Виды зацепления зубчатых колес

08.07.2020

Виды зацепления зубчатых колес

Огромное количество устройств с механическими деталями использует принцип переноса силового усилия, вращательного момента, направления давления посредством особого способа. И именно его мы сегодня и затронем в обзоре. Мы разберем типы и виды, применение и назначение, преимущества зубчатых передач. А также рассмотрим смежные моменты.

Общее описание

Виды зацепления зубчатых колес

Для того чтобы передать усилия, ранее использовался повсеместно лишь один метод — ременный, который имел важное промежуточное звено — ремень. В нашем же случае способ меняется. Ненужный переходник исключается, вместо него появляется сцепление между элементами.

Таким образом, увеличивается не только уровень надежности и минимизируется размер всей системы, но также достигается и еще одно важное преимущество. Снижается расход энергии, необходимый для активации всей конструкции.

Существует масса ключевых факторов, которые определяют эффективность, сферу применения механизма. Разумеется, важным аспектом становятся габариты, материал производства и точность.

Если говорить про общие сведения о зубчатых передачах, нужно знать, что в хорошем продукте между зубьями всегда присутствует зазор. Они не располагаются вплотную. Иначе скольжение будет невозможным по определению. А также будет крайне неудобно смазывать подвижные части. Эксплуатационный срок, равно как и эффективность применения будет значительно снижена.

Не нужно забывать, что многие типы производства подразумевают образование высоких температур на производственных площадках. А сами механические детали во время работы ввиду банальной силы трения разогреваются. Значит, металл будет расширяться, незначительно увеличиваться в размерах.

И без зазора зубья просто встанут, упираясь друг в друга и заблокировав дальнейший ход.

Поэтому выбор конечного продукта всегда стоит останавливать на том, что точно не подведет. Именно поэтому мы в компании «Сармат» всегда внимательно относимся к деталям. И любая часть наших станков и иной продукции отвечает не только всем требованиям нормативной документации, но и желаниям наших клиентов.

Элементы конструкции зубчатой передачи

Виды зацепления зубчатых колес

Данное устройство по своей сути является довольно простым. В нем используется минимальное количество составных частей. Соответственно, это значительный плюс в пользу эксплуатационного срока. Как бы далеко ни шагнула наука и прогресс — чем проще механизм, тем реже он ломается. Это факт, с которым невозможно спорить.

Хотя, говоря о герое нашего обзора, в первую очередь в воображении предстает колесо, но это лишь вершина айсберга. Посмотрим более подробно:

  • • Практически во всех моделях присутствует корпус. Он необходим для надежной фиксации всех частей в условиях одной системы. А также не позволяет смазочным материалам утекать, тратиться впустую. Габариты и форма конуса допускается различная. Конкретика опирается на задачу, которую и должен выполнять инструмент.
  • • Колеса. Разбирая разновидности, какие передачи называют зубчатыми в принципе, в голову сразу приходят шестерни. Их по стандарту две штуки. Если не подразумевается посредников, всегда есть ведущее и ведомое. Первое получает импульс силы, поворачивается по своей оси, заставляет двигаться второе. Крутящий момент зависит от качества сцепления между ними.
  • • Вал. Главный двигатель, который и содержит в себе импульс. Получает он его уже непосредственно источника. В большинстве случаев таковым выступает привод на электрике. Крепится данная часть уже на само колесо. А значит, его форма также подбирается исходя из всей системы в целом. Допускается ступенчатые варианты при необходимости.
  • • Подшипники. Характеристики и определение зубчатых передач подразумевает подвижность колес. Но для обеспечения подобного необходимо крепить вал не напрямую, а с помощью промежуточных переходников. Ими и становятся подшипники. Поскольку в этом месте происходит толчок подвижности, его тоже нужно регулярно обрабатывать смазочными материалами.

Стоит также осознавать, что основа для любой шестерни – это зубья. Они и подарили название всей системе. Величина, количество, периодика расположения отличает виды друг от друга. Наклон тоже может существенно меняться в различных моделях.

Важно уточнить, что эти шестерни устанавливаются на вал через прессование. В результате общая конструкция обладает изрядной прочностью, а холостой поворот колеса исключается по определению. А это означает, что будет меньше потерь энергии. В большей части случаев снижается расход электрического тока, служащего источников для движения вала.

Как классифицируются зубчатые передачи

Сложно выделить единую градацию, на которую бы опирался каждый производитель. Существует значительное количество разнообразных факторов, становящихся фундаментальными в зависимости от задач на производстве. Поэтому и используется несколько вариаций группировки.

