Конические зубчатые передачи. Устройство и основные геометрические и силовые соотношения

Устройство конической передачи

Коническая зубчатая передача представляет собой пару конических шестерен — зубчатых колес, прошедших обработку под заданным углом. После обработки обе шестерни получают изменяемый от основания к вершине диаметр, форму, напоминающую конус, благодаря чему и получили свое название. Зубья шестерен вырезаются на боковой поверхности, при работе конические шестерни сопрягаются боковыми плоскостями. Конические пары в силу особенностей своей конструкции считаются наиболее сложными в изготовлении и сборке. К тому же они имеют не самую высокую несущую способность (например, у конической передачи при прочих равных параметрах она на 15% ниже). Тем не менее в узлах и механизмах, где необходима передача крутящего момента с угловым смещением, альтернативы им нет.
Элемент пары, передающий крутящий момент, называют ведущим (шестерней), а тот, что принимает крутящий момент — зубчатым колесом (ведомым). Результирующий угол изменения направления вращения равен сумме углов обеих конических шестерен. Наиболее часто в машинах и механизмах встречается ортогоническая коническая пара, изменяющая направление вращающего момента под углом 90 градусов (2 х45). Возможности конической передачи не исчерпываются способностью изменять направление оси вращения в широком диапазоне углов. С помощью такой конструкции можно также изменить частоту вращения (число оборотов в минуту) и мощность.

Введение [ править ]

Двумя важными понятиями в зубчатой ​​передаче являются продольная поверхность

и
угол наклона
. Шаговая поверхность шестерни — это воображаемая беззубая поверхность, которую вы получили бы, усреднив пики и впадины отдельных зубьев. Шаговая поверхность обычной шестерни имеет форму цилиндра. Угол наклона зубчатой ​​передачи — это угол между лицевой стороной поверхности тангажа и осью.

Наиболее известные виды конических зубчатых колес имеют угол наклона менее 90 градусов и, следовательно, имеют коническую форму. Этот тип конической шестерни называется внешней,

потому что зубья шестерни направлены наружу. Шаговые поверхности зацепленных наружных конических зубчатых колес соосны с валами зубчатых колес; вершины двух поверхностей находятся в точке пересечения осей валов.

Конические шестерни с углом наклона более девяноста градусов имеют зубья, обращенные внутрь, и называются внутренними

коническими шестернями.

Конические шестерни с углом наклона ровно 90 градусов имеют зубья, которые направлены наружу параллельно оси и напоминают концы на короне. Вот почему коническая шестерня такого типа называется коронной

.

Торцевые шестерни представляют собой сопрягаемые конические шестерни с одинаковым количеством зубьев и осями, расположенными под прямым углом.

Косые конические шестерни — это те, для которых соответствующая коронная шестерня имеет прямые и наклонные зубья .

Классификация и параметры конических передач

Параметры, по которым классифицируются конические передачи, делятся на геометрические и механические. К геометрическим относятся линейные размеры и значения углов отдельных элементов деталей, образующих зубчатую пару.

К механическим параметрам конической зубчатой пары относятся следующие:

• форма передачи (чисто конические, конические линейные, цилиндрические конические);
• форма зубьев применяемых шестерен;
• количество ступеней (определяется числом фактически работающих на передачу крутящего момента пар);
• скорость вращения (количество оборотов в единицу времени)*;
• направление пересечения осей (относится к параметрам, заданным проектом);
• нагрузочная способность (рассчитывается при проектировании зубчатой передачи);
• значение передаточного числа (определяется числом зубьев в шестернях и позволяет рассчитать обороты для пары зацепления);
• прочность при изгибе (относится, преимущественно, к валам);
• величина усилия в зацеплении и передаваемая мощность (физические параметры, закладываемые в ТЗ и учитываемые при проектировании зубчатой пары).

* По показателю круговой скорости вращения конические зубчатые передачи подразделяются на три основные группы: тихоходные (вращаются с низкой скоростью, не превышающей 3м/с), среднескоростные (скорость вращения до 15м/с) и высокоскоростные (скорость вращения выше 15м/с).

Если число оборотов в единицу времени у ведущего зубчатого колеса больше, чем у ведомого, передача считается понижающей; если большое число оборотов делает шестерня коническая ведомая, пара признается повышающей. Определить класс зубчатой передачи позволяет также передаточное отношение. У понижающих передач (редукторов) оно меньше единицы, у повышающих (мультипликаторов) — больше единицы.

Классификация по форме линий зубьев: коническая передача может состоять из пары конических шестерен, которые по форме линий зубьев могут быть следующими:

• А. Шестерни конические прямозубые (линия зуба обязательно проходит через вершину делительного конуса);
• Б. Шестерни с криволинейными зубьями;
• В. Шестерни с тангенциальными зубьями;
• Г. Шестерни конические с круговыми зубьями (угол наклона зубьев острый, измеряется между линией самого зуба и касательной к выбранной точке, второе название — линия конуса).

