Детали машин



Конструкции зубчатых колес и технология их изготовления



Конструкции зубчатых колес

В зависимости от назначения, размеров и технологии получения заготовки зубчатые колеса могут иметь различную конструкцию.

Цилиндрические и конические шестерни выполняют заодно целое с валом (вал-шестерня). Это связано с малыми размерами шестерен и с тем, что раздельное изготовление снижает точность и увеличивает стоимость производства вследствие увеличения числа посадочных поверхностей, требующих точной обработки, а также вследствие необходимости применения соединений (шлицевых, шпоночных), снижающих точность передачи и прочностные свойства элементов механизма.

Насадные шестерни применяют при больших диаметрах и в тех случаях, когда они должны перемещаться вдоль вала по условиям работы или сборки.
При диаметре dа150 мм колеса изготавливают в форме сплошных дисков из проката или из поковок (рис. 1).
Зубчатые колеса диаметром менее 500 мм получают ковкой (рис. 2), отливкой (рис. 3,а) или сваркой (рис. 3,б).
Колеса диаметром боле 500 мм выполняют отливкой или сваркой.

Иногда зубчатые колеса выполняют в виде узлов, образуемых сборкой отдельных частей (рис. 4). Так, венцы колес могут быть напрессованы на ступицу (бандажированные колеса) (рис. 4,а), крепиться резьбовым соединением (свертные колеса) (рис. 4,б) или приклепываться (клепаные колеса) (рис. 4,в).
Бандажированные, свертные или клепаные колеса применяют в целях экономии легированных сталей или цветных металлов, если таковые используются при изготовлении колеса.

конструкции зубчатых колес

***

Изготовление зубчатых колес

Заготовки зубчатых колес получают ковкой в штампах или свободной ковкой, реже литьем в зависимости от размеров, материала, формы и масштаба выпуска. Зубья эвольвентных колес изготавливают так, чтобы каждое колесо могло входить в зацепление с колесами того же модуля, имеющими любое число зубьев.
Зубья получают нарезанием или накатыванием.

Нарезание зубьев выполняют одним из двух методов – копированием или обкаткой.

Метод копирования заключается в прорезании впадин между зубьями модульными фрезами (рис. 5): дисковыми (а) или концевыми (б). После прорезания каждой впадины заготовку поворачивают на шаг зацепления. Профиль впадины является копией профиля режущих кромок фрезы, отсюда и название – метод копирования.
Точность нарезаемых зубьев невысокая, метод является малопроизводительным, поэтому его применяют, преимущественно, в ремонтном производстве.

Метод обкатки имеет основное применение. Нарезание зубьев по этому методу основано на воспроизведении зацепления зубчатой пары, одним из элементов которой является режущий инструмент – червячная фреза (рис. 6,а), долбяк (рис. 6,б) или реечный долбяк – гребенка (рис. 8.).

нарезание и обкатка зубьев на шестернях и колесах

Червячная фреза имеет в осевом сечении форму инструментальной рейки. При нарезании зубьев заготовка и фреза вращаются вокруг своих осей, обеспечивая непрерывность процесса.
Нарезание зубьев червячными фрезами широко применяют для изготовления колес с внешним расположением зубьев.
Для нарезания колес с внутренним расположением зубьев применяют долбяки.

Гребенками (см. рис. 8) нарезают прямозубые и косозубые колеса с большим модулем зацепления.
Нарезание зубьев конических колес методом обкатки производят строганием (рис. 7,а), фрезерованием (рис. 7,б), резцовыми головками.

Накатывание зубьев применяют в массовом производстве. Предварительное формообразование зубьев цилиндрических и конических колес производят горячим накатыванием. Венец стальной заготовки нагревают токами высокой частоты (ТВЧ) до 1200 ˚С, а затем обкатывают между колесами-накатниками. При этом на венце выдавливаются зубья. Для получения колес более высокой точности производят последующую механическую обработку зубьев или холодное накатывание – калибровку. Холодное накатывание зубьев применяют при модуле до 1 мм.

Накатывание зубьев – высокопроизводительный метод изготовления колес с минимальным отходом металла в стружку.

зубонарезная гребенка

***

Отделка (доводка) зубьев

Зубья колес точных зубчатых передач после нарезания подвергают отделке шевингованием, шлифованием, притиркой или обкаткой.

Шевингование применяют для тонкой обработки незакаленных зубьев.
шевингование зубьев Выполняют специальным инструментом – шевером, имеющим вид зубчатого колеса с узкими канавками на поверхности зубьев. Вращаясь в зацеплении с обрабатываемым колесом, шевер снимает режущими кромками канавок волосообразную стружку с зубьев колеса, доводя его форму до требуемой точности.

Шлифование применяют для обработки закаленных зубьев. Выполняют шлифовальными кругами способом копирования или обкатки.

Притирку используют для отделки закаленных зубьев колес. Выполняют притиром – чугунным точно изготовленным колесом с использованием притирочных паст.

Обкатку применяют для сглаживания шероховатостей на рабочих поверхностях зубьев незакаленных колес. В течение 1…2 минут зубчатое колесо обкатывают под нагрузкой с эталонным колесом высокой твердости.

***

Скольжение при взаимодействии зубьев

При работе колес зацепление двух зубьев происходит по рабочим участкам профилей, при этом рабочие участки профилей одновременно перекатываются и скользят друг по другу. Скольжение вызвано тем, что за один и тот же промежуток времени контактируют участки головок большей длины с соответствующими им участками ножек зубьев меньшей длины. Скорость скольжения зубьев в крайних точках зацепления имеет максимальное значение, и равна нулю в полюсе зацепления, при этом при переходе точки зацепления через полюс скорость скольжения меняет знак (рис. 10).

скольжение при взаимодействии зубьев

Точки профилей головок зубьев имеют бόльшие касательные скорости, чем точки ножек, следовательно, поверхности головок являются опережающими. Бόльшему изнашиванию подвержена ножка, меньшему – головка, что приводит к искажению профиля зуба, особенно в открытых передачах.

Неравномерное скольжение зубьев является недостатком эвольвентного зацепления. Малые значения скорости скольжения в околополюсной зоне увеличивают коэффициент трения в этой зоне, что создает предпосылки для выкрашивания рабочих поверхностей зубьев в результате контактных напряжений.

***




Влияние числа зубьев на форму и прочность зуба

Изменение числа зубьев приводит к изменению формы зуба. У рейки с числом зубьев z стремящимся к бесконечности зуб прямобочный (рис. 11,а); с уменьшением количества зубьев увеличивается кривизна эвольвентного профиля, а толщина зуба у основания и вершины уменьшается.

При уменьшении количества зубьев ниже предельного появляется подрез ножки зуба режущей кромкой инструмента (рис. 11, в), в результате чего прочность зуба резко снижается. Из-за среза части эвольвенты у ножки зуба (рис. 12) уменьшается длина рабочего участка профиля, в результате чего понижается коэффициент перекрытия εα и возрастает изнашивание.

подрезание эвольвентных зубьев

Чтобы исключить подрезание ножки зуба при малом z инструментальной рейке необходимо сообщить смещение xm (рис. 13, а), при котором вершина ее зуба выйдет из зацепления с зубом колеса 2 в точке S и эвольвента профиля получится полной, не подрезанной (рис. 13, б). При этом избыточная часть рейки не будет подрезать зуб.

Величину xm называют абсолютным смещением рейки, величину x – относительным смещением рейки, или коэффициентом смещения.

влияние модификацию на форму зуба

Минимальное количество зубьев шестерни, у которой исключено подрезание зубьев без смещения рейки (т. е. при x = 0) можно определить по формуле:

zmin = 2/sin 2αw.

При αw = 20˚ минимальное количество зубьев zmin = 17.

С увеличением количества зубьев возрастает коэффициент перекрытия εα, повышается плавность работы передачи, уменьшаются потери на трение и стоимость изготовления колес. Оптимальное количество зубьев колес, используемых в зубчатых передачах и редукторах, принимают равным zmin = 18…35.

***

Зубчатые передачи со смещением

Передачу со смещением образуют зубчатые колеса, у которых нарезание зубьев осуществляют со смещением рейки на величину xm (рис. 13). Изменение формы зуба по сравнению с исходным зацеплением при нарезании со смещением называют модификацией профиля.
Модифицированный профиль зуба очерчивается другим (смещенным) участком той же эвольвенты, что и профиль немодифицированного зуба.

Модификацию применяют:
- для устранения подрезания зубьев шестерни при малом количестве зубьев;
- для повышения изгибной прочности зубьев, что достигается увеличением их толщины;
- для повышения контактной прочности, что достигается увеличением радиуса кривизны в полюсе зацепления;
- для получения заданного межосевого расстояния передачи.

Положительным называют смещение рейки от центра зубчатого колеса, отрицательным – к центру.
модификация зубчатых колес При положительном смещении увеличивается толщина зуба у основания (рис. 14), что повышает его прочность на изгиб, но при этом заостряется головка зуба, что ограничивает величину смещения инструмента при нарезании.
При отрицательном смещении имеет место обратное явление.

У зубчатых колес со смещением толщина зуба и ширина впадины по делительной окружности неодинаковы, но в сумме остаются равными шагу р.

В зависимости от сочетания смещений при нарезании зубьев парных зубчатых колес модификация бывает высотной и угловой.

Высотная модификация

При высотной модификации шестерню изготовляют с положительным коэффициентом смещения, а колесо – с отрицательным, при этом абсолютные величины смещений должны быть равны, в результате чего суммарный коэффициент смещения будет равен нулю. Такие передачи называют равносмещенными.
При высотной модификации зубчатой пары диаметры делительных окружностей шестерни и колеса совпадают, как и в передаче без смещения, следовательно, межосевое расстояние, коэффициент перекрытия и угол зацепления остаются неизменными. Общая высота зубьев также не меняется по сравнению с ее нормальным значением, но изменяется соотношение между высотой головок и ножек зубьев. Поэтому такая модификация и называется высотной.

Высотную модификацию применяют при малом числе зубьев шестерни и большом передаточном числе, когда требуется обеспечить такие формы зубьев шестерни и колеса, при которых они будут примерно равнопрочными на изгиб.

Угловая модификация

Угловая модификация является общим случаем модифицирования, при котором суммарный коэффициент смещения пары колес не равен нулю, т. е. смещение у шестерни и у колеса неодинаковы по абсолютной величине.
Угловая модификация по сравнению с высотной дает значительно бόльшие возможности влиять на различные параметры зацепления (межосевое расстояние, угол зацепления, угол перекрытия и т. п.), поэтому она применяется чаще.

Модифицированные зубчатые колеса изготавливают тем же стандартным инструментом и на том же оборудовании, что и немодифицированные. Для получения нормальной высоты зуба диаметры заготовок соответственно увеличивают или уменьшают на величину удвоенного смещения инструмента.
Иногда модифицированные колеса называют корригированными (устаревшая терминология).

***

Точность зубчатых передач

При изготовлении зубчатых передач неизбежны погрешности, которые выражаются в радиальном биении зубчатого венца, отклонениях шага, профиля зуба, соосности осей колес, колебании межосевого расстояния и др.
Эти погрешности приводят к повышенному шуму во время работы передачи, потере точности вращения ведомого колеса, нарушению правильности и плавности зацепления, повышению динамичности и снижению равномерности распределения действующей в зацеплении нагрузки по длине контактных линий и, в конечном счете, определяют ресурс и работоспособность передачи.

точность зубчатых передач

Тем не менее, выполнять зубчатые передачи со слишком высокой точностью не всегда целесообразно, поскольку это приводит к удорожанию механизма в целом. Поэтому стандартом регламентируется точность зубчатых колес и передач в зависимости от их назначения и условий работы.
Допуски на цилиндрически зубчатые передачи определяются стандартом ГОСТ 1643–81.

Этим стандартом установлено 12 степеней точности зубчатых колёс и передач: 1, 2, 3 … 12 в порядке убывания точности. Для степеней точности 1 и 2 и 12 допуски стандартом не предусмотрены (для перспективы).

Наибольшее распространение имеют 6,7, 8 и 9-я степени точности: 6-я степень соответствует высокоточным скоростным передачам, 7-я – передачам нормальной точности, работающим с повышенными скоростями и умеренными нагрузками или с умеренными скоростями и повышенными нагрузками, 8-я передачам общего машиностроения пониженной точности, 9-я – тихоходным передачам машин низкой точности.

Для каждой степени точности установлены независимые нормы допускаемых отклонений параметров, определяющих:

  • кинематическую точность колёс и передачи (регламентирует погрешность углов поворота зацепляющихся пар колес за один оборот);
  • плавность работы (регламентирует колебания скорости за один оборот колеса, вызывающие шум и динамические нагрузки);
  • контакт зубьев зубчатых колёс в передаче (регламентирует концентрацию нагрузки на зубьях, определяющую работоспособность силовых передач).

Также ГОСТ 1643–81 устанавливает шесть видов сопряжений определяющих гарантированный боковой зазор между неконтактирующими поверхностями смежных зубьев.
Боковой зазор необходим для предотвращения заклинивания зубьев передачи от нагрева, размещения смазочного материала и обеспечения свободного вращения колес.
Размер зазора задают видом сопряжения зубчатых колес в передаче: Н – нулевой зазор, Е –малый зазор, D и С – уменьшенные зазоры, В – нормальный зазор, А – увеличенный зазор.
В общем машиностроении чаще всего применяют вид сопряжения В, а для реверсивных передач – С.
Получение боковых зазоров связано с точностью изготовления колес.

***

Косозубые и шевронные передачи