Что такое шевронная передача

Детали машин

Косозубые и шевронные зубчатые цилиндрические передачи

В машиностроении широкое распространение получили цилиндрические зубчатые передачи, которые могут выполняться с прямыми, косыми и шевронными зубьями. При этом наиболее простыми и дешевыми в изготовлении являются прямозубые цилиндрические колеса. Тем не менее, косозубые и шевронные передачи обладают рядом существенных достоинств, благодаря которым их используют в машинах и механизмах, несмотря на относительно высокую стоимость изготовления.

Косозубые цилиндрические передачи

Очевидно, что способность зубчатого колеса передавать нагрузку во многом зависит от длины зуба – чем он длиннее, тем больше его нагрузочная способность. Увеличить длину зуба зубчатого колеса можно двумя способами – сделав колесо шире, т. е. увеличить его габарит, либо нарезав зубья под наклоном к оси колеса. Во втором случае длина зуба увеличивается без изменения габаритов колеса.
Эта идея и была использована в конструкции цилиндрических зубчатых колес – косозубое колесо при одинаковых параметрах изготовления способно передавать большую нагрузку, чем прямозубое.

Еще одно преимущество косого расположения зубьев на колесах – в зацеплении участвуют сразу несколько зубьев, плавно передавая нагрузку от одного к другому. По этой причине несущая способность косозубой цилиндрической передачи дополнительно повышается.

Итак, основные преимущества косозубых цилиндрических зубчатых передач перед прямозубыми – бόльшая несущая способность при одинаковых габаритах, плавность и бесшумность работы.

Но у косозубых цилиндрических зубчатых передач имеется один существенный недостаток – расположение зубьев под углом к оси приводит к появлению осевой силы, пытающейся сдвинуть сопрягаемые колеса вдоль осей, при этом направление осевых сил шестерни и колеса противоположно, т. е. колеса пытаются «сбежать» друг от друга в разные стороны (рис. 2). Чтобы избежать взаимного смещения колес приходится применять различные фиксирующие и упорные устройства, которые усложняют конструкцию и отнимают часть передаваемой энергии, т. е. снижая КПД передачи.
Осевые силы достигают значительной величины (по отношению к окружной силе), если угол наклона зубьев β превышает 20˚, поэтому в косозубых зубчатых цилиндрических передачах зубья нарезают под углом к оси в пределах 8…20˚.
Вторым недостатком косозубых цилиндрических зубчатых передач, как указывалось выше, является некоторое увеличение стоимости изготовления.

Расчет косозубых колес ведут с использованием параметров так называемого эквивалентного колеса. Если рассечь косозубое колесо по нормали к направлению зубьев (т. е. перпендикулярно линии зуба), то в сечении образуется эллипс (рис. 1), радиус кривизны которого в полюсезацепления может быть определен по формуле:

где d – делительный диаметр колеса по нормальному сечению;
m – модуль зацепления;
z – действительное количество зубьев косозубого колеса.

Из полученной формулы принимают эквивалентное число зубьев:

которое используется в прочностных расчетах.

Расчет на прочность косозубых передач ведут аналогично расчету прямозубых цилиндрических зубчатых передач с введением поправочных коэффициентов, учитывающих особенности работы.

По условиям прочности габариты косозубых передач получаются меньше, чем у прямозубых примерно на 20%.

Шевронные цилиндрические передачи

Благодаря таким особенностям шевронная передача позволяет еще больше удлинить зубья при неизменных габаритах колес. Кроме того, увеличение угла наклона зубьев приводит к повышению плавности работы передачи и уменьшению шума.
Поскольку осевая сила в шевронном зацеплении практически отсутствует, нет необходимости жестко крепить колеса на валах (или осях), предохраняя их от осевого перемещения.
Можно сделать вывод, что шевронная передача не только вобрала в себя все достоинства косозубой передачи, но и существенно их повысила, при этом позволила избавиться от основного недостатка – появления осевой силы, нагружающей опоры, снижающей КПД передачи и нередко приводящей к сильному нагреву подшипников и вала.

