Детали машин



Косозубые и шевронные зубчатые цилиндрические передачи



В машиностроении широкое распространение получили цилиндрические зубчатые передачи, которые могут выполняться с прямыми, косыми и шевронными зубьями. При этом наиболее простыми и дешевыми в изготовлении являются прямозубые цилиндрические колеса. Тем не менее, косозубые и шевронные передачи обладают рядом существенных достоинств, благодаря которым их используют в машинах и механизмах, несмотря на относительно высокую стоимость изготовления.

Косозубые цилиндрические передачи

Очевидно, что способность зубчатого колеса передавать нагрузку во многом зависит от длины зуба – чем он длиннее, тем больше его нагрузочная способность. Увеличить длину зуба зубчатого колеса можно двумя способами – сделав колесо шире, т. е. увеличить его габарит, либо нарезав зубья под наклоном к оси колеса. Во втором случае длина зуба увеличивается без изменения габаритов колеса.
Эта идея и была использована в конструкции цилиндрических зубчатых колес – косозубое колесо при одинаковых параметрах изготовления способно передавать большую нагрузку, чем прямозубое.

эквивалентные параметры косозубой передачи

Следует отметить, что характер косозубого цилиндрического зацепления отличается от прямозубого тем, что зубья косозубого колеса входят в контакт с зубьями сопрягаемого колеса не по всей длине, а плавно и последовательно, что придает такой передаче еще одно достоинство – плавность и относительная бесшумность работы. При этом, чем больше угол наклона зубьев β, тем выше плавность зацепления.

Еще одно преимущество косого расположения зубьев на колесах – в зацеплении участвуют сразу несколько зубьев, плавно передавая нагрузку от одного к другому. По этой причине несущая способность косозубой цилиндрической передачи дополнительно повышается.

Итак, основные преимущества косозубых цилиндрических зубчатых передач перед прямозубыми – бόльшая несущая способность при одинаковых габаритах, плавность и бесшумность работы.

Но у косозубых цилиндрических зубчатых передач имеется один существенный недостаток – расположение зубьев под углом к оси приводит к появлению осевой силы, пытающейся сдвинуть сопрягаемые колеса вдоль осей, при этом направление осевых сил шестерни и колеса противоположно, т. е. колеса пытаются «сбежать» друг от друга в разные стороны (рис. 2). Чтобы избежать взаимного смещения колес приходится применять различные фиксирующие и упорные устройства, которые усложняют конструкцию и отнимают часть передаваемой энергии, т. е. снижая КПД передачи.
Осевые силы достигают значительной величины (по отношению к окружной силе), если угол наклона зубьев β превышает 20˚, поэтому в косозубых зубчатых цилиндрических передачах зубья нарезают под углом к оси в пределах 8…20˚.
Вторым недостатком косозубых цилиндрических зубчатых передач, как указывалось выше, является некоторое увеличение стоимости изготовления.

силы, действующие в косозубой цилиндрической передаче

Косозубые колеса нарезают тем же инструментом, что и прямозубые. Наклон зуба получают поворотом инструмента на угол β. Косозубые передачи в большинстве случаев выполняют без смещения, поскольку меняя угол β можно изменить угол αw.

Расчет косозубых колес ведут с использованием параметров так называемого эквивалентного колеса. Если рассечь косозубое колесо по нормали к направлению зубьев (т. е. перпендикулярно линии зуба), то в сечении образуется эллипс (рис. 1), радиус кривизны которого в полюсезацепления может быть определен по формуле:

dv = d/cos2β = mz/cos3β,

где d – делительный диаметр колеса по нормальному сечению;
m – модуль зацепления;
z – действительное количество зубьев косозубого колеса.

Из полученной формулы принимают эквивалентное число зубьев:

zv = z/cos3β,

которое используется в прочностных расчетах.

Анализ этой формулы позволяет сделать вывод, что с увеличением угла наклона зубьев β возрастает эквивалентное число зубьев колеса zv.

Расчет на прочность косозубых передач ведут аналогично расчету прямозубых цилиндрических зубчатых передач с введением поправочных коэффициентов, учитывающих особенности работы.

По условиям прочности габариты косозубых передач получаются меньше, чем у прямозубых примерно на 20%.

***




Шевронные цилиндрические передачи

Одного из неприятных свойств косозубой передачи – наличие осевых сил, стремящихся сдвинуть колеса вдоль вала или оси, можно избежать, если применить шевронную передачу, состоящую из шевронных зубчатых колес.
Шевронное зубчатое колесо (от французского «chevron» - «стропило») представляет собой спаренные косозубые колеса, у которых зубья образуют «елочку» (латинскую букву «V»), т. е. каждое шевронное колесо можно представить, как два косозубых колеса с противоположным углом наклона зубьев, выполненных заодно.
Вследствие противоположного направления зубьев осевые силы у каждого из колес косозубой пары тоже противоположны и компенсируют друг друга, т. е. суммарное осевое (сдвигающее) усилие практически исчезает.
Это обстоятельство позволяет применять у шевронных колес угол наклона зубьев β значительно больше, чем у обычных косозубых колес, и составляет 25…45˚ (у обычных косозубых колес угол β не превышает 20˚).

косозубые и шевронные зубчатые цилиндрические передачи

Благодаря таким особенностям шевронная передача позволяет еще больше удлинить зубья при неизменных габаритах колес. Кроме того, увеличение угла наклона зубьев приводит к повышению плавности работы передачи и уменьшению шума.
Поскольку осевая сила в шевронном зацеплении практически отсутствует, нет необходимости жестко крепить колеса на валах (или осях), предохраняя их от осевого перемещения.
Можно сделать вывод, что шевронная передача не только вобрала в себя все достоинства косозубой передачи, но и существенно их повысила, при этом позволила избавиться от основного недостатка – появления осевой силы, нагружающей опоры, снижающей КПД передачи и нередко приводящей к сильному нагреву подшипников и вала.

шевронные зубчатые передачи

Изобретателем шевронного зацепления является механик-самоучка из Польши, имя которого не сохранилось. Известно только, что патент на шевронную передачу и оригинальную технологию нарезания шевронных зубьев выкупил у этого талантливого механика известный французский промышленник Андре Ситроен (основатель автомобильного концерна «Ситроен»), которого иногда ошибочно считают изобретателем шеврона. Примечательно, что V-образные зубья шевронной передачи в виде двух горизонтальных «галочек» легли в основу фирменного знака концерна «Ситроен».

Но, как говорится, добра без худа не бывает. По сложности изготовления шевронные цилиндрические зубчатые колеса превосходят и косозубые, и уж тем более – прямозубые колеса. Нарезать зубья «елочкой» на поверхности цилиндрической заготовки достаточно сложно, ведь приходится менять направление резки в центре ширины колеса, но и здесь конструкторы и технологи нашли решение, облегчающее выполнение задачи. Обычно шевронные колеса изготавливают с дорожкой в середине колеса для выхода режущего инструмента (червячной фрезы). Ширина такой дорожки обычно составляет 10…15% модуля зацепления, а глубина равна высоте зуба.

Но иногда шевронные колеса изготавливают и без дорожки, чтобы полнее использовать ширину колеса для длины зубьев. Нарезание зубьев таким способом малопроизводительно, и требует дорогостоящего оборудования, поэтому применяется реже, чем нарезание зубьев с дорожкой.

Сопрягаемые шевронные колеса требуют строго определенного положения друг относительно друга во время работы передачи, поскольку малейший осевой относительный сдвиг колес приведет к заклиниванию или даже поломке зубьев. По этой причине вал одного из колес (обычно шестерни) выполняют плавающим, т. е. его монтируют в подшипниках, допускающих некоторое осевое смещение.

Шевронные передачи дороже в изготовлении, их применяют в мощных быстроходных закрытых передачах, поскольку при минимальных габаритах они способны передавать значительно бόльшие мощности по сравнению с другими цилиндрическими зубчатыми передачами, и меньше шумят на большой скорости. Шевронное зацепление нуждается в хорошей смазке, поэтому такие передачи чаще всего выполняют закрытыми.

Геометрический и прочностной расчеты шевронной передачи аналогичны расчетам косозубой передачи. Для шевронной передачи коэффициент ширины венца колеса принимают равным ψba = 0,4…1,0.

***

Редукторы



Главная страница


Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты