Проектирование узлов и механизмов для передачи крутящего момента

В зависимости от взаимного  расположения зубчатых колес различают зубчатые передачи с внешним (а) и внутренним зацеплением (б). В последней, в отличие от первой, зубчатые колеса вращаются в одну сторону.

Разновидностью зубчатой передачи служит реечная передача (к), преобразующая вращательное движение шестерни в возвратно-поступательное движение рейки или наоборот. Рейку рассматривают как зубчатое колесо бесконечно большого диаметра.

Зубчатые передачи применяют  не только в виде пары зубчатых колес, но и в более сложных сочетаниях, образующих многоступенчатые зубчатые передачи, а также в виде планетарных передач состоящих из зубчатых колес с перемещающимися геометрическими осями, и волновых передач, в которых одно из зубчатых колес представляет собой гибкий венец.

Наиболее распространены цилиндрические и конические зубчатые передачи, причем цилиндрические передачи проще в  изготовлении и монтаже. Коническая зубчатая передача осуществляет вращение между валами, геометрические оси которых пересекаются. Цилиндрические и конические прямозубые передачи работают обычно при небольших (<3 м/с) и средних (3...15 м/с) окружных скоростях. Цилиндрические прямозубые передачи используют при осевом перемещении зубчатых колес для переключения скоростей (коробки передач). Цилиндрические и конические косозубые и с круговыми зубьями передачи применяют в ответственных случаях при средних и высоких (15 м/с) скоростях. Шевронные передачи обычно применяют при больших нагрузках и особо тяжелых условиях работы, при средних и высоких окружных скоростях. В шевронной передаче по сравнению с цилиндрической косозубой отсутствуют осевые силы, действующие на валы и подшипники. Во всех конических передачах при работе возникают значительные осевые силы.

Хотя зубчатая передача с внутренним зацеплением компактнее передачи с  внешним зацеплением, но ее изготовление и монтаж сложнее и поэтому  более распространены передачи с  внешним зацеплением. Винтовая и гипоидная передачи по сравнению с цилиндрическими и коническими обладают большей плавностью работы и возможностью выводить оба вала за пределы передачи в обе стороны, но к.п.д. у них ниже и зубья изнашиваются быстрее вследствие повышенного скольжения зубьев. Несущая способность винтовых передач небольшая (начальное касание зубьев происходит в точке). Гипоидные передачи обладают повышенной несущей способностью (начальное касание зубьев происходит по линии), и поэтому они имеют более широкое применение (автомобили, троллейбусы, текстильные машины).

Зубчатые передачи нашли самое  широкое распространение среди  механических передач благодаря  целому ряду достоинств, из которых  важнейшие: компактность, высокий к. п. д., постоянство передаточного числа, большая долговечность и надежность в работе, возможность осуществления передачи практически любых мощностей при практически любых скоростях и передаточных отношениях, простота обслуживания. Назначение и конструкции зубчатых передач разнообразны. Их применяют в очень многих приборах и почти во всех машинах, в том числе и самых тяжелых и мощных для передачи мощностей от весьма малых до 50 МВт и выше с диаметром колес от долей миллиметра до 6 м и более.

2. Изготовление зубчатых колес.

Зубья колес получают нарезанием по двум основным способам:

1) Способы, при которых копируется  форма профиля инструмента -  это нарезание  зубьев  специальными  дисковыми  или  пальцевыми  модульными фрезами. 

2)  Способы,  при  которых   используется  метод  обкатки   инструмента относительно  заготовки (нарезание  долбяками,  гребенками,  червячными фрезами).  Режущий  инструмент  профилируется  на  основе  исходного  контура (инструментальной рейки).