Посмотрим, по каким аспектам разделяют эти инструменты на подвиды:

  • • Основываясь на расположении осей по сравнению друг с другом. Так появляются параллельные типы, а также пересекающиеся. Отдельной строкой идут перекрещивающиеся. Разумеется, первый вариант – самый простой. И чаще всего выбирается именно он. Но существуют нетипичные задачи, где приходится использовать иные способы. Под осями подразумеваются механизмы, которые крепят колеса.
  • • Также некоторые классы опираются на расположение зубьев. Так у нас появляются внутренние и наружные варианты. Эффективность их напрямую опирается на всю систему. Панацеи нет. Им сказать, кто лучше не получится. Используются чаще наружные, но нельзя утверждать, что они результативнее.
  • • Корпус тоже имеет значение. Мы уже уточнили, зачем он нужен. Но пока не рассказали, что существуют модели с открытым типом оболочки. И что примечательно, такой вариант работает в принципе без внешней смазки. Сухой ход, как это принято называть. А закрытая модель – ближе к стандарту.
  • • Следует внимательно относиться и к размеру. Корректнее – к протяженности окружности. Чем она длиннее, тем больший путь проходит точка при одиночном повороте колеса. Соответственно, выделяют тихоходные и скоростные. Но стоит понимать, что динамика все же зависит от вала. Какой импульс он передаст. А форма лишь подскажет, сможет ли колесо справиться с ним и применить его по назначению.

Основные достоинства и недостатки зубчатых передач

Виды зацепления зубчатых колес

Ключевые преимущества видны невооруженным взглядом. Это:

  • • Длительный срок эксплуатации. Мы уже пояснили, что простой инструмент редко ломается. А в обозначенном случае мы имеем дело с крепким металлом, отсутствием ломких деталей, закаленной частью, соприкасающейся с партнером (зубьями). Поэтому такой механизм по праву можно считать долгожителем.
  • • Простая регулировка скорости. Масса вариантов настройки, установки.
  • • Высочайший уровень КПД при небольших затратах.
  • • Компактность. Что особенно важно. Ведь минимальный размер всего механизма позволяет сэкономить место в устройстве. Как пример, зубчатая передача позволяет сделать более компактный насос, сохраняя высокую мощность.

Но и минусы тоже существуют:

  • • Динамически во время работы невозможно сменить темп.
  • • Дороговизна, а также сложность. Выполнить кустарными методами, как муфту или что-то схожее, не выйдет. Необходимо обращаться к профессиональным производителям. И одним из лучших вариантов будет «Сармат». Где при эталонном качестве продукта не задираются расценки выше среднерыночных. Что редкость для современной экономической ситуации.
  • • Шумовой эффект. Избавиться от аспекта не получится, и чем выше скорость, тем сильнее будет сопровождающий работу звук. Вращательное движение не может быть беззвучным, зацепление зубьев делает свое дело. Такой способ является очень надежным, но и весьма шумным.

Типы

Виды зацепления зубчатых колес

А теперь пройдемся по конкретным представителям своего жанра. Сначала остановимся на наиболее общих группах. А после уже перейдем к узким нишам.

Конические

Виды зацепления зубчатых колес

Название говорят за себя. Основа колеса имеет форму конуса. Оси в таком варианте всегда перекрещиваются. Есть и иные отличительные стороны. Как непрямые зубья. Хотя, в принципе существует и аналог с прямыми, просто это менее распространенный выбор.

Примечательно, что в результате форму позволяет увеличить площадь соприкосновения между элементами. А угол достигает 90 градусов. Поэтому фиксация, по заверению экспертов, становится более надежной. Также интересно то, что зубья утолщаются от основания к вершине. А значит, после зацепа они весьма надежно держатся за партнеров. И соскальзывание почти полностью исключается.

Понятие, принцип действия зубчатой передачи конической формы строится на надежности. Но нельзя сказать, что это экономичный вариант. Ведь он неотвратимо теряет в среднем 15% импульса, который передает ему вал. Прямой угол просто не позволяет сохранить всю прилагаемую силу.

С переменным передаточным отношением

Это относительно новое веяние в сфере. Смысл строится на том, что в стандартном механизме положение полюса зацепления всегда остается неизменным, статичным. А в этом прогрессивном виде оно «гуляет», изменяется под среду и нужды. Нельзя сказать, что это очень популярная разновидность, но в определенных случаях он показывает весьма завидные результаты.

Планетарные

Виды зацепления зубчатых колес

Их еще можно назвать подвижными. В этом варианте ось колеса может перемещаться. Чтобы было яснее, в механизме шестерни не крутятся на месте, а более мелкое «бегает» по крупному. Движением становится намного разнообразнее, приходится пройти весь круг. И ось должна двигаться по траектории, меняя свое положение постоянно.

Разновидности колес

А теперь разберем основные виды, параметры зубчатых передач в зависимости от колес. Это самая популярная градация, на которой основываются чаще всего.

Цилиндрические

Виды зацепления зубчатых колес

Наиболее распространенный способ. Используется два колеса с различным количественным фактором зубьев. Характеризуются постоянным передаточным отношением, никаких «плавающих» переменных. Оси по традиции параллельные. Существуют две вариации реализации такого механизма, с повышающим и понижающим фактором. В первом случае отношение количества зубьев больше единицы, во втором, соответственно, меньше.

