Технология изготовления зубчатых передач

После изучения материала данной главы студент должен: знать

• • виды зубчатых передач;
• • способы зубообработки;
• • основы обеспечения требуемой точности зубчатых колес и передач; уметь
• • достигать требуемого качества зубообработки;
• • обеспечивать достижение малого уровня шума зубчатых передач;
• • рационально использовать современные зуборезные инструменты; владеть
• • проектированием технологии обработки зубчатых колес заданной степени точности;
• • способами финишной обработки зубчатых венцов;
• • методами проверки точности параметров зубчатых колес.

Общие сведения о способах зубообработки

На рис. 15.1 представлены наиболее широко применяемые виды зубчатых передач:

• 1) цилиндрическая прямозубая;
• 2) цилиндрическая косозубая;
• 3) шевронная;
• 4) реечная;
• 5) цилиндрическая с внутренним зацеплением;
• 6) с круговыми зубьями;
• 7) коническая прямозубая;
• 8) коническая косозубая;
• 9) коническая со спиралевидными зубьями;
• 10) гипоидная.

Среди перечисленных видов зубчатых передач наиболее распространены цилиндрические передачи, поскольку они наиболее просты в изготовлении и эксплуатации, надежны и имеют небольшие габариты. Зубчатые колеса прямозубые, косозубые, шевронные и с круговыми зубьями отличаются друг от друга различным расположением зубьев на венце колес.

Шевронные зубчатые колеса можно условно представить как спаренные косозубые колеса, имеющие противоположный угол наклона зубьев. Это позволяет избежать осевых усилий на валы и подшипники опор, неизбежно появляющиеся при использовании в конструкции механизмов обычных косозубых передач.

Рис. 15.1. Виды зубчатых передач.

Рис. 15.2. Арочная зубчатая передача.

Частным случаем передачи с круговыми зубьями является арочная передача (рис. 15.2). Зубья располагаются симметрично относительно обоих торцов. Арочная передача напоминает шевронную с едиными, а не сборными колесами.

Используемые в настоящее время колеса по характеру профиля зубьев можно разделить на эвольвентные и прочие, в частности те, которые появились в современной технике позднее эвольвентных в попытках найти им альтернативу.

Эвольвентное зацепление для зубчатых передач было предложено в 1760 г. российским ученым Леонардом Эйлером.

За более чем 250-летнюю историю своего существования и развития эвольвентное зацепление стало наиболее изученным и технологически оснащенным. Несмотря на попытки заменить его, предпринимавшиеся в разные годы его существования, оно продолжает сохранять ведущее место среди всех видов зубчатых передач.

Объяснение этому состоит в том, что колеса с эвольвентным профилем имеют целый ряд конструктивных и технологических положительных качеств:

• — профили обоих зацепляющихся колес являются кривыми одного типа;
• — колесо определенного модуля может входить в зацепление с колесами этого модуля, имеющими любое число зубьев;
• — передача осуществляется в значительной степени путем качения поверхностей зубьев передачи;
• — зуборезный инструмент определенного модуля (червячная фреза и долбяк) нарезает любое число зубьев колес;
• — профиль зубьев режущих инструментов удобен для изготовления и контроля и может быть как прямолинейным, как у рейки (червячной фрезы), так и эвольвентным, как у зубчатого колеса (долбяка);
• — зацепление допускает значительные отклонения межосевых расстояний.

В качестве некоторого недостатка зубчатых передач с эвольвентным профилем можно отметить повышенные контактные напряжения, возникающие по линии контакта двух выпуклых сторон парных эвольвентных профилей. Это обстоятельство ограничивает несущую способность передач, так как не позволяет передавать чрезмерно большие вращающие моменты.

Многочисленные попытки найти решение повышения работоспособности передач отказом от эвольвентного зацепления до настоящего времени не увенчались успехом. Увеличения площади контакта можно достигнуть только за счет придания профилям зубьев двух совершенно разных геометрических поверхностей, что сразу лишает зубчатые передачи многих достоинств эвольвентного зацепления.

В некоторых механизмах и приборах иногда применяют циклоидные и энициклоидные зацепления. У этих видов зацепления профили зубьев очерчены по эпициклоиде и гипоциклоиде, но линиям, которые являются траекториями точек внешней и внутренней вспомогательных окружностей, катящихся без скольжения по неподвижной начальной окружности. Кроме сложности изготовления, зацепления совершенно нетерпимы к колебаниям межосевого расстояния.

Рис. 15.3. Зацепление Новикова

Решая проблемы проектирования тяжелых машин, М. Л. Новиков в 1954 г. разработал зацепление, в котором выпуклые зубья шестерни зацепляются с вогнутыми зубьями колеса (рис. 15.3). Такое зацепление возможно лишь для косых зубьев. Первоначально был разработан вариант конструкции, в котором зубья меньшего ведущего колеса были выпуклыми, а зубья ведомого колеса были вогнутыми, передача имела одну линию зацепления.

Выпуклый и вогнутый профили (обычно круговые) имеют близкие по абсолютной величине радиусы кривизны. За счет этого увеличилась площадка контакта и уменьшились контактные напряжения, что создало предпосылки передачи больших вращающих моментов.

При этом пришлось пожертвовать основным достоинством эвольвентного зацепления — качением профилей зубьев друг по другу. Соответственно, увеличилось трение в зубьях, снизился КПД. В дальнейшем передачи Новикова были усовершенствованы, за счет придания каждому зубу колеса выпукло-вогнутого профиля (рис. 15.4). В ней зубья обоих колес имеют вогнутые ножки и выпуклые головки. Удвоилось число линий зацепления, благодаря чему такие передачи приобрели еще большую несущую способность.

Рис. 15.4. Зубья колес Новикова

Зубья в передачах Новикова располагаются на цилиндре по винтовой линии. За счет выбора угла наклона зуба линия зацепления параллельна оси.

В технической литературе отмечается, что к достоинствам таких зубчатых передач относятся: пониженные контактные напряжения, благоприятные условия для образования масляного клина, возможность применения колес с малым числом зубьев (z_t < 10) и, следовательно, большие передаточные отношения. Высказывают мнение, что несущая способность передач Новикова по критерию контактной прочности существенно выше, чем эвольвентных.

Однако опыт многолетней эксплуатации передач Новикова выявил их явные недостатки:

• — более сложную технологию изготовления за счет использования зуборезного инструмента с профилями криволинейной конфигурации;
• — наличие значительных осевых нагрузок на подшипники из-за использования винтовых зубьев с большими углами подъема винтовой линии;
• — склонность зубьев винтовых колес к излому у торца при входе в зацепление.

Возможно, потенциал использования колес Новикова пока не исчерпан, но современное редукторостроение активно возвращается к эвольвентным передачам.

На рис. 15.5 представлены трехмерная модель цилиндрического зубчатого колеса с эвольвентным профилем на стадии зубонарезания и пример чертежа.

Рис. 15.5. Модель и чертеж цилиндрического зубчатого колеса.

Зубчатые колеса во многих механизмах служат для передачи вращения от двигателя к рабочему органу, придают рабочему органу требуемую скорость вращения и изменяют величину крутящего момента. Скорость вращения колес в зацеплении v в современных редукторах может достигать десятков метров в секунду:

где т — модуль колеса, мм; z — число зубьев; п — частота вращения, об/мин.

Крутящий момент равен

п п ^пп 1.

где Р — мощность на валу, кВт; ш =—угловая скорость, с^-1.