Очень часто в обиходе бывалых механиков можно услышать фразы, касающиеся различных деталей: их функций, возможностей, цены и работоспособности. Одной из таких деталей является шестерня. А для чего необходима эта деталь? Что это, и по какому принципу она работает? Давайте разбираться.

Описание и виды шестерёнок

Шестерня – это колесо (диск) с зубьями (другим словом – зубчатое колесо (ЗК)), которое крепится ко вращающейся оси. Она может быть, как с конической, так и с цилиндрической поверхностью.
Шестерёнчатые передачи подразделяются (в зависимости от линии зуба) на следующие виды:

Прямозубые. Это самые применяемые из всех видов ЗК, у которых зубья располагаются в радиальных плоскостях.

Скошенные (косозубые) , используемые в электрических и бензо инструментах (лобзиках, ножовки…). В этих деталях зубья располагаются под углом ко вращающейся оси.

Червячные (спиральные) используются для рулевого управления автомобилем.

Винтовые имеют цилиндрическую форму, зубья располагаются по линии винта. Используются на валах, расположенных перпендикулярно относительно друг друга.

С круговыми зубьями , которые имеют линию окружности радиуса, за счёт чего контакт передачи осуществляется лишь в одной точке (на линии зацепления), расположенной параллельно осям зубчатого кольца.

С внутренним зацеплением , в которых «зубы» нарезаны внутри. Применяются в приводе танковой башни, в планетарных механизмах, насосах…

Секторные являются частью шестерни различного типа, что значительно экономит габариты. Применяется в таких передачах, где не нужно вращение ЗК.

Есть ещё немало других видов этих деталей, каждая из которых может выполнять определённую функцию.

Область применения и принцип действия

ЗК считается одной из важнейших деталей, применяемых в механизмах с зубчатой передачей, как в сложных, так и в простых. Их применяют в машиностроении, пищевой и горнодобывающей промышленности, в судостроении, в подъёмных кранах, коробках передач, лебёдках, танках, буровых установках…

Зубчатые колёса применяются парно и работают при помощи зубьев, цепляясь за соседние, благодаря чему и выполняется основная функция ЗК – передача вращательных движений между валами.

Каждая из шестерён имеет своё число зубьев. Разница в количестве зубьев шестерни необходима для возможности преобразования числа оборотов вала и крутящего момента, то есть для передачи или изменения КМ от ведущего к ведомому ЗК. Ведущей называется та шестерня, к которой крутящий момент подводится снаружи, а ведомая – та, с коей он снимается.

При этом, когда диаметр ведущей детали меньше, чем у ведомой – КМ увеличивается пропорционально уменьшению скорости вращения, а в обратном случае (диаметр ведомой меньше ведущего) – наоборот. Кроме того, нужно знать то, что от числа зубьев на шестерёнке зависит плавность хода передачи (больше зубьев – плавный ход, и наоборот).

Износ шестерни (откалывание зубцов) влечёт за собой необходимость её замены, так как ремонту деталь не подлежит.

Отношение вращающих моментов можно определить, рассматривая силу, с которой зуб одного колеса воздействуют на зуб другого. Полагаем, что контакт двух зубьев находится в точке на линии, соединяющей оси валов двух колес. В общем случае, сила будет иметь как радиальную, так и касательную составляющие. Радиальную составляющую можно отбросить: она только давит сбоку на вал и не способствует вращению. Его вызывает касательная составляющая. Вращающий момент равен произведению касательной составляющей на радиус. Таким образом, мы видим, что большее колесо испытывает больший момент, а меньшее - меньший. Отношение вращающих моментов равно отношению радиусов. Это как в случае с отношением скоростей, только наоборот. Больший момент соответствует меньшей скорости, и обратно. Тот факт, что отношение моментов обратно пропорционально отношению скоростей также может быть выведено из закона сохранения энергии . Здесь мы пренебрегли влиянием трения на отношения моментов. Отношение скоростей действительно определяется отношением числа зубьев или размеров, но трение делает отношение моментов меньшим, чем обратное отношение скоростей.

В вышеизложенных рассуждениях мы упомянули о «радиусе» зубчатого колеса. Так как фактически колесо не является кругом, а представляет собой неровный круг, у него нет радиуса. Однако можно считать, что в паре сцепленных колес каждое из них имеет эффективный радиус, который называется радиусом делительной окружности, и является радиусом таких гладких колес, чьи радиусы будут давать такое же отношение скоростей, которое выдают данные колеса. Радиус делительной окружности может считаться неким «средним» радиусом зубчатого колеса, где-то между радиусами окружности выступов и окружности впадин. Если вам нужен реферат , то много материала на различные темы вы найдёте на сайте "http://mir-prekrasen.net".

При рассмотрении вопроса о радиусе делительной окружности, всплывает тот факт, что точка контакта зуба одного колеса с зубом другого меняет свое положение во время их взаимодействия; также меняется и направление силы. В результате отношение скоростей (и моментов) в общем случае не постоянное, если детально рассмотреть ситуацию по всей длительности нахождения пары зубьев в контакте. Отношения скоростей и вращающих моментов, описанные в начале раздела верны только в первом приближении, как долговременные средние; их значения в отдельных положениях зубьев могут быть различными.

