Лекции по "Деталям машин"

Из перечисленных выше зубчатых передач наибольшее распространение получили цилиндрические прямозубые и косозубые передачи, как наиболее простые в изготовлении и эксплуатации. Конические передачи применяют только в тех случаях, когда это необходимо по условиям компоновки машины; винтовые — лишь в специальных случаях.

                               рис.1.13          рис.1.14

 · Способы изготовления зубчатых колес:

- литье (без последующей механической обработки зубьев), для современных машин этот способ применяют редко;

- накатка зубьев на заготовке (также без последующей их обработки);

- нарезание зубьев (т. е. зубья получаются в процессе механической обработки заготовки).

Способ изготовления зубчатых колес выбирают в зависимости от их назначения и по технологическим соображениям.Для отдельных конструкций машин в массовом производстве применяют способ накатки зубьев. Возможны также штамповка, протягивание и т. д. В этом случае форма инструмента повторяет очертания впадины (или зубьев). В большинстве же случаев зубчатые колеса изготовляют нарезанием. Зубья нарезают, как правило, методами копирования и  обкатки.   Копирование заключается   в   прорезании   впадин между зубьями с помощью дисковой (рис. 1.15) или пальцевой (рис. 1.16) фрезы. Обработка зубьев по методу обкатки производится инструментами с очертаниями, отличными от очертаний нарезаемых зубьев, - долбяком (рис.1.17), червячной фрезой (рис. 1.18) или инструментальной рейкой- гребенкой (рис. 1.19). Достоинством метода обкатки (огибания) является то, что он позволяет одним и тем же инструментом изготовлять колеса с зубьями различной формы. Изменяя относительное расположение инструмента и заготовки на станке, можно получать зубья различной формы и толщины (передачи со смещением). Обкатка по сравнению со способом копирования обеспечивает большую точность и производительность.

                       рис. 1.15                 рис. 1.16                                                                рис. 1.17                                            

 

                                           рис. 1.18                                                                              рис. 1.19                                                                        

 

 

 

· Отделка производится после нарезания для достижения высокой точности и малой шероховатости поверхности зубьев. Способы отделки зубьев:

- шлифование — производится методом копирования или обкатки шлифовальным кругом;

- шевингование — выполняется специальным инструментом шевер-шестерней или шевер-рейкой (обкатывая обрабатываемое колесо, шевер отделывает зубья До требуемых точности и шероховатости поверхности);

-притирка — производится с помощью специального чугунного колеса (притира), находящегося в зацеплении с обрабатываемым колесом.

   · Заготовки зубчатых  колес в зависимости от получения подразделяют на литые, кованые или штампованные, изготовленные механической обработкой, сварные.

Зубчатые колеса, у которых диаметр  впадин незначительно превышает  диаметр вала в месте посадки  зубчатого колеса, изготовляют за одно целое с валом. Такую конструкцию   называют  валом-шестерней.  В  осталь ных случаях зубчатое колесо выполняется отдельно, после чего насаживается на вал.

Колеса диаметром меньше 400 мм имеют форму диска с выточками  или без выточек . Чаще всего эти колеса изготовляют из поковок. Колеса диаметром более 400…500 мм изготовляют со спицами различного сечения.

 Для экономии высокопрочных дорогостоящих материалов изготовляют сборные конструкции - бандажированные колеса. В этом случае зубчатый венец колеса изготовляют из качественной стали, а центральную часть делают из менее дорогого материала (например, чугуна).

   · Материалы, применяемые для изготовления зубчатых колес:

- сталь углеродистую обыкновенного качества марок Ст5, Ст6;

- качественную сталь марок 35, 40, 45, 50, 55;

- легированную сталь марок 12ХНЗА, 30ХГС, 40Х, 35Х, 40ХН, 50Г;

- Сталь 35Л, 45Л, 55Л;

  - серый чугун марок СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30, СЧ 40,

  - высококачественный чугун марок ВЧ 50-2, ВЧ 45-5;

- неметаллические материалы (текстолит марок, лигнофоль, бакелит, капрон и др.).

