Перемещение функции непосредственного управления орудиями от человека к машине с помощью механических передач ознаменовало собой не просто техническую революцию – такие революции «местного значения» происходят в технике в связи с любым крупным изобретением. Нет, произошел полный переворот во всей технической системе, после которого она начала развиваться по-новому, на основании новых принципов, новых технических форм и структур. Иными словами, возникновение машин определило начало нового исторического этапа в развитии техники – механизации производства.
— Эдик, помни слова мудрого и великого Абу-Ахмата ибн Бея, первого шофера этого пылесоса: "Вовремя обслуживай механические передачи!" Иначе ты можешь столкнуться с непредсказуемыми последствиями во время экспедиции и искра не поможет!
— Кажется, я должен был прочитать инструкцию по механическим узлам перед использованием этого пылесоса!
Механизация производства в промышленности
Необходимость изобретать и применять в промышленных масштабах различного рода машины невольно породила потребность в специалистах, способных осуществлять эту деятельность не от случая к случаю, а постоянно. Таким образом, переворот в техническом компоненте производительных сил привел к видоизменению человеческого компонента – появились инженеры механики. Проектирование передач инженерами осуществляется не только в соответствии с отечественной нормативной базой (ГОСТ, ОСТ), но и по стандартам других стран (AGMA, ASA, DIN, ISO, JIS, GBT). Применение зарубежных стандартов при проектировании механических передач расширяет возможности по ремонту импортных узлов и агрегатов, при этом способствует сокращению сроков и снижению цены ремонта сложного технологического оборудования.
Инженеры вовлечены, как правило, во все процессы жизненного цикла технических устройств и механических передач, являющихся предметом инженерного дела, включая прикладные исследования, планирование, проектирование, конструирование, разработку технологии изготовления, подготовку технической документации, производство, наладку, испытание, эксплуатацию, техническое обслуживание, ремонт и утилизацию.
Хороший инженер умеет почти всё. Он - технолог, механик, слесарь, наладчик... Как же это у него получается? На самом деле одна из основ знаний и умений инженера - это "глубина понимания". Вторая основа - опыт. В хороших ВУЗах инженеров учат не "знать всё на свете", а находить нужную информацию в кратчайшие сроки. С опытом приходит и умение "отделять мух от котлет" и "видеть" решение той или иной задачи/проблемы. Инженеру не составит большого труда разобраться в кинематической схеме оборудования, из каких передач оно состоит.
Вращательная механическая энергия
Механическая энергия, используемая для приведения в движение машины-орудия, представляет собой энергию вращательного движения вала двигателя. Вращательное движение получило наибольшее распространение в механизмах и машинах, так как обладает следующими достоинствами: обеспечивает непрерывное и равномерное движение при небольших потерях на трение; позволяет иметь простую и компактную конструкцию передаточного механизма.
Все современные двигатели для уменьшения габаритов и стоимости выполняют быстроходными с весьма узким диапазоном изменения угловых скоростей. Непосредственно быстроходный вал двигателя соединяют с валом машины редко (вентиляторы и т. п.). В абсолютном большинстве случаев режим работы машина-орган не совпадает с режимом работы двигателя, поэтому передача механической энергии от двигателя к рабочему органу машины осуществляется с помощью различных передач.
Передачей будем называть устройство, предназначенное для передачи энергии из одной точки пространства в другую, расположенную на некотором расстоянии от первой.
В современном машиностроении в зависимости от вида передаваемой энергии применяют механические, пневматические, гидравлические и электрические передачи.
Механическими передачами, или просто передачами, называют механизмы для передачи энергии от машины-двигателя к машине-исполнительному механизму, как правило, с преобразованием скоростей, моментов, а иногда — с преобразованием видов (например, вращательное в поступательное) и законов движения.
Передача (в механике) соединяет вал источника энергии - двигателя и валы потребителей энергии - рабочих органов машины, таких, например, как шпиндель токарного станка, ведущие колёса гусеничной техники или привод автомобиля.