Фактически можно выбрать такие формы зубьев, которые давали бы действительно постоянное отношение скоростей, как в короткие промежутки времени, так и долговременно. В зубчатых передачах хорошего качества так обычно и сделано, так как колебания вызывают нежелательную вибрацию и оказывают дополнительную нагрузку на зубья, что может вызвать их поломку под большой нагрузкой на высокой скорости. Постоянное отношение скоростей необходимо для точности в зубчатых передачах приборов, стационарных и наручных часах. Эвольвентный профиль зуба один из тех, что обеспечивают постоянное отношение скоростей, и он является наиболее распространенным в наши дни. Определенное отношение скоростей, как следствие наличия зубьев, дает зубчатым передачам преимущество над другими приводами (такими, как фрикционные и клиноременными) в точных механизмах, таких как часы, которые основаны на точном отношении скоростей.

В случаях, когда источник движения и его приемник в непосредственной близости друг от друга, зубчатые колеса также имеют преимущество над другими приводами благодаря малому числу необходимых деталей; обратная сторона заключается в том, что зубчатые колеса более дороги в изготовлении и необходимость в смазке повышает стоимость эксплуатации. Редуктор это не усилитель или сервомеханизм. Закон сохранения энергии определяет, что количество энергии, выдаваемое выходным зубчатым колесом или валом, никогда не превышает энергию, приложенную к входному колесу, вне зависимости от передаточного отношения. Работа равна произведению силы и пройденного пути, поэтому небольшому зубчатому колесу необходимо покрыть большее расстояние в процессе, и воздействовать с большей крутящей силой или вращающим моментом, чем это было бы в случае, если зубчатые колеса были бы одного размера.

Также имеет место некоторая потеря выходной мощности вследствие трения. Используя качественные хорошо смазанные зубчатые колеса промышленного производства, сделанные в соответствии с запросами рынка, можно добиться снижения потерь энергии до двух процентов и ниже. Прямозубые цилиндрические колеса наиболее простой, и по всей видимости, наиболее распространенный тип зубчатого колеса. Их основная форма - цилиндр или диск (диск это всего лишь короткий цилиндр). Зубья выступают радиально , и у этих «прямо нарезанных колес» образующие поверхности зуба расположены параллельно оси вращения.

Данные зубчатые колеса зацепляются подобающим образом, только если они установлены на параллельных валах. Косозубые цилиндрические зубчатые колеса - усовершенствование по сравнению с прямозубыми. Образующие зубьев не параллельны оси вращения, а расположены под углом. Так как колесо круглое, то отклонение на угол вызывает то, форма зуба представляет собой участок винтовой линии. Расположенный под углом зуб входит в зацепление постепенно, в отличие от прямого. Это приводит к тому, что косозубые колеса работают более плавно и тихо, чем прямозубые. Косозубые колеса допускают возможность использования непараллельных валов. Пара косозубых колес может зацепляться при двух способах ориентации валов: либо по сумме, либо по разности углов зубьев колес.

Эти конфигурации еще называются параллельной и скрещивающейся соответственно. Параллельная более традиционна. При ней винтовые линии пары сцепленных зубьев соприкасаются на общей касательной, и контакт между зубьями проходит (в общем случае) по кривой на некотором участке их длины. В скрещивающейся конфигурации винтовые линии не соприкасаются по касательным, и между поверхностями зубьев контакт происходит в точке. Из-за небольшой площади контакта, скрещивающиеся косозубые колеса могут быть использованы только при слабых нагрузках.

Достаточно часто косозубые колеса входят в пары, где угол винтовой линии одного колеса противоположен по знаку углу другого; их можно назвать колесами с правой и левой винтовыми линиями равных углов. Если подобная пара сцепляется параллельно, то два равны, но противоположных угла дадут ноль: угол между валами равен нулю, значит, валы параллельны. Если пара сцепляется «накрест», то угол между валами будет равен удвоенному значению угла их винтовых линий.

Следует отметить, что «параллельные» косозубые колеса не нуждаются в параллельных валах - так получается, только если углы их винтовых линий равны по модулю, но противоположны по знаку. Здесь имеется в виду параллельность (квази-параллельность) зубьев, а не положение валов. Как отмечалось в начале, косозубые колеса работают более плавно, чем прямозубые. Когда колеса параллельные, каждая пара зубьев сначала входит в контакт в одной точке на одной стороне зубчатого колеса; движущаяся кривая контакта на поверхности зуба постепенно увеличивается. Вплоть до всей ширины зуба в некоторой момент времени. Наконец, она убывает до того момента, когда зубья теряют контакт в единственной точке на противоположной стороне колеса. Таким образом, сила распределена равномерно.

В случае с прямозубым колесом ситуация иная. Когда пара зубьев сходится, немедленно возникает линия контакта по всей длине зуба. Это вызывает ударную нагрузку и шум. Прямозубые колеса на высоких скоростях производят характерный «жалобный вой» и не способны к передачи таких же больших моментов, как косозубые, из-за того, что их зубья воспринимают ударную нагрузку. Тогда как прямозубые колеса используются при небольших скоростях и когда можно подавить шум (а косозубые требуются, когда заложены высокие скорости, мощности или требуется снижение шума). Скорость считается высокой, когда скорость по делительной окружности (окружная скорость) превышает 5000 футов в минуту.

