Зубчатые механизмы

2 Зубчатые механизмы

2.1 Возможности  по преобразованию вида движения, изменению скорости, достоинства,  недостатки зубчатых механизмов.

 

Зубчатая  передача – это механизм или часть механизма, в состав которого входят зубчатые колёса.

Назначение:

• передача вращательного движения между валами, которые могут иметь параллельные, пересекающиеся и скрещивающиеся оси;
• преобразование вращательного движения в поступательное и наоборот (реечная передача).

Зубчатые механизмы  чаще по сравнению с другими видами механизмов применяются в машиностроении, приборостроении, в технических системах. Они служат для преобразования вращательного движения ведущего звена и передачи моментов сил. При этом усилие от одного элемента к другому передаётся с помощью зубьев. Зубчатое колесо передачи с меньшим числом зубьев называется шестернёй, второе колесо с большим числом зубьев называется колесом. Колесо, к которому вращающий момент подводится извне, называется ведущим, а колесо, с которого момент снимается — ведомым. Если диаметр ведущего колеса меньше, то вращающий момент ведомого колеса увеличивается за счёт пропорционального уменьшения скорости вращения, и наоборот. Пара зубчатых колёс имеющих одинаковое число зубьев в этом случае ведущее зубчатое колесо называется шестернёй, а ведомое — колесом.

Основные достоинства  зубчатых механизмов, определившие их широкое применение, - строго постоянное передаточное отношение, большая передаваемая мощность на единицу массы, компактность, долговечность, высокий к.п.д. Недостаток – сложность изготовления и высокая стоимость.

2.2 Классификация  зубчатых передач; возможности,  достоинства, недостатки разных  видов зубчатых передач. 

Классификация:

• По форме профиля зубьев:

• эвольвентные;
• круговые (передачи Новикова);
• циклоидальные.

• По типу зубьев:

• прямозубые (рис. 2.1, а);
• косозубые (рис. 2.1, б, в);
• шевронные (рис. 2.1, в);
• с круговым зубом (рис. 2.1, ж).

• По числу пар зацепляющихся колес:

• одноступенчатые;
• двухступенчатые;
• многоступенчатые.

• По взаимному расположению осей валов:

• с параллельными осями (цилиндрические передачи с прямыми, косыми и шевронными зубьями) (рис. 2.1, а, б, в);
• с пересекающимися осями (конические передачи рис. 2.1, д);
• со скрещивающимися в пространстве осями (червячные рис. 2.1, з, винтовые рис. 2.1, и).

• По форме начальных поверхностей:

• цилиндрические;
• конические;
• глобоидные;

• По окружной скорости колёс:

• тихоходные (до 3 м/с);
• среднескоростные (3 … 15 м/с);
• быстроходные (свыше 15 м/с).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

д                                   е                                ж

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.1. Виды зубчатых передач

 

• По степени защищенности:

• открытые;
• закрытые.

 

• По относительному вращению колёс и расположению зубьев:

• внутреннее зацепление (вращение колёс в одном направлении) (рис. 2.1, г);
• внешнее зацепление (вращение колёс в противоположном направлении).

• По характеру работы:

• реверсивные;
• нереверсивные.

 

Наибольшее  распространение получили передачи с эвольвентным профилем зубьев. Во-первых, эвольвентное зацепление мало чувствительно  к отклонениям межосевого расстояния, не нарушается правильность зацепления. Во-вторых, профиль зубьев инструмента для нарезания эвольвентных зубчатых колес может быть прямолинейным, сравнительно простое изготовление и контроль инструмента и колес, одним инструментом можно нарезать колеса с разным числом зубьев. Траекторией точки контакта эвольвентных профилей зубьев является прямая линия.

 

Параметры эвольвентного  зубчатого колеса:

• m – модуль колеса, тёмное и светлое колёсо имеют одинаковый модуль. Самый главный параметр, стандартизирован, определяется из прочностного расчёта зубчатых передач. Чем больше нагружена передача, тем выше значение модуля. Через него выражаются все остальные параметры. Модуль измеряется в миллиметрах, вычисляется по формуле:

 

 

• z – число зубьев колеса
• p – шаг зубьев (отмечен фиолетовым цветом)

 

p = s + e

 

• d – диаметр делительной окружности (отмечена жёлтым цветом)

 

d = m* z

 

• d_a – диаметр окружности вершин (отмечена красным цветом)

 

 

• d_b – диаметр основной окружности - эволюты (отмечена зелёным цветом)

 

 

• d_f – диаметр окружности впадин колеса (отмечена синим цветом)

 

 

• h_aP+h_fP – высота зуба тёмного колеса, x+h_aP+h_fP – высота зуба светлого колеса

 

 

Рис. 2.2. Параметры эвольвентного зубчатого колеса

 

Реечная передача (рис. 2.1, к) – один из видов цилиндрической зубчатой передачи, радиус делительной окружности рейки равен бесконечности, применяется для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот. Винтовые и червячные передачи относятся к зубчато-винтовым передачам. Элементы этих передач скользят относительно друг друга.