Основные элементы зубчатой передачи

 Одноступенчатая зубчатая передача состоит из двух зубчатых   колес - ведущего  и  ведомого.   Меньшее  по   числу зубьев    из    пары   колес   называют   шестерней,   а    большее - колесом. Термин «зубчатое колесо» является общим. Параметрам шестерни (ведущего колеса) приписывают при обозначении нечетные индексы (1, 3, 5 и т. д.), а параметрам колеса — четные (2, 4, 6 и т. д.). Зубчатое зацепление характеризуется следующими основными параметрами (рис.1.20)

Параметр, обозначение	Расчетные формулы
Модуль      m Модуль – основная характеристика зубьев. Для пары зубчатых колес  модуль должен быть одинаковым. Модуль – величина стандартизированная.	m=
Делительный диаметр d	d= mz
Диаметр вершин зубьев da	da= m ( z+ 2)
Диаметр впадин зубьев df	df= m ( z- 2,5 )
Высота зуба h	h = 2,25 m
Высота головки зуба ha	ha= m
Высота ножки зуба hf	hf = 1,25 m
Толщина зуба s
Ширина впадин зубьев e
Межосевое расстояние aw
Шаг p
Длина зуба (ширина венца) b	b=mym

                                                                      рис. 1.20

Виды зубчатых зацеплений

 · Эвольвентное зацепление. Профили зубьев должны быть технологичными, т.е. такими, чтобы их можно было получить в производственных условиях наиболее простыми методами. Из теоретически возможных профилей преимущественное применение получили эвольвентные профили (рис. 1.20), так как такие профили проще обработать и они обладают большими преимуществами. Эвольвентное зацепление предложено Эйлером более 200 лет назад. Это зацепление по сравнению с другими имеет следующие преимущества: при изменении межосевого расстояния не нарушается правильность их зацепления (не изменяется передаточное число); это зацепление может быть использовано и в сменных колесах.                                                                   

Эвольвентой  окружности называют кривую, которая описывается любой точкой производящей прямой, перекатываемой без скольжения по неподвижной окружности (рис. 1.21).  Окружность диаметра d_b, по которой эта прямая перекатывается— основная окружность. Часть эвольвенты – рабочая поверхность зубьев.

 В процессе работы  эвольвентных профилей точка их касания все время перемещается по прямой NN. Эту прямую называют линией зацепления (рис. 1.22). Угол a между линией зацепления NN  и общей касательной ТТ к начальным окружностям называется углом зацепления; его стандартне значение для эвольвентного зацепления a = 20°.

 Форма эвольвентного профиля зубьев при заданном угле инструмента a и модуле m зависит от числа зубьев z (рис.1.23): с уменьшением числа зубьев увеличивается кривизна эвольвентного профиля и соответственно уменьшается толщина зубьев у основания и вершины. Если число зубьев z меньше некоторого предельного значения z_min, то при нарезании зубьев (рис.1.19) происходит подрезание ножек зуба, в результате чего в опасном сечении зуб значительно ослабляется, снижается его прочность на изгиб, а также уменьшается рабочая часть ножки, что увеличивает изнашивание зубьев и уменьшает коэффициент их перекрытия. Минимальное число зубьев шестерни, у которой исключено подрезание зубьев без сдвига инструмента реечного типа z_min= 17    при a_w = 20°. При больших окружных скоростях передачи для уменьшения шума для редукторов принимают число зубьев шестерни  z₁ =  20… 30.

                 

                          рис. 1.21                                              рис. 1. 22                                                    рис. 1. 23                                                                   

                                                                                       

    · Циклоидальное зацепление повилось значительно раньше эвольвентеого, однако в настоящее время его применяют только в некоторых точных механизмах. Зубья профилируют от обычной циклоиды (рис.1.24). Частный случай циклоидального зацепления – цевочное зацепление (рис. 1.25 – вместо зубьев на малом колесе цилиндрические стержни). По сравнению с эвольвентным зацеплением циклоидальное имеет следующие недостатки: сложность изготовления профиля зуба; не допускается отклонение межосевого расстояния. Циклоидальное зацепление применяют в устройствах, где необходимо использовать шестерни с малым числом зубьев ( z = 6 и даже z = 4). При эвольвентном зацеплении это неосуществимо. Циклоидальное зацепление предпочтительней эвольвентного, когда вращающие моменты малы, и особенно в ускорительных передачах.