Недостатки косозубых колес - в возникающем давлении вдоль оси колеса, которое необходимо уравновесить установкой радиально-упорного подшипника, а также в повышенном трении скольжения между входящими в зацепление зубьями, из-за чего часто прибегают к специальным присадкам в смазку. Двойные косозубые колеса, изобретенные Андре Ситроеном (которые еще называют шевронными) решают проблему осевой силы, которая возникает у одиночных косозубых колес, тем, что они имеют зубья, расположенные в форме буквы «V». Каждое колесо в шевронной передаче может быть рассмотрено, как два стандартных, но зеркально отраженных и соединенных воедино косозубых колеса. Это устраняет осевое усилие, так как каждая половина колеса испытывает его в противоположном направлении.

В зависимости от того, как сопрягаются противоположно направленные зубья в середине шевронного колеса, установка может быть такой, что вершина зуба сопрягается с вершиной другого, или же установка в шахматном порядке, когда вершина зуба сопрягается с впадиной другого. При старом методе изготовления шевронные колеса имели центральную канавку, разделяющую два противоположно-направленных ряда зубьев. Это было необходимо, чтобы позволить сход шевера. Конические колеса, по существу, имеют коническую форму, хотя в действительности колесо не продолжается до вершины ограничивающего его конуса. При зацеплении двух конических колес вершины их конусов лежат в одной точке, в ней же пересекаются оси валов. Угол между валами может быть любым, кроме нуля и 180 градусов. Конические зубчатые передачи с равным количеством зубьев и прямым углом между осями валов называются miter gears.

Зубья конического колеса могут быть прямо-нарезанными, как у прямозубых цилиндрических колес, или же иметь различную другую форму. У «спиральных» конических колес зубья изогнуты по своей длине, а также расположены под углом, аналогично зубьям косозубого цилиндрического колеса, если сравнивать с прямозубым. «Спиральные» конические передачи имеют те же преимущества и недостатки, что и косозубые цилиндрические колеса по сравнению с прямозубыми. Прямозубые конические передачи в основном используются только на скоростях ниже 5 метров в секунду (1000 футов в минуту), или для небольших колес - 1000 оборотов в минуту. Коронообразное колесо это особая форма конического колеса с зубьями, установленными под прямым углом к торцу, и по своему положению они напоминают зубцы короны. Коронообразное колесо может точно зацепляться только с другим коническим колесом, хотя можно иногда увидеть их и с прямозубыми колесами.

Гипоидные зубчатые колеса напоминают спиральные конические, за исключением того, что оси валов смещены, а не пересекаются. Рабочие поверхности, представляются коническими, но для компенсации смещения вала, они фактически описывают гиперболоиды при вращении. Гипоидные колеса почти всегда проектируют для работы с перпендикулярными валами. В зависимости от того, в какую сторону смещен вал относительно направления зуба, контакт между зубьями гипоидных колес может быть даже более плавным и постепенным, чем у спиральных конических. Кроме того, можно спроектировать шестеренку с меньшим числом зубьев, чем у спиральной конической, и в результате передаточные отношения 60:1 и выше полностью осуществимы, используя одно сопряжение гипоидных колес.

Червяк напоминает винт. Его можно отнести к косозубым колесам, но угол винтовой линии обычно довольно большой (примерно равен 90 градусам) и его корпус достаточно протяженный в осевом направлении; и это те самые характеристики, которые придают ему винтообразные качества. Червяк обычно входит в зацепление с заурядно выглядящим дискообразным зубчатым колесом, который называют «шестеренкой», «колесом», «червячной шестеренкой», или же «червячным колесом». Главнейшее свойство сочетания червяка и червячного колеса - возможность получения высокого передаточного отношения с использованием очень малого числа деталей в небольшом рабочем пространстве. На практике, передаточные отношения у косозубых передач ограничены 10:1, в то время как у червячных они могут быть от 10:1 до 100:1, а иногда и 500:1. Между червячном колесом и червяком из-за большого угла винтовой линии последнего наблюдается значительное трение, что приводит к потерям, и КПД передачи обычно меньше 90%, а иногда и меньше 50%.

Отличие червяка от косозубого колеса наглядно проявляется, когда, по крайней мере, один зуб может удержаться на полном обороте по винтовой линии . В таком случае это червяк, иначе - косозубое колесо. Червяк может иметь несколько, и даже один зуб. Если зуб удерживается на нескольких полных оборотах по винтовой линии, то получается, что у червяка более одного зуба, однако это один и тот же зуб, растянутый по длине червяка. Червяки делятся на однозаходные и многозаходные. В сочетании червяка и колеса, червяк всегда приведет в движение колесо. Но если попытаться привести в движение червяк, то это может и не получиться. Это вышеописанное свойство называется самоблокировкой. Самоблокировка может быть и преимуществом, например, когда требуется установить положение механизма поворотом червяка, и чтобы механизм его сохранял. Настроечные колеса струнных музыкальных инструментов работают сходным образом. Рейка это зубчатый брусок или пруток, который можно считать зубчатым сектором с бесконечно большим радиусом кривизны.

