ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Общие сведения о зубчатых передачах
В зубчатой передаче движение передают с помощью зацепления пары зубчатых колес. Меньшее зубчатое колесо принято называть шестерней, большее – колесом. Термин "зубчатое колесо" относят как к шестерне, так и к колесу.
Достоинства зубчатых передач:
1.Относительно малые размеры и масса зубчатых колес.
2. Возможность использования зубчатых передач в большом диапазоне нагрузок (окружные силы от близких к нулю в приборных механизмах до 1000 кН в приводах прокатных станов).
3. Широкий диапазон окружных скоростей (от близких к нулю в системах перемещения телескопов и до 250 м/с в приводе несущего винта вертолета).
4. Сравнительно малые нагрузки на валы и подшипники.
5. Постоянство среднего значения передаточного числа.
6. Простота обслуживания.
7 Возможность передачи крутящего момента между параллельными, пересекающимися и скрещивающимися осями
8. Высокий коэффициент полезного действия.
9 Высокая долговечность.
Недостатки:
1. Повышенные требования к точности изготовления и монтажа.
2. Шум при работе передачи. Шум обусловлен переменным значением мгновенного передаточного числа в пределах одного оборота.
3 высокая жесткость передачи
Зубчатые передачи применяют в широком диапазоне областей и условий работы: в часах, приборах, коробках передач автомобилей, тракторов, других транспортных машин, механизмах подъема и поворота кранов, коробках скоростей станков, приводах прокатных станов, конвейеров и др. Способы изготовления зубчатых колес: фрезерование, долбление, обкатка.
Нарезание червячной фрезой Нарезание долбяком Методом обкатки
Метод обкатки основан на зацеплении и согласованных движениях зубчатой пары, состоящей из заготовки и инструмента.
Классификация зубчатых передач
Зубчатые передачи можно классифицировать по многим признакам.
по расположению осей валов :с параллельными (цилиндрическая передача), пересекающимися (коническая передача), скрещивающимися осями (винтовая передача или червячная) и соосные (цилиндрическая внутреннего зацепления);
п
о
условиям работы:
закрытые и открытые;
Закрытые передачи помещены в пыле- и влагонепроницаемые корпуса и работают в масляной ванне (зубчатое колесо погружают в масло на глубину до 1/3 радиуса). В открытых передачах зубья колес работают всухую или при периодическом смазывании пластичным смазочным материалом и не защищены от влияния внешней среды.
по числу ступеней: одноступенчатые, многоступенчатые;
по взаимному расположению колес : с внешним и внутренним зацеплением;
по изменению частоты вращения 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 15 м/с, быстроходные при скорости выше 15 м/с;
по расположению зубьев относительно образующей колеса: прямозубые, косозубые, шевронные, с криволинейными зубьями;
по форме профиля зуба: эвольвентные, круговые, циклоидальные.
образующая профиля: эвольвента дуга окружности циклоида
Область применения зубчатых передач
Наиболее распространен эвольвентный профиль зуба, предложенный Эйлером в 1760 г. Он обладает рядом существенных технологических и эксплуатационных преимуществ. Круговой профиль зуба предложен М.Л.Новиковым в 1954 г. Используются в высоконагруженных передачах, которые по конструктивным соображениям должны иметь малые габариты. По сравнению с эвольвентным он позволяет повысить нагрузку передач, однако он требователен к смазке и весьма чувствителен к колебаниям межцентрового расстояния. Также существуют передачи с гибкими зубчатыми колесами – волновые. Циклоидальное зацепление, при котором возможна работа шестерен с очень малым числом зубьев (2–3), не может быть, к сожалению, изготовлено современным высокопроизводительным методом обкатки, поэтому шестерни этого зацепления трудоемки в изготовлении и дороги. Существует реечное зацепление (реечная передача) для преобразования вращающегося движения в поступательное и наоборот.
Косозубые колёса имеют большую плавность хода и применяются для ответственных механизмов при средних и высоких скоростях. Шевронные колёса имеют достоинства косозубых колёс плюс уравновешенные осевые силы и используются в высоконагруженных передачах.
