Преимущества и недостатки косозубой передачи

Детали машин

Зубчатые передачи

В зубчатой передаче движение передается с помощью зацепления пары зубчатых колес. Меньшее зубчатое колесо принято называть шестерней, большое – колесом. Термин «зубчатое колесо» относится как к шестерне, так к большому колесу.
При написании расчетных формул и указании параметров передачи шестерне присваивают индекс 1, колесу – индекс 2, например: d₁ , d₂ , n₁ , n₂ .
Зубчатые передачи являются самым распространенным видом механических передач, поскольку они могут надежно передавать мощности от долей до десятков тысяч киловатт при окружных скоростях до 275 м/с. По этой причине они широко применяются во всех отраслях машиностроения и приборостроения.

Достоинства зубчатых передач

К достоинствам этого вида механических передач относятся:

• Высокая надежность работы в широком диапазоне нагрузок и скоростей;
• Малые габариты;
• Большой ресурс;
• Высокий КПД;
• Сравнительно малые нагрузки на валы и подшипники;
• Постоянство передаточного числа;
• Простота обслуживания;

Недостатки зубчатых передач

Как и любой другой вид механических передач, зубчатые передачи имеют ряд недостатков, к которым относятся:

• Относительно высокие требования к точности изготовления и монтажа;
• Шум при больших скоростях, обусловленный неточностями изготовления профиля и шага зубьев;
• Высокая жесткость, не дающая возможность компенсировать динамические нагрузки, что часто приводит к разрушению передачи или элементов конструкции (для примера – ременная или фрикционная передача при внезапных динамических нагрузках могут пробуксовывать).

Классификация зубчатых передач

Зубчатые передачи классифицируются по ряду конструктивных признаков и особенностей.
В зависимости от взаимного расположения осей , на которых размещены зубчатые колеса, различают передачи цилиндрические (при параллельных осях), конические (при пересекающихся осях) и винтовые (при перекрещивающихся осях).
Винтовые зубчатые передачи применяются ограниченно, поскольку имеют низкий КПД из-за повышенного скольжения в зацеплении и низкую нагрузочную способность. Тем не менее, они имеют и некоторые достоинства – высокую плавность хода и возможность выводить концы валов за пределы передачи в обе стороны.

На рисунке 1 представлены наиболее широко применяемые виды зубчатых передач:

1 – цилиндрическая прямозубая передача;
2 – цилиндрическая косозубая передача;
3 – шевронная передача;
4 – реечная передача;
5 – цилиндрическая передача с внутренним зацеплением;
6 – винтовая передача;
7 – коническая прямозубая передача;
8 – коническая косозубая передача;
9 – коническая передача со спиралевидными зубьями;
10 – гипоидная передача.

В зависимости от вида передаваемого движения различают зубчатые передачи, не преобразующие передаваемый вид движения и преобразующие передаваемый вид движения. К последним относятся реечные зубчатые передачи, в которых вращательное движение преобразуется в поступательное или наоборот. В таких передачах рейку можно рассматривать, как зубчатое колесо с бесконечно большим диаметром.
Среди перечисленных видов зубчатых передач наиболее распространены цилиндрические передачи, поскольку они наиболее просты в изготовлении и эксплуатации, надежны и имеют небольшие габариты.

В зависимости от расположения зубьев на ободе колес различают передачи прямозубые, косозубые, шевронные и с круговыми (спиральными) зубьями.
Шевронные зубчатые колеса можно условно сравнивать со спаренными косозубыми колесами, имеющими противоположный угол наклона зубьев. Такая конструкция позволяет избежать осевых усилий на валы и подшипники опор, неизбежно появляющихся в обычных косозубых передачах.

В зависимости от формы профиля зубьев различают эвольвентные зубчатые передачи и передачи с зацеплением Новикова.
Эвольвентное зацепление в зубчатых передачах, предложенное еще в 1760 году российским ученым Леонардом Эйлером, имеет наиболее широкое распространение.
В 1954 году в России М. Л. Новиков предложил принципиально новый тип зацеплений в зубчатых колесах, при котором профиль зуба очерчен дугами окружностей. Такое зацепление возможно лишь для косых зубьев и носит название по имени своего изобретателя – зацепление Новикова или профиль Новикова.
В принципе, возможно изготовление зубчатых передач и с другими формами зубьев – даже квадратными, треугольными или трапецеидальными. Но такие передачи имеют ряд существенных недостатков (непостоянство передаточного отношения, низкий КПД и т. д.), поэтому распространения не получили. В приборах и часовых механизмах иногда встречаются зубчатые передачи с циклоидальным зацеплением.

