Краткие сведения о методах изготовления зубчатых колес, их конструкциях, материалах

Конструкции зубчатых колес

Составляющие зубчатого колеса: зубчатая ​​коронка, которая передает движение, подшипника, на котором соединяется вал (двигателя или другой части механизма), и перегородки между ними.

Наружный диаметр зубчатого колеса равняется диаметру делительной окружности плюс высота двух головок зуба. Размеры зубчатого колеса могут сильно варьироваться. Объекты больших размеров обычно состоят из отдельных секций. Длина зубчатого колеса определяется расстоянием между разноименными сторонам одной впадины. Это основные параметры зубчатого колеса.

В соответствии с назначением, размерами и технологиями получения заготовки зубчатые колеса могут иметь различную конструкцию:

1. Насадные шестерни используются при больших диаметрах и когда они должны перемещаться вдоль вала.
2. Цилиндрические и конические шестерни заодно целое с валом. Это связано с малыми размерами шестерен и с тем, что раздельное изготовление уменьшает точность и поднимает стоимость производства вследствие увеличения числа посадочных поверхностей.

Виды зубчатых колес также включают колеса в виде узлов, которые образуются сборкой отдельных частей.

Типы зубчатых колес подразделяются на 3 категории по направлению монтажных валов. Шестерни, включающие две оси, которые параллельны друг другу, называются шестернями с параллельными осями. Для передачи вращения и мощности по параллельной оси обычно используются цилиндрические, косозубые и внутренние зубчатые передачи. Шестерни, в которых две оси пересекаются в одной точке, называются шестернями с пересекающимися осями; общие применения включают вращение и передачу мощности конических шестерен. Шестерни с линейным движением классифицируются как шестерни с параллельной осью. Шестерни с двумя осями, которые не пересекаются или параллельны, называются шестернями с непараллельными и непересекающимися осями.

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.

Способы изготовления зубчатых колес

В сфере производства сменных зубчатых колес очень важно выбрать наиболее эффективный и точный метод обработки и инструмент для зубчатых колес.

Тщательная подготовка к стадии закалки дает относительно простую операцию точения твердой детали с последующей жесткой обработкой шестерен. При точении твердых деталей важна хорошая чистовая обработка поверхности.

Процесс обработки зубчатых колес существенно изменится из-за электронной мобильности, новой конструкции трансмиссии и необходимости быть одновременно гибким и производительным. Основное внимание будет уделено обычным традиционным зубчатым станкам, и вместо этого нормой станет многозадачная обработка зубчатых деталей.

Традиционный метод изготовления большого объема зубчатых колес, а именно фрезерование зубчатых колес, требует станков и инструментов, специфичных для производства зубчатых колес и во многих случаях даже для размера самого зубчатого колеса.

Зубофрезерные работы — это процесс изготовления зубчатых колес, при котором зубья зубчатых колес образуются посредством серии надрезов с помощью косозубого режущего инструмента. Фреза и заготовка шестерни вращаются без остановки, пока не будут срезаны все зубья. Зубофрезерование возможно только для внешних шестерен.

Преимущества:

1. Сниженная общая стоимость зубчатого колеса по сравнению с инструментами из быстрорежущей стали.
2. Высокая скорость резания.
3. Увеличенный срок службы инструмента.
4. Никаких дополнительных затрат.

Нарезание

Во время производственного процесса зубчатое колесо нарезается. Это процесс механической обработки для создания зубчатого колеса. Методы нарезания зубчатых колес включают: протяжку, зубофрезеровку, фрезерование, формовку и шлифование.

Протяжка в основном используется для изготовления шлицевых или очень больших шестерен. Следующий этап – зубофрезерование. Для этого используется специальное оборудование, называемое фрезерным станком. Этот процесс позволяет производить множество типов зубчатых колес, включая прямозубые, шлицевые, червячные и косозубые.

Другой процесс зубонарезания — это фрезерование, которое является не только одним из начальных процессов, но и одной из самых важных методик. Здесь используется фрезерный станок и фасонная фреза, которая пропускается через заготовку зубчатого колеса, чтобы сформировать зазор между зубьями. Одним из основных преимуществ зубофрезерования является то, что с его помощью можно изготавливать зубчатые колеса практически любого типа.

Наконец, есть процесс чистовой обработки и шлифования, когда нарезанное зубчатое колесо завершается притиркой, стружкой, полировкой, хонингованием или шлифованием.

Точное нарезание позволяет производить высококачественные зубчатые колеса для сельскохозяйственной, автомобильной, производственной и других отраслей.

Накатывание

Это способ создания зубьев колеса пластическим деформированием, который проводится с помощью специального инструмента при взаимном обкатывании его с заготовкой.

Программирование методики расчета зацепления в Mathcad

Из чертежей заказчика были взяты следующие исходные данные:

• средний нормальный угол наклона зуба;
• коэффициент высоты головки;
• коэффициент радиального зазора в паре исходных контуров;
• номинальный диаметр зуборезной головки и др.

Для расчета геометрии зацепления зубчатой пары параметры, непосредственно управляющие геометрией зуба (модуль, число зубьев, ширина венца), были внесены в Pro/ENGINEER в качестве исходных данных и передавались из Pro/ENGINEER в Mathcad как внешние данные. В расчетном документе Mathcad этот раздел назван «Исходные данные, получаемые из Pro/ENGINEER». Такое разделение данных является нормальным, так как между Mathcad и Pro/ENGINEER организована ассоциативная связь, благодаря которой при изменении исходных данных в Mathcad обновляется и трехмерная геометрия. Физически интеграция с Mathcad осуществляется за счет конструктивного элемента «Анализ», параметры которого управляют геометрией модели, то есть изменение исходных данных влечет за собой автоматическое перестроение трехмерной модели.

Применение Mathcad для автоматизации расчетов обеспечивает пользователя следующим набором инструментов, позволяющих сократить время при выполнении подобных работ и улучшить восприятие готовой методики:

• для записи формул используется традиционный в математической литературе способ записи формул и выражений;
• вычисление уравнений выполняется в реальном времени;
• обеспечивается возможность сопровождения расчетной методики поясняющими рисунками и комментариями;
• поддерживаются разнообразные численные и символьные операции — вычисление значений, выполнение алгебраических преобразований, в том числе с учетом единиц измерений, решение уравнений, дифференцирование, интегрирование и т.п.

Отделка зубьев

Неточности размеров и образовавшаяся шероховатая поверхность становятся источником большого количества шума, чрезмерного износа, люфта между парой шестерен в зацеплении. Все это приводит к потере передаваемой мощности и неправильному соотношению скоростей. Поэтому рекомендуется проводить чистовую обработку выпускаемых зубчатых колес. Подготовленное зубчатое колесо подвергается различным процессам закалки. Так что должны быть выполнены отделочные операции. Обычно используемые операции чистовой обработки зубчатых колес:

1. Полировка зубчатых колес.
2. Зубошлифование.
3. Притирка шестерен.
4. Зубчатое хонингование.

От этих операций также зависит прочность зубчатого колеса.

В зависимости от используемого материала и применяемой процедуры шестерни могут быть прочными, термостойкими, твердыми и долговечными. Важно заметить, что шестерни производятся различными способами, поэтому не существует единого «процесса», который можно было бы использовать для описания создания всех шестерен.

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.