Прямозубыми называются колеса (передачи), направление каждого зуба которых совпадает с образующей начальной поверхности (цилиндра или конуса). Прямозубые колёса, составляющие около 70% всех колёс (рис. 2.1, а), применяют при невысоких и средних скоростях, когда динамические нагрузки от неточности изготовления невелики, в планетарных, открытых передачах, а также при необходимости осевого перемещения колёс.

Косозубая цилиндрическая передача является усовершенствованным вариантом прямозубой. Зубья колес в таких передачах располагаются под углом к оси вращения, а по форме образуют часть спирали. Косозубые колёса, которых более 30% среди всех цилиндрических колёс,  применяются для ответственных механизмов при средних и высоких скоростях.

Достоинства косозубых передач:

• Зацепление происходит более плавно и равномерно, чем у прямозубых;
• меньший шум при зацеплении.

Недостатки  косозубых передач:

• При работе косозубого колеса возникает механический момент, направленный вдоль оси, что вызывает необходимость применения для установки вала упорных подшипников;
• Увеличение площади трения зубьев (что вызывает дополнительные потери мощности на нагрев), которое компенсируется применением специальных смазок;
• Более сложное изготовление колес по сравнению с прямозубыми.

Колёса с круговыми зубьями.

Передача на основе колёс с круговыми зубьями (Передача Новикова) имеет ещё более высокие ходовые качества, чем косозубые — высокую нагрузочную способность зацепления, высокую плавность и бесшумность работы. Однако они ограничены в применении сниженными, при тех же условиях, КПД и ресурсом работы, такие колёса заметно сложнее в производстве. Линия зубьев у них представляет собой окружность радиуса, подбираемого под определённые требования. Контакт поверхностей зубьев происходит в одной точке на линии зацепления, расположенной параллельно осям колёс.

Двойные косозубые колёса (шевроны) (рис. 2.1, в)

Двойные косозубые  колёса решают проблему осевого момента. Зубья таких колёс изготавливаются  в виде буквы «V» (либо они получаются стыковкой двух косозубых колёс  со встречным расположением зубьев). Осевые моменты обеих половин  такого колеса взаимно компенсируются, поэтому отпадает необходимость в установке осей и валов в специальные подшипники. Передачи, основанные на таких зубчатых колёсах, обычно называют «шевронными».

Конической называется зубчатая передача, предназначенная для передачи и преобразования вращательного движения между звеньями, оси вращения которых пересекаются. По форме линии зуба конические зубчатые передачи различаются на: прямозубые; косозубые; с круговым зубом ( см. рис. 2.1, д, е, ж); с эвольвентной линией зуба; с циклоидальной линией зуба. Как и в цилиндрических, так и в конических зубчатых передачах наиболее часто применяют эвольвентное зацепление. Преимущественно применяют прямозубые конические колеса и только тогда, когда нельзя использовать цилиндрические. Это объясняется большей сложностью изготовления и сборки конических передач. Одно из колес конических передач из-за пересечения осей валов располагается консольно, что создает дополнительные трудности при конструировании опор. Кроме того, валы и опоры нагружаются не только радиальными, но и осевыми силами.

Преимущества  конических передач:  

·     обеспечение возможности передачи и преобразования вращательного движения между звеньями с пересекающимися осями вращения;

·     возможность передачи движения между звеньями с переменным межосевым углом при широком диапазоне его изменения;

·     расширение компоновочных возможностей при разработке сложных зубчатых и комбинированных механизмов.  

Недостатки  конических передач:  

·    более сложная технология изготовления и сборки конических зубчатых колес;

·     большие осевые и изгибные нагрузки на валы, особенно в связи с консольным расположением зубчатых колес.  

Червячная передача (рис. 2.1, з)

Механическая  передача, осуществляющаяся зацеплением  червяка и сопряжённого с ним червячного колеса.

Червяк представляет собой винт со специальной резьбой, в случае эвольвентного профиля  колеса форма профиля резьбы близка к трапецеидальной. На практике применяются  однозаходные, двухзаходные и четырёхзаходные  червяки.

Червячное колесо представляет собой зубчатое колесо. В технологических целях червячное колесо, как правило, изготовляют составленным из двух материалов: венец – из дорогого антифрикционного материала (например из бронзы), а сердечник – из более дешёвых и прочных сталей или чугунов.

Входной и выходной валы передачи скрещиваются, обычно (но не всегда) под прямым углом.

Передача предназначена  для существенного увеличения крутящего  момента и, соответственно, уменьшения угловой скорости. Ведущим звеном является червяк. Червячная передача без смазки и вибрации обладает эффектом самоторможения и является нереверсивной: если приложить момент к ведомому звену (червячному колесу), из-за сил трения передача работать не будет. Передаточные отношения i червячной передачи закладываются в пределах от 8 до 100, а в некоторых приложениях – до 1000.

Достоинства и недостатки червячной передачи:

• Достоинства:
• Плавность работы
• Бесшумность
• Большое передаточное отношение в одной паре
• Самоторможение
• Повышенная кинематическая точность

 

• Недостатки:
• Сравнительно низкий КПД (целесообразно применять при мощностях не более 100 кВт)
• Большие потери на трение (тепловыделение)
• Повышенный износ и склонность к заеданию
• Повышенные требования к точности сборки, необходимость регулировки
• Необходимость специальных мер по интенсификации теплоотвода