Для решения сложных технических задач применяются также прямозубые конические зубчатые колеса с нарезкой в форме спирали и радиальной нарезкой, шестерни с криволинейными эвольвентными зубьями (поверхность ведущего зуба перекатывается по образующей плоскости ведомого колеса), а также с зубьями циклоидной формы.

Основные геометрические параметры

Построение кинематической схемы, технические характеристики, способы обработки отдельных деталей этих механизмов задаются геометрической формой отдельных элементов. Основными геометрическими параметрами, которые рассчитываются при проектировании являются:

• углы делительных конусов (каждого колеса или шестерёнки);
• диаметры всех элементов (обоих валов, ведущих и ведомых шестерён);
• внешний окружной модуль шестерни;
• расстояние от вершины конуса до его образующей (называется делительное расстояние);
• расстояние между осей;
• радиальный зазор применяемых подшипников;
• делительный диаметр (он определяет величину зуба шестерёнки);
• диаметр углублений и верхней части зубьев.

Читать также: Чем склеить резину с резиной намертво
Для удобства проведения расчетов и понимания механизма зацепления вводят три вида торцовых сечений. Это сечения во внешней, внутренней и средней части каждого зуба.

Уменьшение толщины зубьев по направлению к вершине приводит к созданию надежного зацепления во время движения. Угол наклона по направлению к вершине определяет параметры, задаваемые при обработке.

Под линией зубьев понимают пересечение двух прямых. Одна образована боковой поверхностью зуба, вторая является краем делительной конической поверхности.

Для улучшения эксплуатационных характеристик — повышения износостойкости, сопротивления при контакте, уменьшение заедания и лучшей передачи коническим зубчатым колёсам энергии вращения используют метод выравнивания коэффициентов удельного скольжения.

С этой целью колесо и шестерню стараются изготовить с одинаковыми параметрами смещения, но с разными знаками. Например, для шестерни задают параметр со знаком плюс, а для колеса со знаком минус.

Основные геометрические соотношения задаются на этапе разработки всего механизма конической передачи качество передачи. Геометрические параметры рассчитываются на основании известных соотношений.

Преимущества и недостатки конических зубчатых передач

Конические зубчатые пары позволяют эффективно решать проблему изменения угла передачи крутящего момента. Среди преимуществ данного конструкционного решения выделяют:

• Возможность изменения направления передаваемого движения;
• Широкая сфера применения;
• Угол передачи крутящего момента от ведущего колеса к ведомому может быть задан в широком диапазоне;
• Эффективная реализация передачи, преобразования и увеличения мощности вращательного движения между расположенными под углом друг к другу осями передачи;
• Большой выбор вариантов технического решения при компоновке комбинированных зубчатых систем;
• Высокая передаваемая мощность (до 5000 кВт);
• Нетребовательность в обслуживании, отсутствие проблем при эксплуатации;
• Высокий коэффициент полезного действия (КПД).

Среди недостатков, свойственных коническим передачам, выделяют сложность изготовления зубчатых колес с нужными параметрами, в частности, из-за повышенных требований к точности нарезания зубьев. Отмечают также повышенные осевые нагрузки и нагрузки на изгиб на валы, на которых закреплены зубчатые колеса. Особенно сильно это проявляется в механизмах, где валы расположены консольно. К недостаткам относят также большую, по сравнению с другими типами зубчатых передач, массу, большие затраты на изготовление. При проектировании и производстве систем с изменяемым передаточным числом могут возникнуть трудно разрешимые проблемы, процесс передачи вращения требует регулировки, общая жесткость конструкции повышенная. И, наконец, в числе недостатков отмечают, что несущая способность у пары конических шестерен ниже на 15%, чем у цилиндрической зубчатой передачи, а нагрузочная на 20%.

СОДЕРЖАНИЕ

• 1 Введение
• 2 Типы
• 3 Торцевые шестерни
• 4 Геометрия конической передачи 4.1 Список графических обозначений

Изготовление конических зубчатых колес

Главными элементами конической передачи являются зубчатые колеса — ведущее и ведомое. Они изготавливаются, преимущественно, из стали на специализированных станках с использованием нескольких технологических процессов.

Материалы и технологии

Ведущая шестерня должна иметь более высокую прочность, поэтому при изготовлении конических пар для зубчатых колес могут использоваться различные марки стали и разные методы химико-термической и термической обработки. Если для изготовления шестерни используется легированная сталь, она может быть подвергнута поверхностному уплотнению методами цианирования, цементации или азотирования. Зубчатые колеса из углеродистой стали подвергаются поверхностной закалке.