Механические передачи известны со времен зарождения техники, прошли вместе с ней длительный путь развития и совершенствования и имеют сейчас очень широкое распространение. Грамотная эксплуатация механических передач требует знания основ и особенностей их проектирования и методов расчетов.
Сегодня я бы хотел более подробно раскрыть тему зубчатых механических передач и их предназначение в устройствах и узлах.
Что такое шестеренки
Шестерня - это колесо с зубьями по окружности. Зубчатые передачи с одинаковым профилем зубьев зацепляются. Это позволяет передавать мощность с ведущего вала на ведомый. Шестерни обычно используются в тандеме из двух или более, используемых для передачи вращения от оси одной шестерни к оси другой.
Зубья шестерни на одной оси зацепляются с зубьями шестерни на другой, создавая таким образом связь между вращением двух осей. Когда одна ось вращается, другая тоже будет вращаться. Шестеренки также могут использоваться для перекачивания жидкостей, как, например, в случае шестеренчатых насосов для жидкого топлива и смазочного масла. Они настолько хорошо зацепляются (образуя поршневой насос прямого действия), что жидкость продвигается вперед с высоким давлением нагнетания. Они также используются в цепных блоках для легкого подъема тяжелых предметов. Таким образом, шестерни являются основным компонентом большинства оборудования, поскольку они довольно универсальны и способны выполнять множество задач.
В зависимости от профиля зубьев колес различают зацепления трех основных видов: эвольвентные, когда профиль зуба образован двумя симметричными эвольвентами; циклоидальные, когда профиль зубьев образован циклоидальными кривыми; зацепления Новикова, когда профиль зуба образован дугами окружности.
Две шестерни разных размеров заставят их две оси вращаться с разной скоростью, что очень важно в механических передачах. Это измерение помогает определить, насколько быстро механизм может двигаться в машине. Отношение числа зубьев колеса к числу зубьев шестерни называют передаточным числом. Зубчатое колесо, передающее вращение, называют ведущим, приводимое во вращение - ведомым. Колесо зубчатой пары с меньшим числом зубьев называют шестерней, сопряженное с ним парное колесо с большим числом зубьев - колесом.
Для чего используют шестерни
Шестерни очень полезный тип механизма, используемый для того, чтобы передать вращение от одной оси к другим. Их также можно использовать для увеличения / уменьшения скорости вращения, а также для изменения направления вращения. Скажем, у вас есть двигатель, который вращается со скоростью 100 оборотов в минуту, и вы хотите, чтобы он вращался только со скоростью 50 оборотов в минуту. Вы можете использовать систему шестерен, чтобы уменьшить скорость (а также увеличить крутящий момент), так что выходной вал вращается с «половинной» скоростью двигателя. Шестерни обычно работают в условиях высокой нагрузки, поэтому зубья шестерни должны быть спроектированы с высокой точностью и изготовлены из соответствующего материала. Это закладывается на этапе проектирования.
Элементы и характеристики зубчатого колеса
Есть несколько различных терминов, которые необходимо знать, если вы только начинаете знакомиться с зубчатыми передачами. Для того чтобы шестерни сцепились, диаметральный шаг и угол давления должны быть одинаковыми.
Ось: ось вращения шестерни, где проходит вал.
Зубья: зубчатые грани, выступающие наружу от окружности шестерни, используемые для передачи вращения на другие шестерни. Число зубьев на шестерне должно быть целым числом. Шестерни передают вращение в том случае, если их зубья сцепляются и имеют одинаковый профиль.
Наружный диаметр. Это максимальный диаметр шестерни. Это расстояние от центра корпуса шестерни до вершины зуба. Внешний диаметр обозначает крайнюю протяженность шестерни.
Делительный диаметр для зубчатого колеса всегда один. Длина делительной окружности зубчатого колеса: πd = pt z (где π = 3,14), откуда диаметр делительной окружности d = (pt / π) z. Линейная величина, в π раз меньшая шага зацепления, называется модулем и обозначается буквой m.