   ·В зацеплении М. Л. Новикова торцовые профили зубьев очерчены дугами окружностей (рис. 1.26). Посравнению с эвольвентными передачи с зацеплением Новикова могут при   одних    и   тех  же габаритных размерах  передавать  5…2 раза большую мощность. Ввиду сложности изготовления и монтажа передачи с зацеплением Новикова пока нашли применение только в специальном машиностроении.

                рис. 1. 24                                                     рис. 1 .25                          рис. 1. 26

 

                                                           Виды разрушений зубьев

 Правильно спроектированная и изготовленная передача при выполнении всех правил эксплуатации не должна перегреваться и производить при работе сильного шума. Появление значительного перегрева и чрезмерного шума свидетельствует о недостатках в работе передачи, связанных с ее конструкцией, изготовлением, неправильным выбором смазочного материала или возможными повреждениями зубьев. Наблюдаются следующие виды разрушения зубьев: их поломка, изнашивание, заедание, выкрашивание рабочих поверхностей.

· Поломка зубьев. Этот вид разрушения зубьев полностью выводит передачу из строя. Чаще поломка наблюдается у основания зуба вследствие периодического действия переменной нагрузки , а также в результате значительной кратковременной перегрузки (ударной нагрузки). Если зуб работает одной стороной, то первоначальная трещина, как правило, образуется в зоне растяжения (рис. 1.27, а) . Трещина распространяется вдоль основания ножки зуба, а иногда к его вершине (рис. 1.27, б).  

Долговечность зубьев можно повысить, увеличив прочность основания зуба и уменьшив концентрацию напряжений в опасном сечении.

    · Выкрашивание рабочих поверхностей зубьев. Этот вид повреждения зубьев нарушает нормальную работу всей передачи, но не выводит ее из строя полностью. Чаще это повреждение наблюдается в закрытых передачах, работающих при обилии смазочного материала. Выкрашивание поверхности зубьев возникает на ножках зубьев колес вблизи полюсной линии.  Смазочный материал, который заходит в микротрещины, находясь под действием внешнего давления (при работе передачи), расклинивает трещины. Повторяясь, такие действия приводят к откалыванию части металла (рис. 1.27, в). Диаметр ямок выкрашивания (оспинок) доходит до 2…5 мм. Установлено, что чем тверже поверхности зубьев и чем меньше шероховатость их поверхностей, тем большую нагрузку они могут выдерживать без опасности возникновения выкрашивания. Более вязкое масло

способно лучше гасить динамические нагрузки на зубья и тем самым  уменьшать выкрашивание поверхности  зубьев. В открытых передачах выкрашивание наблюдается очень редко, так  как поверхностный слой, в котором  возникают начальные трещины, истирается раньше, чем в нем успевает произойти усталостное выкрашивание.

     · Изнашивание зубьев чаще наблюдается в открытых передачах, чем в закрытых, заключается в истирании рабочих поверхностей (рис. 1.27, г) вследствие попадания в зону зацепления металлических частиц, пыли, грязи (абразивное изнашивание). Изнашивание может начаться также в результате недостаточно гладкой поверхности у новой передачи и продолжаться до сглаживания неровностей рабочих поверхностей зубьев.

·  Заедание зубьев. Наблюдается как в открытых, так и   в   закрытых  тихоходных,  тяжело  нагруженных   передачах. Этот вид повреждения зубьев заключается в том, что под действием высоких давлений сопряженные поверхности зубьев сцепляются одна с другой настолько сильно, что частицы металла с поверхности зубьев в зоне раздавленной масляной пленки отрываются и прихватываются к поверхности зубьев парного колеса; при последующем относительном движении зубьев эти частицы отрываются и делают на рабочих поверхностях борозды, задиры (рис.1.27, д).

 

        Правильно спроектированные передачи должны быть рассчитаны так, чтобы любая из возможных причин повреждения зубьев была исключена. Открытые передачи рассчитываются на изгиб, закрытые — на контактную прочность и на изгиб.

 

 

 

                                                                                                    рис. 1. 27 
        · Прямозубая цилиндрическая зубчатая передача состоит из двух или нескольких пар цилиндрических зубчатых колес с прямыми зубьями ( рис. 1.13, а). Эта передача наиболее проста в изготовлении. Применяется как в открытом, так и в закрытом исполнении. Передаточное число и ограничивается габаритными размерами передачи. Для одной пары цилиндрических зубчатых колес и = 12,5.