Принцип работы
В большинстве случаев генератор энергии и конечный агрегат имеют разные характеристики. Они отличаются по скорости вращения, мощности, углу приложения усилия. Чтобы обеспечить доставку крутящего момента от двигателя до конечного агрегата, необходимо использовать промежуточные модули, способные передавать усилие с минимальными потерями.
Такими модулями служат зубчатые колеса (шестерни). Они представляют собой диск с зубьями, расположенный на цилиндрической или конической поверхности. Обычно они используются парами разного диаметра с одинаковым количеством зубьев.
Во время работы механизма зубья двух шестерен сцепляются. Головка зуба входит в зацепление с повторяющим ее форму углублением на соседней шестерне. При проворачивании ведущего вала ведомый начинает вращаться в противоположную сторону.
Таким образом, вращающий момент передается от одного элемента к другому. Если диаметр ведущего колеса больше, то вращающий момент ведомого колеса уменьшается, и наоборот.
Применение
Каждый из видов передач имеет свои преимущества и отрицательные качества. Нарезание прямозубых колес — довольно простой технологический процесс, поэтому они широко применяются в промышленности. Косозубые, как и прямозубые цилиндрические колеса, больше используются в тракторах, станках, коробках передач автотранспорта. Цилиндрические колеса с использованием внутреннего зацепления, благодаря компактности и прочности, нашли себя в самолетах, трансмиссиях автомобилей, редукторах, в шлицевых соединениях и сложных планетарных передачах, которые славятся своим особенно малым весом и габаритными размерами. При этом они предоставляют высокие передаточные числа и значительно сниженные уровни шумов при своей работе. Шевронные колеса, будучи трудоемкими в производстве, используются в больших редукторах и их ремонте, где требуется плавная и бесшумная передача значительных нагрузок. Конические колеса с нулевым наклоном и их прямозубые аналоги, имея высокую компактность и невысокую себестоимость изготовления, эксплуатируются в дифференциалах автомашин и станков. Криволинейные зубья обеспечивают коническим колесам особую прочность и малошумность, поэтому их можно найти в ответственных и скоростных передачах. Их используют практически везде: от самолетов до тракторов. Гипоидные зубчатые пары можно делать с большим передаточными числами (до 100:1), они часто используются в металлорежущем оборудовании.
Как рассчитать обороты шестерни простым способом
Как рассчитать передаточное отношение шестерен механической передачи.
В этой статье я приведу пример расчета передаточного отншения шестерен разного диаметра, с разным количеством зубьев
Данный расчет применяется в том случае, когда важно определить к примеру скорость вращения вала редуктора при известной скорости привода и характеристиках зубьев
Естественно, можно произвести замеры частоты вращения выходного вала, однако в некоторых случаях требуется именно расчет. Помимо этого, в теоретической механике, при конструировании различных узлов и механизмов требуется рассчитать шестерни, чтобы получить заданную скорость вращения.
Термин передаточное число является весьма неоднозначным. Он перекликается с термином передаточное отношение, что не совсем верно. Говоря о передаточном числе, мы подразумеваем сколько оборотов совершит ведомое колесо (шестерня) относительно ведущего.
Для правильного понимания процессов и строения шестерни – следует предварительно ознакомится с ГОСТ 16530-83.
Итак, рассмотрим пример расчета с использованием двух шестерен.
Чтобы рассчитать передаточное отношение мы должны иметь как минимум две шестерни. Это называется зубчатая передача. Обычно первая шестерня является ведущей и находится на валу привода, вторая шестерня называется ведомой и вращается входя в зацепление с ведущей. Пи этом между ними может находится множество других шестерен, которые называются промежуточными. Для упрощения расчета рассмотрим зубчатую передачу с двумя шестернями.
В примере мы имеем две шестерни: ведущую (1) и ведомую (2). Самый простой способ заключается в подсчете количества зубьев на шестернях. Посчитаем количество зубьев на ведущей шестерне. Так же можно посмотреть маркировку на корпусе шестерни.