Расчеты и степени точности

В конической паре шестерен зубчатое колесо изначально характеризуется модулем (длина делительной окружности, приходящаяся на один зуб) и числом зубьев. Диаметры впадин и выступов определяют по таблице. Расчету подлежат параметры зуба (толщина, высота и длина) и его элементов — ножки и головки, а также делительный диаметр. Используется коэффициент ширины зубчатого венца, определяется угол наклона косых зубьев. В расчет также принимаются угол профиля, коэффициенты перекрытия и смещения, линии зацепления.

Для конических зубчатых колес приняты четыре степени точности из 12-ти существующих, каждая из которых определяется скоростью передаваемого вращения. Значения разрешенных круговых скоростей следующие:

• не более 3 м/с для девятой степени;
• от 3 до 7 м/с для восьмой степени;
• 7-10 м/с для седьмой;
• до 20 м/с до 6 степени включительно.

Методы изготовления

Операции фрезерования и прорезки зубьев не позволяют достичь требуемой точности, поэтому их обычно дополняют обкаткой. Обкатка представляет собой способ обработки зубчатого колеса, при котором припуск на его боковых поверхностях срезается режущими кромками инструмента непосредственно в процессе главного движения резания заготовки. После обкатки пара помещается на специальный стенд, где производится притирка конических зубчатых колес. И, наконец, финальным этапом является процесс закалки зубьев.

В настоящее время оснащение современных металлообрабатывающих предприятий позволяет изготавливать конические пары любых размеров, видов и технологических профилей. Качество готовой продукции проверяется как визуально, так и в лабораторных условиях с применением передовых методов диагностики и сканирования.

Типы [ править ]

Конические шестерни классифицируются на разные типы по геометрии:

• Прямые конические шестерни
  имеют коническую продольную поверхность, а зубья прямые и сужаются к вершине.
• Спирально-конические шестерни
  имеют изогнутые под углом зубья, что обеспечивает плавный и плавный контакт зубьев.
• Конические шестерни Zerol
  очень похожи на конические шестерни, но зубья изогнуты: концы каждого зуба копланарны оси, но середина каждого зуба проходит по окружности вокруг шестерни. Конические шестерни Zerol можно рассматривать как спирально-конические шестерни, у которых также есть изогнутые зубья, но с нулевым углом спирали, поэтому концы зубьев совпадают с осью.
• Гипоидные конические шестерни
  похожи на конические со спиральными зубьями, но их делительные поверхности гиперболические, а не конические. Шестерня может быть смещена выше или ниже центра шестерни, что обеспечивает больший диаметр шестерни, более длительный срок службы и более гладкое зацепление. Если скошенную поверхность сделать параллельно оси вращения, такая конфигурация напоминает червячный привод . Гипоидные передачи получили широкое распространение в задних мостах автомобилей.

Гипоидная коническая передача

Приложения [ править ]

Коническая зубчатая передача имеет множество разнообразных применений, таких как локомотивы, судостроение, автомобили, печатные машины, градирни, электростанции, сталелитейные заводы, машины для контроля железнодорожных путей и т. Д.

Примеры см. В следующих статьях:

• Конические шестерни используются в дифференциальных приводах
  , которые могут передавать мощность на две оси, вращающиеся с разной скоростью, например, на поворотном автомобиле.
• Конические шестерни используются в качестве основного механизма ручной дрели
  . Когда ручка сверла поворачивается в вертикальном направлении, конические шестерни изменяют вращение патрона на горизонтальное. Конические шестерни ручной дрели имеют дополнительное преимущество, заключающееся в увеличении скорости вращения патрона, что позволяет сверлить широкий диапазон материалов.
• Шестерни в строгальном станке
  с
  конической зубчатой ​​передачей
  допускают незначительную регулировку во время сборки и допускают некоторое смещение из-за прогиба при рабочих нагрузках без концентрации нагрузки на конце зуба.
• Спирально-конические шестерни являются важными компонентами приводных систем винтокрылых машин
  . Эти компоненты необходимы для работы на высоких скоростях, высоких нагрузках и большом количестве циклов нагрузки. В этом применении спирально-конические шестерни используются для перенаправления вала от горизонтального газотурбинного двигателя к вертикальному ротору. Конические шестерни также используются в качестве редукторов скорости.

Конические шестерни на зерновой мельнице в Дордрехте . Обратите внимание на деревянные зубчатые вставки на одной из шестерен.

Зубы [ править ]

Есть две проблемы, связанные с формой зуба. Один из них — профиль поперечного сечения отдельного зуба. Другой — это линия или кривая, на которой зуб устанавливается на лицевой стороне шестерни: другими словами, линия или кривая, вдоль которой проецируется профиль поперечного сечения, формируя фактическую трехмерную форму зуба. Основное влияние как профиля поперечного сечения, так и линии или кривой зуба заключается в плавности работы шестерен. Некоторые из них приводят к более плавному ходу передач, чем другие.