Модуль зацепления называется иногда диаметральным шагом зубчатого колеса: отношение количества зубьев к диаметру шага. Две шестерни должны иметь одинаковый диаметральный шаг для зацепления. Введение модуля упрощает расчет и изготовление зубчатых передач, так как позволяет выражать различные параметры колеса (например, диаметры колеса) целыми числами, а не бесконечными дробями, связанными с числом п. ГОСТ 9563—60* установил следующие значения модуля, мм: 0,5; (0,55); 0,6; (0,7); 0,8; (0,9); 1; (1,125); 1,25; (1,375); 1,5; (1,75); 2; (2,25); 2,5; (2,75); 3; (3,5); 4; (4,5); 5; (5,5); 6; (7); 8; (9); 10; (11); 12; (14); 16; (18); 20; (22); 25; (28); 32; (36); 40; (45); 50; (55); 60; (70); 80; (90); 100.
Угол профиля исходного контура: угол давления шестерни - это угол между линией, определяющий радиус окружности шага до точки, где окружность шага пересекает зуб, и касательной к этому зубу в этой точке. Стандартные углы давления составляют 14,5, 20 и 25 градусов. Угол давления влияет на то, как шестерни контактируют друг с другом, и таким образом, как сила распределяется вдоль зуба. Две шестерни должны иметь одинаковый угол давления для зацепления.
Исходный контур. При стандартизации зубчатых колес и зуборезного инструмента для упрощения определения формы и размеров нарезаемых зубьев и инструмента введено понятие исходного контура. Это контур зубьев номинальной исходной зубчатой рейки в сечении плоскостью, перпендикулярной к ее делительной плоскости. На рисунке показан исходный контур по ГОСТ 13755—81 (СТ СЭВ 308—76) — прямобочный реечный контур со следующими значениями параметров и коэффициентов: угол главного профиля а = 20°; коэффициент высоты головки h*a = 1; коэффициент высоты ножки h*f = 1,25; коэффициент радиуса кривизны переходной кривой р*f = 0,38; коэффициент глубины захода зубьев в паре исходных контуров h*w = 2; коэффициент радиального зазора в паре исходных контуров С* = 0,25.
Для улучшения работы зубчатых колес (повышения прочности зубьев, плавности зацепления и тп.), получения заданного межосевого расстояния, во избежание подрезания зубьев и для других целей производят смещение исходного контура: положительное или отрицательное.
Для улучшения плавности работы цилиндрических колес (преимущественно при увеличении окружной скорости их вращения) применяют профильную модификацию зуба, в результате которой поверхность зуба выполняется с преднамеренным отклонением от теоретической эвольвентной формулы у вершины или у основания зуба. Например, срезают профиль зуба у его вершины на высоте hc = 0,45m от окружности вершин на глубину модификации А = (0,005%0,02) m
Различные типы шестерен
Существует множество различных типов шестерен и зубчатых механизмов. Вот некоторые из них: цилиндрическая зубчатая передача, косозубое колесо, зубчатая рейка, коническая шестерня, тангенциальная коническая передача, червячная передача, внутреннее зубчатое колесо и другие.
1. Цилиндрические зубчатые передачи
Цилиндрические зубчатые колеса самый простой тип шестерни. Зубчатые шестерни используются для того, чтобы перенести движение от одного вала к параллельному валу. Зубья расположены параллельно оси вращения. Когда два соседних зубчатых колеса сцепляются, они вращаются в противоположных направлениях. Эти шестерни наиболее часто используются, потому что они легко и быстро изготавливаются по сравнению с другими типами. Они отлично работают при умеренной нагрузке и умеренной скорости и обычно используются там, где шум и вибрация не являются проблемой. Другие типы шестерен требуют более точных и более сложных процедур обработки. Для изменения крутящего момента и числа оборотов можно использовать две прямозубые цилиндрические шестерни разного размера.Одним из его преимуществ является обеспечение высокого КПД трансмиссии при отсутствии осевой нагрузки на вал.
К некоторым недостаткам можно отнести высокий уровень шума и вибрации при работе на высоких скоростях, а также большую нагрузку на зубья в этой простой конструкции.
Передачи зубчатые внутреннего зацепления.