При  изготовлении  зубчатых  колес  неизбежны  погрешности: отклонение вала, биение колес и др. Все эти погрешности приводят к повышенному шуму во время работы и преждевременному разрушению. Точность зубчатых передач регламентируется  стандартами,  в  которых 12 степеней  точности, расположенных в порядке убывания точности. Наибольшие распространения в общем  машиностроении  имеют 6, 7, 8  и 9  степени  точности: 6-я  степень точности  соответствует  скоростным  высокоточным  передачам (изготавливают червячными  фрезами  или  зубодолблением); 7-я -  точным  передачам; 8-я - передачам  средней  точности (дисковыми  или  пальцевыми  фрезами); 9-я - тихоходным передачам пониженной точности (литье или штамповка).

Во  избежание  заклинивания  зубьев  в  зацеплении  должен  быть гарантированный  боковой  зазор.  Стандартом  предусмотрено 6  видов  сопряжения: Н - нулевой зазор; Е - малый зазор; С, Д - уменьшенный зазор;  А - увеличенный зазор.

Стандарт  устанавливает  допуски  на  межосевые  расстояния,  перекос  валов и другие параметры.

3. Условия работы, повреждения и критерии расчета зубчатых передач.

В  процессе  зацепления  на  зуб  действует  нагрузка,  передаваемая зацеплением, действуют и силы трения. Циклическое изменение напряжений от сил  зацепления  может  быть  причиной  поломки  зубьев  и  усталостного выкрошивания  их  поверхностей,  а  трение  в  зацеплении  вызывает  износ  и заедание зубьев.

Поломка зубьев является следствием возникновения больших изгибных напряжений у основания зуба от окружной силы. Усталостные трещины образуются на той стороне зуба, где от изгиба возникают большие напряжения растяжения. Усталостную  поломку  предупреждают  расчетом  на  прочность  по напряжениям изгиба.

 Усталостное  выкрошивание  рабочих  поверхностей  зубьев  является основным видом разрушения  зубьев закрытых передач. Выкрошивание  рабочих поверхностей  происходит  под  действием  силы  нормального  давления, которая  вызывает  появление  значительных  поверхностных  или  контактных напряжений. Эти напряжения - причина появления микроскопических  трещин на  поверхности  зуба.  В  эти  трещины  под  давлением  попадает  масло,  что является  причиной  дальнейшего  развития  трещин  и  выкрошивания  частиц поверхности, которое прогрессивно возрастает.

Усталостное  выкрошивание  зубьев  предупреждают  расчетом  на прочность  по контактным напряжениям.

В открытых  передачах выкрошивания  не  наблюдается,  т.к.  Процесс износа поверхности зубьев опережает процесс развития усталостных трещин. Износ зубьев  является  основным  видом разрушения  зубьев  открытых передач.  Появляется  вследствие  попадания на  рабочие поверхности зубьев абразивных  частиц,  пыли,  грязи. Износ можно уменьшить защитой зубчатых передач от  попадания пыли,  периодической чисткой передач,  повышением твердости и уменьшением шероховатости рабочей поверхности зубьев.

Заедание  зубьев -  процесс  наслоения  металла  на  рабочей  поверхности.

Под действием трения и тепла  более мягкий зуб колеса как бы намазывается на более  твердый  зуб  шестерни.  Появляются  так  называемые  задиры,  которые способствуют  износу.

Заедание  зубьев  предупреждают  выбором соответствующих  материалов  и  термической  обработки,  повышением твердости и класса чистоты рабочей поверхности зуба.

4.  Материалы и обработка зубчатых колес.

Основным  материалом  для  зубчатых  колес  служат  термически обрабатываемые стали. В  зависимости от твердости стальные  зубчатые колеса делятся на две группы.

Первая группа - колеса с твердостью ≤ НВ 350. Относятся к пластичным материалам  с  большой  вязкостью.  Применяются  в  мало-  или средненагруженных  передачах. Благодаря невысокой твердости зубья нарезаются после термообработки.

Такие  зубчатые  колеса  не  требуется  дополнительно  шлифовать  и  доводить. Дешевы и проще в  изготовлении.