В зависимости от взаимного положения зубчатых колес передачи бывают с внешним и внутренним зацеплением. Наиболее распространены передачи с внешним зацеплением.

В зависимости от конструктивного исполнения различают закрытые и открытые зубчатые передачи. В закрытых передачах колеса помещены в пыле- и влагонепроницаемые корпуса (картеры) и работают в масляных ваннах (зубчатое колесо погружают в масло до 1/3 радиуса).
В открытых передачах зубья колес работают всухую или при периодическом смазывании консистентной смазкой и не защищены от вредного воздействия внешней среды.

В зависимости от числа ступеней зубчатые передачи бывают одно- и многоступенчатые.

В зависимости от относительного характера движения осей зубчатых колес различают рядовые передачи, у которых оси неподвижны, и планетарные зубчатые передачи, у которых ось сателлита вращается относительно центральных осей.

Основные достоинства и недостатки цилиндрических косозубых передач

Зубчатые передачи, как и любые другие детали, и механизмы имеют достоинства и недостатки [2, 3, 5].

• – высокая нагрузочная способность при малых габаритах;
• – постоянство передаточного отношения;
• – высокий КПД;
• – простота ухода и обслуживания;
• – может быть изготовлена из самых разнообразных материалов;
• – сравнительно небольшие силы давления на валы и их опоры.

• – высокие требования в точности к изготовлению зубчатых колес (основной недостаток);
• – шум при больших скоростях;
• – ограниченность передаточного отношения;
• – наличие осевой силы стремящейся сдвинуть колесо вдоль оси вала.

Материалы для изготовления зубчатых колёс

Перед тем, как изготовить какое-либо зубчатое колесо, производят выбор материала. Выбор материала зависит от назначения передачи и условий её работы. В качестве материалов колес применяют стали, чугуны и пластмассы [3].

Основными материалами для зубчатых колёс служат термически обрабатываемые стали, так как они по сравнению с другими материалами в наибольшей степени обеспечивают контактную прочность и прочность зубьев на изгиб [5].

По твердости рабочей поверхности стальных зубьев различают:

• – с твёрдостью H ? 350 НВ,
• – с твёрдостью H > 350 НВ.

При тихоходных открытых передачах рекомендуется чугун СЧ18….СЧ35, но они имеют пониженную прочность на изгиб [4].

В быстроходных слабонагруженных передачах для шестерен, работающих в паре с металлическими колесами, применяют пластмассы. Зубчатые колёса из пластмасс отличаются бесшумностью и плавностью хода. Наиболее распространён текстолит, лигнофоль, капролон [4].

Область применения косозубых цилиндрических передач

Рассматривая любой механизм, имеющий подвижные части, найдём в его составе передаточные механизмы вращательного движения – как в механизмах микромеханики и вычислительной техники (принтеры, сканеры и т.д.), так и в механизмах предельной грузоподъёмности (экскаваторы, самосвалы и т.д.) и энергонасыщенности (самолёты, корабли и т.д.).

Этим и объясняется широта применения косозубых зубчатых передач – как самостоятельных механизмов, так и входящих в состав более сложных устройств.

Примеры расчетов и лабораторных по термеху и сопроматы

Достоинства косозубых передач:

Зацепление происходит более плавно и равномерно, чем у прямозубых;

меньший шум при зацеплении.

Недостатки косозубых передач:

При работе косозубого колеса возникает механический момент, направленный 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;

Более сложное изготовление колес по сравнению с прямозубыми.

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.

Двойные косозубые колёса (шевроны) (рис. 2.1, в)

Двойные косозубые колёса решают проблему осевого момента. Зубья таких колёс изготавливаются в виде буквы «V» (либо они получаются стыковкой двух косозубых колёс со встречным расположением зубьев). Осевые моменты обеих половин такого колеса взаимно компенсируются, поэтому отпадает необходимость в установке осей и валов в специальные подшипники. Передачи, основанные на таких зубчатых колёсах, обычно называют «шевронными».

Конической называется зубчатая передача, предназначенная для передачи и преобразования вращательного движения между звеньями, оси вращения которых пересекаются. По форме линии зуба конические зубчатые передачи различаются на: прямозубые; косозубые; с круговым зубом ( см. рис. 2.1, д, е, ж); с эвольвентной линией зуба; с циклоидальной линией зуба. Как и в цилиндрических, так и в конических зубчатых передачах наиболее часто применяют эвольвентное зацепление. Преимущественно применяют прямозубые конические колеса и только тогда, когда нельзя использовать цилиндрические. Это объясняется большей сложностью изготовления и сборки конических передач. Одно из колес конических передач из-за пересечения осей валов располагается консольно, что создает дополнительные трудности при конструировании опор. Кроме того, валы и опоры нагружаются не только радиальными, но и осевыми силами.