Изобретателем шевронного зацепления является механик-самоучка из Польши, имя которого не сохранилось. Известно только, что патент на шевронную передачу и оригинальную технологию нарезания шевронных зубьев выкупил у этого талантливого механика известный французский промышленник Андре Ситроен (основатель автомобильного концерна «Ситроен»), которого иногда ошибочно считают изобретателем шеврона. Примечательно, что V-образные зубья шевронной передачи в виде двух горизонтальных «галочек» легли в основу фирменного знака концерна «Ситроен».

Но, как говорится, добра без худа не бывает. По сложности изготовления шевронные цилиндрические зубчатые колеса превосходят и косозубые, и уж тем более – прямозубые колеса. Нарезать зубья «елочкой» на поверхности цилиндрической заготовки достаточно сложно, ведь приходится менять направление резки в центре ширины колеса, но и здесь конструкторы и технологи нашли решение, облегчающее выполнение задачи. Обычно шевронные колеса изготавливают с дорожкой в середине колеса для выхода режущего инструмента (червячной фрезы). Ширина такой дорожки обычно составляет 10…15% модуля зацепления, а глубина равна высоте зуба.

Но иногда шевронные колеса изготавливают и без дорожки, чтобы полнее использовать ширину колеса для длины зубьев. Нарезание зубьев таким способом малопроизводительно, и требует дорогостоящего оборудования, поэтому применяется реже, чем нарезание зубьев с дорожкой.

Сопрягаемые шевронные колеса требуют строго определенного положения друг относительно друга во время работы передачи, поскольку малейший осевой относительный сдвиг колес приведет к заклиниванию или даже поломке зубьев. По этой причине вал одного из колес (обычно шестерни) выполняют плавающим, т. е. его монтируют в подшипниках, допускающих некоторое осевое смещение.

Шевронные передачи дороже в изготовлении, их применяют в мощных быстроходных закрытых передачах, поскольку при минимальных габаритах они способны передавать значительно бόльшие мощности по сравнению с другими цилиндрическими зубчатыми передачами, и меньше шумят на большой скорости. Шевронное зацепление нуждается в хорошей смазке, поэтому такие передачи чаще всего выполняют закрытыми.

Геометрический и прочностной расчеты шевронной передачи аналогичны расчетам косозубой передачи. Для шевронной передачи коэффициент ширины венца колеса принимают равным ψ_ba = 0,4…1,0.

Источник

Цилиндрические косозубые и шевронные зубчатые передачи. Устройство и основные геометрические и силовые соотношения

Косозубые зубчатые передачи, как и прямозубые, предназначены для передачи вращательного момента между параллельными валамя (рис. 36). У косозубых колес оси зубьев располагаются не по образующей делитель­ного цилиндра, а по винтовой линии, составляющей с образующей угол (рис. 37). Угол наклона зубьев р принимают равным , он одинаков для обоих колес, но на одном из сопряженных колес зубья наклонены вправо, а на другом влево.

Рис. 36. Цилиндрическая косозубая передача

Передаточное число для одной пары колес может быть . В прямозубых передачах линия контакта параллельна оси, а в косозубых расположена по диа­гонали на поверхности зуба (контакт в прямозубых передачах осуществляется вдоль всей длины зуба, а в косозубых — сначала в точке увеличивается до пря­мой, «диагонально» захватывающей зуб, и постепен­но уменьшается до точки).

Достоинства косозубых передач по сравнению с прямозубыми: уменьшение шума при работе; меньшие габаритные размеры; высокая плавность зацепления; большая нагрузочная способность; значительно меньшие дополнительные дина­мические нагрузки.

За счет наклона зуба в зацеплении косозубой передачи появляется осевая сила.

Направление осевой силы зависит от на­правления вращения колеса (рис. 37), на­правления винтовой линии зуба, а также от того, каким является колесо — ведущим или ведомым. Осевая сила дополнительно нагру­жает валы и опоры, что является недостатком косозубых передач.

Рис. 37. Усилия в косозубой цилиндрической передаче

Шевронные зубчатые колеса пред­ставляют собой разновидность косозубых колес (рис. 38).