Коническая

Виды зацепления зубчатых колес

Об этой вариации мы уже немного поговорили. Смысл заключается в наличии угла между элементами. Разумеется, такой подход снижает КПД. Но для пущей надежности, особенно если подразумеваются высокие скорости вращения – это идеальное решение.

Читайте также:  Лучший клей для пластика автомобиля

Червячная

Виды зацепления зубчатых колес

Особый тип. В этом случае используется скрещивание осей. И принцип работы зубчатой передачи строится на заходах, каждый из которых немного тормозит движение. Меньшее колесо описывает от одного до четырех кругов по крупному собрату. Ход в обратную сторону, кстати, в такой конструкции не допускается. Сила трения слишком велика, она просто не позволит пойти назад. Зачастую к общему набору составных частей добавляются еще и редукторы.

Механизмы

Помимо описанных вариаций, есть еще парочка, которые являются более редкими, но все столь же результативными. В первую очередь, реечная. Используется не для передачи крутящего момента. Напротив, здесь вращательное движение проходит преобразование с помощью рейки. И на выходе мы видим поступательное. Возможен и обратный процесс.

А также существуют винтовые. Они весьма точны и надежны, поэтому реализуются в различных компактных приборах. Но есть и негативная сторона. Проседает эксплуатационный срок, соприкосновение почти без зазоров, а значит, поверхность просто стирается при работе.

Форма и характеристика зуба

Мы уже пояснили, из чего состоит зубчатая передача. И главным фактором колеса являются зацепы. Поэтому конструкция так и называется. Но им пока уделили недостаточно внимания. А ведь у них есть свои отличительные стороны и видовое разнообразие.

Это:

  • • Прямые. Используется повсеместно, нет отклонений по оси.
  • • Косые. Значительно повышает уровень сцепления. Но начинает страдать КПД. Да и срок службы снижается.
  • • Шевронные. Смысл кроется в снижении нагрузок на подшипник. Оси не давят на элемент, что выгодно при длительной работе.
  • • Внутренние. Прекрасно функционируют на изгиб. А также практически единственный тип, который не создает сильный шумовой эффект при эксплуатации.

Материалы

Чаще всего используется сталь. Но более мягкая и дешевая в вале и подшипниках. И максимально жесткая в колесах. Ведь они постоянно контактируют, трутся, давят. Поэтому применяется не только легированная сталь или углеродная, но и специальные методы обработки. Азотирование как вариант, а также цементирование. Закалка поверхностного уровня.

Любопытно, что в середине зацепы куда мягче, чем на поверхности. Ведь если сделать их твердыми по всему объему, они начнут ломаться при постоянных нагрузках, станут хрупкими. А если учитывать сферы, где применяются зубчатые передачи, особенности использования – такого допускать нельзя.

Геометрические параметры колес

Есть определенные нюансы конструкционного плана. Боковые стороны всегда соприкасаются. Это главная точка поверхности, передающая импульс. А угол всегда подбирается с учетом смещения, чтобы при некорректной работе не заблокировались шестерни.

Поэтому важно учитывать: диаметр, длину окружности, размер зацепов, периодику, частоту. Все эти параметры указываются в сопутствующей документации. И должны точно соответствовать требованиям нормативов.

Методы обработки

Для пущей надежности каждая деталь после производства и обкатки проходит еще термическую закалку. И это обязательный процесс для продукта, который прослужит долго. В большей части случаев термообработки хватает, но есть некоторые детали, которые используются в высокоточных приборах. И тогда уже понадобится еще шлифовать каждый продукт.

Области применения

Существует масса промышленных сфер, где с успехом нашли свое отражение такие конструкции. Проще найти отрасль, где их нет. От точных приборов до гигантских буровых установок.

Используются в двигателях внутреннего сгорания, а значит, почти в каждом виде транспорта на земле: станки, конвейеры на фабричном производстве и в цехах.

Даже в небольших элитных наручных часах применяется все тот же принцип. Просто без электрического привода.

Изучив классификацию и область применения зубчатых передач, остается только пожелать вам подобрать грамотный продукт для своего производства. И гидом, помогающим обойти все перипетии современного рынка, станет компания «Сармат».

Лекции

Виды зацепления зубчатых колес

Рис. 14. Зубчатый венец бандажированного колеса

Материалы и методы обработки зубчатых колес

Материал зубчатых колес должен обладать определенными технологическими и физическими свойствами. Например, он должен хорошо обрабатываться в холодном и горячем состоянии, иметь хорошую склонность к термообработке, обеспечить достаточную прочность при изгибе, высокую прочность поверхностного слоя зубьев и высокое сопротивление истиранию.

  • Для изготовления зубчатых колес применяют следующие материалы:
  • — сталь углеродистую обыкновенного качества марок Ст5, Ст6; качест­венную сталь марок 35, 40, 45, 50, 55; легированную сталь марок 12ХНЗА, 30ХГС, 40Х, 35Х, 40ХН, 50Г; сталь 35Л, 45Л, 55Л;
  • — серый чугун марок СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ40, высокока­чественный чугун марок ВЧ50-2, ВЧ45-5;

— неметаллические материалы (текстолит марок ПТК, ПТ, ПТ-1, лигнофоль, бакелит, капрон и др.).

