Зубчатые передачи

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

Все применяемые здесь и в дальнейшем термины, определения и обозначения, относящиеся к зубчатым передачам, соответствуют ГОСТ 16530–83 «Передачи зубчатые», ГОСТ 16531–83 «Передачи зубчатые цилиндрические» и ГОСТ 19325–73 «Передачи зубчатые конические».

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 расположениюосей 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); повзаимному расположению колес(с внешним и внутренним зацеплением); по изменению частотывращения 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 15м/с, быстроходные при скорости выше 15 м/с); по распо­ложению зубьевотносительно 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.1.52) 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).

Рис. 1.52. Виды зубчатых передач

Зубчатая передача, оси которой расположены под углом 90°, называется ортогональной.

Достоинствозубчатых 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).

Недостаткизубчатых передач: сложность изготовления точных передач, возможность возникновения шума и вибрации 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 необходимыми большую научно-исследовательскую работу по вопросам конструирования и технологии изготовления зубчатых колес и всестороннюю стандартизацию в этой области. В настоящее время стандартизованы термины, определения, обозначения, элементы зубчатых колес и зацеплений, основные параметры передач, расчет геометрии, расчет цилиндрических эвольвентных передач на прочность, 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 u, следовательно:

u= z2/z1.

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 ηз, потери в одной паре подшипников – коэффициентом ηп и потери на перемешивание и разбрызгивание масла – коэффициентом ηм. Общий КПД одноступенчатой закрытой передачи:

η= ηз ηм.

Ориентировочно ηз = 0,96…0,98 (закрытые передачи), ηз = 0,95…0,96 (открытые передачи), ηп= 0,99…0,995 (подшипники качения), ηп = 0,96…0,98 (подшипники скольжения), ηм = 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.