11 Проектирование зубчато-ременных передач
В
этой передаче на внутренней стороне
плоского ремня образованы выступы
(зубья) трапецеидальной формы, а на
шкиве ‑
соответствующие впадины. Таким образом,
передача работает по принципу зацепления,
а не трения. К ременным передачам она
относится условно только по названию
и конструкции тягового органа. По
принципу работы она ближе к цепным
передачам. Принцип зацепления устраняет
скольжение и необходимость в большом
предварительном натяжении, что повышает
КПД передачи. Здесь уменьшается влияние
угла обхвата и межосевого расстояния
на тяговую способность, что позволяет
значительно снизить габариты передачи
и увеличить передаточное отношение.
Эластичная связь и упругость зубьев
(вместо жестких шарнирных связей цепи)
устраняют шум и динамические нагрузки.
Использование принципа зубчатого ремня предложено давно, но его практическое применение оказалось возможным только с появлением новых материалов — пластмасс. Ремень изготовляют из эластичной маслостойкой резины или пластмассы и армируют стальными проволочными тросами или полиамидным кордом.
Первое применение передача зубчатыми ремнями получила в станкостроении. Этой отраслью промышленности разработаны отраслевой стандарт на конструкцию ремней и шкивов, а также рекомендации по расчету передачи.
Зубчатые ремни. Они сочетают преимущества плоских ремней и зубчатых зацеплений. На рабочей поверхности ремней делают выступы (зубья), которые входят в зацепление с выступами (зубьями) на шкивах. Зубчатые ремни устанавливают без предварительного натяжения. Они работают бесшумно без проскальзывания и имеют постоянное передаточное отношение. По сравнению с обыкновенной ременной передачей трением зубчатоременные значительно компактнее и имеют более высокий КПД.
Материалы и конструкция шкивов. Шкивы ременных передач изготовляют из чугуна, стали, легких сплавов, пластмасс и дерева. Наружная часть шкива, на которой устанавливают ремень (ремни), называется ободом, а центральная часть, насаживаемая на вал, называется ступицей. Обод со ступицей соединяется диском или спицами.
Проектирование зубчатых передачи с цилиндрическими колёсами
Принцип действия и классификация
Принцип действия зубчатой передачи основан на зацеплении пары зубчатых колес.
Классификация:
По расположению осей валов различают:
- передачи с параллельными осями, которые выполняют с цилиндрическими колесами внешнего или внутреннего зацепления;
- передачи с пересекающимися осями ‑ конические колеса;
- передачи с перекрещивающимися осями — цилиндрические винтовые, конические гипоидные.
- передачи между зубчатым колесом и рейкой.
По расположению зубьев на колесах различают передачи:
- прямозубые
- косозубые.
По форме профиля зуба различают эвольвентные и круговые.
Основные преимущества зубчатых передач:
- высокая нагрузочная способность и, как следствие, малые габариты;
- большая долговечность и надежность работы;
- высокий КПД. (до 0,97...0,98 в одной ступени);
- постоянство передаточного отношения;
- возможность применения в широком диапазоне скоростей (до 150 м/с), мощностей (до десятков тысяч кВт) и передаточных отношений (до нескольких сотен и даже тысяч).
Основные недостатки:
- повышенные требования к точности изготовления;
- шум при больших скоростях;
- высокая жесткость, не позволяющая компенсировать динамические нагрузки.
Из всех перечисленных выше разновидностей зубчатых передач наибольшее распространение имеют передачи с цилиндрическими колесами, как наиболее простые в изготовлении и эксплуатации, надежные и малогабаритные. Конические и винтовые передачи применяют лишь в тех случаях, когда это необходимо по условиям компоновки машины.
Основные геометрические параметры прямозубых колёс
Все понятия и термины, относящиеся к геометрии и кинематике зубчатых передач, стандартизованы. Стандарты устанавливают термины, определения и обозначения, а также методы расчета геометрических параметров.
Основные параметры.
Меньшее из пары зубчатых колес называют шестерней, а большее ‑ колесом. Параметрам шестерни приписывают индекс 1, а параметрам колеса ‑ 2.
Кроме того, различают индексы, относящиеся:
w ‑ к начальной поверхности или окружности;
b ‑ к основной поверхности или окружности;
а ‑ к поверхности или окружности вершин и головок зубьев;
f ‑ к поверхности или окружности впадин и ножек зубьев.
Параметрам, относящимся к делительной поверхности или окружности, дополнительного индекса не приписывают.
Геометрические параметры:
и 
‑ число
зубьев шестерни и колеса;
‑ угол профиля делительный (равный углу профиля исходного контура), по ГОСТ 3755-81, = 20°;
‑ делительный
окружной шаг зубьев (равный шагу исходной
зубчатой рейки);
‑ основной
окружной шаг зубьев;
‑ окружной
модуль зубьев;
Модули стандартизованы (ГОСТ 9563-80) в диапазоне 0,05...100 мм
‑ делительный
диаметр (диаметр окружности, по которой
обкатывается инструмент при нарезании);
‑ основной
диаметр (диаметр окружности, разверткой
которой являются эвольвенты зубьев);
и
‑ начальные
диаметры (диаметры окружностей, по
которым пара зубчатых колес обкатывается
в процессе вращения):
,
.
‑ угол
зацепления или угол профиля начальный.
.
-
межосевое расстояние;
При нарезании
колес со смещением делительная плоскость
рейки смещается к центру или от центра
заготовки на
;
‑ коэффициент
смещения исходного контура. Смещение
от центра считают положительным (
> 0),
а к центру ‑ отрицательным
(
< 0).
У передач без
смещения и при суммарном смещении
начальные и делительные окружности
совпадают:
,
.
‑ диаметр
вершин зубьев;
где 
‑ коэффициент
высоты головки зуба (по ГОСТ 13755 ‑ 81,
= 1);
‑ диаметр
впадин зубьев;
где 
‑ коэффициент
радиального зазора (по ГОСТ 13755 ‑ 81,
= 0,25);
Виды повреждений и критерии работоспособности зубчатых передач
При передаче
крутящего момента в зацеплении кроме
нормальной силы
действует
сила трения
,
связанная
со скольжением. Под действием этих сил
зуб находится в сложном напряженном
состоянии. Решающее
влияние на его работоспособность
оказывают два основных напряжения:
контактные напряжения
и напряжения изгиба
.
Эти напряжения являются причиной усталостного разрушения зубьев: поломка зубьев и выкрашивание поверхности.
Поломка связана с напряжениями изгиба.
Различают два вида поломки зубьев:
- поломка от больших перегрузок ударного или даже статического действия;
- усталостная поломка, происходящая от действия переменных напряжений в течение сравнительно длительного срока службы
Все виды повреждения поверхности зубьев связаны с контактными напряжениями и трением.
Усталостное выкрашивание
Абразивный износ
Заедание
Пластические сдвиги.
Отслаивание
В современной методике расчета из двух напряжений и за основные в большинстве случаев приняты контактные напряжения.
Силы в зацеплении
Силы, действующие в зацеплении, принято прикладывать в полюсе зацепления. Со стороны шестерни на колесо действует крутящий момент , действие которого можно заменить силой .
‑ нормальная
сила, направленная по линии зацепления
как общей нормали к рабочим поверхностям
зубьев. При этом силу
переносят
в полюс и раскладывают на окружную
и радиальную
.
Такое
разложение удобно при расчете валов и
опор. По заданным
и d
определяют:
и через нее выражают все другие составляющие:
,
.