С повышением несущей способности передач, лимитируемой твердостью активных поверхностей зубьев и их прочностью на изгиб, снижаются масса и габаритные размеры зубчатых колес. Наименьшие размеры имеют передачи со стальными зубчатыми колесами.

Так как одним из важнейших условий совершенствования машин является изыскание всех возможных путей к снижению их массогабаритных показателей, то поэтому именно сталь, является основным материалом для зубчатых колес и единственным – для колес высоконагруженных передач.

  1. Серый чугун рекомендуется применять для:
  2. — тихоходных, преимущественно крупных открытых передач, габариты которых не ограничены какими-либо требованиями;
  3. — редко работающих, сменных колес.

Основной недостаток чугуна — пониженная прочность по напряжению изгиба. Однако чугун хорошо противостоит усталостному выкрашиванию и заеданию в усло­виях скудной смазки. Зубья чугунных колес хорошо прирабатываются. Он не дорог и обладает хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатывается.

Разработан­ные новые сорта модифицированного чугуна позволяют чугун­ному литью конкурировать со стальным литьем также и в за­крытых передачах. Для изготовления зубчатых колес применя­ют серый и модифицированный чугун, а также магниевый чугун с шаровидным графитом (см. ГОСТ 1412-85).

Модифицированный и высокопрочный чугун рекомендуется применять при окружных скоростях V350 НВ (вторая группа материалов) твердость вы­ражается обычно в единицах Роквелла — HRC (1HRC = 10 HB).

Специальные виды термообработки позволяют получить твердость Н=(50…60) HRC. При этом допускаемые контактные напряжения увеличиваются до двух раз, а нагрузочная способность передачи—до четырех раз по сравнению с нормализованными или улучшенными сталями. Возрастают также износостойкость и стойкость против заедания.

Для стальных зубчатых колес в основном назначают следующие виды термической обработки их зубьев: улучшение и закалку с нагревом ТВЧ (токами высокой частоты). Из видов химико-термической обработки зубьев колес основное применение получили цементация, нитроцементация (газовое цианирование), реже – азотирование.

Нормализация — позволяет получить лишь низкую нагрузочную способность. Используют для поковок и отливок из среднеуглеродистых сталей; сохраняет точность при механической обработке; передачи хорошо и быстро прирабатываются. Редукторы больших размеров, индивидуальное производство, малонагруженные передачи.

Объемная закалка — наиболее простой способ получения высокой твердости зубьев. При этом зуб становится твердым по всему объему. Для объемной закалки используют углеродис­тые и легированные стали со средним содержанием углерода 0,35…0,5% (стали 45, 40Х, 40ХН и т. д.). Твердость на поверхности зуба 45…55 HRC.

Недостатки объемной закалки: коробление зубьев и необ­ходимость последующих отделочных операций, понижение изгибной прочности при ударных нагрузках (материал приоб­ретает хрупкость); ограничение размеров заготовок, которые могут воспринимать объемную закалку.

Последнее связано с тем, что для получения необходимой твердости при закалке скорость охлаждения не должна быть ниже критической. С увеличением размеров сечений детали скорость охлаждения падает, и если ее значение будет меньше критической, то получается так называемая мягкая закалка.

Мягкая закалка дает пониженную твердость.

Объемную закалку во многих случаях заменяют поверх­ностными термическими и химико-термическими видами об­работки, которые обеспечивают высокую поверхностную тве­рдость (высокую контактную прочность) при сохранении вязкой сердцевины зуба (высокой изгибной прочности при ударных нагрузках).

Улучшение (закалку с высоким отпуском) — в современном проектировании используют, как правило, в единичном и мелкосерийном производстве передач, к габаритам и массе которых не предъявляют жесткие требования, а также в тех случаях, когда контактная прочность зубьев колес не оказывает влияния на размеры проектируемого привода (например, в некоторых типах планетарных передач). При улучшении зубчатые колеса изготавливают из качественных углеродистых (40, 45, 65Г) и легированных сталей (40Х, 40ХН, 35ХМ, 45ХН, 35ХГСА и т.п.). Твердость улучшенных колес ограничивают технологическими условиями с целью обеспечения достаточной стойкости режущего инструмента: у небольших (da 5 мм). При малых модулях опасно прокаливание зуба насквозь, что делает зуб хрупким и сопровождается его короблением. При относительно тонком поверхностном закаливании зуб искажа­ется мало. И все же без дополнительных отделочных операций трудно обеспечить степень точности выше 8-й. Закалка ТВЧ требует специального оборудования и строгого соблюдения режимов обработки. Стоимость обработки ТВЧ значительно возрастает с увеличением размеров колес. Твердым поверхностным слоям (толщиной 0,25…0,4 модуля) при такой термообработке соответствует вязкая сердцевина зубьев, что повышает сопротивление ударным нагрузкам и обеспечивает высокую выносливость зубьев при изгибе. Закалка ТВЧ дает возможность полностью автоматизировать термическую обработку и включать ее (что особенно важно) в поточные линии по обработке зубчатых колес.