Вращающий момент может быть преобразован в линейную силу при зацеплении рейки с шестеренкой: она вращается, а рейка движется по прямой линии. Подобный механизм используется в автомобилях для преобразования вращения рулевого колеса в движение соединительных тяг вправо и влево. Рейкам также отводится важное место в геометрии зубчатого зацепления, где, к примеру, может быть точно определена форма зубьев взаимозаменяемого набора зубчатых колес для рейки бесконечного радиуса , а также вывести формы зубьев для колес определенных радиусов. Как упоминалось в начале статьи, достижение постоянного отношения скоростей зависит от профиля зуба. Трение и износ работающих вместе зубчатых колес также зависят от профиля зуба.

Существует великое множество профилей зубьев, которые дают постоянное отношение скоростей, и во многих случаях, выбирая произвольную форму зуба, можно разработать такой профиль зуба для сопряженного колеса, что получится постоянное отношение скоростей. Хотя в наше время повсеместно используются в основном два профиля с постоянным отношением скоростей. Это циклоида и эвольвента. Циклоидальный профиль был более распространен вплоть до конца первого десятилетия девятнадцатого века; c тех пор её значительно потеснила эвольвента, особенно при построении кинематических цепей приводов.

Циклоида в некотором роде более интересная и «гибкая» форма; хотя эвольвента имеет два преимущества: она легче в изготовлении и допускает смещение центров зубчатых колес в некоторых границах без потери постоянства отношения скоростей. Циклоидальные зубчатые колеса работают соответствующим образом только если расстояние между центрами в точности правильное. Они до сих пор применяются в механических часах. Для изготовления зубчатых колес применяют различные сплавы цветных металлов, чугуны, порошковые материалы и даже пластик. Однако наиболее часто применяют сталь, благодаря высокой удельной прочности и небольшой стоимости.

Зубчатая передача

К атегория:

Крановщикам и стропальщикам

Зубчатая передача

Что называется зубчатой передачей?

Трехэвенный механизм, в котором два подвижных звена являются зубчатыми колесами, образующими с неподвижным звеном вращательную или поступательную пару, называется зубчатой передачей. Как подразделяются зубчатые передачи в зависимости от расположения геометрических осей валов?
В зависимости от расположения геометрических осей валов зубчатые передачи подразделяются на передачи с параллельными, пересекающимися и со скрещивающимися геометрическими осями.

Какая зубчатая передача называется передачей с параллельными осями?
Передача, в которой, оси зубчатых колес параллельны, называется зубчатой передачей с параллельными осями (рис. 1).

Какая зубчатая передача называется передачей с пересекающимися осями?

Рис. 1. Зубчатая передача с параллельными осями.

Передача, в которой оси зубчатых колес пересекаются, называется зубчатой передачей с пересекающимися осями (рис. 2).

Какая зубчатая передача называется передачей скрещивающимися осями?

Передача, в которой оси зубчатых колес скрещивав ются, называется зубчатой передачей со скрещивающимися осями.

Что называется передаточным числом зубчатой передачи?

Отношение числа зубьев колеса к числу зубьев шестерни называется передаточным числом зубчатой передачи.

Что называется передаточным отношением зубчатой передачи?

Отношение угловой скорости ведущего зубчатого колеса к угловой скорости ведомого зубчатого колеса называется передаточным отношением.

Что называется зубчатым зацеплением?

Кинематическая пара, образованная зубчатыми колесами передачи, называется зубчатым зацеплением.

Что называется зубчатым колесом?

Зубчатое звено с замкнутой системой зубьев, обеспечивающее. непрерывное движение другого зубчатого колеса, называется зубчатым колесом.

Какое зубчатое колесо зубчатой передачи называется ведущим?

Зубчатое колесо передачи, торое сообщает движение пар му зубчатому колесу, называет ведущим.

Какое зубчатое колесо зубча- передачи называется ведомым?

Зубчатое колесо передачи, которому сообщает движение нов зубчатое колесо, называется ведомым.

Что называется шестерней?

Зубчатое колесо передачи е меньшим числом зубьев называется шестерней.

Какими зубчатые колеса могут быть по форме?

По форме зубчатые колеса могут быть цилиндрические, конические, эллиптические и фигурные, причем самое широкое применение имеют цилиндрические и конические зубчатые колеса.

Какими зубчатые колеса могут быть по форме зубьев?

По форме зубьев зубчатые колеса могут быть прямозубые, косозубые, шевронные и др.

Какие зубчатые колеса называются прямозубыми?

Прямозубыми называются такие зубчатые колеса, у которых зубья нарезаны адоль образующей цилиндра или конуса (зуб, делительная теоретическая линия которого лежит в плоскости, проходящей через ось зубчатого колеса).

Какие зубчатые колеса называются косозубьшн?

Косозубыми называются такие зубчатые колеса, у которых зубья нарезаны под углом к образующей цилиндра (винтовой зуб, теоретическая линия которого является частью винтовой линии постоянного шага на цилиндрической поверхности).

Какие зубчатые колеса называются шевронными?

Цилиндрические зубчатые колеса, венец которых по ширине состоит из участков с правыми и левыми, зубьями, называются шевронными.