Материалами служат среднеуглеродистые стали 35...50 ГОСТ 1050-88 из конструкционных 40Х, 40ХН, 45ХН, 50Х ГОСТ 4543-71. Термообработка (ТО):

• улучшение - т.е.  закалка с высоким отпуском. Для колес большого диаметра;
• применяется нормализация. Колеса хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому  разрушению. 

Для  равномерного  износа  зубьев  и  лучшей  их прирабатываемости  твердость шестерни  должна  быть  на (25...50) НВ  больше твердости колеса:

НВ₁ ≥ НВ₂ + (25...50).

Вторая  группа -  колеса  с  твердостью >  НВ 350.  Применяются  в тяжелонагруженных  передачах. Высокая  твердость  достигается  объемной  или поверхностной  закалкой,  цементацией,  азотированием,  цианированием.  Зубья нарезаются до упрочняющей обработки, после упрочняющей обработки, зубья деформируются.  Поэтому  обязательно  дополнительное  шлифование  или притирка. Изготовление дороже и сложнее. Но зато они обладают большей нагрузочной способностью при меньших габаритах. При цементации используются стали 15, 20, 15Х, 20Х с последующей поверхностной закалкой.  Объемная  закалка с низкотемпературным  отпуском  применяется  для  среднеуглеродистых  сталей: 35, 40 ГОСТ 1050-88.

В  передачах  общего  назначения (редукторы)  экономически целесообразно  применять колеса с твердостью ≤  НВ₂ 350.

В  начале  назначают материал  и  термообработку  колеса с определенной твердостью НВ₂ ≤ 350.

Тогда твердость материала шестерни НВ₁ ≈ НВ₂ + (25...50).

3. Передачи крутящих моментов с гибкой связью.

1. Ременные передачи.

1. Общие сведения.

Ременная передача в наиболее общем  виде (рис. 21) состоит из ведущего и ведомого шкивов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга и соединенных ремнем (ремнями), надетым на шкивы с натяжением. Вращение ведущего шкива преобразуется во вращение ведомого благодаря трению, развиваемому между ремнем и шкивами.

По форме поперечного сечения различают плоские (рис. 21, б), клиновые (рис. 21, в), поликлиновые (рис. 21, г) и круглые (рис. 22, д) приводные ремни.

 

21. Ременная передача.

 

Плоские ремни в поперечном сечении  имеют форму прямоугольника шириной, значительно превосходящей толщину. Чем тоньше ремень, тем он гибче. Клиновые ремни в сечении представляют собой трапецию.

Рабочими поверхностями клинового  ремня являются его боковые стороны, которыми он соприкасается с боковыми сторонами канавки (желоба) шкива. Глубину канавок шкивов принимают больше высоты сечения ремня, чтобы между нижним основанием ремня и дном желоба шкива был зазор. Эти ремни благодаря клиновому взаимодействию со шкивами характеризуются повышенным сцеплением с ними и, следовательно, повышенной тяговой способностью. Поликлиновые ремни — плоские ремни с продольными клиновыми выступами-ребрами на рабочей поверхности, входящими в клиновые канавки шкивов. Эти ремни сочетают достоинства плоских ремней — гибкость и клиновых — повышенную сцепляемость со шкивами.

Соответственно форме поперечного  сечения ремня различают плоскоременные, клиноременные, поликлиновые и круглоременные передачи. Наиболее распространены плоскоременные и клиноременные передачи. Плоскоременная передача проще, но зато клиноременная обладает повышенной тяговой способностью и вписывается в меньшие габариты.

Благодаря эластичности ремней ременные передачи работают плавно и бесшумно. Они предохраняют механизмы от перегрузки вследствие возможного проскальзывания ремней. Плоскоременные передачи применяют при больших межосевых расстояниях. Существуют плоскоременные передачи, работающие при высоких скоростях ремня (до 100 м/с). При малых межосевых расстояниях, больших передаточных отношениях и передаче вращения от одного ведущего шкива к нескольким ведомым предпочтительнее клиноременные передачи. Варьирование нагрузочной способности в плоскоременной передаче осуществляют изменением размеров ширины ремня, в клиноременной при принятом сечении ремней — изменением их числа.   При большом числе ремней сложнее получить равномерную загрузку (неизбежна неодинаковая длина ремней, вызывающая неодинаковое натяжение). Поэтому рекомендуют устанавливать в передаче не более 8... 12 клиновых ремней.