Цилиндрические зубчатые колеса также могут быть объединены с внутренним зубчатым колесом для создания планетарной зубчатой передачи. Зубья внутреннего зубчатого колеса находятся внутри кольцевого зубчатого колеса. Эта шестерня соединяется с цилиндрическими шестернями, размещенными внутри нее, для передачи движения. Существуют ограничения в количестве зубьев между внутренними и внешними передачами из-за эвольвентных и трохоидных помех и проблем обрезки. Обычно является элементом трансмиссии различных технологических и транспортных машин. Планетарные передачи, у которых все звенья подвижны, называют дифференциальными или просто дифференциалами. В зависимости от применения и других относящихся к делу факторов могут быть созданы различные передаточные числа скоростей наряду с желаемым направлением вращения.
2. Косозубая передача
Косозубые шестерни аналогичны цилиндрическим зубчатым колесам по конструкции и применению, поскольку в них используется та же конфигурация параллельных осей с параллельными зубьями. Пара сопряженных косозубых шестерен состоит из одной левой и одной правой винтовой шестерни, в отличие от цилиндрических шестерен, у которых зубья всегда параллельны оси. Зубы, однако, расположены под таким углом, что, если бы мы их удлинили, они образовали бы спираль вокруг вала, отсюда и название. Благодаря этой особенности постепенного нагружения одновременно контактируют более одной пары зубьев. Распределение нагрузки дает крепкое сцепление, чем цилиндрических и менее шумные, а также могут работать при более высоких нагрузках, делая их пригодными для работы на высоких скоростях. При использовании косозубых зубчатых колес они создают силу тяги в осевом направлении, что требует использования упорных подшипников. В отличие от прямозубых шестерен, зубья косозубых шестерен постепенно контактируют друг с другом. Это позволяет избежать ударной нагрузки на зубья.
Двойные косозубые шестерни - это особый вид косозубых шестерен. Двойные косозубые шестерни преодолевают проблему осевого усилия, создаваемого одинарными косозубыми шестернями, с помощью двойной набор зубов, наклоненных в разные стороны. Двойную косозубую шестерню можно рассматривать как две зеркальные косозубые шестерни, установленные близко друг к другу на общей оси. Эта конструкция нейтрализует чистую осевую нагрузку, поскольку каждая половина шестерни толкает в противоположном направлении, в результате чего результирующая осевая сила равна нулю. Такое расположение также может устранить необходимость в упорных подшипниках. Однако двойные косозубые шестерни сложнее изготовить из-за их более сложной формы.
В зубчатой передаче "елочка" нет паза посередине, как у некоторых других двойных косозубых шестерен; две зеркальные косозубые шестерни соединены вместе так, что их зубья образуют V-образную форму.
3. Зубчатая рейка
Можно комбинировать прямозубые шестерни с рейкой для преобразования вращательного движения в поступательное. Зубья одинакового размера и формы, вырезанные на равных расстояниях вдоль плоской поверхности или прямого стержня, называются зубчатыми рейками. Зубчатая рейка представляет собой цилиндрическую шестерню с бесконечным радиусом цилиндра шага. Путем зацепления с цилиндрической шестерней, оно преобразовывает вращательное движение в линейное. Зубчатые рейки могут быть разделены на прямые зубчатые рейки и винтовые зубчатые рейки, но обе имеют прямые зубчатые линии. Система зубчатой рейки находит применение во многих продуктах, таких как автомобили, лестничные подъемники, железные дороги и т. д.
4. Коническая зубчатая передача с прямыми зубьями
Конические зубчатые колеса имеют конусообразное сечение и используются для того, чтобы передать вращение между 2 валами которые пересекаются в одной точке. Из-за конструкции конической шестерни, когда два сопряженных зуба входят в контакт, контакт происходит сразу, а не постепенно. Таким образом, возникает та же проблема высоких нагрузок, что и в случае прямозубых зубчатых колес.
Прямые конические шестерни обычно используются на низких оборотах (менее 500 об/мин или окружная скорость 2 м/с).