Закалку ТВЧ осуществляют на специальных станках и установках довольно значительной стоимости. В связи с этим, ее целесообразно применять только при среднесерийном, крупносерийном и массовом типах производства зубчатых колес.

При поверхностной закалке нагреву подвергают только наружные слои металла, поэтому зубчатые колеса не получают значительных деформаций (коробления) зубчатых венцов.

Читайте также:  Как подключить домашний кинотеатр bbk к компьютеру

В связи с этим, если  к передаче не предъявляют особые требования по точности вращения и уровню шума (степень точности передачи не выше 7-й по ГОСТ 1643-81), то зубья после их закалки ТВЧ можно не подвергать отделочным операциям.

Однако это понижает точность передачи на одну степень.

Закалку ТВЧ производят 3-я способами: 1) со сквозным нагревом зубьев; 2) с нагревом только их работающих поверхностей, так называемая закалка «по зубу» (рис. 14.1,а); 3) с одновременным нагревом рабочих поверхностей и впадины (выкружки) зубьев, так называемая закалка «по впадине» (рис. 14.1,б).

Виды зацепления зубчатых колес

Рис. 14.1. Схемы закалки ТВЧ зубчатых колес

Закалку ТВЧ со сквозным нагревом зубьев применяют только для зубьев, имеющих малый модуль (m≤3 мм). При этом способе закалки все зубья сразу нагревают в кольцевом индукторе, а затем охлаждают водяным душем или погружением зубчатого колеса в масло. Зубья прокаливаются насквозь. На некоторую глубину (0,1…1,0) m закаливается и часть обода колеса, прилегающая к зубьям.

Способ поверхностной закалки «по зубу» (рис. 14.1,а) требует менее сложного индуктора, более производителен и менее энергоемок по сравнению с закалкой «по впадине» (рис. 14.1,б).

Однако при поверхностной закалке только боковых сторон зубьев без охвата их выкружки в конечных участках закаленного слоя возникают остаточные напряжения растяжения, резко снижающие прочность зубьев при  изгибе.

Поверхностную закалку «по зубу» и по «впадине» осуществляют одновременным или непрерывно–последовательным способом.

Одновременный способ закалки применяют для колес с модулем не более 16 мм при длине зуба не свыше 200 мм. При этом способе одновременно нагревают всю поверхность, подлежащую закалке, а затем целиком охлаждают. Например, при закалке «по впадине» одновременным способом индуктор «1» (рис. 14.

2) вводят между зубьями с зазором между индуктором  и нагреваемой поверхностью. При этом нагревается впадина и обе соседние поверхности по всей длине зуба. Спрейеры подстуживания «2» непрерывно охлаждают наружные поверхности нагреваемых зубьев во избежание отпуска ранее закаленных поверхностей.

По окончании нагрева, продолжающегося несколько секунд, индуктор «1» выводят из впадины, и после паузы (для выравнивания температуры) из закалочных спрейеров нагретая поверхность охлаждается водой в течение времени, обеспечивающего закалку с самоотпуском.

По окончании закалки зубчатое колесо «4» поворачивают на один зуб, индуктор вводят в очередную впадину между зубьями и процесс повторяют.

Виды зацепления зубчатых колес

Рис. 14.2. Схема закалки зуба «по впадине» при одновременном нагреве

Непрерывно-последовательный способ поверхностной закалки применяют для колес с модулем свыше 16 мм или шириной зуба свыше 200 мм.

При этом способе поверхность, подлежащая закалке, нагревается и закаливается, не вся сразу, а последовательно, участок за участком.

Индуктор с определенной скоростью перемещается так, что поверхность, нагретая в индукторе, тотчас попадает под водяной душ и закаливается.

Цементациейзубьев называют процесс насыщения углеродом их поверхностных слоев с последующей закалкой и низким отпуском до твердости на поверхности Н = 56…62 НRC (HRC – твердость по Роквеллу, шкала «С»). Толщина диффузионного слоя при модуле m≤20 мм находится в пределах (0,28m0,007m2) ± 0,2 мм.

Сердцевина зуба также получает высокие механические свойства, имея твердость до Hсерд.= 32…45 HRC. Все это обеспечивает большую несущую способность поверхностных слоев зубьев и весьма высокую прочность зубьев на изгиб. Однако дефекты обычного зубошлифования могут снизить изгибную выносливость зубьев в 1,3…

1,5 раза, а при прижогах – до 2 раз.

Значительная величина твердости сердцевины и сравнительно большая толщина упрочненного слоя обуславливают высокую износостойкость, что особенно важно для открытых передач, а также значительную несущую способность зубьев, лимитируемую развитием глубинных (под упрочненным слоем) усталостных трещин.  

