Лекции по "Слесарь-ремонтник"

ПЕРЕДАЧИ ЗАЦЕПЛЕНИЕМ

Передают движение с помощью  последовательно зацепляющихся зубьев.

 

ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ

 

Передают вращающий момент между  параллельными валами. Прямозубые колёса применяют при невысоких и средних скоростях, когда динамические нагрузки от неточности изготовления невелики, в планетарных, открытых передачах, а также при необходимости осевого перемещения колёс.

 

Косозубые колёса имеют большую  плавность хода и применяются для ответственных механизмов при средних и высоких скоростях.

Шевронные колёса имеют достоинства  косозубых колёс плюс уравновешенные осевые силы и используются в высоконагруженных передачах.

Колёса внутреннего зацепления вращаются в одинаковых направлениях и применяются обычно в планетарных передачах.

Выбор параметров цилиндрических зубчатых передач обусловлен конструктивными и технологическими условиями.

Передаточное отношение U определяется соотношением угловых скоростей (ω) или частот вращения (n) ведомого и ведущего колёс     U = ω₁ / ω₂ = n₁ / n₂.

Индексы 1 и 2 расставлены в порядке передачи механической энергии 1- ведущее (шестерня), 2- ведомое (колесо). Учитывая, что в зацепление входят колёса с одинаковым  модулем (ГОСТ 9563-60), можно задавшись числом зубьев шестерни Z₁ найти число зубьев колеса

Z₂ = U * Z₁.

Передаточное число U ограничено габаритами зубчатой передачи.

Его рекомендуется принимать в  диапазоне  от 2  до 6.  Нормальный ряд  значений U стандартизирован в ГОСТ 2185-66.

Так как колёса в зацеплении взаимодействуют своими зубьями, то часто в эксплуатации наблюдаются различные повреждения их рабочих поверхностей.

Усталостное выкрашивание является наиболее серьёзным и распространённым дефектом поверхности зубьев даже для закрытых хорошо смазываемых и защищённых от загрязнения передач. 

На рабочих  поверхностях появляются небольшие углубления, которые затем превращаются в раковины. Выкрашивание носит усталостный характер и вызвано контактными напряжениями, которые изменяются по отнулевому пульсирующему циклу. Выкрашивание приводит к  повышению контактного давления и нарушению работы передачи. В открытых передачах поверхностные слои истираются раньше, чем в них появляются усталостные трещины, поэтому выкрашивание появляется весьма редко.

Для предупреждения выкрашивания необходимо повышать твёрдость материала  термообработкой либо повышать степень точности передачи, а также правильно назначать размеры из расчёта на усталость по контактным напряжениям.

 Абразивный износ является основной причиной выхода из строя передач при плохой смазке. Это, в первую очередь, открытые передачи, а также закрытые, но находящиеся в засорённой среде: в горных, дорожных, строительных, транспортных машинах. У изношенных передач повышаются зазоры в зацеплении и, как следствие, усиливаются шум, вибрация, динамические перегрузки; искажается форма зуба; уменьшаются размеры поперечного сечения, а значит и прочность зуба. Основные меры предупреждения износа – повышение твёрдости поверхности зубьев, защита от загрязнения, применение специальных масел. В расчёте на контактную выносливость абразивный износ учитывается занижением допускаемых контактных напряжений.

 

 

Заедание происходит в высоконагруженных и высокоскоростных передачах. В месте контакта зубьев возникает повышенная температура, приводящая к молекулярному сцеплению металла с последующим отрывом. Вырванные частицы затем царапают трущиеся поверхности.

Обычно заедания происходят вследствие выдавливания масляной плёнки между  зубьев при совместном действии высоких  давлений и скоростей.

Меры предупреждения здесь те же, что и при абразивном износе. Рекомендуется правильный выбор сорта масла и его охлаждение.

Другой, реже встречающийся, но не менее  опасный вид поломок – излом зуба. Такая поломка связана с напряжениями изгиба, также имеющими пульсирующий характер. Излом зуба может привести к весьма тяжким последствиям вплоть до разрушения валов и подшипников, а иногда и всего механизма.