Несмотря на эти ограничения, они находят применение во многих отраслях промышленности. Некоторое оборудование, в котором используются конические шестерни, - это автомобили, насосы, станки (фрезерные и токарные), оборудование для упаковки пищевых продуктов, регулирующие клапаны для жидкости и садовое оборудование. Они также наиболее просты в изготовлении и, следовательно, вполне доступны по цене и доступны в различных размерах.
5. Тангенциальная коническая передача
Если зубья конических колес прямые, но идут не по радиусам, то они называются тангенциальными и могут работать с окружной скоростью до 12 м/с.
6. Конические передачи с криволинейными зубьями
Когда две конические спиральные шестерни соприкасаются, это происходит постепенно. Это позволяет избежать ударной нагрузки на зубья, поскольку предыдущая пара зубьев шестерни (которая теперь теряет контакт) все еще несет некоторую нагрузку. От этой пары новая сопряженная пара принимает на себя нагрузку медленно.
Это делает работу плавной и тихой. Это также увеличивает безопасную грузоподъемность шестерни. Таким образом, конические передачи с криволинейными зубьями находят применение в приложениях с высокими требованиями (скорости более 500 об / мин) для безопасной и надежной работы.
Конические колеса с криволинейными зубьями бывают трех разновидностей:
- Коническое зубчатое колесо с круговыми зубьями, нарезанными по окружности, линии зубьев которых имеют вид дуги окружности с углом наклона β n > 0 (этот угол называют углом спирали);
- Коническое зубчатое колесо с эвольвентной линией зубьев - зубчатое колесо, теоретическими линиями зубьев которого на развертке делительного конуса являются эвольвенты концентрической окружности (Паллоидные);
- Коническое зубчатое колесо с циклоидальной линией зубьев - зубчатое колесо, теоретическими линиями зубьев которого на развертке делительного конуса являются циклоидальные кривые.
Коническое зубчатое колесо с круговыми зубьями, у которого угол наклона зубьев (угол спирали) в одной из точек делительной средней линии зуба равен нулю называют, также, коническое зубчатое колесо с нулевым углом наклона зубьев или "Зерол".
Данный вид имеет одно главное преимущество – высокий и плотный контакта зубьев, они главные «конкуренты» прямым коническим зубчатым колесам по эффективности, прочности, вибрации и шуму. С другой стороны, их труднее производить. Кроме того, поскольку зубья изогнуты, они передают нагрузку в осевом направлении.
7. Винтовая передача
Винтовые передачи представляют собой пару одинаковых ручных винтовых передач с углом закрутки 45° на непараллельных, непересекающихся валах. Зубья винтовой передачи имеют форму спирали. Они образуют точку соприкосновения двух шестерен - контакт зубьев хуже, чем у других типов передач, поэтому они не предназначены для передачи больших нагрузок. Они также имеют низкий КПД по сравнению с другими косозубыми зубчатыми колесами. Поскольку мощность передается при скольжении поверхностей зубьев, необходимо обратить внимание на смазку при использовании винтовых передач. Нет никаких ограничений по количеству комбинаций зубьев.
8. Червячная передача
Червяки и червячные колеса не ограничиваются цилиндрическими формами. Существует некоторые типы червячных передач, которые имеют лучший коэффициент контакта, но производство таких передач становится более сложным и дорогим. Благодаря скользящему контакту поверхностей зубчатых колес необходимо уменьшить трение. По этой причине, как правило, жесткий материал используется для червяка, а мягкий материал используется для червячного колеса. Главное преимущество такой передачи – ровное и тихое вращение. Однако червячные передачи имеют определенные недостатки. КПД трансмиссии не так хорош по сравнению с другими передачами. Кроме того, тот факт, что во время трансмиссии происходит скольжение между червяком и червячным колесом, требует внимания к смазке. Постоянная смазка - основа бесперебойной работы.
Червячные передачи широко используются в автомобилях, системах рулевого управления, лифтах и системах транспортировки материалов.
Цепные передачи
Шестерни являются предпочтительным решением для передач на короткие расстояния. Использование звездочки и цепи помогает передавать мощность на значительно большее расстояние с помощью цепи. Применяются при передаче вращения между, параллельными удаленными друг от друга валами.