Представим, что ведущая шестерня (красная) имеет 40 зубьев, а ведомая(синяя) имеет 60 зубьев.
Разделим количество зубьев ведомой шестерни на количество зубьев ведущей шестерни, чтобы вычислить передаточное отношение. В нашем примере: 60/40 = 1,5. Вы также можете записать ответ в виде 3/2 или 1,5:1.
Такое передаточное отношение означает, что красная, ведущая шестерня должна совершить полтора оборота, чтобы синяя, ведомая шестерня совершила один оборот.
Теперь усложним задачу, используя большее количество шестерен. Добавим в нашу зубчатую передачу еще одну шестерню с 14 зубьями. Сделаем ее ведущей.
Начнем с желтой, ведущей шестерни и будем двигаться в направлении ведомой шестерни. Для каждой пары шестерен рассчитываем свое передаточное отношение. У нас две пары: желтая-красная; красная-синяя. В каждой паре рассматриваем первую шестерню как ведущую, а вторую как ведомую.
В нашем примере передаточные числа для промежуточной шестерни: 40/14 = 2,9 и 60/40 = 1,5.
Умножаем значения передаточных отношений каждой пары и получаем общее передаточное отношение зубчатой передачи: (20/7) × (30/20) = 4,3. То есть для вычисления передаточного отношения всей зубчатой передачи необходимо перемножить значения передаточных отношений для промежуточных шестерен.
Определим теперь частоту вращения.
Используя передаточное отношение и зная частоту вращения желтой шестерни, можно запросто вычислить частоту вращения ведомой шестерни. Как правило, частота вращения измеряется в оборотах в минуту (об/мин) Рассмотрим пример зубчатой передачи с тремя шестернями. Предположим, что частота вращения желтой шестерни 340 оборотов в минуту. Вычислим частоту вращения красной шестерни.
Будем использовать формулу: S1 × T1 = S2 × T2,
S1 – частота вращения желтой (ведущей) шестерни,
Т1 – количество зубьев желтой (ведущей) шестерни;
S2- частота вращения красной шестерни,
Т2 – количество зубьев красной шестерни.
В нашем случае нужно найти S2, но по этой формуле вы можете найти любую переменную.
340 rpm × 7 = S2 × 40
Получается, если ведущая, желтая шестерня вращается с частотой 340 об/мин, тогда ведомая, красная шестерня будет вращаться со скоростью примерно 60 об/мин. Таким же образом рассчитываем частоту вращения пары красная-синяя. Полученный результат – частота вращения синей шестерни – будет являться искомой частотой вращения всей зубчатой передачи.
Источник
Методы регулировки и измерения параметров конических главных передач
В связи с особенностями конструкции корпуса у большинства конических главных передач ведущая шестерня устанавливается со смещением на заданную величину относительно центра опоры ведомой шестерни, а ведомая шестерня допускает исключительно регулировку зазора боковой поверхности зубьев.
У меньшей части конструкций предусматривается регулировка заданного размера смещения ведущей и ведомой шестерен, в результате которой достигается требуемый зазор боковой поверхности зубьев.
Необходимые измерительные приспособления (рис. 16 «Пример измерительного приспособления для регулировки ведущей конической шестерни«) и точные инструкции по регулировке можно запросить у производителя автомобиля.
Преимущества и недостатки
Отдельно стоит поговорить об имеющихся достоинствах и недостатках зубчатых передач.
Учитывая их широкое распространение, не удивительно, что специалисты делают акцент на значимых достоинствах. Хотя и без минусов здесь не обошлось.
Начнём с перечня достоинств зубчатых передач. К положительным моментам можно отнести такие характеристики:
- высокая степень надёжности;
- способность работать в широком диапазоне скоростей;
- возможность функционирования при высоких нагрузках;
- компактные размеры;
- большой ресурс и запас прочности;
- высокий показатель КПД;
- сравнительно небольшая оказываемая нагрузка на подшипники и валы;
- постоянное передаточное отношение;
- достаточно простая технология производства;
- отсутствие сложностей при обслуживании.
Но за столь внушительным перечнем достоинств скрываются и некоторые недостатки.
К числу слабых сторон можно отнести следующие пункты:
- высокие требования касательно точности установки зубчатых передач;
- повышенные требования к качеству производства элементов;
- если вращение происходит на высокой скорости, может появляться шум, что связано с небольшими ошибками при производстве в основном;
- из-за высокой степени жёсткости эффективной компенсации динамических нагрузок добиться не удаётся, что ведёт к разрушениям, дефектам и пробуксовкам.
Имея дело с зубчатыми передачами, очень важно придерживаться элементарных правил их обслуживания и эксплуатации. В процессе обслуживания требуется периодический визуальный осмотр, проверка текущего состояния колёс, конструкции и целостности зубцов и шестерней
Со временем на них могут появляться сколы, трещины и прочие повреждения
В процессе обслуживания требуется периодический визуальный осмотр, проверка текущего состояния колёс, конструкции и целостности зубцов и шестерней. Со временем на них могут появляться сколы, трещины и прочие повреждения.
Не забывайте проверять зацепление и качество сцепки. Для этого часто применяются специальные краски, которыми обрабатываются зубья. С помощью краски можно понять, какова величина пятна контакта и как зубья располагаются в механизме. Чтобы отрегулировать узел, требуется воспользоваться специальными прокладками.
Из чего изготавливаются зубчатые колеса и шестерни
Как правило, в основе зубчатого колеса лежит сталь. При этом шестерня должна иметь большую прочность, так как сами колеса могут иметь разные характеристики по прочности.
По этой причине шестерни изготавливаются из разных материалов, а также такие изделия проходят дополнительную термическую обработку и/или комплексную химическую и температурную обработку.
Например, шестерни, которые выполнены из легированной стали, также проходят процесс упрочнения поверхности, в рамках которого может быть использован метод, позволяющий добиться желаемых характеристик (азотирование, цементация или цианирование). Если для изготовления шестерни используется углеродистая сталь, такой материал проходит поверхностную закалку.
Сами зубчатые колеса выполняются из заготовки, полученной методом литья или штамповки. Затем применяется метод нарезки зубьев. Нарезка осуществляется путем использования методов копирования, обкатки. Метод обкатки дает возможность изготовить зубья разной конфигурации при помощи одного инструмента (долбяк, червячные фрезы, рейка).
Чтобы осуществить нарезку методом копирования, требуются пальцевые фрезы. После нарезки выполняется термическая обработка. Если же нужно зацепление высокой точности, после такой термообработки дополнительно выполняется шлифовка и обкатка.
Материалы для изготовления
Основной материал для изготовления колёсных пар — это сталь. Шестерня должна иметь более высокие прочностные характеристики, поэтому колёса часто изготавливают из разных материалов и подвергают разной термической или химико-термической обработке. Шестерни, изготовленные из легированной стали, подвергают поверхностному упрочнению методом азотирования, цементации или цианирования. Для углеродистых сталей используется поверхностная закалка.
Зубья должны обладать высокой поверхностной прочностью, а также более мягкой и вязкой сердцевиной. Это предохранит их от излома и износа поверхности. Колёсные пары тихоходных машин могут быть изготовлены из чугуна. В различных производствах применяются также бронза, латунь и различные пластики.
Материалы изготовления
Вполне закономерно предположить, что назначение используемых зубчатых передач предусматривает применение высокопрочных материалов для их изготовления.
Поэтому в основе конструкции практически всегда лежит сталь. К прочности шестерни предъявляются повышенные требования в плане прочности, а вот колёса менее требовательные. Их характеристики прочности могут отличаться.
Учитывая этот момент, при производстве шестерней применяются различные материалы. Изделия проходят через дополнительную процедуру обработки. На них воздействуют термически, химически и температурно.
Изделия на основе легированной стали обычно дополнительно улучшают свои характеристики путём цианирования, азотирования и цементации. Это влияет на изменение внутренних характеристик. А вот шестерни на основе углеродистой стали в основном проходят только поверхностные процедуры по закалке.