Какое минимальное количество зубьев допускается на зубчатом колесе?

Не менее шести, иначе не будет соблюдено условие плавного и надежного зацепления. Даже самые маленькие зубчатые колеса имеют не менее шести зубьев.

Рис. 2. Зубчатая передача с пересекающимися осями

Отсюда и произошло слово «шестерня», которым часто в обиходе называют все зубчатые колеса. Максимальное количество зубьев не ограничено. Ведь длинная зубчатая рейка - это тоже своего рода зубчатое колесо с бесконечно большим диаметром.

Чем характеризуется зубчатое колесо?

Зубчатое колесо характеризуется: делительным диаметром (U), начальным диаметром (dw), диаметром вершин зубьев (da), диаметром впадин (df), числом зубьев (Z), модулем (т), шагом зацепления.

Что называется делительным диаметром зубчатого колеса (d)?

Диаметр делительной концентрической окружности зубчатого колеса называется делительным диаметром.

Что называется начальным диаметром зубчатого колеса (dw)?

Диаметр начальной концентрической окружности зубчатого колеса называется начальным диаметром.

Что называется диаметром вершин зубьев зубчатого колеса (da)?

Диаметр вершин зубьев концентрической окружности зубчатого колеса называется диаметром вершин зубьев.

Что называется диаметром впадин?

Диаметр впадин концентрических окружностей зубчатого колеса называется диаметром впадин.

Что называется нормальным шагом зубьев?

Кратчайшее расстояние по делительной, начальной или однотипной соосной поверхности зубчатого колеса между эквидистантными одноименными теоретическими линиями соседних зубьев называется нормальным шагом зубьев.

Что называется окружным шагом зубьев?

Расстояние между одноименными профилями соседних зубьев по дуге концентрической окружности зубчатого колеса называется окружным шагом зубьев.

Что называется угловым шагом зубьев?

Центральный угол концентрической окружности зубчатого колеса, равный 2я/Z, или 360°/Z, называется угловым шагом зубьев.

Что называется окружным модулем зубьев?

Линейная величина, в я раз меньшая окружного шага зубьев, называется окружным модулем зубьев.

Что называется нормальным модулем зубьев?

Рис. 3. Схема зубчатой передачи и ее параметры

Линейная величина, в я раз меньшая нормального шага зубьев, называется нормальным модулем (рис. 3).

В каких машинах и механизмах применяются зубчатые передачи?

Зубчатые передачи применяются почти во всех машинах, так как они весьма компактны, обслуживание их несложно, долговечны и надежны в работе, сохраняют постоянство передаточного числа. Поэтому из механических передач самое широкое распространение имеют зубчатые,

Рис. 4. Червячная передача: 1 - червяк; 2 -червячное колесо

К атегория: - Крановщикам и стропальщикам

Зубчатое колесо или Шестерня – это важнейшая деталь, которая применяется в механизмах зубчатой передачи и выполняет основную функцию - передает вращательное движения между валами, при помощи зацепление с зубьями соседней шестерни. Выглядит шестерня как диск с конической или цилиндрической поверхностью на которой на равном расстоянии расположены зубья. В зубчатой передаче шестерней называют малое зубчатое колесо с небольшим количеством зубьев, а большое - зубчатым колесом. В случае применения пары шестерен с одинаковым количеством зубьев, ведущую называют шестерней, а ведомую – зубчатым колесом. Но чаще всего все зубчатые колеса и малые и большие называют шестернями (шестеренками).

Заурядно используют шестерни парами с различным количеством зубьев, этот механизм зубчатой передачи позволяет преобразовать число оборотов валов и вращающий момент. Передаточное число - это отношение чисел оборотов валов в минуту, определяется отношением диаметров шестерен или отношением чисел из зубьев. К стати, число зубьев на колесах влияет на плавность хода передачи, чем их число больше, тем плавнее ход передачи. Ведущей шестерней называется та, вращение которой передается извне, а ведомой называют шестерню, с которой снимается вращающий момент. Если диаметр ведущей шестерни больше, то вращающий момент ведомой шестерни уменьшается за счёт пропорционального увеличения скорости вращения, и наоборот.

Изобретение Шестерни

Изобретатель шестерни не известен, в истории шестерни упоминаются Ктезибием он использовал древнее зубчатое колесо в своих водяных часах во II веке до нашей эры, а так же упоминает в своем сочинении о применение шестерен Архимедом в III веке до н.э. Есть данные о использовании шестерен Римлянами в начале новой эры. В работах Леонардо да Винчи, в чертежах некоторых механизмов присутствуют шестерни с формой зуба близкой к современной.

Области применения шестерен

Шестерни применяются в различных, сложных и простых механизмах в машиностроении, судостроении, в пищевой и горнодобывающей промышленности, а так же: в буровых установках, железно дорожных вагонах, в подъемных кранах, в автомобильных дифференциалах, коробке передач, танках, лебедках, шестеренных гидромашинах – насосах, часах и в прочих механизмах.