Для цементуемых зубчатых колес широко применяют низкоуглеродистые стали 15; 20 и безникелевые легированные стали 20Х; 18ХГТ; 25ХГТ; 15ХФ. Для колес ответственных передач, особенно работающих с переменными и ударными нагрузками, используют хромоникелевые стали 12ХНЗА; 20ХНМ; 18Х2Н4МА; 20Х2Н4А.

Процесс термообработки цементированных зубчатых колес связан со значительными искажениями формы зуба, что требует проведения отделочных операций зубьев даже при 8-й степени их точности.

В процессе зубошлифования на переходных участках и во впадинах зубьев могут возникать вредные напряжения растяжения, а также концентрация напряжений в местах выхода шлифовального круга, если шлифованию подвергают только боковые поверхности зубьев.

Эти негативные последствия могут быть в некоторой степени компенсированы последующей обдувкой дробью или нарезкой зубьев специальными фрезами с протуберанцами, с помощью которых формируется впадина зуба, исключающая ее шлифование в процессе снятия припуска с боковых поверхностей зубьев.

Для поверхностного насыщения зубьев углеродом колеса нагревают в богатых углеродом средах, называемых карбюризаторами. Применяют карбюризаторы трех видов: твердые, газовые и жидкие. В связи с этим, различают твердую, газовую и жидкостную цементации. Жидкостная цементация для зубьев колес практически не применяется, так как глубина цементованного слоя в этом случае не превышает 0,2…0,3 мм.

Основное применение находит газовая цементация, что обусловлено целым рядом ее преимуществ перед твердой: 1) изделия нагреваются значительно быстрее (например, для твердой цементации зубьев на глубину 0,5 мм требуется 4,5…5 ч, а при газовой цементации — 1,5…

2 ч), так как не требуется нагревать балласт — твердый карбюризатор, помещаемый в металлические ящики; 2) поверхности зубьев насыщаются углеродом с повышенной скоростью и весь цикл резко сокращается в связи с тем, что карбюризатор в процессе цементации непрерывно обновляется путем подачи в рабочее пространство печи свежего газа; 3) отпадает необходимость транспортировки и хранения угольного порошка, цементационных ящиков и т.п.; 4) есть полная  возможность автоматизации процесса.

Однако для газовой цементации необходимо иметь сложное дорогостоящее оборудование, требуемое для получения и подготовки к работе цементирующего газа, а также специальные печи, в которых и проводится газовая цементация. Все это трудно обеспечить в условиях не только единичного и мелкосерийного производства, но даже при среднесерийном масштабе выпуска зубчатых колес.

При массовом поточном производстве весьма перспективно применение высокотемпературной газовой цементации с нагревом зубьев токами высокой частоты. Из-за нагрева до 1050…1080° С процесс цементации сокращается в 4…5 раз по сравнению с обычной газовой цементацией. При высокотемпературной газовой цементации используют стали, не склонные к росту зерна, например, 18ХГТ.

Однако при такой цементации для колес каждого размера необходим свой индуктор и специальная установка (вертикальная цементационная камера), рассчитанная на обработку колес только определенного конкретного размера. Это и обуславливает применение высокотемпературной цементации исключительно при массовом производстве колес.

В связи с тем, что цементация — это длительный дорогостоящий процесс, требующий еще и проведения длительных дорогостоящих отделочных операций зубьев, то ее обычно применяют при серийном и выше масштабах производства колес зубчатых передач в изделиях, где масса и габариты имеют решающее значение (транспорт, авиация, коробки скоростей станков и т.п.), а также в открытых передачах, работающих в условиях абразивного износа (дорожные, подъемно-транспортные машины и т.п.).

Нитроцементация (газовое цианирование) — это насыщение поверхностных слоев зубьев углеродом и азотом в газовой среде, состоящей из 70…75% углесодержащего газа (генераторного и т.п.) и 15…

20% аммиака с последующей закалкой и низким отпуском.

Газовое цианирование проводят в шахтных или камерных электрических печах с герметичными муфелями (ретортами), куда помещают зубчатые колеса, уложенные в нихромовые корзины, и по трубкам подводится и отводится рабочая газовая среда.

Нитроцементации подвергают зубчатые колеса из среднеуглеродистых сталей, например, 20Х; 35Х; 40Х; 25ХГМ; 25ХГТ; 30ХГТ и т.п. Твердость рабочих поверхностей зубьев HRC 57…63. Толщина упрочненного слоя составляет (0,13¼0,20) m , но не более 1,2 мм.

Скорость нитроцементации выше, чем у газовой цементации в 1,5…2 раза. Искажение формы зуба при нитроцементации существенно меньше, чем при цементации.

В соответствии с этим, для колес, имеющих точность не выше 7-й степени, можно не применять отделочных операций зубьев.