С зубьями всё иначе. К ним предъявляются повышенные требования в плане прочности поверхности. При этом сердцевина должна оставаться достаточно вязкой и мягкой. При таких характеристиках можно предотвратить изломы и быстрый процесс износа при активной эксплуатации под нагрузкой.
Намного реже при производстве колёсной пары применяется такой материал как бронза, латунь и пластик.
Зубцы колёс создают на основе заготовок, выполненных одним из двух методов. Это штамповка или литьё. Затем проводится нарезка. При нарезке применяются методики обкатки или копирования. Обкатка позволяет создать зубцы с разными параметрами, используя один инструмент. В роли инструментов выступают рейки, долбяки и червячные фрезы.
При использовании метода копирования применяются пальцевые виды фрезы. Затем, завершив нарезку, наступает очередь термообработки. Если требуется получить высокоточное зацепление, после термической обработки обязательно нужно сделать шлифовку и финишную обкатку изделия.
Особенности зубчатого механизма
Ременная передача предполагает наличие между шкивами на связанных валах промежуточного звена – гибкого ремня. Зубчатый механизм от такого соединения отличается наличием на поверхности сопряженных деталей зубьев зацепления. По профилю и размеру они идентичны.
Головка зуба колеса входит в зацепление с повторяющей ее профиль впадиной на шестерне. При вращении ведущего вала ведомый проворачивается в противоположную сторону. Между ними конструктивно предусмотрен минимально возможный зазор, обеспечивающий скольжение, тепловое расширение и смазку для недопущения заклинивания. При этом ведущая часть парного механизма называется колесом, а ведомая – шестерней.
У ременной передачи плоскость зацепления ремня со шкивом составляет не менее трети длины окружности. В зубчатом механизме между ведущим колесом и ведомой шестерней под нагрузкой в постоянном контакте находится одна пара зубьев. Колеса и шестерни на валах обычно монтируются на шпоночном соединении.
Применение зубчатых передач
Области применения зубчатых передач весьма обширны. Сегодня подобные механизмы применяются в различных отраслях промышленности. Проведенные исследования указывают на то, что в год изготавливается несколько миллионов экземпляров подобных изделий. Рассматривая применение и назначение отметим нижеприведенные моменты:
- Цилиндрическая передача используется для повышения или понижения передаваемого усилия. Примером их применения можно назвать двигатели внутреннего сгорания или коробки передач, буровые и металлургические установки, оборудование горнодобывающей промышленности.
- Конические передачи применяют намного реже. Это прежде всего связано с тем, что они довольно сложны в производстве. Область применения – сложная механическая передача с переменными углами и изменением нагрузки. Примером можно назвать ведущие мосты транспортных средств, а также конвейеры и другие устройства, применяемые в агропромышленном комплексе.
Область применения зависит от конструктивных особенностей механизма, а также типа применяемого материала при производстве.
На момент работы слышен монотонный умеренный шум. Если появляются посторонние звуки, то это может указывать на появление существенных проблем, к примеру, сильного износа поверхности. Техническое обслуживание проводится следующим образом:
Визуальный осмотр требуется для того, чтобы исключить вероятность наличия трещин или сколов на поверхности.
Особое внимание уделяется тому, чтобы при работе колеса правильно зацеплялись. Слишком большой зазор может привести к сильному износу и другим проблемам, так как нагрузка распределяется неравномерно
Изменение зазора проводится путем регулировки положения вала и подшипников.
На момент работы уделяется внимание тому, чтобы не возникало торцевое биение или другая неравномерность хода.
Для определения правильности хода на зубья наносятся отметки при помощи специальной краски. До момента их полного засыхания валы проворачивают несколько раз. Форма отпечатка определяет то, насколько правильно соединение.
После высыхания краски уделяется внимание тому, чтобы точка касания была в средней части высоты зуба. Изменить положение можно путем установки специальных подкладок под подшипники.
На момент обслуживания проводится добавление требующегося количества смазывающего вещества. Как ранее было отмечено, без него существенно увеличивается степень износа поверхности.
Периодическое обслуживание позволяет существенно увеличить эксплуатационный срок устройства
На момент осмотра устройства уделяется внимание также состоянию вала, подшипников и других элементов, которые обеспечивают стабильную и надежную работу. К примеру, незначительный изгиб вала становится причиной повышенного износа определенной части колеса
В самых сложных случаях происходит его обрыв.
Расчет зубчатой передачи
Перед проектированием следует изучить исходные данные и определиться с условиями планируемой эксплуатации механизма. Учитывается исходный контур, тип и вид передачи, ее расположение в узле, допустимые нагрузки, материал для колесных пар и их термообработка
На этом этапе берется во внимание частота вращения валов и их диаметры, крутящий момент, передаточное число
Чтобы произвести расчет зубчатой передачи, нужно определиться с общим модулем зацепления, числом зубьев для шестерни и колеса, их профилем, углом наклона и расположением. Определяют межосевое расстояние, выбирается ширина зубчатых венцов пары.
Рассчитываются геометрические показатели станочного зацепления, для которого проектируется зубчатая передача. Чертеж должен отображать не менее двух проекций: фронтальный и боковой вид слева с нанесенными промерами. Дополнительно составляется таблица основных геометрических и конструктивных параметров, строятся графики.
Значения рассчитывают по формулам, таблицам, применяют коэффициенты и соотношения, при этом используются исходные данные колеса и шестерни. В алгоритме расчетов для отдельных передач может присутствовать до пятидесяти и более шагов и логических этапов. Оптимальным решением вопроса детального проектирования является использование специализированной компьютерной программы.
Размеры пазов под шпонки или шлицы подбирают по стандартам. На общем плане чертеж монтажа колес на валах разрабатывают отдельно.
Конические зубчатые передачи
Данный тип передач позволяет менять направление подачи вращательной мощности в конструкции механизма, где взаимодействующие валы через шестерни могут размещаться под углом. По форме зубьев конические шестерни подразделяются на несколько типов:
- Прямозубые
- С тангенциальными зубьями
- С круговыми (спиральными) зубьями
- Гипоидные с круговыми зубьями
Виды конических шестерней
Прямозубые конические
Выполнены в виде конусных шестерён с нарезанными зубьями под радиусом. В сравнении с другими типами конических зубчатых колёс такие шестерни отличаются более простой технологией в производстве, чаще используются для передачи вращения под углом 90°, в работе отличаются повышенным шумом, скорость вращения окружных скоростей таких шестерёнок должна быть в пределах 2-3 м/с (допустимая скорость до 8 м/с), передаточное отношение до 3.
Прямозубая коническая пара
Такие шестерни используют в конструкции всевозможных механизмов с невысокими скоростными характеристиками, в составе дифференциалов ведущих мостов и отдельных элементов трансмиссии автомобильной и специальной техники.
Редуктор дифференциала ведущего моста в составе с прямозубыми коническими шестернями
Работа пары прямозубых конических шестерён характеризуется возникновением осевых нагрузок, поэтому для нивелирования их действия оси вращения оборудуются упорными подшипниками.
Тангенциальные конические зубчатые
Зубья таких шестерен выполнены прямыми под наклоном, где линия каждого зуба на развертке конуса детали является прямой линией, проходящей по касательной одной окружности.
Пара тангенциальных конических шестерён
Передачи с тангенциальными коническими шестернями в составе механизмов встречаются крайне редко в виду высокой сложности изготовления и используются в редукторах с окружными скоростями до 12 м/с.
Конические зубчатые с круговым зубом
Зубчатые пары имеют широкое применение, где требуется изменить направление вращения под углом 90° как с преобразованием передаточного числа, так и без его изменения. Конические шестерни с круговыми зубьями применяют в составе главной передачи ведущих мостов машин различных типов, в промышленном станкостроении, в конструкциях различных приспособлений и ручных инструментах, бытовых приборах.