Преимущества конических передач:

 обеспечение возможности передачи и преобразования вращательного движения между звеньями с пересекающимися осями вращения;

 возможность передачи движения между звеньями с переменным межосевым углом при широком диапазоне его изменения;

 расширение компоновочных возможностей при разработке сложных зубчатых и комбинированных механизмов.

Недостатки конических передач:

 более сложная технология изготовления и сборки конических зубчатых колес;

 большие осевые и изгибные нагрузки на валы, особенно в связи с консольным расположением зубчатых колес.

Червячная передача (рис. 2.1, з)

Механическая передача, осуществляющаяся зацеплением червяка и сопряжённого с ним червячного колеса.

Червяк представляет собой винт со специальной резьбой, в случае эвольвентного профиля колеса форма профиля резьбы близка к трапецеидальной. На практике применяются однозаходные, двухзаходные и четырёхзаходные червяки.

Червячное колесо представляет собой зубчатое колесо. В технологических целях червячное колесо, как правило, изготовляют составленным из двух материалов: венец – из дорогого антифрикционного материала (например из бронзы), а сердечник – из более дешёвых и прочных сталей или чугунов.

Входной и выходной валы передачи скрещиваются, обычно (но не всегда) под прямым углом.

Передача предназначена для существенного увеличения крутящего момента и, соответственно, уменьшения угловой скорости. Ведущим звеном является червяк. Червячная передача без смазки и вибрации обладает эффектом самоторможения и является нереверсивной: если приложить момент к ведомому звену (червячному колесу), из-за сил трения передача работать не будет. Передаточные отношения i червячной передачи закладываются в пределах от 8 до 100, а в некоторых приложениях – до 1000.

Достоинства и недостатки червячной передачи:

Большое передаточное отношение в одной паре

Повышенная кинематическая точность

Сравнительно низкий КПД (целесообразно применять при мощностях не более 100 кВт)

Большие потери на трение (тепловыделение)

Повышенный износ и склонность к заеданию

Повышенные требования к точности сборки, необходимость регулировки

Необходимость специальных мер по интенсификации теплоотвода

Червяки классифицируют по следующим признакам:

по форме поверхности, на которой образуется резьба

по направлению линии витка

по числу заходов резьбы

по форме винтовой поверхности резьбы

с архимедовым профилем

с конволютным профилем

с эвольвентным профилем

В качестве материалов для изготовления зубчатых колес применяют стали, сплавы на основе цветных металлов, пластмассы.

При изготовлении цилиндрических и конических колес основным материалом являются термически обрабатываемые стали. При окружных скоростях зубьев до 3 м/с применяют качественные стали 20, 30, 35, а при более высоких окружных скоростях – стали 45, 50, инструментальные стали У8А, У10А и легированные стали 20Х, 40Х, 40ХН, 30ХГСА, 12ХН3А с соответствующей термообработкой (нормализацией, закалкой, улучшением – закалкой с высоким отпуском). Рекомендуется твердость зубьев шестерни (они более нагружены) выбирать на (20 … 50)НВ больше твердости зубьев колеса. Поэтому материал шестерни стараются брать более прочным, чем материал для колес.

При небольших нагрузках зубчатые колеса изготавливают из алюминиевых сплавов Д16Т, В95-Т1. Более широко при изготовлении мелкомодульных зубчатых колес, особенно червячных, применяют бронзы БрОФ10-1, БрАЖ9-4, БрАМц9-2.

Широко применяются в качестве материалов зубчатых колес пластмассы (текстолит ПТК, гетинакс, полиамиды), обладающие хорошей износостойкостью, демпфирующей способностью, коррозионной стойкостью.

В чем разница между червячной, конической, косозубой и прямозубой передачей

Какова разница между червячной, конической, косозубой и прямозубой передачей?

Зубчатая передача — это наиболее важная часть многих механизмов и двигателей. Их наличие помогает увеличить выходной крутящий момент за счет обеспечения необходимого передаточного числа и позволяет регулировать направление движения выходного вала, например, приводного вала автомобиля. Ниже перечислены основные типы передач (шестерен) и рассмотрены их отличия друг от друга.