В то время как шестерни могут передавать крутящий момент параллельно, перпендикулярно и в любой другой ориентации между ними, звездочки могут делать это только вдоль параллельной оси.
Шестерни передают крутящий момент в обратном направлении. Если ведущий вал вращается по часовой стрелке, ведомый вал будет вращаться против часовой стрелки. У звездочек направление вращения остается прежним.
Шестерни со сломанным зубом могут быть не такими эффективными, как цельная система, но они будут работать. В случае звездочек один или несколько сломанных зубцов могут вызвать смещение цепи и остановку системы.
В настоящее время получили распространение два типа приводных цепей:
а) цепи втулочно-роликовые (типа Галя),
б) цепи зубчатые из штампованных звеньев (типа Рейнольдса).
Зубчатые цепи, благодаря относительно меньшему шагу, работают более плавно и бесшумно.
Недостатком цепных передач является сравнительно быстрый износ шарниров, способствующий вытяжке цепи и нарушению ее зацепления со звездочкой, а также шумная работа на высоких скоростях вследствие особенностей кинематики цепной передачи.
Ременные передачи
Применяются также для передачи вращения между параллельными удаленными валами. Область распространения этих передач в настоящее время значительно сократилась, однако они еще находят широкое применение в качестве первичного привода от двигателя, а также привода к механизмам, обладающим большим моментом вращающихся масс. При трогании с места и в случае внезапных перегрузок ремни пробуксовывают, спасая механизмы от поломок.
Классификация:
По способу передачи механической энергии: трением, зацеплением.
Различные способы установки: открытый, перекрёстный, полуперекрёстный.
По виду ремней: плоские ремни, клиновые ремни, поликлиновые ремни (многоручьевые), зубчатые ремни, ремни круглого сечения.
Преимущественное распространение перед плоскими получили клиновые ремни, обладающие большей тяговой способностью.
Фрикционные передачи
Фрикционные передачи по форме фрикционных катков могут быть: цилиндрическими, коническими, лобовыми - с внешним и внутренним контактом. Главное достоинство фрикционных передач заключается в возможности создания на их базе фрикционных вариаторов (бесступенчатых коробок передач), а также в бесшумной их работе при высоких скоростях.
Почему вращательные механические передачи так важны?
Они не заменимы и использовались мастерами на протяжении веков. Одно из самых ранних зарегистрированных упоминаний об использовании передач было в 50 году нашей эры, хотя есть не мало доказательств того, что древние греки также использовали их еще в третьем веке до нашей эры. И мы продолжаем использовать механизмы, потому, что они эффективны.
Часы, велосипеды, автомобили и сверхмощные промышленные машины всё имеет в своей конструкции механические передачи. Нет никаких сомнений в том, что передачи играют огромную роль в нашей повседневной жизни. Все больше расширяется диапазон исследований механики, она «вклинивается» в биологию, геометрию, другие естественные науки, в искусство, позволяет успешно решать инженерные задачи, вооружает инженеров научной основой для их плодотворной деятельности.
Только представьте, все, чем мы с вами сегодня пользуемся был произведено на производственных линиях, в конструкции которых обязательно есть механические передачи, шестерни.
На протяжении многих поколений люди более или менее усовершенствовали дизайн и характеристики этих чудес производства с помощью нескольких ключевых методов. Три основных процесса изготовления зубчатых колес: протяжка, фрезеровка и механическая обработка.
Мы знаем, как они помогли нам построить современную цивилизацию, но нет никаких сомнений, им найдется применение и в век информационных технологий.
Как вы считаете подобрать механические передачи вращательного движения для вашего устройства, их характеристики, виды, принцип работы - эта статья дала вам полноценный ответ? Если у вас есть, что добавить по теме, не стесняйтесь. Как и всегда, если есть какие-то вопросы, мысли, дополнения и всё такое прочее, то добро пожаловать в комментарии к этой записи.
Пусть удача следует по пятам. Уверенности в себе и достижения жизненных планов. Хорошего дня и побед. Понравилась статья, делитесь материалами с друзьями, комментируйте и ставьте знаки «Мне нравится».