Зубчатые передачи

Зубчатой передачей называется механизм, служащий для передачи вращательного движения с одного вала на другой и изменения частоты вращения посредством зубчатых колес и реек.

В большин­стве случаев зубчатая передача служит для передачи вра­щательного движения. В некоторых механизмах зубчатую передачу применяют для преобразования вращательного движения в поступательное (или наоборот).

Зубчатые передачи — наиболее распространенный тип передач в современном машиностроении и приборострое­нии; их применяют в широком диапазоне скоростей (до 100 м/с), мощностей (до десятков тысяч киловатт) и переда­точных чисел (более десяти в одной паре).

Достоинства зубчатых передач по срав­нению с другими видами передач:

а) постоянство передаточного числа;

б) высокая нагрузочная способность;

в) высокий КПД (до 0,97—0,99 для одной пары колес);

г) малые габаритные размеры по сравнению с другими видами передач при равных условиях;

д) большая долговечность и надежность в работе, про­стота обслуживание) сравнительно малые нагрузки на валы и опоры;

ж) компактность передач.

Недостатки зубчатых передач:

а) невозможность бесступенчатого изменения передаточ­ного числа;

б) высокие требования к точности изготовления и мон­тажа;

в) шум при больших скоростях;

г) плохие амортизирующие свойства (что отрицательно влияет на компенсацию динамических нагрузок);

я) громоздкость при больших расстояниях между осями ведущего и ведомого валов;

е) потребность в специальном оборудовании и инстру­менте для нарезания зубьев;

ж) зубчатая передача не предохраняет машину от воз­можных опасных перегрузок.

Зубчатые передачи и колеса классифицируют по следующим признакам

а) по взаимному расположению осей колес:

- с парал­лельными осями (цилиндрические, рис. 3.1, а, б, в, д);

- с пе­ресекающимися (конические, рис. 3.1, ж, з, и);

- со скрещи­вающимися (винтовые, рис. 3.1, е, к);

б) в зависимости от относительного вращения колес и расположения зубьев

- передача с внешним зацеплением;

- передача с внутренним зацеплением;

- реечная передача

в) по форме профиля

- эвольвентные зубья

- неэвольвентные зубья

г) по расположению зубьев относительно образующих колес

- прямозубые;

- косозубые;

- шевронные и винтовые;

д) по конструктивному оформлению

- открытые;

- за­крытые;

е) по окружной скорости

- тихоходные (до 3 м/с)

- для средних скоростей (3—15 м/с)

- быстроходные (свыше 15 м/с);

Из перечисленных выше зубчатых передач наиболь­шее распространение получили цилиндрические прямозубые и косозубые передачи, как наиболее простые в изготовлении и эксплуатации. Конические передачи применяют в тех случаях, когда это необходимо по условиям компоновки машины; винтовые — лишь в специальных случаях.

В зависимости от получения заготовки подразде­ляют зубчатые колеса на литые, кованые или штампованные, изготовленные механической обработкой, сварные.

Зубчатые колеса, у которых диаметр впадин незначи­тельно превышает диаметр вала в месте посадки зубчатого колеса, изготовляют за одно целое с валом. Такую конст­рукцию называют валом-шестерней. В остальных случаях зубчатое колесо выполняется отдельно и на­саживается на вал.

Колеса диаметром меньше 400 мм имеют форму диска с выточками или без выточек. Чаще всего эти колеса изготовляют из поковок. Колеса диаметром более 400—500 мм изготовляют со спицами различного сечения.

При конструировании колеса наиболее важным требова­нием является жесткость. Основные соотношения элементов зубчатых колес в зависимости от их конструкции приве­дены в справочниках.

Материалы

Для экономии высокопрочных дорогостоящих материа­лов изготовляют сборные конструкции — бандажированные колеса. В этом случае зубчатый венец колеса изго­товляют из качественной стали, а центральную часть (ступи­цу) делают из менее дорогого материала (например, чугуна).