• Прямозубая передача

Косозубые передачи позволяют добиться плавной работы благодаря постоянному контакту расположенных под углом зубьев.

Зубчатые колеса прямозубых передач монтируются последовательно на параллельных валах и позволяют достичь больших значений передаточного отношения.

Наиболее распространены прямозубые передачи, которые используются для обеспечения больших передаточных отношений. Зубья колес в таких передачах расположены под прямым углом, а сами зубчатые колеса установлены на параллельных валах. Прямозубые передачи используются в стиральных машинах, шуруповертах, заводных будильниках и прочих устройствах. Эти передачи довольно шумны вследствие механического столкновения зубчатых колес в момент вхождения в зацепление. Каждое зацепление вызывает громкий шум и вибрацию, именно поэтому прямозубые передачи не используются в сложной технике, такой как автомобили. Обычно передаточное число таких механизмов варьируется от 1:1 до 6:1.

• Косозубая передача

На вышеприведенном рисунке изображены два различных типа конических передач: прямозубая и спиральнозубая.

Косозубые передачи работают более плавно и тихо в сравнении с прямозубыми благодаря особому типу контакта зубьев. Зубья в данном случае расположены под углом к поверхности шестерни. Когда два зуба шестерен входят в зацепление, контакт между ними устанавливается постепенно, начиная с одного конца зуба. Контакт поддерживается на протяжении всего цикла зацепления. Зубья обычно расположены под углом от 15 до 30 градусов. Осевая нагрузка напрямую зависит от величины угла наклона зубьев. Косозубые передачи наиболее часто применяются в коробках передач. Они генерируют достаточно большую нагрузку, для восприятия которой используются упорные подшипники. Также косозубые передачи могут использоваться для передачи крутящего момента в случае, если зубчатые колеса устанавливаются под углом 90 градусов на перпендикулярных валах. Передаточное число обычно варьируется от 3:2 до 10:1.

• Конические передачи

Конические передачи обычно используются для передачи вращения вала в другом направлении. Зубья конической передачи могут быть прямой, спиральной или гипоидной формы. Шестерни с прямыми зубьями имеют те же характеристики, что и шестерни прямой передачи, и также подвержены высоким нагрузкам в момент зацепления. Прямозубые конические передачи, как и прямозубые цилиндрические передачи, имеют передаточные числа от 3:2 до 5:1.

В данном двигателе используется редуктор, состоящий из гипоидных и спиральнозубых конических зубчатых колес.

На вышеприведенном рисунке показан вид двигателя в разрезе, иллюстрирующий работу спиральнозубой конической передачи.

Спиральнозубые шестерни функционально не отличаются от косозубых шестерен. Они обеспечивают низкие уровни шумов и вибраций в сравнении с прямозубыми шестернями. Спиральнозубые шестерни, имеющие зубья с правым наклоном, используются для вращения по часовой стрелке относительно оси. Шестерни с левым наклоном используются для вращения против часовой стрелки относительно оси. Передаточное число таких передач варьируется от 3:2 до 4:1.

В гипоидной передаче, изображенной выше, большое зубчатое колесо называется ведомым, а меньшее — ведущим.

Гипоидная передача является разновидностью спиральной передачи, в которой зубчатые колеса имеет не коническую, а гиперболоидную форму. В гипоидной передаче ведущее зубчатое колесо располагается эксцентрично относительно ведомого. Это позволяет использовать ведущую шестерню большего диаметра и обеспечивает большую площадь пятна контакта.

Ведущее и ведомое колеса всегда вращаются в противоположные стороны, а спиральный угол зубьев ведущего колеса обычно больше угла зубьев ведомого. Благодаря большему передаточного числу, которое варьируется от 10:1 до 200:1, гипоидная передача широко используется в силовых трансмиссиях.

• Червячная передача

На рисунке изображена червячная передача в разрезе, что позволяет понять не только ее устройство, но и принцип работы. Особенности конструкции червячной передачи исключают ее вращение в обратном направлении.

Червячная передача используется в редукторах с большим передаточным числом, которое варьируется от 5:1 до 300:1. Пара конструктивно выполнена таким образом, чтобы червяк был в состоянии крутить шестерню, но шестерня не могла приводить в движение червяк. Угол подъема витка червяка является пологим, в результате чего шестерня удерживается на месте благодаря трению, возникающему при зацеплении. Червячные передачи используются в таком оборудовании как конвейеры, где блокировка обратного движения выполняет функцию тормоза или аварийного останова.