Реферат на тему:

Зубчатое колесо

План:

Введение

• 1 Цилиндрические зубчатые колёса
  • 1.1 Поперечный профиль зуба
  • 1.2 Продольная линия зуба
    • 1.2.1 Прямозубые колёса
    • 1.2.2 Косозубые колёса
    • 1.2.3 Шевронные колеса
  • 1.3 Зубчатые колёса с внутренним зацеплением
  • 1.4 Секторные колёса
  • 1.5 Колёса с круговыми зубьями
• 2 Конические зубчатые колёса
• 3 Реечная передача (кремальера)
• 4 Коронные колёса
• 5 Другие
• 6 Изготовление зубчатых колёс
  • 6.1 Метод обкатки
    • 6.1.1 Метод обкатки с применением гребёнки
    • 6.1.2 Метод обкатки с применением червячной фрезы
    • 6.1.3 Метод обкатки с применением долбяка
  • 6.2 Метод копирования (Метод деления)
  • 6.3 Горячее и холодное накатывание
  • 6.4 Изготовление конических колёс
  • 6.5 Моделирование
• 7 Ошибки при проектировании зубчатых колёс
  • 7.1 Подрезание зуба
  • 7.2 Заострение зуба
Литература

Введение

Зубчатые колёса

Зубча́тое колесо́ , шестерня́ - основная деталь зубчатой передачи в виде диска с зубьями на цилиндрической или конической поверхности, входящими в зацепление с зубьями другого зубчатого колеса. В машиностроении принято малое зубчатое колесо с меньшим числом зубьев называть шестернёй , а большое - колесом. Однако часто все зубчатые колёса называют шестерня́ми.

Работа цилиндрической зубчатой передачи

Зубчатые колёса обычно используются па́рами с разным числом зубьев с целью преобразования вращающего момента и числа оборотов валов на входе и выходе. Колесо, к которому вращающий момент подводится извне, называется ведущим , а колесо, с которого момент снимается - ведомым . Если диаметр ведущего колеса меньше , то вращающий момент ведомого колеса увеличивается за счёт пропорционального уменьшения скорости вращения, и наоборот . В соответствии с передаточным отношением, увеличение крутящего момента будет вызывать пропорциональное уменьшение угловой скорости вращения ведомой шестерни, а их произведение - механическая мощность - останется неизменным. Данное соотношение справедливо лишь для идеального случая, не учитывающего потери на трение и другие эффекты, характерные для реальных устройств.

Движение точки соприкосновения зубьев с эвольвентным профилем;
слева - ведущее, справа - ведомое колесо

Шестерённая гидромашина

1. Цилиндрические зубчатые колёса

Параметры зубчатого колеса

1.1. Поперечный профиль зуба

Профиль зубьев колёс как правило имеет эвольвентную боковую форму. Однако, существуют передачи с круговой формой профиля зубьев (передача Новикова с одной и двумя линиями зацепления) и с циклоидальной. Кроме того, в храповых механизмах применяются зубчатые колёса с несимметричным профилем зуба.

Параметры эвольвентного зубчатого колеса:

• m - модуль колеса, тёмное и светлое колёсо имеют одинаковый модуль. Самый главный параметр, стандартизирован, определяется из прочностного расчёта зубчатых передач. Чем больше нагружена передача, тем выше значение модуля. Через него выражаются все остальные параметры. Модуль измеряется в миллиметрах, вычисляется по формуле:

• z - число зубьев колеса
• p - шаг зубьев (отмечен фиолетовым цветом)
• d - диаметр делительной окружности (отмечена жёлтым цветом)
• d a - диаметр окружности вершин тёмного колеса (отмечена красным цветом)
• d b - диаметр основной окружности - эвольвенты (отмечена зелёным цветом)
• d f - диаметр окружности впадин тёмного колеса (отмечена синим цветом)
• h aP +h fP - высота зуба тёмного колеса, x+h aP +h fP - высота зуба светлого колеса

В машиностроении приняты определенные значение модуля зубчатого колеса m для удобства изготовления и замены зубчатых колёс, представляющие собой целые числа или числа с десятичной дробью: 1 ; 1,25 ; 1,5 ; 1,75 ; 2 ; 2,5 ; 3 ; 3,5 ; 4 ; 4,5 ; 5 и так далее до 50 .

Высота головки зуба - h aP и высота ножки зуба - h fP - в случае т.н. нулевого зубчатого колеса (изготовленного без смещения, зубчатое колесо с "нулевыми" зубцами) (смещение режущей рейки, нарезающей зубцы, ближе или дальше к заготовке, причем смещение ближе к заготовке наз. положительным смещением , а смещение дальше от заготовки наз. отрицательным ) соотносятся с модулем m следующим образом: h aP = m; h fP = 1,2 m , то есть:

Отсюда получаем, что высота зуба h (на рисунке не обозначена):

Вообще из рисунка ясно, что диаметр окружности вершин d a больше диаметра окружности впадин d f на двойную высоту зуба h . Исходя из всего этого, если требуется практически определить модуль m зубчатого колеса, не имея нужных данных для вычислений (кроме числа зубьев z ), то необходимо точно измерить его наружный диаметр d a и результат разделить на число зубьев z плюс 2:

1.2. Продольная линия зуба

Прямозубые колёса

1.2.1. Прямозубые колёса

Зубчатое колесо от часового механизма

Прямозубые колёса - самый распространённый вид зубчатых колёс. Зубья расположены в радиальных плоскостях, а линия контакта зубьев обеих шестерён параллельна оси вращения. При этом оси обеих шестерён также должны располагаться строго параллельно.

