями. В современном машиностроении наибольшее распространение получили редукторы с межосевым углом равным 90 град.

Профиль зубьев классических конических шестерен выполнен по той же эвольвентной системе, но в связи с технологическими особенностями и сложностями их изготовления, в реальности является квази-эвольвентным. По форме линии зубьев конические зубчатые колеса различаются на:

• прямозубые;

• тангенциальные;

• криволинейные.

В машиностроении они, как правило, изготовляются из стали или латуни.

Поскольку поверхность конуса не развертывается в плоскую поверхность, методы обработки зубьев для конических шестеренок отличаются от таковых для цилиндрических, и характеризуются более высокой технологической сложностью. Способ копирования фасонного инструмента для них не применим.Для нарезания зубьев на конусе используют способ обкатки с воображаемым производящим колесом.

Для улучшения характеристик эвольвентной системы зацепления советским инженером Л. М. Новиковым в 1954 году предложена иная, точечная система контакта зацепами измененной круговой формы. Особенностью передачи Новикова является различный вид зацепов в колесной зубчатой паре – выпуклые округлые зубья на одном колесе (неважно, на ведущем или ведомом), и округлые выемки на втором. Иная система контакта привела к значительному увеличению нагрузочной стойкости (до 2,5 раз), в сравнении с эвольвентой. Система Новикова применяются как в цилиндрических (с параллельными осями) так и конических (с пересекающимися осями валов) редукторах.

Особенностью изготовления круглозубых деталей (методом фрезерования) является необходимость применения разного инструмента для изготовления каждого колеса в зубчатой паре.

Как форма зацепа влияет на технические характеристики и применение?

Наиболее широко применяемыми в машиностроении являются цилиндрические шестерни с зубьями эвольвентного профиля (прямозубые, косозубые, шевронные). Сферой их применения является все разнообразие редукторов с параллельными осями, в которых производится подача вращательного движения с ведущего вала на ведомый, с изменением (преобразованием) угловых скоростей и моментов вращения.

Прямозубые цилиндрические шестерни эвольвентной системы обладают рядом неоспоримых преимуществ:

• они просты в изготовлении, дешевы в производстве;

• имеют малое пятно контакта и относительно слабый нагрев, что позволяет снизить требования к системам смазки;

• отсутствие осевых нагрузок, что позволяет применение дешевых радиальных шарикоподшипников.

Но малая площадь линейного контакта и относительно большая высота зуба стают причиной их главных недостатков – сравнительно низкой нагрузочной стойкости (не позволяет передавать очень большие мощности), а также значительной шумности и вибрации в механизмах.

Для устранения недостатков прямозубых шестерен применяют их косозубые варианты. Но в свою очередь, применение косозубых шестеренок вызывает появление осевых нагрузок на валах редукторов, что требует установки более дорогих упорных шарикоподшипников. Недостатки уже косозубых шестеренчатых пар призваны решить самоцентрирующиеся шевронные колеса. Но в свою очередь, они уже гораздо более сложные в изготовлении и дорогие в производстве.

В механизмах с изменением направления усилия, конические зубчатые передачи демонстрируют наивысший КПД (0,95-0,96) и техническую надежность (в сравнении с червячными). Другими ее преимуществами являются:

• преобразование вращения в механизмах с пересекающимися осями;

• возможность применения в механизмах с переменным межосевым углом;

• расширение возможностей компоновки сложных комбинированных механизмов.

Но коническая пара имеет и свои недостатки, к которым относятся

• более высокая сложность изготовления деталей;

• значительные осевые нагрузки и усилия на изгиб редукторных валов;

• относительная сложность компоновки и сборки редукторов.

В машиностроении сферой применения конических пар являются машины и механизмы, где по условиям компоновки необходимо передать (и преобразовать) усилие между пересекающимися осями валов.

Комбинация круговых зацепов и круговых выемок в колесной зубчатой паре системы Новикова обладает двумя главными преимуществами (над эвольвентной системой зацепления):

• значительно большей площадью контакта;

• высокой нагрузочной стойкостью более прочных зацепов улучшенной формы.

Но большая площадь контакта в зацеплении приводит к значительному нагреву механизма на высоких скоростях вращения. Также передача Новикова гораздо более чувствительна к нарушению межосевого расстояния в шестеренчатой паре. Потому сферой ее применения, как правило, являются высоконагруженные, но тихоходные машины и механизмы.

В целом зубчатые передачи обладают значительной универсальностью и широтой сфер применения. Грамотным подбором профиля, линии зубьев, формы шестерен, материалов и технологии их изготовления можно добиться очень широкого спектра характеристик в разнообразных машинах и механизмах.