Механические передачи. Общие понятия о цилиндрических передачах. Лекция №2

Вопросы
1. Виды механических передач и их сравнительная характеристика
2. Общие сведения о зубчатых передачах: принцип работы, достоинства и недостатки, область применения
3. Классификация зубчатых передач
4. Основные геометрические соотношения цилиндрических передач
5. Основные критерии работоспособности передачи и виды повреждений и разрушений зубьев колес
6. Особенности расчета открытых зубчатых передач

Механические устройства (рис. 1), применяемые для передачи энергии от источника к потребителю с изменением угловой скорости или вида движения, называют механическими передачами (передачами).
1. Виды механических передач и их сравнительная характеристика
Рисунок 1 – Классификация механических передач
В зависимости от назначения зубчатые передачи могут встраиваться в конструкцию машины (встроенные передачи) или выделяться в самостоятельный узел (агрегат) и иметь отдельный корпус.

Таблица 1 − Ориентировочные значения основных параметров одноступенчатых механических передач

Таблица 2 − Преимущества и недостатки передач основных типов механических передач

Зубчатые передачи – это механизмы, которые с помощью за­цепления передают или преобразуют движения с изменением уг­ловых скоростей и моментов (рис. 2).
Их применяют для передачи вращательного движения между валами с параллельными, пересекающимися и перекрещиваю­щимися осями, а также для преобразования вращательного дви­жения в поступательное, и наоборот.
Зубчатое колесо с меньшим числом зубьев называется шес­терней, с большим – колесом.
2. Общие сведения о зубчатых передачах: принцип работы, достоинства и недостатки, область применения
Рисунок 2 – Классификация зубчатых передач

Основные достоинства зубчатых цилиндрических передач:
постоянство передаточного числа и возможность реализации его в широких пределах;
компактность по сравнению с фрикционными и ременными передачами, высокий коэффициент полезного действия (до 0,98);
долговечность и надежность в работе, простота операций при нарезании зубьев и экономичность изготовления зубчатых колес.
Недостатки зубчатых цилиндрических передач
шум при работе, особенно при высоких скоростях;
невозможность бесступенчатого изменения передаточного числа; необходимость высокой точности изготовления и монтажа; незащищенность от перегрузок;
наличие вибраций, которые возникают в результате неточного изготовления и неточной сборки передач.
Зубчатые передачи составляют наиболее распространенную и важную группу механических передач.
Их применяют в ши­роком диапазоне областей и условий работы: от часов и прибо­ров до самых тяжелых машин.

Зубчатые передачи можно классифицировать по следующим признакам:
по окружной скорости колес (м/с) – весьма тихоходные до 0,5, тихоходные 0,5...3, среднеходные 3...15, быстроходные больше 15;
по виду зацепления – эвольвентные, круговинтовые системы Новикова, циклоидальные, применяемые в приборах и часах, и др.;
по типу зубьев – прямые, косые, шевронные и с криволиней­ным зубом;
по взаимному расположению осей валов – с параллельными осями (цилиндрические прямозубые, косозубые, шевронные), с перекрещивающимися ося­ми (конические с прямыми и не прямыми зубьями), с перекрещивающимися осями (винтовые и гипоидные);
по твердости рабочих поверхностей зубьев – с твердостью до 350 НВ и свыше 350 НВ;
по степени защищенности – открытые, полузакрытые и за­крытые (коробки передач, редукторы);
по точности – 12 степеней (для коробок передач и редукто­ров преимущественно 7-я, 8-я и 9-я степени точности);
по форме – цилиндрические, конические, эллиптические, фигурные зубчатые колеса; колеса с неполным числом зубьев (секторные);
в зависимости от относительного расположения зубчатых колес – с внешним зацеплением, с внутренним зацеплением.
3. Классификация зубчатых передач

Передачи с параллельными осями
Рисунок 3 – Прямозубая эвольвентная
передача с внешним зацеплением
Цилиндрические передачи
Рисунок 4 – Косозубая эвольвентная
передача с внешним зацеплением
Рисунок 6 – Прямозубая эвольвентная
передача с внутренним
зацеплением
Рисунок 5 – Шевронная
эвольвентная
передача с внешним
зацеплением

Передачи с пересекающимися осями
Конические передачи
Рисунок 7 – Коническая передача
с круговым зубом
Рисунок 8 – Коническая передача с прямым зубом
Рисунок 9 – Червячная передача
Рисунок 10 – Цилиндрическая передача
Рисунок 11 – Реечная передача

Рисунок 12 – Зубчатое цилиндрическое колесо
На рисунке 12 показаны конструктивные элементы колеса.
Зубчатый венец 1 представляет собой цилиндрическое кольцо, на поверхности которого снаружи или внутри (для внутреннего зацепления) нарезаны зубья. В центре колеса обычно выполняется ступица в виде цилиндрической втулки 2. Объединяет зубчатый венец и ступицу центральный диск 3.
4. Основные геометрические соотношения цилиндрических передач

Диаметры:
dw1, dw2 – начальных окружностей;
da1, da2 – вершин зубьев;
df1, df2 – впадин зубьев;
d1, d2 – делительной.
z1, z2 – число зубьев шестерни и колеса.
p – шаг по делительной окружности.
pb – шаг по основной окружности.
St = πd – длина делительной окружности.
aw – межосевое расстояние
a = 0,5 (d1 + d2 ).
ha, hf – высота головки и ножки зуба.
с – радиальный зазор.
αw – угол зацепления
(αw = 20˚).
Рисунок 13 – Геометрия цилиндрической передачи