Косозубые колёса

1.2.2. Косозубые колёса

Косозубые колёса являются усовершенствованным вариантом прямозубых. Их зубья располагаются под углом к оси вращения, а по форме образуют часть спирали. Зацепление таких колёс происходит плавнее, чем у прямозубых, и с меньшим шумом.

• При работе косозубого колеса возникает механическая сила, направленная вдоль оси, что вызывает необходимость применения для установки вала упорных подшипников;
• Увеличение площади трения зубьев (что вызывает дополнительные потери мощности на нагрев), которое компенсируется применением специальных смазок.

Шевронные колёса

В целом, косозубые колёса применяются в механизмах, требующих передачи большого крутящего момента на высоких скоростях, либо имеющих жёсткие ограничения по шумности.

1.2.3. Шевронные колеса

Шевронные колёса решают проблему осевой силы. Зубья таких колёс изготавливаются в виде буквы «V» (либо они получаются стыковкой двух косозубых колёс со встречным расположением зубьев). Осевые силы обеих половин такого колеса взаимно компенсируются, поэтому отпадает необходимость в установке валов на упорные подшипники. При этом передача является самоустанавливающейся в осевом направлении, по причине чего в редукторах с шевронными колесами один из валов устанавливают на плавающих опорах (как правило - на подшипниках с короткими цилиндрическими роликами). Передачи, основанные на таких зубчатых колёсах, обычно называют «шевронными».

Секторная передача с внутренним зацеплением

1.3. Зубчатые колёса с внутренним зацеплением

При жёстких ограничениях на габариты, в планетарных механизмах, в шестерённых насосах с внутренним зацеплением, в приводе башни танка, применяют колёса с зубчатым венцом, нарезанным с внутренней стороны. Вращение ведущего и ведомого колеса совершается в одну сторону. В такой передаче меньше потери на трение, то есть выше КПД.

1.4. Секторные колёса

Секторное колесо представляет собой часть обычного колеса любого типа. Такие колёса применяются в тех случаях, когда не требуется вращение звена на полный оборот, и поэтому можно сэкономить на его габаритах.

1.5. Колёса с круговыми зубьями

Передача на основе колёс с круговыми зубьями (Передача Новикова) имеет ещё более высокие ходовые качества, чем косозубые - высокую нагрузочную способность зацепления, высокую плавность и бесшумность работы. Однако они ограничены в применении сниженными, при тех же условиях, КПД и ресурсом работы, такие колёса заметно сложнее в производстве. Линия зубьев у них представляет собой окружность радиуса, подбираемого под определённые требования. Контакт поверхностей зубьев происходит в одной точке на линии зацепления, расположенной параллельно осям колёс.

2. Конические зубчатые колёса

Конические колёса в приводе затвора плотины

Во многих машинах осуществление требуемых движений механизма связано с необходимостью передать вращение с одного вала на другой при условии, что оси этих валов пересекаются. В таких случаях применяют коническую зубчатую передачу. Различают виды конических колёс, отличающихся по форме линий зубьев: с прямыми, тангенциальными, круговыми и криволинейными зубьями. Конические колёса с прямым зубом, например, применяются в автомобильных дифференциалах, используемых для передачи момента от двигателя к колёсам.

3. Реечная передача (кремальера)

Реечная передача (кремальера)

Cистема Романа Абта (нем. Roman Abt ), применяется в зубчатой железной дороге

Реечная передача (кремальера) применяется в тех случаях, когда необходимо преобразовать вращательное движение в поступательное и обратно. Состоит из обычной прямозубой шестерни и зубчатой планки (рейки). Работа такого механизма показана на рисунке.

Зубчатая рейка представляет собой часть колеса с бесконечным радиусом делительной окружности. Поэтому делительная окружность, а также окружности вершин и впадин превращаются в параллельные прямые линии. Эвольвентный профиль рейки также принимает прямолинейное очертание. Такое свойство эвольвенты оказалось наиболее ценным при изготовлении зубчатых колёс.

Также реечная передача применяется в зубчатой железной дороге.

Цевочная передача

Коронная шестерня

4. Коронные колёса

Коронное колесо - особый вид колёс, зубья которых располагаются на боковой поверхности. Такое колесо обычно стыкуется с обычным прямозубым, либо с барабаном из стержней (цевочное колесо), как в башенных часах.

5. Другие

6. Изготовление зубчатых колёс

Метод обкатки

6.1. Метод обкатки

В настоящее время является наиболее технологичным, а поэтому и самым распространённым способом изготовления зубчатых колёс. При изготовлении зубчатых колёс могут применяться такие инструменты, как гребёнка, червячная фреза и долбяк.