Усталостное выкрашивание, абразивный износ и заедание обусловлены поверхностной прочностью, а излом – объёмной прочностью зубьев. 

КОНИЧЕСКИЕ ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ

Передают вращающий момент между  валами с пересекающимися осями (чаще всего под углом 90⁰). Их зубья бывают прямыми, косыми, круговыми и обычно имеют эвольвентный профиль.

Конические колёса сложнее цилиндрических по своей геометрии и в изготовлении, но принципы силового взаимодействия, условия работы, аналогичны цилиндрическим.

 

 

Рис.2.4

Наибольшее применение в редукторостроении  получили прямозубые конические колёса, у которых оси валов пересекаются под углом S=90° (рис. 2.4).

 

Выбор материалов зубчатых передач и вида термообработки

При выборе материала  зубчатых колес  следует учитывать назначение проектируемой передачи, условия эксплуатации, требования к габаритным размерам и возможную технологию изготовления колёс. Основным материалом для изготовления зубчатых колёс является сталь.  Необходимую твердость в сочетании с другими механическими характеристиками можно получить за счет назначения соответствующей термической или химико-термической обработки стали.

Применение высокотвердых  материалов является резервом повышения  нагрузочной способности зубчатых  передач, уменьшения их габаритов  и массы.  Однако с высокой твердостью материала связаны дополнительные трудности:  плохая прирабатываемость зубьев, прогрессирующее усталостное выкрашивание рабочих поверхностей зубьев, необходимость проведения термообработки после зубонарезания.  Большинство видов упрочняющей термообработки сопровождается значительным короблением зубьев. Для исправления формы зубьев, восстановления требуемой степени точности требуются дополнительные дорогостоящие зубоотделочные операции (шлифование, полирование, притирка и т.п.), что удлиняет технологический процесс изготовления зубчатых колес и значительно повышает стоимость передачи.

 

ПЛАНЕТАРНЫЕ ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ

Планетарными называют передачи, имеющие  зубчатые колёса с перемещающимися осями [8,29]. Эти подвижные колёса подобно планетам Солнечной системы вращаются вокруг своих осей и одновременно перемещаются вместе с осями, совершая плоское движение,  называются они сателлитами (лат. satellitum – спутник).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подвижные колёса катятся по центральным  колёсам (их иногда называют солнечными колёсами), имея с ними внешнее, а  с корончатым колесом внутреннее зацепление. Оси сателлитов закреплены в водиле и вращаются вместе с ним вокруг центральной оси.

 

Планетарные передачи имеют  ряд преимуществ перед обычными:

• большие передаточные отношения при малых габаритах и массе;
• возможность сложения или разложения механической мощности;
• лёгкое управление и регулирование скорости;
• малый шум вследствие замыкания сил в механизме.

В планетарных передачах широко применяют внутреннее зубчатое зацепление с углом a_w = 30^о.

Для обеспечения сборки планетарных  передач необходимо соблюдать условие соосности (совпадение геометрических центров колёс); условие сборки (сумма зубьев центральных колёс кратна числу сателлитов) и соседства (вершины зубьев сателлитов не соприкасаются друг с другом). 

Зубчатые колёса планетарных передач  рассчитываются по тем же законам, что и колёса обычных цилиндрических передач.

 

ВОЛНОВЫЕ ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ

 

Представляют собой цилиндрические передачи, где одно из колёс  имеет гибкий венец. Этот гибкий венец деформируется генератором волн специальной некруглой формы и входит в зацепление с  центральным колесом  в двух зонах.

Идея волновых передач заключается в наличии нескольких пар зацепления, которые ещё и перемещаются по окружности, за счёт чего достигается огромное передаточное отношение (обычно  U  60 ¸ 300, известны конструкции с U > 1000). И это в одной ступени!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Принцип работы волновой передачи аналогичен работе планетарной передачи с внутренним зацеплением и деформируемым  сателлитом.

Такая передача была запатентована  американским инженером Массером в 1959 г.

