УДК 621.833

Оптимальный выбор зубчатых передач для систем механического привода

Чэнь Сыюань – бакалавр Белорусского национального технического университета.

Аннотация: В настоящий момент времени существует великое множество зубчатых передач. Они обладают наивысшими значениями нагрузочной способности, КПД, широким спектром применения. Задача данной статьи состоит в анализе основных типов зубчатых передач, их особенностей и возможностей применения в различных условиях.

Ключевые слова: привод, шестерни, механика, КПД.

Существует множество типов зубчатых передач, и наиболее распространенный метод классификации основан на расположении осей валов. Как правило, они делятся на параллельные, пересекающиеся и перекрещивающиеся:

1. Передачи с параллельными осями: к ним относятся прямозубые, косозубые, шевронные, зацепление Новикова, волновые зацепления.
2. Передачи с пересекающимися осями: прямозубые конические шестерни, кривозубые конические шестерни и т.д.
3. Передачи с перекрещивающимися осями: цилиндрические винтовые; конические гипоидные; червячные.

Коэффициент полезного действия передачи (далее КПД) – отношение полезной мощности на ведомом звене к затраченной мощности ведущего звена. Основным видом потерь при расчете вышеуказанного коэффициента для зубчатой передачи считаются потери при зацеплении. Кроме того, на КПД оказывают влияние потери на трении в подшипниках, а также гидравлические, например разбрызгивание и перемешивание масляного слоя. Что касается первых двух типов передач – с параллельным и пересекающимся направлением осей, то зубчатые колеса в них катятся, с очень небольшим скольжением, поэтому они являются высокоэффективными. Цилиндрические передачи, червячные со ступенчатым валом, а также некоторые иные зубчатые передачи, поскольку они вращаются за счет относительного скольжения для достижения переноса мощности, поэтому влияние трения очень велико, в сравнении с иными видами передач их эффективность ниже. 

При неправильном монтаже, особенно если конические шестерни собраны на неправильном расстоянии, что приводит к ошибке в пересечении одной и той же конической шестерни, их КПД значительно снижается.

Цилиндрические червячные используются с большими передаточными числами, однако, несмотря на такие их положительные особенности как плавность в работе, небольшие размеры передачи, низкий шум, возможность самоторможения, такие передачи обладают низким КПД (0,75...0,92) и небольшой способностью к нагрузкам, а это существенно ограничивает возможную сферу их использования.

Глобойдные червячные передачи стали применяться относительно с недавнего времени и имеют в полтора 2 раза более высокую по сравнению с цилиндрическим видом передач нагрузочную способность. Кроме того, учитывая, что витки данной передачи находятся на торовой глобоидной поверхности, зубьев в контакт входит больше, а в области контакта колеса образуется постоянный масляный клин, что исключает сухое трение. Однако с учетом сложности изготовления из-за особых требований к точности и качеству при изготовлении данных колес, они в использовании встречаются реже, нежели цилиндрические. 

Важным параметром, влияющим на достижения плавного зацепления зубчатых колес, является величина зазора между ними, а точнее рабочими поверхностями последних.

Передача после спирального закручивания зубьев цилиндрической передачи представляет собой косозубую. При этом множество геометрических подсчетов для прямозубых передач справедливы применительно к косозубым.

Спиральные конические передачи – состоящие из двух колёс со спиральными зубьями, оси их пересекаются. Спиральное направление – центральная ось шестерни направлена вверх и вниз, если смотреть спереди, то направление зубьев шестерни, направленных вправо – «правое вращение», влево – «левое вращение».

Рассмотрим более подробно величины, которые отражают характеристики плавности движения зубчатых. К ним относятся отклонение шага зубьев зубчатого колеса и отклонение шага зацепления от номинальных значений, а также погрешности профиля зубьев. Отклонение шага Fp – это дискретная величина кинематической погрешности зубчатого колеса при его повороте на один номинальный угловой шаг. Отклонение шага зацепления Fpt – расхождение значений фактического и теоретического шага зубьев.

Приведем такую важную качественную характеристику зубчатого колеса как точность, оказывающую определяющее влияние на динамические характеристики и долговечность самой передачи. Основные элементы зубчатого колеса, которые проверяют при изготовлении следующие: толщина зуба по делительной окружности; основной и делительный шаги зубчатого колеса; профиль зуба – эвольвенту. В зависимости от необходимых значений точности нужно выбирать погрешность работы измерительного инструмента, однако его предельная неточность должна быть до 20% допуска. Такие инструментальные средства измерений кромочный или тангенциальный зубомеры, шагомер для окружного шага и различные другие применяются исходя из необходимых значений проверяемых элементов зубчатых передач.

Кроме того, с целью определения точности может применяться измерительное зубчатое колесо – это зубчатое колесо, изготовленное очень точно. Оно позволяет выявить недостатки изготовления проверяемых колес при зацеплении с ним. Причем можно контролировать точность методами одно- и двухпрофильного видев контроля.

При проведении контроля зубчатых колес, расположенных на валу с целью определения торцевого или радиального биения, также выбирается различный инструмент. Например, рейсмус или индикатор, устанавливаемый на подшипниках.

Что касается измерения характеристик биения по начальной окружности, применимых для оценки точности изготовления прямозубых колес, то между ними ставят валик, а на него щуп индикатора и по положению отклонения стрелки судят о биении. При измерении зубчатого венца на биение щуп измерительного прибора ставят поочередно между каждым из зубьев относительно оси самого колеса.

Таким образом, различные виды зубчатых передач применяются по характеристикам необходимого качества, нагрузочной способности, компактности типоразмеров и оптимальности экономических затрат на производство и эксплуатацию.

Список литературы

1. Детали машин и основы конструирования: учебник и практикум для вузов / Е. А. Самойлов [и др.] ; под редакцией Е. А. Самойлова, В. В. Джамая. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2023. — 419 с. — (Высшее образование). — ISBN 978-5-534-12069-1. — Текст : электронный // Образовательная платформа Юрайт [сайт]. — URL: https://urait.ru/bcode/510778 (дата обращения: 06.03.2023).