РАЗДЕЛ 3. МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ

ГЛАВА 3.1. Общие сведения о механических передачах

Цель – определение области использования механических передач вращательного движения, уяснение основных способов передачи крутящего момента, установление кинематических соотношений в передачах, значений КПД и передаточных чисел, определение области применения коробок перемены передач в механизмах.

Механическими передачами называют устройства, предназначен­ные для преобразования значений скоростей, усилий и крутящих моментов при передаче энергии от двигателя к исполнительным орга­нам машины. В машиностроении широко используются следующие виды передач: фрикционная, ременная, цепная, зубчатая, червячная, винтовая.

Обычно передачи располагают между двигателем и исполнитель­ным органом машины для обеспечения устойчивой работы на различ­ных режимах нагружения. Передачи изменяют угловые скорости и величины крутящих моментов на валах, направление вращения валов, преобразуют вращательное движение в поступательное, винтовое и т.д.

В механических передачах крутящий момент может переда­ваться зацеплением (зубчатые, червячные, цепные, винтовые) или трением (фрикционные и ременные). Основными характеристиками механических передач являются передаваемая мощность, крутящий момент, передаточное отношение, КПД. Конструирование передач заключается в выборе типа передачи и оптимальных размеров конструкции.

Основные соотношения в передачах

Линейная (окружная) скорость V точки тела, вращающегося с угловой скоростью , определяется из соотношенияV = d / 2 ,

где d / 2 - расстояние точки от оси вращения.

Частота вращения n связана с угловой скоростью зависимостью.

В приведенных формулах размерность величин следующая:

V – м / с , - рад /c, n – об / мин, d – м .

Вращение тела вокруг оси вызывается окружной силой F_t , нап­равленной по касательной к траектории точки ее приложения. Передаваемая при вращении мощность находится из соотношения

P = FV ,

где P – Вт , F – H , V – м / с .

Выражение для крутящего момента Т имеет вид Нм.

Из приведенных соотношений можно получить зависимость между крутящим моментом, мощностью и угловой скоростью ,

где T – Нм , P – Вт , - рад / с.

Передача вращения осуществляется от ведущего звена, пара­метры которого обозначаются индексом - I, к ведомому звену, обозначаемому индексом - 2.

Тогда коэффициент полезного действия одно-ступенчатой передачи запишется в виде

Для многоступенчатой передачи, состоящей из к ступеней, суммарный КПД определится как произведение КПД отдельных ступеней .

Передаточным отношением в механических передачах называют от­ношение угловых скоростей или частот вращения ведущего и ведо­мого звеньев

.

Передаточное отношение многоступенчатой передачи, состоящей из нескольких последовательно расположенных ступеней, опреде­лится как произведение передаточных отношений

всех ее ступеней

Еслиi больше единицы, то передача называется понижающей или редуктором, а если i меньше единицы, то передача называется повышающей или мультипликатором. Наибольшее распространение получили редукторы, так как частота вращения валов исполни­тельного механизма обычно меньше частоты вращения двигателя, Мультипликаторы находят применение в центрифугах и в короб­ках перемены передач, работающих в режиме ускорения.

Передачи выполняют как с постоянным, так и с переменным (регулируемым) передаточным отношением. Регулирование переда­точного отношения может быть ступенчатым (в коробках переме­ны передач) или бесступенчатым (вариаторы).

Механические зубчатые передачи со ступенчатым регули­рованием обладают высокой работоспособностью и широко при­меняются в станкостроении и транспортном машиностроении. К достоинствам таких передач относятся надежность, компакт­ность при больших значениях передаваемой мощности, высокий КПД, простота в обслуживании.

Глава 3.2. Зубчатые передачи

3.2.1. Технология изготовления зубчатых колес

Цель – изучение основных видов зубчатых и червячных передач, их достоинств и недостатков, особенностей конструкций прямозубых и косозубых зацеплений, способах изготовления и обработки зубчатых колес. Получение представления о термической обработке, повышении механических характеристик материала и способов восстановления изношенных поверхностей.

Зубчатые передачи служат для передачи вращательного дви­жения между валами, а также для преобразования вращательного движения в поступательное или колебательное движение с помощью зацепления зубчатых колес. Передачи между валами с параллельными осями называют цилиндрическими, а пару зубчатых колес выполняют с внешним (рис. 3.I) или внутренним (рис. 3.2) зацепле­нием. Между соприкасаемыми поверхностями зубьев в цилиндрических передачах возможен эвольвентный, циклоидальный, часовой, цевоч­ный, точечный или линейный контакты. В машиностроении в основном используется эвольвентное за­цепление или реже зацепление с точечным или линейным контактом (зацепление Новикова).

К достоинствам зубчатой передачи относятся высокая нагрузочная способность, высокий КПД (0,95-0,98), постоянство передаточного отношения, надежность, компактность, простота в эксплуатации. К недостаткам относятся требования повышенной точности изготовления, сложность технологии изготовления, сборки, регулировки, а следовательно высокая стоимость, возможный шум при работе и т.д.