Волновые передачи имеют меньшие  массу и габариты, большую кинематическую точность, меньший мёртвый ход,  высокую вибропрочность за счёт демпфирования (рассеяния энергии) колебаний, создают меньший шум.

При необходимости такие передачи позволяют передавать движение в герметичное пространство без применения уплотняющих сальников, что особенно ценно для авиационной, космической и подводной техники, а также для машин химической промышленности.

К недостаткам волновых передач  относятся:

• ограниченные обороты ведущего вала (во избежание больших центробежных сил инерции некруглого генератора волн);
• мелкие модули зубьев (1,5 – 2 мм);
• практически индивидуальное, дорогостоящее, весьма трудоёмкое изготовление гибкого колеса и генератора.

Основные виды поломок волновых передач:

• разрушение подшипника генератора волн от нагрузки в зацеплении;
• проскакивание генератора волн при больших вращающих моментах, когда зубья на входе в зацепление упираются друг в друга вершинами;
• поломка гибкого колеса от трещин усталости (особенно при U < 80);
• износ зубьев на концах;
• пластические деформации боковых поверхностей зубьев при перегрузках.

 

Зацепление Новикова

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основной недостаток зубчатых передач с эвольвентным профилем (цилиндрических, конических, планетарных, волновых) – высокие контактные напряжения в зубьях. Они велики потому, что контактируют два зуба с выпуклыми профилями. При этом площадка контакта очень мала, а контактные напряжения соответственно высоки. Это обстоятельство сильно ограничивает "несущую способность" передач, т.е. не позволяет передавать большие вращающие моменты.

Решая проблемы проектирования тяжёлых тихоходных машин, таких как трактора и танки, М.Л. Новиков в 1954 году разработал зацепления, в которых выпуклые зубья шестерни зацепляются с вогнутыми зубьями колеса.

Выпуклый и вогнутый профили (обычно круговые) имеют близкие по абсолютной величине радиусы кривизны. За счёт этого получается большая площадка контакта, контактные напряжения уменьшаются и появляется возможность передавать  примерно в 1,4 ¸ 1,8 раза большие вращающие моменты. 

При этом приходится пожертвовать основным достоинством эвольвентных зацеплений – качением профилей зубьев друг по другу и соответственно получить высокое трение  в  зубьях, но для тихоходных машин это не так важно.

Рабочие боковые поверхности зубьев представляют собой круговинтовые  поверхности, поэтому передачи можно называть круговинтовыми. В дальнейшем был разработан вариант передачи с двумя линиями зацепления. В ней зубья каждого колеса имеют вогнутые ножки и выпуклые головки. Передачи с двумя линиями зацепления обладают большей несущей способностью, менее чувствительны к смещению осей, работают с меньшим шумом и более технологичны. Эти передачи успешно применяются при малых числах зубьев (Z₁ < 10) и дают достаточную жёсткость шестерён при их большой относительной ширине.

Зацепления Новикова в редукторах применяют вместо перехода на колёса с твёрдыми поверхностями.

Передачи бывают однопарные, применяемые в редукторах общего назначения и многопарные, получаемые за счёт увеличения осевого размера и применяемые в прокатных станах, редукторах турбин и т.п.

 

ЧЕРВЯЧНЫЕ ПЕРЕДАЧИ

Червячная передача  имеет перекрещивающиеся  оси валов, обычно под углом 90°. Она состоит из червяка – винта с трапецеидальной резьбой и зубчатого червячного колеса с зубьями соответствующей специфической формы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Движение в червячной  передаче преобразуется по принцпу  винтовой пары. Изобретателем червячных передач  считают Архимеда.

 

Достоинства червячных передач:

• большое передаточное отношение (до 80);
• плавность и бесшумность хода.

В отличие от эвольвентных зацеплений, где преобладает контактное качение, виток червяка скользит по зубу колеса. Поэтому, червячные передачи имеют один недостаток: высокое трение в зацеплении. Это ведёт к низкому КПД (на 20-30% ниже, чем у зубчатых), износу, нагреву и необходимости применять дорогие антифрикционные материалы.