В связи с вышеизложенным, нитроцементацию все шире начинают применять при серийном и выше масштабе производства редукторных передач изделий, для которых габариты и вес имеют существенное значение (например, редукторы подъемно-транспортных машин).

Азотирование — насыщение поверхностного слоя зубьев азотом без последующей закалки, вследствие чего форма и размеры зубьев практически не искажаются. Поэтому азотированные зубья не шлифуют. Твердость азотируемого слоя особенно высокая (до 70 HRC), однако его толщина составляет всего (0,2..

.0,5) мм. В связи с этим, для азотированных зубьев характерным повреждением является развитие подслойных усталостных трещин. Степень коробления при азотировании мала.

Поэтому этот вид термообработки особен­но целесообразно применять в тех случаях, когда трудно выполнить шлифование зубьев (например, колеса с внутренними зубьями).

Малая толщина упрочненного слоя не позволяет применять азотированные колеса при ударных нагрузках из-за опасности растрескивания этого слоя, требует фильтрации масла, так как при загрязненной смазке, попадании абразива тонкий слой быстро изнашивается и передача выходит из строя.

Азотирование проводят в герметично закрытых муфелях (ретортах), заполненных веществом, содержащим азот (обычно аммиаком). При азотировании применяют стали 38ХМЮА, 35ХЮА, 30Х2Н2ВФА, 30ХН2МФА, 45Х2Н2МФЮА и др. Азотирование — очень длительный процесс, требующий до 40…60 ч, т.е. в 10…

12 раз больше, чем при цементации. Правда, возможно ускорение этого процесса до 2…3 раз применением ионного азотирования (азотирования в тлеющем разряде), азотирования при нагреве ТВЧ.

Читайте также:  Вакуумный пресс для шпонирования своими руками

Заготовку зубчатого колеса, предназначенного для азотирова­ния, подвергают улучшению в целях повышения прочности сердцевины.

Зубчатые передачи: виды, достоинства и недостатки зубчатых передач

Подавляющее большинство механических передач имеет в своей основе зубчатые зацепления. Другими словами, в зубчатой передаче усилие передается благодаря зацеплению пары зубчатых колес (зубчатой пары). Зубчатые передачи активно используются, позволяя изменять скорость вращения, направление, моменты.

Основной задачей является преобразования вращательного движения, а также изменение расположения элементов трансмиссии и ряд других функций, которые необходимы для работы узлов, агрегатов и механизмов. Далее мы рассмотрим типы зубчатых передач, их особенности, а также достоинства зубчатых передач и их недостатки.

Виды зубчатых передач

Как уже было сказано, зубчатые зацепления (передачи зацеплением) позволяют эффективно реализовать передачу вращательного движения, которое поступает от двигателя.

Параллельно осуществляется преобразование движения, изменяется частота вращения, величина крутящего момента, направление осей вращения и т.д. Чтобы выполнять такие задачи, существуют разные виды передач. Прежде всего, их принято классифицировать  согласно особенностям расположения осей вращения.

  • Цилиндрическая передача. Такая передача состоит из пары, которая обычно имеет разное количество зубьев, а оси зубчатых колес цилиндрической передачи являются параллельными. Также отношение чисел зубьев принято называть передаточным отношением. Меньшее по размеру зубчатое колесо называется шестерней, тогда как большое называют зубчатым колесом. В том случае, когда шестерня ведущая, при этом передаточное число оказывается больше единицы, такая передача является понижающей, так как зубчатое колесо будет вращаться с меньшей частотой, чем шестерня. Также одновременно при условии уменьшения угловой скорости происходит увеличение крутящего момента на валу.  В случае, когда передаточное число оказывается меньше единицы, такая передача буде повышающей.
  • Коническое зацепление. Особенностью является то, что оси зубчатых колес будут пересекаться, вращение передается между валами, расположенными под тем или иным углом. Передача будет понижающей или повышающей с учетом того, какое из колес оказывается ведущим в передаче данного типа.
  • Червячная передача. Такая передача отличается тем, что имеет оси вращения, которые скрещиваются. Большое передаточное число получается в результате соотношения числа зубьев колеса, а также числа заходов червяка. Сами червяки бывают однозаходными, двухзаходными или четырехзаходными.  Также важной особенностью червячной передачи считается то, что в этом случае вращение передается исключительно от  червяка на червячное колесо.  При этом обратный процесс является нереализуемым по причине ильного трения. Данная система имеет способность самостоятельно затормаживаться благодаря применению червячных редукторов (например, в механизмах для подъема грузов).
  • Реечное зацепление, которое удается реализовать при помощи зубчатого колеса и рейки. Такое решение позволяет эффективно преобразовать вращательное движение в поступательное и обратно. Например, в автомобиле решение обычно используется в устройстве рулевого управления (рулевая рейка).
  • Винтовые передачи. Такие передачи используются в том случае, если валы скрещиваются. При этом контакт зубьев зацепления точечный, сами зубья сильно изнашиваются под нагрузками. Передачи данного типа зачастую используются в разных приборах.
  • Планетарная передача (планетарный механизм). Данный тип зацепления отличается от остальных тем, что в нем использованы зубчатые колеса, имеющие подвижные оси. Как правило, присутствует жестко закрепленное наружное колесо, которое имеет внутреннюю резьбу. Еще имеется центральное колесо, а также водило с сателлитами. Указанные элементы перемещаются по окружности неподвижного колеса, благодаря чему они вращают центральное колесо. В этом случае происходит передача вращения от водила на центральное колесо или же обратно.