Цилиндрические зубчатые колеса изготовляют прямозубы­ми, косозубыми и шевронными (рис.3.3). В прямозубых колесах направление зуба параллельно оси колеса, а в косозубом зубья расположены под постоянным углом  к оси колеса. В ко­созубом зацеплении зубья вступают в работу не сразу по всей длине, а постепенно, что обеспечивает плавную и бесшумную ра­боту передачи по сравнению с прямозубой. Недостатком косозубых колес является наличие осевых нагрузок на опоры.

Шевронные колеса состоят как бы из двух косозубых колес с противоположным направлением зубьев, соединенных в одно целое. Вследствие противоположного направления зубьев в шевронных колесах отсутствуют осевые нагрузки на опоры.

Косозубые и шевронные колеса целесообразно применять в быстроходных передачах, к бесшумности работы которых предъявляются высокие требования.

Передачи между валами с пересекающимися осями выполняют с помощью конических колес. Конические колеса бывают прямозубые, косозубые и с криволинейными зубьями (рис.3.4).

К зубчатым передачам между валами со скрещивающимися осями относят также винтовые, червячные и гипоидные (рис.3.5). Угол между скрещивающимися осями может быть любым, но чаще всего он равен 90°. Общим недостатком этих передач является повышенное взаимное скольжение зубьев, вследствие чего они имеют пониженное значение КПД по сравнению с цилиндрическими, у которых КПД=0,95–0,97.

В некоторых конструкциях находят применение цилиндрические передачи Новикова и волновые зубчатые передачи. Однако в общем машиностроении эти типы передач используются ограниченно и поэто­му с их конструкцией и расчетом можно ознакомиться в специальной литературе.

Зубчатые колеса изготовляют из стали, чугуна, цветных сплавов, пластмасс, композиционных материалов и т.д. Определяющи­ми факторами при проектировании зубчатых колес являются прочность зубьев на изгиб, контактная прочность и износ рабочих поверхностей.

Методы изготовления зубчатых колес могут быть различными и определяют­ся в зависимости от формы и размеров детали, материала и объ­емов производства. При серийном изготовлении зубчатых колес могут использоваться методы холодной или горячей штамповки, горячего накатывания, порошковой металлургии, различные способы литья (в кокиль, под давлением, по выплавляемым моделям).

Рис. 3.I Передача с внешним зацеплением

Рис. 3.2 Передача с внутренним зацеплением

Рис.3.3 Прямозубая , косозубая , шевронная зубчатые передачи

Рис. 3.4 Коническая передача с прямыми , косыми и круговыми зубьями

Рис. 3.5 Винтовая , червячная , гипоидная передачи

Широкое распространение нашли методы нарезания зубьев цилиндрических колес внешнего зацепления с использованием механической обработки. Наиболее производительным при этом является метод нарезания зубьев червячными фрезами (рис. 3.6.а), что обеспечивает высокую точность и низкие затраты на инструмент.

Зубья внутрен­него зацепления нарезаются долбяком или специальным резцом на строгальном станке по методу обката (3.6.б). Для чистовой обработки крупномодульных зубчатых колес используют дисковые и пальцевые модульные фрезы (рис. 3.7).

Рис. 3.6 Нарезание зубьев червячной фрезой (а) и долбяком (б)

С целью повышения точности изготовления и улучшения шероховатостей поверхностей зубчатых колес производится отдел­ка зубьев с использованием таких операций как шевингование, зубошлифование и зубохонингование. Шевингование заключается в снятии тонких стружек с поверхностей зубьев при зацеплении их с зубьями режущего инструмента (шевера), имеющего специальные канавки по высоте профиля зуба (рис. 3.8.). Вследствие скрещивания осей вращающегося колеса и шевера (угол ) происходит взаимное скольжение вдоль образующих зубьев и острые кромки канавок шевера срезают тонкий поверхностный слой, толщина которого составляет 0,001 ... 0,005 мм. Шероховатость шевингованной поверхности зубьев R_a =0,4...0,1 мкм. Шевингованием обрабатывают зубчатые колеса твердостью НB380.

Рис.3.7 Дисковые (а) и пальцевые (6) фрезы

Зубошлифование поверхностей зубьев проводят шлифовальны­ми кругами и применяют при обработке зубчатых колес с твер­достью до НRС=66.

Основными неточностями при изготовлении зубчатых колес являются: неточность шага и профиля зуба, неточность во взаимном расположении зубьев, что вызывает дополнительные динамические нагрузки, удары, шум при работе, неравномерное нагружение зубьев. Точность изготовления зубчатых передач рег­ламентируется стандартом, который предусматривает 12 степеней точности. Наибольшее распространение в машиностроении получили 6, 7 и 8 степени точности.

Зубошлифование поверхностей зубьев проводят шлифовальны­ми кругами и применяют при обработке зубчатых колес с твер­достью до НRС = 66 (рис.3.9).

Рис. 3.8 Шевингование. Рис. 3.9.Зубошлифование

1-зубчатое колесо, 2-шевер профильным кругом

Зубчатые колеса подвергают механическому упрочнению - закалке с отпус­ком или химико-термической обработке. Наибольшее распростра­нение получила объемная закалка, включающая индукционный нагрев токами высокой частоты и последующее охлаждение водой, эмульсией или погружением в масляную ванну.

Из процессов химико-термической обработки наибольшее распространение получили газовая цементация в шахтных печах, а также нитроцемен-тация (газовое цианирование).