Для изготовления зубчатых колес применяют:

а) сталь углеродистую обыкновенного качества марок Ст5, Ст6;

качественную сталь марок 35, 40, 45, 50, 55;

легированную сталь марок 12ХНЗА, 30ХГС, 40Х, 35Х, 40ХН, 50Г;

стальное литье 35Л, 45Л, 55Л.

б) белый чугун марок СЧ 12-28, СЧ 15-32, СЧ 18-36, СЧ 21-40, СЧ 28-48, СЧ 36-56;

высококачественный чугун марок ВЧ 50-2, ВЧ 60-2, ВЧ 45-5.

ВИДЫ РАЗРУШЕНИЙ ЗУБЬЕВ

Правильно спроектированная и изготовленная пе­редача при выполнении всех правил эксплуатации не должна перегреваться и производить сильный шум при ра­боте. Появление значительного перегрева и чрезмерного шума свидетельствует о недостатках в работе передачи, связанных с ее конструкцией, изготовлением, неправиль­ным выбором смазки или возможными повреждениями зубьев.

Наблюдаются следующие виды разрушения зубьев:

- поломка зубьев

- выкрашивание рабочих поверхностей

- износ зубьев

- заедание зубьев.

Поломка зубьев. Этот вид разрушения зубьев пол­ностью выводит из строя передачу. Поломка чаще наблю­дается у основания зуба вследствие периодиче­ского действия переменной нагрузки, а также в результате значительной кратковременной перегрузки (ударной на­грузки). Если зуб работает одной стороной, то перво­начальная трещина, как правила, образуется в зоне растяжения. Трещина рас­пространяется вдоль ос­нования ножки зуба, а иногда к вершине или по ка­кой-то рабочей части зуба. Долговечность зубьев можно повысить, увеличив прочность основания зуба

Выкрашивание рабо­чих поверхностей зубьев. Этот вид повреждения зубьев нару­шает нормальную работу пере­дачи, но полностью не выводит ее из строя. Чаще наблю­дается в закрытых передачах, работающих с обильной смаз­кой. Выкрашивание поверхности зубьев возникает на нож­ках зубьев колес вблизи полюсной линии. Смазка, которая заходит в микротрещины, находясь под воздействием внешнего давления (при работе передачи), расклинивает трещины. Повторяясь, такие действия при­водят к откалыванию части металла. Диаметр ямок выкрашивания (оспинок) доходит до 2—5 мм. Уста­новлено, что чем тверже поверхности зубьев и чем меньше шероховатость поверхностей зубьев, тем большую нагрузку они могут выдерживать без опасности возникновения вы­крашивания. Более вязкое масло способно лучше гасить динамические нагрузки на зубья и тем самым уменьшать выкрашивание поверхности зубьев.

В открытых передачах выкрашивание наблюдается очень редко, так как поверхностный слой, в котором возникают начальные трещины, истирается раньше, чем в нем успе­вает произойти усталостное выкрашивание.

Износ зубьев. Чаще наблюдается в открытых пере­дачах, реже в закрытых. Износ зубьев заключается в истиранни рабочих поверхностей вследствие попада­ния в зону зацепления металлических частиц, пыли, грязи (абразивный износ). Износ может начаться из-за недоста­точно гладкой поверхности у новой передачи и продолжаться до сглаживания неровностей.

Заедание зубьев. Наблюдается как в открытых, так и в закрытых тихоходных, тяжело нагруженных переда­чах. Этот вид повреждения зубьев заключается в том, что под действием высоких давлений в зоне раздавленной мас­ляной пленки сопряженные поверхности зубьев сцепляются одна с другой настолько сильно, что частицы с поверхности зубьев отрываются и прихватываются к поверхности зубьев парного колеса; при последующем относительном движении зубьев эти частицы отрываются и делают на поверхности борозды, задиры.

Правильно спроектированные передачи должны быть рассчитаны так, чтобы любая из возможных причин повреждения зубьев была исключена. В соответствии с этим расчетным путем проверяют выносливость рабочих поверх­ностей (контактная и изгибная прочность зубьев). Обще­принятой методики расчета зубьев на износ и заедание в на­стоящее время нет. Открытые передачи рассчитывают только на изгиб, закрытые — на контактную прочность, и прове­ряют зубья на изгиб.