Рис. 38. Шевронная зубчатая передача

Цилиндрическое зубчатое колесо, венец которого по ширине состоит из участков с правыми и левыми зубьями (рис. 38, а), называют шеврон­ным колесом. Часть венца зубчатого колеса, в пределах которого линии зубьев имеют одно направление, называют полушевроном. Различают шев­ронные колеса с жестким углом (рис. 38, б), предназначенным для выхо­да режущего инструмента при нарезании зубьев. Шевронные передачи об­ладают всеми преимуществами косозубых, а осевые силы (рис. 39) проти­воположно направлены и на подшипник не передаются.

Рис.39. Усилия в зацеплении шевронных зубчатых колес

В этих передачах допускают большой угол наклона зубьев ( ). Ввиду сложности изготовления шевронные передачи применяют реже, чем косозубые, т.е. в тех случаях, когда требует­ся передавать большую мощность и высокую скорость, а осевые нагрузки нежелательны.

Рис. 40

Косозубые и шевронные колеса в отличие от прямозубых имеют два шага и два модуля: в нормальном сечении (см. рис. 44) по делительной окружности — нормальный шаг р_п, в торцовой плоскости — торцовый шаг р_t. Из условия, что модуль зацепления равен шагу, деленному на число , имеем ; .

Для косозубых и шевронных колес значения нормального модуля т_n стандартизованы, так как профиль косого зуба в нормальном сечении со­ответствует исходному контуру инструментальной рейки и, следовательно, т = т_п (косозубые и шевронные колеса нарезают, тем же способом и инст­рументом, что и прямозубые). Нормальный модуль т_п является исходным при геометрических расчетах.

Определим зависимость между нормальным и торцовым шагом и модулем через угол наклона зубьев.

Если левую и правую части разделим на , получим

; .

Геометрические параметры цилиндрической косозубой и шевронной передач с эвольвентным профилем зуба рассчитают по формулам, приве­денным в табл. 15. По торцовому модулю т_t рассчитывают делительные (начальные) диаметры, а до т_п — все остальные размеры зубчатых колес.

Таблица 15. Геометрические параметры цилиндрической косозубой передачи

Параметр, обозначение	Расчетные формулы
Нормальный модуль
Торцовый (окружной модуль)
Диаметр вершин зубьев в
Делительный диаметр d
Диаметр впадин зубьев
Шаг нормальный
Шаг торцовый (окружной)
Окружная толщина зубьев
Ширина впадин зубьев
Высота зуба
Высота головки зуба
Высота ножки зуба
Радиальный зазор
Межосевое расстояние
Длина зуба
Ширина венца

Окружная сила . На косой зуб действует осевая сила (см. рис. 37), радиальная (распорная) сила .

В косозубдй передаче сила , действующая на зуб косозубого колеса (см. рис. 44), направлена по нормали к профилю зуба, т.е. по линии зацепле­ния эквивалентного прямозубого колеса, и составляет угол с касательной к
эллипсу.

Эту силу разложим на две составляющие: окружную силу на эквива­лентном колесе и радиальную (распорную) силу на этом колесе .

Если, в свою очередь, силу разложить по двум направлениям, то по­лучим такие силы: — окружную силу, — осевую.

Для зубчатого колеса с шевронным зубом окружную силу и рас­порную определяют по тем же формулам, что и для косозубой передачи т.е. , . В шевронной передаче осевая сила (см. рис. 39).

Винтовая передача (разновидность ко­созубой) состоит из двух косозубых цилиндри­ческих колес (рис. 41). Однако в отличие от косозубых цилиндрических передач с парал­лельными валами касания между зубьями здесь происходит в точке и при значительных скоро­стях скольжения. Поэтому при значительных нагрузках винтовые зубчатые передачи работать удовлетворительно не могут.

Рис.41. Винтовая зубчатая передача

Источник

Достоинства и недостатки червячных зубчатых передач

Какие функции выполняет зубчатое зацепление

Прежде чем говорить о том, что такое цилиндрическая шевронная передача, необходимо разобраться с общими положениями. Зубчатое зацепление используется для передачи вращательного движения между валами. Так в непосредственный контакт входит пара зубьев шестерни и колеса. Передаточное число изменяется в зависимости от размера шестерни и количества зубьев на ней.