Основные критерии работоспособности – контактная прочность рабочих поверхностей зубьев и прочность зубьев при изгибе.
Расчеты по ним наиболее полно разработаны для сталь­ных, закрытых в корпусе, хорошо смазываемых эвольвентных зубчатых передач (ГОСТ 21354-87).
Согласно стандарту выполняют следующие расчеты.
Расчет на контактную прочность рабочих поверхностей зубьев включает: а) расчет на выносливость для предотвращения прогрессивного выкрашивания; б) расчет для предотвращения остаточных деформаций или хрупкого разрушения поверхностного слоя при действии кратковременной максимальной нагрузки.
где σ – расчетное (действующее) напряжение, зависящее от размеров передачи, величины и характера нагрузки; [σ] – допускаемое напряжение, зависящее от материала, его химико-термической обработки и технологии изготовления зубчатых колес.
Расчет зубьев на прочность при изгибе: а) расчет зубьев на выносливость при изгибе; б) расчет зубьев для предотвращения остаточных деформаций или образование первичных трещин при действии кратковременной максимальной нагрузки
где σ – расчетное (действующее) напряжение, зависящее от размеров передачи, величины и характера нагрузки; [σ] – допускаемое напряжение, зависящее от материала, его химико-термической обработки и технологии изготовления зубчатых колес.
5. Основные критерии работоспособности передачи и виды повреждений и разрушений зубьев колес

Излом зубьев
Излом от больших перегрузок, а иногда от перекоса валов и неравномерной нагрузки по ширине зубчатого венца.
Усталостный излом, происходящий от длительного действия переменных напряжений изгиба, которые вызывают усталость материала зубьев.
Меры борьбы: повышение объемной прочности зубьев за счет увеличения m, увеличения прочности материала, снижения концентрации напряжений у основания зуба.
Нарушение условия
σF ≤ [σF]
Излом зубьев
Разрушение подшипников КПП из-за поломки зубьев
Различают два вида излома зубьев
Правильно спроектированная и изготовленная передача при вы­полнении всех правил эксплуатации не должна перегреваться и произво­дить при работе сильного шума.
Появление значительного перегрева и чрез­мерного шума свидетельствует о недостатках в работе передачи, связанных с ее конструкцией, изготовлением, неправильным выбором смазочного материала или возможными повреждениями зубьев.

Абразивный износ
Данный вид износа является основной причиной выхода из строя открытых передач и некото­рых закрытых передач машин, работающих в среде, засоренной абразивами, а именно: горных, дорожных, строительных, сель­скохозяйственных, транспортных и некоторых других машин.
Меры борьбы: повышение твёрдости поверхности зубьев, защита от загрязнения, применение модифицированных профилей зубьев и масел с повышенной вязкостью.
Процесс изнашивания зубьев в передачах
Нарушение условия
σН ≤ [σН]
2) изнашивание может начаться также в результате недостаточно гладкой поверхности у новой передачи и продолжаться до сглаживания неровно­стей рабочих поверхностей зубьев.
1) 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.
Причины:

Основной вид разрушения поверхности зубьев для большинства закрытых быстроходных передач, работающих при смазке.
В передачах, работающих, со значительным износом (открытые передачи), выкрашивания не наблюдается, так как изнашивание поверхностных слоёв зубьев происходит раньше, чем появляются трещины.
Нарушение условия
σH ≤ [σH]
Меры борьбы: ограничение σH, упрочнение поверхности (ТО, например – азотирование), смазывание зубьев (эффективные специальные консистентные смазки), защита от абразивной пыли.
Развитие усталостных
трещин
Усталостное выкрашивание
Выкрашивание обычно начинается вблизи полюсной линии на ножках зубьев, где развивается наибольшая сила трения, способствующая пластичному течению материала и образованию микротрещин на поверхности зубьев.
Причина: длительное действие переменных контактных напряжений, вызывающих усталость материала зубьев.

Данный вид разрушения происходит преимущественно в высокоскоростных быстроходных передачах.
Причина: в месте контакта зубьев развиваются высокие давления и температура, масляная плёнка разрывается и появляется металлический контакт (здесь происходит как бы сваривание частиц металла с последующим отрывом их от менее прочной поверхности).
Образовавшиеся наросты на зубьях задирают поверхности других зубьев, оставляя на них широкие и глубокие борозды в направлении скольжения.
Меры борьбы: ограничение σH; применение для смазывания колес масел с противозадирными присадками.
Недостаточная поверхностная
прочность
Нарушение условия
σН ≤ [σН]
Заедание зубьев

При работе открытой зубчатой передачи наиболее характерным критерием отказа является износ поверхности зубьев зубчатых колес из-за интенсивного трения в условиях малой подачи смазочного материала, что приводит к изменению разме­ров зубьев (уменьшению их толщины).
В связи с чем происходит излом зуба (чаще всего около ножки) из-за недостаточной изгибной прочности.
Поэтому изгибная прочность зубьев является критерием рас­чета открытых зубчатых передач.
Открытые зубчатые передачи (рис. 14) применяются, как правило, в виде дополнительной передачи между рабочим органом технологической машины и ее приводом. При этом основным задаваемым параметром является расстояние от оси привода до оси рабочего органа, т.е. межосевое расстояние aw, которое, чаще всего, не является стандартной величиной.
Расчет открытых передач сводится к определению основного параметра зубчатой передачи – модуля m.
6. Особенности расчета открытых зубчатых передач
Рисунок 14 – Кинематическая схема приводной станции:
1 – электродвигатель,
2 – открытая передача,
3 – редуктор, 4 – муфта,
5 – барабан