6.1.1. Метод обкатки с применением гребёнки

Нарезание зубчатого колеса методом обкатки на зубофрезерном станке с помощью червячной фрезы

Червячная фреза

Режущий инструмент, имеющий форму зубчатой рейки, называется гребёнкой. На одной из сторон гребёнки по контуру её зубьев затачивается режущая кромка. Заготовка нарезаемого колеса совершает вращательное движение вокруг оси. Гребёнка совершает сложное движение, состоящее из поступательного движения перпендикулярно оси колеса и возвратно-поступательного движения (на анимации не показано), параллельного оси колеса для снятия стружки по всей ширине его обода. Относительное движение гребёнки и заготовки может быть и иным, например, заготовка может совершать прерывистое сложное движение обката, согласованное с движением резания гребёнки. Заготовка и инструмент движутся на станке друг относительно друга так, как будто происходит зацепление профиля нарезаемых зубьев с исходным производящим контуром гребёнки.

6.1.2. Метод обкатки с применением червячной фрезы

Помимо гребёнки в качестве режущего инструмента применяют червячную фрезу. В этом случае между заготовкой и фрезой происходит червячное зацепление.

6.1.3. Метод обкатки с применением долбяка

Зубчатые колёса также долбят на зубодолбёжных станках с применением специальных долбяков. Зубодолбёжный долбяк представляет собой зубчатое колесо, снабжённое режущими кромками. Поскольку срезать сразу весь слой металла обычно невозможно, обработка производится в несколько этапов. При обработке инструмент совершает возвратно-поступательное движение относительно заготовки. После каждого двойного хода, заготовка и инструмент поворачиваются относительно своих осей на один шаг. Таким образом, инструмент и заготовка как бы «обкатываются» друг по другу. После того, как заготовка сделает полный оборот, долбяк совершает движение подачи к заготовке. Этот процесс происходит до тех пор, пока не будет удалён весь необходимый слой металла.

Литейная форма для бронзового зубчатого колеса. Китай, династия Хань. (206 до н. э. - 220 н. э.)

6.2. Метод копирования (Метод деления)

Дисковой или пальцевой фрезой нарезается одна впадина зубчатого колеса. Режущая кромка инструмента имеет форму этой впадины. После нарезания одной впадины заготовка поворачивается на один угловой шаг при помощи делительного устройства, операция резания повторяется.

Метод применялся в начале XX века. Недостаток метода состоит в низкой точности: впадины изготовленного таким методом колеса сильно отличаются друг от друга.

6.3. Горячее и холодное накатывание

Процесс основан на последовательной деформации нагретого до пластического состояния слоя определенной глубины заготовки зубонакатным инструментом. При этом сочетаются индукционный нагрев поверхностного слоя заготовки на определенную глубину, пластическая деформация нагретого слоя заготовки для образования зубьев и обкатка образованных зубьев для получения заданной формы и точности.

6.4. Изготовление конических колёс

Технология изготовления конических колёс теснейшим образом связана с геометрией боковых поверхностей и профилей зубьев. Способ копирования фасонного профиля инструмента для образования профиля на коническом колесе не может быть использован, так как размеры впадины конического колеса изменяются по мере приближения к вершине конуса. В связи с этим такие инструменты, как модульная дисковая фреза, пальцевая фреза, фасонный шлифовальный круг, можно использовать только для черновой прорезки впадин или для образования впадин колёс не выше восьмой степени точности.

Для нарезания более точных конических колёс используют способ обкатки в станочном зацеплении нарезаемой заготовки с воображаемым производящим колесом. Боковые поверхности производящего колеса образуются за счёт движения режущих кромок инструмента в процессе главного движения резания, обеспечивающего срезание припуска. Преимущественное распространение получили инструменты с прямолинейным лезвием. При прямолинейном главном движении прямолинейное лезвие образует плоскую производящую поверхность. Такая поверхность не может образовать эвольвентную коническую поверхность со сферическими эвольвентными профилями. Получаемые сопряжённые конические поверхности, отличающиеся от эвольвентных поверхностей, называют квазиэвольвентными.

6.5. Моделирование

Моделирование (продолж. 1м35с) другая версия.

7. Ошибки при проектировании зубчатых колёс

Зуб, подрезанный у основания

Подрезание зуба

7.1. Подрезание зуба

Согласно свойствам эвольвентного зацепления, прямолинейная часть исходного производящего контура зубчатой рейки и эвольвентная часть профиля зуба нарезаемого колеса касаются только на линии станочного зацепления. За пределами этой линии исходный производящий контур пересекает эвольвентный профиль зуба колеса, что приводит к подрезанию зуба у основания, а впадина между зубьями нарезаемого колеса получается более широкой. Подрезание уменьшает эвольвентную часть профиля зуба (что приводит к сокращению продолжительности зацепления каждой пары зубьев проектируемой передачи) и ослабляет зуб в его опасном сечении. Поэтому подрезание недопустимо. Чтобы подрезания не происходило, на конструкцию колеса накладываются геометрические ограничения, из которых определяется минимальное число зубьев, при котором они не будут подрезаны. Для стандартного инструмента это число равняется 17. Также подрезания можно избежать, применив способ изготовления зубчатых колёс, отличный от способа обкатки. Однако и в этом случае условия минимального числа зубьев нужно обязательно соблюдать, иначе впадины между зубьями меньшего колеса получатся столь тесными, что зубьям большего колеса изготовленной передачи будет недостаточно места для их движения и передача заклинится.