Изменение угловых скоростей и моментов — основные функции любой зубчатой передачи, в том числе и шевронной. Широкое же применение в различных отраслях промышленности требует постоянного развития и улучшения технических характеристик передачи. В результате появляются новые виды зацеплений, используются высокопрочные сплавы зубьев и т.д.

Применение

Изготовление шестерен и зубчатых колес
Высокие свойства зубчатых передач нашли отражение в широком спектре применений. Во многих промышленных механизмах используются редукторы, призванные понизить число оборотов вращения вала двигателя, для передачи на технологическое оборудование. Помимо изменения скорости, такое устройство также увеличивает механический момент. В итоге маломощный двигатель с большой скоростью вращения, способен приводить в движение медленный и тяжелый механизм.

С целью уменьшения габаритов редуктора его часто выполняют многоступенчатым. Большое количество зубчатых колес входят в последовательное зацепление между собой, обеспечивая высокое передаточное число. Классическим примером подобного устройства являются обычные механические часы. Благодаря множеству специально подобранных передач, скорости движения секундной, минутной и часовой стрелок отличаются друг от друга ровно в 60 раз.

Меняя один комплект на другой, можно получить разные скорости выходного вала. Этот принцип действия лег в основу коробок переключения передач, широко используемых в автомобилестроении, станкостроении и других отраслях.

Обычное зубчатое колесо допускает применение и для повышения скорости выходного вала относительно входного. В общем случае для этого достаточно развернуть редуктор или поменять местами точки подключения двигателя и конечного механизма. Называется подобное устройство мультипликатор. Из особенностей его применения необходимо учитывать запас по мощности двигателя, сопоставимый с передаточным числом механизма.

Зубчатые колеса используются также для изменения направления движения. Две цилиндрические шестерни с одинаковым числом зубьев реализуют функцию смены направления вращения вала. Передачи конической или корончатой конструкции используются в случае необходимости смены положения оси в пространстве. Ведущая и ведомая шестерни в таких механизмах развернуты друг относительно друга на какой-либо угол, значение которого может достигать 90 градусов. При этом передаточное отношение часто равно единице, что обеспечивает одинаковые скорости валов.

Наряду с простыми вариантами передач, содержащих зубчатые колеса, разработаны несколько специальных моделей. С целью снижения материалоемкости, в механизмах с ограниченным углом поворота, используют только часть зубчатого колеса. Такой сектор, обладая всеми основными свойствами зубчатого зацепления, отличается более низкой массой и стоимостью.

Еще один вариант, называемый планетарной передачей, также характеризуется малым весом и габаритами. При этом устройство обеспечивает высокое значение передаточного числа и пониженный уровень шума в процессе работы. Конструктивно такая передача состоит из нескольких шестерен, имеющих разную степень свободы. За счет этого механизм может не только передавать вращение, но и складывать или выделять угловые скорости разных валов, находящихся на одной оси. Сегодня разработано большое число вариантов планетарных передач, отличающихся типом и взаимным расположением зубчатых колес. Планетарные передачи широко применяются в автомобильной и авиационной технике, тяжелом металлорежущем оборудовании. Среди недостатков, сдерживающих распространение передач данного типа, следует отметить низкий КПД и высокие конструктивные требования к точности изготовления отдельных деталей.

Шевронные зубчатые передачи и все о них

Как мы уже разобрались, данный вид зацепления относится к зубчатым. Определимся немного с конструктивными особенностями данной передачи. От классической зубчатой мы имеем существенные отличия. Во-первых, венец состоит из зубьев, направленных в разные стороны. Соответственно по одной стороне венца они имеют наклон в одну, с обратной — в другую стороны.

Можно смело говорить о том, что шевронные передачи обладают огромным количеством преимуществ. К примеру, отсутствие осевой нагрузки на подшипник, что позволяет продлить срок службы узла. Помимо этого, данный тип передачи позволяет существенно увеличить угол наклона зубьев, который приблизительно равен 25-40 градусам. В то время как в обычном косозубом колесе пределом является 18 градусов.

Конечно, есть и свои нюансы. Во-первых, высокая сложность и дороговизна изготовления шеврона. Так как используется данный вид зацепления для передачи большой мощности и скорости при отсутствии осевых нагрузок, то точность изготовления должна быть очень высокой, а следовательно и себестоимость такого колеса получается высокой. Во-вторых, необходимость использования плавающего вала в конструкции. По этой простой причине инженеры стараются применять косозубую передачу, где это возможно, и только потом использовать шевронную.

Силы в зацеплении цилиндрической косозубой передачи

— окружная сила;
— вспомогательная окружная сила;

Наличие в передаче осевой силы приводит к дополнительному нагружению вала изгибающим моментом, а подшипников — осевой силой, что ведет к необходимости применения в опорах радиально-упорных подшипников, воспринимающих радиальную и осевую нагрузку.

Достоинства шевронного колеса

Следует отметить, что все механические передачи имеют общие преимущества и недостатки. Это относится и к шевронному зацеплению. Рассмотрим сильные стороны. Во-первых, высокая плавность хода, что достигается благодаря большому углу наклона зубьев. Следовательно, и габариты будут гораздо меньше по сравнению с косозубым колесом. Это позволяет несколько снизить массу изделия, а также размер узла в целом.

Долговечность при соблюдении норм эксплуатации (регулярная смазка, выбраковка, отсутствие перегрева и механических повреждений) составляет порядка 40 000 часов. Соответственно надежность данного узла будет очень высокой. Это обусловлено еще и отсутствием осевых нагрузок на подшипник. Как следствие, не возникает перегрева вала и опоры.

Высокий КПД (97-98 %) — еще одна сильная сторона шевронных колес. Данный показатель нередко является определяющим фактором при выборе типа передачи в том или ином узле, так как позволяет добиться минимальных потерь во время эксплуатации. Постоянное передаточное число также немаловажный фактор, который хоть и не выдвигается на первый план, но все же имеет место. Такие достоинства шевронной передачи играют немаловажную роль при эксплуатации в тяжелонагруженных узлах машин.

Текст

Немного о недостатках

Как и любой другой тип передач, данный имеет несколько минусов. В первую очередь, как было отмечено выше, сложность изготовления. Стоимость шевронного колеса достаточно высока, хоть оно и является долговечным. Зачастую на производстве при выходе из строя какого-либо узла важно заменить его как можно скорее. В этом случае отлично подойдут косозубые и прямозубые колеса, которые просты в изготовлении. Что же касается шевронного, то тут не все так однозначно. Точность монтажа также должна быть высокой, следовательно, увеличивается количество затрачиваемого времени на установку детали.

Шум во время работы — так ли это важно?

Еще один недостаток — шумность на высоких скоростях. Хотя отнести его исключительно к шевронной передаче было бы глупо, ведь это касается всего раздела. Пара металлических зубьев, входящих в зацепление на высокой скорости, — это всегда звонкий шум, который хоть и глушится с помощью специальной смазки и кожухов, но не полностью. Также было сказано и о плавающем валу, который необходим для корректной работы узла, а это увеличивает сложность конструкции. Изготовление шевронной передачи тщательно контролируется на всех этапах, поэтому бракованных изделий мало, хотя еще несколько лет назад ситуация была более печальной.

О профиле зуба

Как и во всех зубчатых зацеплениях, в шевроне может быть использован тот или иной тип зуба. Предварительно проводится расчет шевронной передачи. Используются следующие типы зубьев:

Применяемость того или иного типа зависит непосредственно от того, чего необходимо добиться во время работы узла. К примеру, если узел спроектирован с возможностью смещения центра профиля, используют эвольвентный зуб. Кроме того, есть три варианта расположения шестерни к колесу: сближенное, раздвинутое и нормальное. Изменяя расстояние до центра профиля, можно добиться того или иного положения, которое необходимо для повышения плавности, увеличения скорости хода и т.д.
Стоит также заострить особое внимание и на том факте, что неверно подобранный тип зуба в том или ином случае приведет к таким последствиям, как: снижение ресурса узла, повышенная шумность, перегрев подшипника и т.п. Следовательно, наиболее ответственным этапом является именно теоретический расчет передачи.

История

Сама по себе идея механической передачи восходит к идее колеса. Применяя систему из двух колёс разного диаметра, можно не только передавать, но и преобразовывать движение. Если ведомым будет большее колесо, то на выходе мы потеряем в скорости, но зато крутящий момент этой передачи увеличится. Эта передача удобна там, где требуется «усилить движение», например, при подъеме тяжестей. Но сцепление между передаточными колесами с гладким ободом недостаточно жесткое, колёса проскальзывают. Поэтому вместо гладких колес начали использовать зубчатые.

В Древнем Египте для орошения земель уже использовались приводимые в действие быками устройства, состоявшие из деревянной зубчатой передачи и колеса с большим числом ковшей.

Вместо зубьев первоначально использовали деревянные цилиндрические или прямоугольные пальцы, которые устанавливали по краю деревянных ободьев.

Изготовленный в I веке до н.э. Антикитерский механизм состоял из десятков металлических зубчатых колес.

Распространение шевронных колес

Как уже было отмечено выше, механические передачи используются во многих отраслях промышленности. Рассмотрев шевронные передачи, достоинства и недостатки которых наглядно показывают их целесообразность, можно сказать об уникальности. Тем не менее ввод в эксплуатацию шевронов повсеместно нельзя назвать целесообразным, что обусловлено высокой стоимостью и сложностью конструкции.

Но несмотря на это, без них нельзя обойтись на металлургических предприятиях. Там шевронная передача используется на прокатных станах, режущих станках и другом оборудовании. Обусловлено это тем, что шевронное колесо может быть:

Тип работы зависит от окружной скорости. Наиболее часто шевронная передача применяется при высоких окружных скоростях (более 30 м/с). Автомобильная промышленность — еще одна отрасль, где без использования данной механической передачи обойтись довольно сложно. Это же касается и химической, а также пищевой промышленности.

Материал изготовления

Практически все зубчатые передачи подвергаются интенсивному износу. По этой причине необходимо использовать высокопрочные сплавы, которые бы справлялись с работой в тяжелых условиях. Непосредственно колесо шеврона или шестерня изготавливаются из стали, а вот зубья предпочтительно должны быть бронзовыми. Но если использовать бронзу в чистом виде, то это слишком дорого. По этой простой причине зубья выплавляются из высоколегированной стали с бронзовым напылением.

Нередко бывает так, что узел подвергается преждевременному износу. Случается это по разным причинам:

В большинстве таких случаев его не меняют на новый, а ремонтируют путем наплавления зубьев. Данный метод используется практически во всех механических передачах, если это возможно и целесообразно.

Диаметры окружностей

Рассмотрение геометрии зубчатых пар невозможно без определения диаметров. На каждой детали их выделяется несколько. Широкое распространение имеет диаметр окружности по выступам, иногда называемый диаметром вершин. Он определяет максимальные габариты диска колеса. Его противоположностью считается диаметр окружности впадин. Разность этих величин, поделенная пополам, дает полную длину зуба. Но этот параметр в чистом виде не используется. При расчетах принято выделять высоту головки и ножки зуба. Граница, отделяющая два этих понятия, называется делительной окружностью зубчатого колеса. Диаметр данной окружности выполняет функцию опорного параметра при выполнении расчетов геометрии, так как именно по ней определяется окружной шаг и модуль зацепления. Еще один диаметральный параметр, называемый основной окружностью, описывает теоретическую кривую, которая является базой при построении эвольвенты. Диаметр основной окружности используется для построения конкретного профиля зуба.

Подведем итоги

Основное достоинство шевронной передачи заключается в возможности её использования на высоких скоростях. Немаловажную роль играет и то, что нет осевой нагрузки на подшипник. Соответственно, исключается перегрев узла, что является наиболее распространенной причиной выхода последнего из строя.

В это же время высокие расходы на изготовление шевронного колеса и шестерни не позволяют использовать данный узел повсеместно. Это же касается и времени на установку шевронной передачи, а также высокой квалификации специалистов, занимающихся монтажом и вводом в эксплуатацию узла.

Источник