Круглоременные передачи применяют  в небольших машинах, например машинах швейной и пищевой промышленности, настольных станках, а также различных приборах. В этих передачах ставят один ремень.

Различают несколько видов плоскоременных передач.

22. Типы плоскоременных передач.

Самая распространенная передача — открытая (рис. 22), осуществляющая передачу между параллельными валами, вращающимися в одну сторону. Это самая простая, надежная и удобная передача. При вращении шкивов в противоположных направлениях применяют перекрестную плоскоременную передачу, схема которой показана на         рис. 22, а. На рис. 22, б представлена схема угловой (полуперекрестной) плоскоременной передачи, в которой шкивы расположены на скрещивающихся (обычно под прямым углом) валах. Так как в перекрестных, угловых и прочих плоскоременных передачах ремни изнашиваются по кромкам, то эти передачи применяют редко.

Для создания трения между шкивом и ремнем создают натяжение ремней путем предварительного упругого деформирования, перемещения одного из шкивов передачи и с помощью натяжного ролика (шкива). На рис. 23, а, б показаны способы натяжения ремней, осуществляемые перемещением ведущего шкива, установленного на валу электродвигателя. На рис. 23, а электродвигатель, установленный на салазках 1, перемещается вместе со своим шкивом по направляющим салазок с помощью отжимных винтов 2. На рис. 23, б положение электродвигателя 1, установленного на качающейся плите 2, фиксируется установочным винтом 3. Схема ременной передачи с натяжным роликом показана на рис. 23, в; натяжной ролик 1 вращается на оси, закрепленной в рычаге 2, свободно качающемся вокруг оси, закрепленной в стойке 3. Нажатие ролика на ремень осуществляется либо с помощью груза, как показано на рисунке, либо с помощью пружины. Пользуются также натяжными роликами, оси которых после регулировки затяжения ремня закрепляют неподвижно. Эти ролики проще, но зато ролики с подвижными осями автоматически обеспечивают требуемое натяжение ремня.

Натяжные ролики применяют в плоскоременных и сравнительно редко в клиноременных передачах при малом межосевом расстоянии и больших передаточных отношениях в целях увеличения угла обхвата ремнем меньшего шкива.

23. Способы натяжения ремней.

Достоинства передач с натяжным роликом по сравнению с обыкновенной ременной передачей при одних и тех же габаритах: передача большей мощности, силы давления на валы меньшие, нет необходимости в частой перешивке плоского ремня из-за его вытягивания, ремни легко надевать на шкивы. Но так как ремни на роликах имеют дополнительный изгиб и в большинстве случаев в другую сторону, чем на рабочих шкивах, то долговечность их значительно меньше. К достоинствам ременных передач, определяющим области их применения, относятся: возможность осуществления передачи между валами, расположенными на относительно большом расстоянии; плавность и безударность работы передачи, так как внезапное увеличение момента на одном из валов приводит лишь к увеличению скольжения ремня на шкивах; предельность нагрузки, т. е. способность ремня передать лишь определенную нагрузку, свыше которой происходит буксование (скольжение) ремня по шкиву, благодаря чему машина с данной передачей предохраняется от вредного влияния перегрузок и поломок; простота устройства, небольшая стоимость и легкость ухода за передачей. Недостатки ременных передач: громоздкость; непостоянство передаточного отношения передачи из-за проскальзывания ремня; повышенные силы давления на валы и подшипники, так как суммарное натяжение ветвей ремня значительно больше окружной силы передачи. Встречаются ременные передачи мощностью до 1500 кВт и выше, но в большинстве случаев их применяют для передачи мощностей 0,3...50 кВт.