Зубчатые передачи имеются почти во всех сборочных единицах промышленного оборудования. С их помощью изменяют по величине и направлению скорости движущихся частей станков, передают от одного вала к другому усилия и крутящие моменты.
В зубчатой передаче движение передается с помощью пары зубчатых колес (рис. 70, а - ж). В практике меньшее зубчатое колесо принято называть шестерней, а большее — колесом. Термин «зубчатое колесо» относится как к шестерне, так и к колесу.
Зубчатое колесо, сидящее на ведущем валу, называют ведущим, а сидящее на ведомом валу — ведомым. Число зубьев зубчатого колеса обозначается буквой z.
Передаточным числом и зубчатых передач называют отношение числа зубьев ведущего колеса z1 к числу зубьев ведомого z2 или отношение частоты вращения ведущего колеса n1 к частоте вращения ведомого колеса n2, т. е. u — n1/n2 — = z1/z2.
В зависимости от взаимного расположения геометрических осей валов зубчатые передачи бывают: цилиндрические, конические и винтовые. Зубчатые колеса для промышленного оборудования изготовляют с прямыми, косыми и угловыми (шевронными) зубьями.
По профилю зубьев зубчатые передачи различают: эвольвентные и циклоидальные. Помимо зубчатых передач с эвольвентным зацеплением в редукторах применяют передачу Новикова с круговым профилем зубьев. Передача Новикова позволяет применять колеса с малым числом зубьев, а значит, имеет большое передаточное число и может передавать значительные мощности. Циклоидальное зацепление используется в приборах и часах.
Цилиндрические зубчатые колеса с прямым зубом (рис. 70, а) служат в передачах с параллельно расположенными осями валов и монтируются на последних неподвижно или подвижно.
Рис. 70. Зубчатые зацепления:
а — цилиндрическое с прямым зубом, б — то же, с косым зубом, в — с шевронным зубом, г — коническое, д — колесо — рейка, е — червячное, ж — с круговым зубом
Зубчатые колеса с косым зубом (рис. 70,б) применяют для передачи движения между валами, оси которых пересекаются в пространстве, а в ряде случаев и между параллельными валами, например, когда в передаче должны сочетаться повышенная окружная скорость колес и бесшумность их работы при больших передаточных отношениях до 15:1.
Косозубые колеса монтируют на валах только неподвижно.
Работа косозубых колес сопровождается осевым давлением. Осевое давление можно устранить, соединив два косозубых колеса с одинаковыми, но направленными в разные стороны зубьями. Так получают шевронное колесо (рис. 70, в), которое монтируют, обращая вершину угла зубьев в сторону вращения колеса. На специальных станках шевронные колеса изготовляют целыми из одной заготовки.
Конические зубчатые передачи различают по форме зубьев: прямозубые, косозубые и круговые.
На рис. 70, г показаны конические прямозубые, а на рис. 70, ж — круговые зубчатые колеса. Их назначение — передача вращения между валами, оси которых пересекаются. Для пересекающихся осей применяют также червячные передачи (рис. 70, е). Конические зубчатые колеса с круговым зубом применяются в передачах, где требуется особая плавность и бесшумность движения.
На рис. 70, д изображены зубчатое колесо и рейка. В этой передаче вращательное движение колеса 1 преобразуется в прямолинейное движение рейки 2.
Элементы зубчатого колеса. В каждом зубчатом колесе (рис. 71) различают три окружности (делительную, окружность выступов, окружность впадин) и, следовательно, три соответствующих им диаметра.
Делительная, или начальная, окружность делит зуб по высоте на две неравные части: верхнюю, называемую головкой зуба, и нижнюю, называемую ножкой зуба. Высоту головки зуба принято обозначать ha, высоту ножки — hf, а диаметр окружности — d.
Окружность выступов — это окружность, ограничивающая сверху профили зубьев колеса. Обозначают ее da.
Окружность впадин проходит по основанию впадин зубьев. Диаметр этой окружности обозначают df.
Расстояние между серединами двух соседних зубьев, измеренное по дуге делительной окружности, называется шагом зубчатого зацепления. Шаг обозначают буквой Р. Если шаг, выраженный в миллиметрах, разделить на число π = 3,14, то получим величину, называемую модулем. Модуль выражают в миллиметрах и обозначают буквой m.
Таким образом, m = Р/π = Р/3,14, тогда шаг Р = πm = 3,14m.
Дуга делительной окружности S в пределах зуба называется толщиной зуба, дуга S1 — шириной впадины. Как правило, S = S1. Размер b зуба по линии, параллельной оси колес, называется длиной зуба.
Радиальный зазор σ (см. рис. 71) — кратчайшее расстояние между вершиной зуба и основанием впадины сопряженного колеса.
Рис. 71. Схема зацепления в передачах цилиндрическими зубчатыми колесами
Боковой зазор Сn (см. рис. 71) — кратчайшее расстояние между нерабочими профильными поверхностями смежных зубьев, когда их рабочие поверхности находятся в контакте.
С модулем связаны все элементы зубчатого колеса: высота головки зуба ha = m, высота ножки зуба hf = 1,2m, высота всего зуба h = 2,2m.
Зная число зубьев z, с помощью модуля можно определить диаметр делительной окружности зубчатого колеса d = zm.
Диаметр окружности выступов (диаметр заготовки зубчатого колеса) вычисляется по формуле da = (z + 2)m.
Формулы, с помощью которых можно определить параметры цилиндрических зубчатых колес в зависимости от модуля и числа зубьев, приведены в таблице.
Формулы для расчета параметров цилиндрических зубчатых колес
Тихоходные зубчатые колеса изготовляют из чугуна или углеродистой стали, быстроходные — из легированной стали. После нарезания зубьев на зуборезных станках зубчатые колеса подвергают термической обработке, чтобы увеличить их прочность и повысить стойкость против износа. У колес из углеродистой стали поверхность зубьев улучшают химико-термическим способом — цементацией и потом закалкой. Зубья быстроходных колес после термической обработки шлифуют или притирают. Применяется также поверхностная закалка токами высокой частоты.
Чтобы зацепление было плавным и бесшумным, одно из двух колес в зубчатых парах в отдельных случаях, когда это позволяет нагрузка, выполняют из текстолита, древеснослоистого пластика ДСП-Г или капрона. Для облегчения зацепления зубчатых колес при включении посредством перемещения по валу торцы зубьев со стороны включения закругляют.
Зубчатые передачи бывают открытые и закрытые. Открытые передачи, как правило, тихоходные. Они не имеют корпуса для масляной ванны и периодически смазываются густой смазкой. Закрытые передачи заключены в корпуса. Зубчатые колеса закрытых передач смазываются, или в масляной ванне, или струйной смазкой под давлением.
По быстроходности зубчатые передачи разделяются на следующие виды (м/с): весьма тихоходные — v < 0,5, тихоходные — 0,5 < v < 3, среднескоростные — 3 < v < 15, скоростные 15 < v < 40, высокоскоростные — v > 40.
Точность изготовления колес и сборка передач должны соответствовать государственному стандарту. Для цилиндрических, конических и червячных зубчатых передач установлено 12 степеней точности, обозначаемых в порядке убывания точности степенями 1 — 12.
Наиболее точные 1-я и 2-я степени являются резервными, так как современные возможности производства и контроля не могут обеспечить изготовление точных колес. 12-я степень также резервная, так как согласно действующим ГОСТам зубчатые колеса пока не выполняются грубее 12-й степени точности.
Большое применение имеют зубчатые передачи 6, 7, 8 и 9-й степеней точности.
Каждая степень точности зубчатой передачи соответствует нормали кинематической точности, установленной ГОСТом, а также плавности работы колеса и контакта зубьев.
В § 2 «Гибкие передачи и сборка шкивов» были рассмотрены основные сборочные операции при сборке валов и насадке шкивов на валы. Посадка зубчатых колес на валы ничем не отличается от посадки шкивов, поэтому ниже описана только проверка, регулирование зубчатых и червячных передач.
Основными техническими требованиями к зубчатым сборочным единицам являются следующие:
Зубья колес при проверке на краску должны иметь зону касания не менее 0,3 длины зуба, а по профилю — от 0,6 до 0,7 высоты зуба.
Радиальное торцовое биение колес не должно выходить за пределы, установленные техническими требованиями.
Оси валов сцепляющихся колес и оси гнезд корпусов должны лежать в одной плоскости и быть между собой параллельными. Допускаемые отклонения указаны в технических условиях.
Между зубьями сцепляющихся колес необходим зазор, величина которого зависит от степени точности передачи и определяется по таблице.
Собранная сборочная единица испытывается на холостом ходу или под нагрузкой. Она должна обеспечивать соответствующую прочность для передачи мощности, плавность хода и умеренный нагрев подшипниковых опор (не свыше 323 К, или 50 °С).
Передача должна работать плавно и почти бесшумно.
Ниже описан порядок сборки некоторых сборочных единиц составных зубчатых колес (рис. 72).
Рис. 72. Монтаж составных зубчатых колес и проверка на биение: а — составное зубчатое колесо, закрепленное болтами, б — закрепленное стопорами, в — схема проверка сборочной единицы вал — зубчатое колесо на радиальное и торцовое биение
Зубчатый венец 1 устанавливают на центрирующий бурт А ступицы 2 и предварительно закрепляют тремя-четырьмя временными болтами, имеющими меньший диаметр. Сборочную единицу проверяют на оправке на радиальное биение и венец закрепляют временными болтами. Оставшиеся отверстия под болты в ступице 2 и венце с помощью кондуктора совместно развертывают и зенкуют, а затем в эти отверстия вставляют нормальные болты 3, а временные болты снимают и освободившиеся отверстия обрабатывают так же, как и первые. После установки нормальных болтов во все отверстия зубчатое колесо окончательно проверяют на биение. В тяжелонагруженных передачах затягивать болты целесообразно динамометрическим ключом, чтобы на плоскостях фланцев создать силу трения, момент которой превосходил бы крутящий момент, передаваемый зубчатым колесом (рис. 72, а).
Зубчатый венец 1 напрессовывают на диск 2 ступицы с натягом. Чтобы облегчить операцию и избежать возможных перекосов, венец предварительно нагревают в масляной ванне или специальном индукторе т. в. ч. до 393 — 423 К (120—150°С). Затем сверлят отверстия под стопоры 4. Вместо стопоров нередко крепление осуществляют заклепками. В этом случае отверстия сверлят насквозь, устанавливают в них заклепки и расклепывают на прессах (рис. 72,б).
При установке зубчатых сборочных единиц на валах наиболее часто встречаются следующие погрешности: качание зубчатого колеса на шейке вала, радиальное биение по окружности выступов, торцовое биение и неплотное прилегание к упорному буртику вала.
На качание сборочную единицу проверяют обстукиванием напрессованного зубчатого колеса молотком из мягкого металла.
Проверку на радиальное и торцовое биение сборочной единицы — зубчатое колесо с валом производят на призмах или в центрах (рис. 72, в). Для этого вал укладывают на призмы, регулируют положение седла призмы 5 винтами 6 и устанавливают вал параллельно поверочной плите по индикатору 7. Во впадину колеса укладывают цилиндрический калибр 8, диаметр которого должен составлять 1,68 модуля зацепления колеса. Стойку с индикатором 9 устанавливают так, чтобы ножка его вошла в соприкосновение с калибром и с натягом на один-два оборота стрелки. При этом замечают показание индикатора, затем, перекладывая калибр через 2 — 3 зуба и поворачивая колесо 11, подводят калибр к ножке индикатора. Отмечают показание стрелки и определяют величину диаметрального биения. Допустимое биение торца и диаметра венца зубчатого колеса зависит от степени точности колеса по ГОСТу. Торцовое биение проверяют индикатором 10.
Правильное зацепление зубьев происходит при параллельности осей колес, отсутствии их скрещивания и сохранении расстояния между осями валов, равного расчетной величине. Параллельность расположения осей подшипников корпуса зубчатой передачи (рис.73) проверяют штихмассом, штангенциркулем и индикатором 2. Расстояние между осями подшипников проверяют контрольными оправками 1 и 3, устанавливаемыми в корпус. Расстояние измеряют или между оправками, или по их наружной поверхности.
Рис. 73. Схема проверки параллельности и перпендикулярности осей отверстий и валов контрольным валом и универсальным измерительным инструментом
В первом случае измерение выполняют микрометрическим штихмассом 4 и к полученному размеру l прибавляют полусумму диаметров калибров (мм): А = l1 + (D + d)/2.
Во втором случае применяют штангенциркуль 5 и из полученного размера вычитают полусумму диаметров калибров (мм): А = l2 — (D + d)/2.
Определив размеры l1 или l2 на обеих сторонах, устанавливают непараллельность осей отверстий подшипников. Чтобы добиться требуемого межосевого расстояния и параллельности, смещают корпуса подшипников. Непараллельность в вертикальной плоскости может быть определена при наложении уровня на каждый из валов. Величина непараллельности в этом случае будет равна разности показаний уровня в угловых делениях. Обычно цена деления уровней дается в долях миллиметра на 1 мм и для перевода показаний уровня в угловые секунды цену деления нужно умножить на число 200.
Например, цена деления уровня О,1 мм на 1 м соответствует 20 угловым секундам (0,1-200/1 =20").
От степени точности колес и передач устанавливают нормы бокового зазора. Основными являются нормы нормального гарантированного зазора (обозначаемого буквой X), компенсирующего уменьшение бокового зазора от нагрева передачи.
На рис. 74,а показана проверка бокового зазора Сn, которую в цилиндрических зубчатых колесах выполняют щупом или индикатором. На валу одного из зубчатых колес крепят поводок 1, конец которого упирают в ножку индикатора 2, установленного на корпусе сборочной единицы. Другое зубчатое колесо удерживают от проворачивания фиксатором 3. Затем поводок 1 вместе с валом и колесом слегка поворачивают то в одну, то в другую сторону, а это можно сделать только на величину зазора Сn в зубьях.
Рис. 74. Схема проверки бокового зазора индикатором: а — открытым способом, б — выносным
По показанию индикатора определяют боковой зазор. Наименьший боковой зазор Сn указывают в технических условиях на сборку сборочной единицы. При межосевом расстоянии 320 — 500 мм для передач средней точности зазор этот должен быть не менее 0,26 мм. Наиболее точно боковые зазоры измеряют с помощью индикаторных приспособлений так называемым выносным методом. Приспособления позволяют производить замеры зазора в глухих передачах.
На рис. 74,б показано одно из таких приспособлений. Оно состоит из крестовины 5, закрепленной на валу редуктора рукоятками б, и стойки 7 с индикатором 8. Стойку с индикатором ввертывают в хомут 10, закрепляют винтом 4 к крышке редуктора. При покачивании вала рукой до соприкосновения плоскости 9 крестовины с ножкой индикатора, закрепленного на неподвижной крышке редуктора, определяют боковой зазор между зубьями. Малое колесо передачи должно быть неподвижным.
Замеренный зазор следует отнести к диаметру начальной окружности зубчатого колеса, на валу которого закреплена крестовина. Тогда действительный боковой зазор Сn будет равен Сn = C1Rl/R2, где С1 — зазор по показаниям индикатора, мм; R1 — радиус начальной окружности колеса, мм; R2 — радиус точки замера на крестовине, мм.
Таким же образом проверяют боковой зазор и для других пяти положений крестовины, при повороте ее вместе с валом на угол 60°. По результатам замеров определяют колебание величины боковых зазоров и судят о качестве собранной передачи. В зависимости от модуля и точности зубчатой передачи допустимая разность боковых зазоров составляет 0,08 — 0,15 мм.
Рис. 75. Расположение пятен контакта при проверке на краску: а — размеры контакта для оценки, б — одностороннее расположение пятна (перекос колеса на зуборезном станке или перекос отверстий в корпусе редуктора, в — большой зазор по всему венцу (мало или велико межосевое расстояние), г — недостаточный зазор по всему венцу (излишняя или недостаточная толщина зуба одного или обоих колес)
Погрешности сборки зубчатых передач определяют по расположению пятна контакта при проверке на краску. Размеры контакта (рис. 75, а) определяются (в процентах):
по длине зуба — отношением расстояния между крайними точками следов прилегания (без учета величин разрывов, превосходящих величину модуля) к полной длине зуба (А - C)/(В•100%);
по высоте зуба — отношением средней высоты следов прилегания по всей длине зуба к рабочей высоте зуба hcp/(H•100%).
Неправильное пятно касания и неправильное место расположения на зубьях являются следствием погрешностей, возникших при обработке и сборке колес, валов, корпусов редукторов, подшипников. На рис. 75,б отпечаток краски расположен односторонне. Причиной неправильного пятна контакта может быть перекос колеса на зуборезном станке или перекос отверстий в корпусе редуктора.
Если зуб колеса утоплен со стороны торца и при поворачивании на 180° положение не меняется, то, следовательно, перекошена ось отверстия в корпусе. Эту погрешность устраняют запрессовкой новой втулки и растачиванием ее или перепрессовкой пальца зубчатого колеса, если оно посажено на палец.
На рис. 75, в показан слишком большой зазор по всему венцу. Возможные причины: межосевое расстояние в корпусе недостаточное или слишком большое. Устраняют погрешность перепрессовкой втулок в корпусе и их повторным растачиванием.
Недостаточный зазор по всему венцу показан на рис. 75, г. Возможные причины малой величины зазора: излишняя или недостаточная толщина зуба у одного или у обоих колес. В этом случае заменяют колеса или используют корпус с другим межосевым расстоянием.