Коническая передача с круговым зубом
Пара конических шестерен с круговым зубом по отношению к друг другу имеют положение, при котором вершины образующих конусов совпадают. Зацепление шестерён характеризуется контактом сразу двух пар зубьев, что на 30% повышает КПД передачи мощности в сравнении с прямозубой конической передачей. Круговая форма зуба позволяет иметь непрерывный контакт в зацеплении, что обеспечивает плавность хода и бесшумность на высоких скоростях вращения.
Гипоидные конические передачи
Шестерни данного типа имеют круговую образующую зубья линию, с пропорциональной уменьшающейся высотой зуба от наружного к внутреннему диаметру. От обычных конических передач, где вершины взаимодействующих конусов совпадают и касаются общей образующей, гипоидная пара отличается несовпадением начальных вершин. Величина несовпадения вершин конусной пары называют гипоидным смещением.
Такие шестерёнчатые передачи широко применяются в конструкции трансмиссий автомобилей и специальной техники, тракторов, мотоциклов. Работа зубчатой пары отличается устойчивостью к нагрузкам, плавностью хода, малой шумностью в работе на высоких скоростях. Зацепление гипоидной пары характеризуется контактом нескольких пар зубьев, что позволяет применять данную передачу в механизмах высокой точности. Сквозное прохождение вала шестерни гипоидной пары позволяет конструктивно осуществить две опоры вращения в место консольного, что повышает нагрузочную стойкость механизма. Проектирование гипоидной пары позволяет изготовить передачу вращения под любым углом с передаточным отношением от 1 до 10 (максимально до 60).
Редуктор ведущего моста с гипоидной главной передачей
Гипоидные зубчатые пары сложны в изготовлении, склонны к заеданию и очень требовательны к настройке зацепления, что повышает требования к смазке и повышению твёрдости материала зубьев. Для изготовления гипоидных передач используют следующие сплавы: 18ХГТ, 12ХН3А, 12Х2Н4А. Работа пары в реверсном режиме неодинакова в виду асимметричности в зацеплении.
Применение
Все виды зубчатых передач широко используются в различных отраслях промышленного производства. Годовое производство различных колесных пар исчисляется миллионами. Сфера их применения настолько обширна, что редкий прибор, механизм или агрегат, использующий в работе вращательное движение, не имеет в своем составе того или иного вида зубчатого подвижного соединения.
Цилиндрическая зубчатая передача используется для преобразования вращательного движения с понижающим или повышающим коэффициентом. Примеры: двигатели внутреннего сгорания, коробки перемены передач в подвижном составе, станкостроении, буровом, металлургическом, горнодобывающем производстве и всех видах промышленности.
Коническая зубчатая передача используется в меньшей степени из-за сложности в процессе изготовления колесных пар. Применяется в сложных и комбинированных механизмах, где присутствует вращательное движение с переменными углами и изменением нагрузок. В специальных редукторах обычно используются конические зубчатые передачи. Примеры: ведущие мосты автомобилей, сельхозтехники, локомотивов, колесные пары конвейеров, приводы различного промышленного оборудования.
Достоинства и недостатки зубчатых передач
Прежде всего, среди достоинств зубчатой передачи можно выделить:
Также выделяют и недостатки зубчатой передачи:
- повышенные требования к качеству изготовления и точности установки,
- при высокой скорости вращения возникает шум по причине возможных неточностей при изготовлении шага и профиля зубьев,
- повышенная жесткость не позволяет эффективно компенсировать динамические нагрузки, в результате чего возникает разрушение и пробуксовки, появляются дефекты,
Напоследок отметим, что во время обслуживания механизм нужно осматривать, производя проверку состояния зубчатых колес, шестерен и зубьев на предмет повреждений, трещин, сколов и т.д.
Также проверяется само зацепление и его качество (часто используется краска, которая наносится на зубья). Нанесение краски позволяет изучить величину пятна контакта, а также расположение относительно высоты зуба. Для регулировки зацепления применяются прокладки, которые ставятся в подшипниковые узлы.
