Сегодня шестерни - важная часть нашей жизни. В основном скрытые соответствующими корпусами, они выполняют свою работу в самых разнообразных устройствах - от стиральных машин до лазерных принтеров и бензопил. Без шестеренок многие аспекты жизни были бы совсем другими и трудными.
Во всем мире широко используются два конкретных типа шестерен. Прямозубые (или прямозубые) шестерни и косозубые шестерни. Это могут быть самые распространенные типы передач, которые используются сегодня.
Итак, давайте рассмотрим эти две конструкции, как они выглядят, как работают, а также плюсы и минусы каждого из них с точки зрения автомобильных приложений.
Прямые зубчатые колеса
Что такое прямозубые шестерни?
Как следует из названия, прямозубые шестерни имеют прямые зубья, которые совпадают (параллельно) с монтажным валом шестерни. Как и в случае любой шестерни, зубья имеют точный профиль благодаря чрезвычайно точной обработке (фрезерованию). Используемые материалы имеют как высокопрочную, так и чрезвычайно твердую поверхность, что обеспечивает длительный срок службы.
Когда прямозубые шестерни входят в зацепление, допуск изготовления для каждого зуба позволяет только одной паре зубьев выдерживать нагрузку в любой момент времени. Когда два таких зуба шестерни впервые соприкоснутся, это будет по прямой линии, параллельной двум валам.
Эффект от этого удара (помните, что каждая шестеренка вращается) - это создание звука. И когда прямозубая сетка поворачивается, этот звук будет похож на жужжащий шум, частота и громкость которого увеличивается с увеличением скорости передачи.
Под нагрузкой пара прямозубых шестерен создаст разделяющую силу, которая раздвигает шестерни. Опорная конструкция валов шестерен должна быть спроектирована так, чтобы адекватно противодействовать таким силам.
Будет создаваться почти нулевое осевое усилие (силы, параллельные валам шестерен). Эти силы возникают из-за неизбежных производственных допусков, присутствующих в профилях зубьев сопряженных шестерен. Но они очень малы и мало влияют на конструкцию цилиндрического корпуса редуктора.
Плюсы прямолинейных зубчатых колес
Для прямозубых зубчатых колес преимущества по сравнению с косозубыми зубчатыми колесами заключаются в следующем:
- Низкая стоимость: поскольку зубья прямозубой шестерни обрабатываются по прямым линиям, параллельным центральной линии шестерни, процесс производства проще. Таким образом, это менее затратно как на проектирование, так и на производство.
- Минимальная осевая нагрузка: как обсуждалось ранее, этот тип шестерни создает небольшую осевую нагрузку на валы шестерен. Это упрощает конструкцию и производственные затраты на коробку передач. Это также помогает минимизировать вес и размер корпуса коробки передач, что является важным преимуществом для гоночных автомобилей.
- Более высокая эффективность: прямозубые шестерни работают с меньшим скользящим действием, чем косозубые шестерни. Таким образом, во время работы теряется меньше энергии, что делает такие редукторы более энергоэффективными. В гонках максимальная эффективность увеличивает мощность на задние колеса и, следовательно, большую скорость.
Минусы прямозубых шестерен
У прямозубых зубчатых колес есть только один основной недостаток:
- Повышенный уровень шума: шум, производимый прямозубой шестерней, будет считаться нежелательным для большинства владельцев легковых автомобилей. Для гонок шум не является проблемой, и прямая передача часто находит там применение.
Косозубые шестерни
Что такое косозубые шестерни?
Спираль - это название узора, образованного линией, которая вращается по кругу и движется под постоянным углом параллельно ее центру вращения. Подумайте о простом шурупе для дерева. Резьба, которую вы видите, нарезана по спирали.
Зубья косозубой шестерни обрабатываются под аналогичным углом. Угол винтовой линии относительно направления вращения шестерни может составлять от 15 до 30 градусов.
Когда косозубые шестерни входят в зацепление, они сначала касаются одной точки, а затем зацепление увеличивается по мере скольжения точки контакта по винтовой поверхности каждого зуба. Такое зацепление происходит с меньшим ударом, чем у прямозубых шестерен, из-за углового расположения зубьев.
Кроме того, в любой момент времени задействовано более одной пары зубьев. Для основных расчетов прочности принято считать, что 1,5 комплекта зубьев одновременно несут нагрузку.
Угловая конструкция зубьев косозубых шестерен обеспечивает более тихую работу, чем прямозубые зубчатые передачи, работающие с той же скоростью и несущей способностью.
Как и в случае прямозубых цилиндрических зубчатых колес, косозубые зубчатые колеса создают разделяющее усилие во время работы. Но они дополнительно создают осевую или осевую силу, согласованную с их соответствующими валами.
По мере увеличения мощности, передаваемой шестернями, увеличивается осевая нагрузка. Чем больше угол наклона спирали, тем больше будет осевая нагрузка.
Корпус косозубой коробки передач и соответствующие внутренние детали должны быть специально спроектированы с учетом этих осевых нагрузок. Это увеличивает вес и размер корпуса.
Кроме того, когда косозубые шестерни входят в зацепление, при скольжении в этом случае выделяется тепло из-за трения. Это тепло является потерянной энергией, что приводит к снижению КПД коробки передач. Потери энергии нагревают смазочное масло, а для некоторых коробок передач это настолько велико, что требуется маслоохладитель для поддержания приемлемой рабочей температуры масла.
Плюсы косозубых шестерен
Для косозубых зубчатых колес преимущества по сравнению с прямозубыми зубчатыми колесами следующие:
- Низкий уровень шума: по своей природе косозубые шестерни могут производить на 12 дБ (А) меньше шума, чем прямозубые шестерни аналогичного размера. Для использования в легковом автомобиле или в домашней системе, например, в стиральной машине, бесшумная работа является большим преимуществом.
- Меньший вес: поскольку косозубые зубчатые колеса передают нагрузки, по существу, более чем на 1,5 зубца шестерни, для заданной грузоподъемности набор косозубых зубчатых колес может весить меньше, чем набор прямозубых зубчатых колес.
Минусы косозубых шестерен
У косозубых шестерен есть три недостатка:
- Более высокая стоимость: обработка косозубой шестерни сложнее, чем прямозубая цилиндрическая шестерня того же размера. Это увеличивает стоимость процесса сборки. Однако обрабатывающие центры с компьютерным управлением помогли значительно снизить стоимость каждой детали.
- Осевые нагрузки: поскольку косозубые шестерни создают осевые нагрузки, корпус шестерни и внутренние элементы требуют дополнительной прочности, чтобы противостоять этим нагрузкам. Это увеличивает вес и размер коробки передач. Для автомобильных гонок меньший вес и размер всегда будут лучше.
- Более низкая эффективность работы: при включении косозубой шестерни выделяется тепло. Это потеря энергии. Смазочное масло поглощает это тепло, и в некоторых случаях потребуется теплообменник, чтобы масло оставалось холодным. Для гоночных приложений потеря энергии нежелательна, потому что каждый бит мощности важен для обеспечения наилучшего возможного ускорения и скорости.
Когда прямолинейные зубчатые колеса становятся важными
Часто уличные автомобили становятся популярными для гонок. Когда это происходит, двигатели модифицируются для увеличения мощности. На ум приходят Subaru WRX и некоторые модели Honda.
Эти автомобили в уличной отделке можно приобрести с механической коробкой передач. Эти трансмиссии имеют косозубую передачу и синхронизаторы для легкой и бесшумной работы. Это отлично подходит для уличного использования.
Но для гоночных уровней мощности эти коробки передач, особенно корпуса коробки передач, не могут выдерживать более высокие осевые нагрузки косозубой шестерни.
Чтобы решить эту проблему, ряд умных поставщиков послепродажного обслуживания предлагают преобразование прямозубых зубчатых колес. Эти комплекты содержат зубчатые колеса и другие важные детали для преобразования уличной коробки передач в более прочную, но более шумную прямую зубчатую передачу без необходимости замены оригинального корпуса коробки передач.