Зубчатые передачи могут иметь наружное или внутреннее зацепление.  Если с наружным все понятно (в данном случае схема зубчатой передачи предполагает, что зубья расположены сверху), то при внутреннем зацеплении зубья большего колеса располагаются на внутренней поверхности. Также вращение возможно только в одном направлении. 

Рассмотрев выше основные виды зацеплений (зубчатых передач), следует добавить, что при этом указанные типы могут использоваться в разных сочетаниях с учетом особенностей тех или иных кинематических схем.

  • Еще зубчатые передачи могут отличаться по форме зубьев, профилю и типу. С учетом отличий принято выделять следующие зацепления: эвольвентные, круговые и циклоидальные. При этом чаще всего используются именно эвольвентные зацепления, так как технологически данное решение превосходит другие аналоги.

Прежде всего, такие зубья нарезаются при помощи простого реечного инструмента. Указанное зацепление имеет постоянное передаточное отношение, которое никак не зависит от степени смещения межцентрового расстояния.

 Недостатком зацепления является только то, что во  время передачи большой мощности сказывается небольшое пятно контакта в двух выпуклых поверхностях зубьев.

 Результат —  разрушение поверхности и другие дефекты материала.

Еще добавим, что круговое зацепление отличается тем, что выпуклые зубья шестерни сцеплены с вогнутыми колесами. Это позволяет значительно увеличить пятно контакта, однако также сильно возрастает сила трения в указанных парах.

  • Также можно отдельно выделить сами виды зубчатых колес: прямозубые, косозубые, шевронные и криволинейные. Прямозубые являются наиболее распространенными типами пар, они просты в разработке, дешевы в изготовлении и надежны в рамках эксплуатации. Линия контакта в данном случае параллельна оси вала. Такие колеса отличаются дешевизной производства, однако способны передать сравнительно небольшой максимальный крутящий момент по сравнению с косозубыми и шевронными зубчатыми колесами.

Косозубые колеса оптимально применять в том случае, если частота вращения очень высокая. Данное решение позволяет добиться плавности и снижения шума. Минусом принято считать большую нагрузку на подшипники, так как возникают осевые усилия.

Шевронные колеса имеют ряд преимуществ, свойственных косозубым парам. Прежде всего, они не создают дополнительной нагрузки на подшипники осевыми усилиями (силы разнонаправлены).

Криволинейные колеса обычно используют в том случае, когда необходимы максимальные передаточные отношения. Такие колеса создают меньше шума при работе, а также более эффективно работают на изгиб.

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.

Что касается зубьев, для них предельно важна прочность поверхности, а также сердцевина должна быть мягкой и вязкой.  Данные характеристики позволяют избежать излома и быстрого износа рабочей нагруженной поверхности. Еще добавим, что колесные пары механизмов, где нет больших нагрузок и высокой частоты вращения, изготавливают из чугуна. Также можно встретить в качестве материала для изготовления колесных пар бронзу, латунь и  даже всевозможные виды пластика.

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.

Достоинства и недостатки зубчатых передач

Прежде всего, среди достоинств зубчатой передачи можно выделить:

  • высокую надежность с учетом расширенного диапазона нагрузок и скоростей;
  • компактность, большой ресурс и высокий КПД;
  • относительно небольшие нагрузки на валы и подшипники;
  • постоянное передаточное число (отношение);
  • простота изготовления и обслуживания;

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.

Подведем итоги

Как видно, зубчатая передача является достаточно распространенным решением, которое используется в различных узлах, агрегатах и механизмах. С учетом того, что существует несколько типов таких передач, перед использованием одного или другого вида, в рамках проектирования конструкторы учитывают кинематические и силовые характеристики работы разных механизмов и агрегатов.

С учетом ряда особенностей и нагрузок подбирается вид зубчатой передачи, ее габариты, определяется степень нагрузки. После этого выполняется подбор материалов для изготовления зубчатых пар, а также способы необходимой обработки и нарезки зубьев. При расчетах отдельно учитывается модуль зацепления, величины смещений, количество зубьев шестерни и колеса, расстояние между осями, ширина венцов и т.д.

При этом основными условиями, которые определяют срок службы зубчатой передачи и ее ресурс, принято считать общую износостойкость поверхностей зубьев, а также прочность зубьев на изгиб. Чтобы получить нужные характеристики, в рамках проектирования  производства зубчатых механизмов указанным особенностям уделяется отдельное повышенное внимание.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector