Детали машин



Зубчатая передача Новикова



Зубчатые передачи были изобретены человеком очень давно. И долгое время профиль зубьев «первобытных» зубчатых передач изготавливали без особых причуд - квадратные, треугольные, овальные, цилиндрические - лишь бы колеса не заклинивали и более-менее сносно передавали движение от одного к другому. Главным «пионервожатым» в области проектирования профиля зубьев зубчатых передач считается знаменитый Леонард Эйлер, который более двух столетий назад (в 1760 году) предложил выполнять профиль зубьев колес по плавной кривой, называемой эвольвентой.

В геометрии эвольвентой называют кривую, получаемую при перекатывании прямой линии по какой-либо окружности без проскальзывания. Тогда каждая точка прямой (называемой производящей прямой) описывает на плоскости спиралевидную траекторию, называемую эвольвентой и обладающей рядом уникальных свойств.

Как удалось установить Л. Эйлеру, эвольвента в качестве образующей профиля зубчатого зацепления обладает значительными преимуществами перед другими кривыми, применяемыми для этой цели. Она прекрасно удовлетворяет основному закону зацепления, обеспечивая постоянство передаточного отношения, нечувствительна к неточностям межосевого расстояния (что существенно упрощает и облегчает монтаж передачи), проста и технологична в изготовлении, легко поддается стандартизации (что особенно важно для такого широко распространенного типа передач, как зубчатые передачи).

зубчатая передача Новикова

Однако зубчатые передачи, имеющие эвольвентный профиль, обладают рядом существенных недостатков: высокими потерями на трение, заметной чувствительностью к взаимным перекосам зубчатых колес и значительными контактными напряжениями на поверхностях зубьев по линии их взаимодействия. Это ограничивает нагрузочную возможность передачи, т. е. ее способность передавать большие вращающие моменты.

По этой причине долгое время основной задачей, стоявшей перед конструкторами, работавшими над усовершенствованием зубчатых передач, было увеличение их несущей (нагрузочной) способности.
В 1954 году советский инженер Михаил Леонтьевич Новиков (1915—1957) предложил использовать для сопряжения пар зубчатых колес уникальный профиль зубьев, образованный дугами окружностей близкого радиуса. Торцевые профили зубчатых пар при этом представлять собой взаимоогибаемые кривые.

Идея Новикова заключалась в том, чтобы заменить линейный контакт поверхностей зубьев точечным. Такое решение позволило изменить и вид профилей зубьев, наблюдаемый в торцевом сечении: вместо взаимоогибаемых кривых эвольвентного зацепления Новиков использовал зубья, очерченные окружностями радиусов, имеющими минимальную разность кривизны. Один из профилей при этом обычно выполняют выпуклым, а второй, соответственно, вогнутым, хотя в отдельных случаях могут использоваться и одинаковая выпуклая форма зубьев колес.

Еще одно достоинство зацепления Новикова заключается в том, что профиль зубьев имеет менее выраженные участки концентрации напряжений, особенно в районе ножки зуба, поскольку переходы выполняются плавными, с равномерным утолщением (см. рисунок 1). Все это позволяет зубьям выдерживать нагрузку, превышающую допустимую для эвольвентного зацепления таких же параметров.

Совмещение профилей зубьев позволяет добиться того, что площадка их контакта смещается в процессе работы вдоль профиля, а не располагается непосредственно по всей его линии. При этом неизменными остаются как скорость перемещения, так создаваемый угол давления.
Для зацепления Новикова характерно то, что оно обладает нулевым торцовым коэффициентом перекрытия, в связи с чем его работоспособность может обеспечить лишь косое или шевронное исполнение зубьев.

***




Первоначально Новиковым был создан вид зацепления лишь с одной линией зацепления, который, в зависимости от того, где и в какой из точек происходил контакт, мог быть либо «дополюсным», либо «заполюсным».
Однако наилучшими эксплуатационными характеристиками (большей нагрузочной способностью и технологичностью, меньшей шумностью и чувствительностью к осевым смещениям) обладает созданная впоследствии передача, имеющая две линии зацепления («дозаполюсное» зацепление).
В этом варианте ножки каждого из колес выполнены вогнутыми, а головки - выпуклыми. Помимо преимуществ в эксплуатации, достоинство дозаполюсного зацепления в том, что нарезку зубьев на шестерне и колесе возможно осуществлять одним инструментом. Это упрощает технологию работ и повышает их точность.

Главным преимуществом новиковского зацепления является значительно более высокая нагрузочная способность. Передача Новикова обеспечивает передачу нагрузки в два (и даже более) раза превышающую нагрузку, допускаемую для эвольвентной передачи аналогичных параметров. Благодаря этому, при равной передаваемой мощности передача Новикова в два раза компактнее эвольвентной.

зубчатое зацепление Новикова

Профили зубьев в зацеплении Новикова позволяют применять более высокие передаточные числа, а отлично удерживающаяся между контактирующими элементами смазочная пленка увеличивает срок службы зубьев и уменьшает потери на трение, которые в новиковском зацеплении примерно в 2 раза ниже, чем в передачах с эвольвентный профилем зубьев. Это благотворно сказывается на КПД передачи.
Благодаря точечному контакту зубьев передача Новикова не столь чувствительна к погрешностям при монтаже и перекосам, что тоже немаловажно для высоконагруженных передач.

Не лишено зацепление Новикова и недостатков:

  • заметная чувствительность и зависимость от изменения межосевого расстояния;
  • при возрастании нагрузки в косозубых передачах Новикова отмечается существенное увеличение осевой составляющей, а это приводит к усложнению конструкции узлов опорных подшипников;
  • при изготовлении передачи с одной линией зацепления необходимо наличие двух специальных фрез (одна для нарезки зубьев колеса, а вторая - шестерни).
зацепление Новикова

В настоящее время передачи Новикова находят применение в тяжелонагруженных зубчатых редукторах, в частности, на многих металлургических предприятиях ими оснащены силовые приводы установок, предназначенных для глубокого бурения скважин, приводы станков-качалок типа ЦЗНК-450 и других, в механизмах передвижения и подъема грузоподъемных кранов, в мощных бетоносмесительных установках, а также в тяжелой военной технике.

Несмотря на ряд существенных преимуществ, зубчатая передача с зацеплением Новикова не смогла потеснить с лидерских позиций зубчатые передачи с эвольвентным профилем зубьев, предложенным Леонардом Эйлером. В настоящее время эвольвентный профиль зубьев в зубчатых передачах является наиболее распространенным. Тем не менее, многие инженеры, конструкторы и ученые считают, что зубчатые передачи с зацеплением Новикова в перспективе будут широко востребованы.

***

Конические зубчатые передачи