Зубчатое колесо

Основу конструкции любого механизма составляют детали, призванные передать механическое усилие от мотора на рабочий орган. В зависимости от принципа действия как правило различают несколько вариантов подобных передач: клиноременные, фрикционные или червячные. Но очень большое распространение в технике получили зубчатые передачи.

Подобные механизмы в простейшем случае применяющие сопрягаемую пару, включающую ведущую шестерню и колесо зубчатое. Благодаря зубчатой форме поверхности такие элементы входят в зацепление между собой и благодаря этому передают вращение с одного вала на другой. Помимо возможности передать механическую мощность, такая передача может гарантировать изменение частоты вращения выходного вала, относительно входного. Благодаря подобным свойствам, фактически в любом промышленном механическом устройстве встречается редуктор, понижающий частота вращения или мультипликатор, наоборот увеличивающий ее. В очень сложных механизмах, называемых по другому коробках передач, группа зубчатых колес способна выполнить ступенчатое изменение скорости.

Большое распространение зубчатые передачи получили благодаря большой надежности и способности передавать момент в огромном диапазоне нагрузок и частот вращения. При этом конструкция подобных механизмов выделяется относительной обычностью и компактностью. Зубчатые передачи не предъявляют больших требований к обслуживанию и отличаются большим служебным сроком.

Вместе с очевидными плюсами, этим механизмам свойствен и ряд определенных минусов. В отличии от остальных типов передач, они более сложны в изготовлении, просят более большой точности обработки и использования специального обрабатывающего оборудования. Выбор материалов для зубчатых колес должен обеспечить сопротивляемость существенным механическим стараниям. Высокая жесткость, реализуемая зубчатой передачей, содействует минимизации потерь при передаче механической энергии. КПД подобных механизмов приближаются к полным значениям. Однако при этом конструкция не дает возможность одолевать большие значения динамической нагрузки, что нередко приводит к разрушению механизма. Дополнительным отрицательным событием, возникающим во время работы зубчатой пары, становится шум. Его уровень напрямую связан скоростью вращения механизма и зависит от качества изготовления колес.

Виды зубчатых колес

Само наименование зубчатой передачи отображает ее конструкцию. В простейшем случае в состав подобного механизма входят два крутящихся диска, на поверхности сбоку, которых сделаны зубья. Во время работы эти зубья зацепляются между собой. Колесо, которое связано с источником вращающего момента, увлекает за собой второе. В конце концов ведомый вал начинает вращаться.

В зависимости от направления энергопередачи применяются разнообразные определения зубчатых колес. Компонент, к которому присоединен двигательный вал, именуется ведущим зубчатым колесом. В понижающих передачах оно отличается маленьким диаметром и малым числом зубьев. В технической литературе такой элемент иногда называют шестерней. Сопрягаемое с ней колесо крупного диаметра с огромным числом зубьев именуется ведомым. Вал этого колеса применяется для передачи мощности на рабочий орган механизма исполнения. Более непростые виды передач применяют приличное количество зубчатых колес. К примеру, данные устройства применяются для реализации возможности отбора мощности от одного вала на несколько устройств или переключения частот вращения.

Большие технические особенности передачи и разные направления использования стали причиной созданию огромного числа вариантов зубчатых колес. Наиболее обычными и популярными из них являются цилиндрические прямозубые колеса. Зуб такой детали находится на поверхности сбоку колеса, параллельно оси. Второе колесо механической передачи имеет подобную геометрию. Оси двух колес должны находиться параллельно, на строго заданном расстоянии. Высокая технологичность изготовления данного типа деталей содействует массовому использованию прямозубых передач в самых разнообразных промышленных отраслях.

Из плохих качеств необходимо отметить только низкий максимальный момент. В трудных условиях работы применяют остальные виды зубчатых колес. Путём изменения геометрии зацепления, такие передачи обладают усовершенствованными качествами. К примеру, для передач очень высокой мощности проектируют косозубые колеса. В них ось зуба расположена под угол к оси вращения, благодаря чему достигается большая территория контакта сопрягаемых деталей. В механизмах, отличающихся сверхтяжелыми нагрузками, используют шевронные модели. Зацепление в такой передаче делается на основании V-образных зубьев, чем обеспечивается прекрасное распределение нагрузки. Еще 1 вид зуба, именуемый, круговым или криволинейным, делается в виде дуги. Он обеспечивает усовершенствованные механичные характеристики, но достаточно трудоемок в изготовлении, по этому большого распространения не получил.

Профиль или поперечное сечение зуба в механических передачах может быть фактически любым. Можно встретить варианты с треугольным, трапециевидным, прямоугольным или круглым профилем. Всем им, не обращая внимания на простоту изготовления, характерны минусы, которые связаны с неравномерностью зацепления. По этому, в современных механических передачах, профиль очень часто делается эвольвентным. Он собой представляет непростую кривую, обеспечивающую гарантированное качество зацепления, не зависимо от углового положения некоторых деталей и как последствие постоянство передаточного отношения. Данный профиль показывает идеальные характеристики и сравнительно прост в изготовлении.

Помимо вида и профиля зуба, принято выделять и место его расположения. В зависимости от назначения, детали зацепления могут быть размещены на внешней или внутренней части колеса. Также встречаются колеса с расположением зацепляющихся компонентов со стороны торцевой части. Аналогичные шестерни называют корончатыми. Сфера их использования достаточно узка, по этому встречаются они практически нечасто. Намного большое использование получили передачи конусообразного типа. Детали зацепления в подобных механизмах сделаны на поверхности усеченного конуса. Результирующее расположение конусообразных шестерен предполагает различное положение их осей в пространстве.

Еще 1 вид зубчатой передачи используется в механизмах, преобразующих круговое движение в возвратно-поступательное. Общее наименование данных устройств — рейка-шестерня.

Ведущий компонент такой передачи сделан в виде обыкновенного зубчатого колеса. Ведомая деталь собой представляет планку, с нанесёнными на одной из граней, зубьями. Вращение шестерни приводит к продольному перемещению планки. Аналогичные передачи очень популярны в станочном оборудовании.

С зубчатыми колесами часто сравнивают звездочки цепных передач. Похожая форма деталей приводит к путанице. В действительности цепная передача имеет иной рабочий принцип, а конструкция звездочки рассчитывается по своим формулам.

Редкие модели

В общем случае считается, что зубчатое колесо должно иметь форму в виде цилиндра. Но можно встретить модели и некруглого типа. Главной их спецификой считается переменое передаточное отношение, зависящее от поворотного угла детали. Сегодня разработаны модели треугольной и в форме квадрата, а еще эллиптические шестерни. При систематическом вращении ведущего вала данные модели предоставляют неравномерную скорость выходного. Высокая сложность изготовления и ограниченная область использования не дали аналогичным конструкциям большого распространения. Но все таки, сейчас встречаются некоторые устройства, в составе которых можно повстречать некруглые шестерни. Примером послужат редукторы отдельных насосов или нестандартные приборы для измерений.

Конструкция зубчатого колеса

Не обращая внимания на кажущуюся легкость, в технике принято выделять несколько некоторых частей зубчатого колеса. Как и любое другое колесо, зубчатый вариант в собственной основе имеет диск нужного диаметра. Главной частью считается обод, на боковой или торцевой поверхности которого сделаны зубья. Все разом они образовывают говоря иначе венец зубчатого колеса. Геометрия зубьев различна у различных типов зубчатой передачи. Сам зуб условно разбивается на пару частей. Внешняя часть именуется вершиной. Прилегающие к ней боковые поверхности называются головки зуба. Внутренняя часть называется ножкой зуба. Две соседние ножки образовывают впадину зубчатого колеса.

Для крепежа на валу механизма в самом центре диска делается ступица со сквозным отверстием. Форма отверстия зависит от геометрии сечения вала и может быть цилиндрической, прямоугольной или многоугольной. Во время использования цилиндрических валов, в ступице в большинстве случаев выполняют шпоночный паз.

С целью снижения веса толщина диска колеса делается в большинстве случаев меньше, чем толщина ступицы или обода. Также для этого в теле диска могут находится окна разной формы.

Важные параметры

Для обеспечения подвижности и работоспособности, конструкция некоторых деталей механической передачи должна быть согласована по размеру и геометрии. Для этого при описании аналогичных устройств применяют систему специализированных показателей. Сюда входят геометрические, массогабаритные и прочностные величины, закрепленные стандартами. Использование типовых показателей позволяет очень легко делать расчет унифицированных зубчатых передач и обеспечивает гарантированное соединение всех изделий между собой. Естественно, что для различных вариантов, параметры будут немного разниться. Дальше рассматриваются термины, которые связаны с конструкцией эвольвентного цилиндрического колеса. Данные параметры, в большинстве своём, описывают главные характеристики и иных вариантов колес.

В основе сечения зуба множества шестерен лежит эвольвентный профиль, который выходит на основе одноимённой кривой. Его использование легко стандартизируется, отличается большой технологичностью изготовления и невысокими требованиями к качеству сборки механизма. Ключевыми параметры эвольвентного зубчатого колеса считаются модуль зацепления и кол-во зубьев зубчатого колеса. При одном и том же наружном диаметре деталей значения данных величин могут значительно различаться в разнообразных вариантах конструкции.

Число зубьев определяет показатель передачи и геометрические размеры зубьев. На ведущем колесе редуктора оно делается меньшим, чем на ведомом. В конце концов один обычный оборот ведущей шестерни приводит к повороту ведомого колеса исключительно на конкретный угол. Отношение числа зубьев 2-ух колес даёт значение передаточного коэффициента. Размеры зубьев определяются как отношение их количества к длине окружности колеса. С целью упрощения расчетов и гарантированого обеспечения зацепления между различными колесами, предусматривается дополнительный параметр, именуемый модулем зацепления. Любые шестерни с одинаковым модулем предоставляют взаимное действие между собой и могут применяться для построения механизмов, без повторной обработки.

Сумма ширины зуба и впадины вместе дают шаг зубчатого колеса. Взяв во внимание неравномерность профиля по радиусу и зависимость длины дуги от диаметра, в каждом колесе можно определить безграничное число значений данного параметра. С целью стандартизации принято рассматривать шаг по делительной окружности, именуемый также окружным шагом. Отношение этого шага к числу пи даёт модуль зацепления. В большинстве случаев для описания шестерен применяют угловой шаг, измеряемый в градусах. Стандартами учтены и несколько иных угловых величин. К примеру, для упрощения настройки оборудования во время изготовления колес рассматривают угловую ширину зуба и угловую ширину впадины. Определяются они тоже на основе делительной окружности.

Диаметры окружностей

Рассмотрение геометрии зубчатых пар невозможно без определения диаметров. На любой детали их выделяется несколько. Большое распространение имеет диаметр окружности по выступам, порой именуемый диаметром вершин. Он определяет самые большие размеры диска колеса. Его противоположностью считается диаметр окружности впадин. Разница данных величин, поделенная надвое, даёт полную длину зуба. Но такой параметр в чистом виде не применяется. При расчетах принято выделять высоту головки и ножки зуба. Граница, отделяющая два данных понятия, именуется делительной окружностью зубчатого колеса. Диаметр этой окружности создает роль опорного параметра при расчетах геометрии, так как собственно по ней устанавливается окружной шаг и модуль зацепления. Еще 1 диаметральный параметр, именуемый ключевой окружностью, описывает теоретическую кривую, которая считается базой при построении эвольвенты. Диаметр ключевой окружности применяется для построения определенного профиля зуба.

Модуль зубчатого колеса

Многофункциональным понятием, дающим возможность определить геометрические параметры деталей, выступает модуль зубчатой передачи. Его значение равно длине дуги в миллиметрах, приходящейся на один зуб колеса. Определенное значение устанавливается по делительной окружности. Ее численно выбирают аналогичным образом, что бы значение модуля совпадало с одним из обще-принятых значений, отыскать которые можно в специализированной литературе. В отечественной практике обычные модули зубчатых колес нормированы в ГОСТ 9563-60. Во время проектирования шестерен в большинстве случаев задаются значением данного параметра, а от него легко рассчитают все очень много остальных. Отправными данными для определения необходимого модуля зубчатого колеса выступают расчеты прочности, призванные обеспечить необходимую мощность механической передачи.

Модуль зубчатого колеса связан с большим набором производных показателей. Применяя несложные формулы расчета и значение нужного числа зубьев, можно получить окружной шаг, диаметры верши и впадин, толщину зуба и ширину впадины по делительной окружности.

В зарубежной литературе подобием нашего модуля выступает питч. По собственной сущности это обратная к модулю зацепления величина, приведенная к дюймовой системе измерений. Подобно для питчей разработаны специализированные таблицы, содержащие нормированные значения параметра.

Расчет показателей

Расчет показателей зубчатых колес выполняют комплексно, для всей передачи. Необходимость расчета отдельного колеса появляется только в ходе ремонта оборудования с малоизвестными данными. Расчет начинают с определения необходимого числа зубьев и модуля зацепления. Для того чтобы выяснить значение модуля, заранее проводят расчеты на крепость, исходя из служебного срока и материала который для него выбран грядущего механизма. Также на данном шаге рассчитывают межосевое расстояние между колесами. На основе полученных данных выносливости зубьев вычисляется минимально допустимая величина модуля зацепления. Определенное его значение подбирается на основе таблиц, приведенных в справочниках. Дальше, применяя нужное передаточное отношение, выполняется вычисление числа зубьев на сопрягаемых колесах.

При известном модуле зацепления и количестве зубьев шестерни и колеса, доступно произвести вычисление геометрических размеров некоторых деталей. Главные диаметры и профиль зуба передачи рассчитываются с применением несложных арифметических действий. Непростые операции понадобятся исключительно для ограниченного числа показателей. Для цилиндрического прямозубого колеса тригонометрические функции содержат только формулы расчета делительного диаметра. Во время проектирования остальных типов зубчатых колес, применяют тот же математический аппарат, что и для прямозубых, но с добавкой расчетов, учитывающих иную геометрию деталей. Результаты расчетов применяют для построения чертежей будущих шестерен, а еще при вычислении показателей редукторов.

Последним шагом расчета зубчатой передачи становится финальная проверка механизма на крепость. Если результаты данных рассчетов ложатся в принятые нормы, то полученные значения величин можно применять для изготовления готового механизма. В другом случае может понадобится выполнить новый расчет, изменив исходники, к примеру, расширить геометрические размеры, либо заменить вид зубчатой передачи или кол-во ступенек редуктора.

Использование

Замечательные свойства зубчатых передач нашли отражение в большом спектре применений. Во многих промышленных механизмах применяются редукторы, призванные уменьшить число оборотов вращения вала мотора, для передачи на технологическое оборудование. Кроме изменения скорости, данное устройство также повышает механический момент. В конце концов маломощный мотор с высокой скоростью вращения, способен приводить в движение медлительный и нелегкий механизм.

С целью уменьшения габаритов редуктора его часто выполняют многоступенчатым. Очень много зубчатых колес входят в методичное зацепление между собой, обеспечивая большое передаточное число. Традиционным примером такого приспособления являются обыкновенные механичные часы. Благодаря большому количеству собственно выбранных передач, скорости движения секундной, минутной и часовой стрелок друг от друга отличаются ровно в 60 раз.

Зубчатые передачи дают возможность осуществить и функцию регулирования скорости. Для этого используются сменяемые комплекты колес, имеющих одинаковое межосевое расстояние и различное передаточное отношение.

Меняя один набор на другой, можно получить разнообразные скорости выходного вала. Этот рабочий принцип лег в основу коробок переключения передач, часто применяемых в машиностроении, станкостроении и остальных отраслях.

Простое зубчатое колесо допускает использование и для увеличения скорости выходного вала относительно входного. В общем случае для этого довольно развернуть редуктор или заменить местами места подключения мотора и конечного механизма. Именуется такое устройство мультипликатор. Из свойств его использования очень важно понимать запас по мощности мотора, сопоставимый с передаточным числом механизма.

Зубчатые колеса применяются также для изменения направления движения. Две цилиндрические шестерни с одинаковым числом зубьев реализуют функцию смены направления вращения вала. Передачи конусообразной или корончатой конструкции используются при необходимости смены положения оси в пространстве. Ведущая и ведомая шестерни в подобных механизмах развернуты относительно друг друга на какой-нибудь угол, значение которого достигает 90 градусов. При этом передаточное отношение часто равно единице, что обеспечивает одинаковые скорости валов.

Вместе с обычными вариантами передач, содержащих зубчатые колеса, разработаны несколько специализированных моделей. С целью снижения материалоемкости, в механизмах с ограниченным углом поворота, применяют лишь часть зубчатого колеса. Такой раздел, обладая всеми ключевыми качествами зубчатого зацепления, выделяется очень низкой массой и ценой.

Еще 1 вариант, именуемый планетарной передачей, также отличается небольшим весом и размерами. При этом устройство обеспечивает большое значение передаточного числа и очень низкий параметр шума во время работы. Конструктивно такая передача имеет несколько шестерен, имеющих разную степень свободы. Благодаря этому механизм может не только передавать вращение, но и слаживать или выделять угловые скорости различных валов, присутствующих на одной оси. Сегодня разработано много вариантов планетарных передач, выделяющихся типом и обоюдным расположением зубчатых колес. Планетарные передачи повсеместно используются в автомобильной и авиационной технике, тяжёлом металлорежущем оборудовании. Из минусов, сдерживающих распространение передач этого типа, необходимо отметить невысокий КПД и высокие конструктивные требования к правильности изготовления некоторых деталей.

Если вы нашли погрешность, пожалуйста, выдилите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.