Колёса внутреннего зацепления вращаются в одинаковых направлениях и применяются обычно в планетарных передачах.
Критерии работоспособности зубьев
П
оскольку
колёса в зацеплении взаимодействуют
своими зубьями, то весьма часто в
эксплуатации наблюдаются различные
повреждения их рабочих поверхностей.
Проходя при работе зону зацепления,
зубья подвергаются циклическому
нагружению. При этом на контактирующих
поверхностях зубьев действует нормальная
сила Fn и сила трения F.
Н
апряжения,
возникающие в зоне контакта зубьев σн
и у их основания σF,
изменяются во времени по прерывистому
отнулевому циклу.
У
сталостное
выкрашивание является наиболее
серьёзным и распространённым дефектом
поверхности зубьев даже для закрытых
хорошо смазываемых и защищённых от
загрязнения передач. На рабочих
поверхностях появляются небольшие
углубления, которые затем превращаются
в раковины. Выкрашивание носит усталостный
характер и вызвано повторно-переменными
контактными напряжениями. Выкрашивание
приводит к повышению контактного
давления и нарушению работы передачи.
В открытых передачах поверхностные
слои истираются раньше, чем в них
появляются усталостные трещины, поэтому
выкрашивание появляется весьма редко.
Выкрашивание начинается вблизи полюсной
линии.Для предупреждения выкрашивания
необходимо повышать твёрдость материала
термообработкой либо повышать степень
точности передачи, а также правильно
назначать размеры из расчёта на усталость
по контактным напряжениям.
А
бразивный
износ является основной причиной
выхода из строя передач при плохой
смазке. Это, в первую очередь, открытые
передачи, а также закрытые, но находящиеся
в засорённой среде: в горных, дорожных,
строительных, транспортных машинах.
Первоначальный профиль зубьев искажается, уменьшается поперечное сечение зубьев. Абразивное изнашивание происходит при попадании в зацепление абразивных частиц и продуктов изнашивания. У изношенных передач повышаются зазоры в зацеплении и, как следствие, усиливаются шум, вибрация, динамические перегрузки; искажается форма зуба и уменьшается прочность зуба. Основные меры предупреждения износа – повышение твёрдости поверхности зубьев, защита от загрязнения, применение специальных масел. В расчёте на контактную выносливость абразивный износ учитывается занижением допускаемых контактных напряжений.
З
аедание
происходит в высоконагруженных и
высокоскоростных передачах. В результате
высокого давления происходит разрыв
масляной пленки. В месте контакта зубьев
возникает повышенная температура,
приводящая к молекулярному сцеплению
металла с последующим отрывом. Кроме
этого, частицы материала одного зуба
привариваются к другому зубу. Приварившиеся
частицы материала образуют наросты,
которые повреждают поверхности зубьев.
Вырванные частицы царапают трущиеся поверхности. Меры предупреждения здесь те же, что и при абразивном износе. Рекомендуется также фланкирование зубьев, правильный выбор сорта масла и их охлаждение.
Д
ругой,
реже встречающийся, но не менее опасный
вид поломок – излом зуба. Прямые
зубья разрушаются по сечению у основания
зуба, косые - по наклонному сечению.
Поломка является следствием действия
повторно-переменных напряжений изгиба
σF
или перегрузки. Излом зуба может привести
к весьма тяжким последствиям вплоть до
разрушения валов и подшипников, а иногда
и всего механизма. Для предупреждения
излома проводится расчёт зуба по
напряжениям изгиба. Такой расчёт для
закрытых передач выполняется в качестве
проверочного после расчёта на контактные
напряжения. Для открытых передач, где
высока вероятность случайных перегрузок,
этот расчёт выполняется как проектировочный.
Следовательно, усталостное выкрашивание,
абразивный износ и заедание обусловлены
поверхностной прочностью, а
излом – объёмной прочностью
зубьев.
Поскольку, поверхностные повреждения – главный вид поломок для закрытых передач, то расчёт на контактную выносливость выполняют в качестве проектировочного; расчёт на изгиб – в качестве проверочного. Для открытых передач всё наоборот, т.к. режим работы временный или даже разовый, а перегрузки значительные.