Зубчатая передача -трехзвенный механизм, включающий два подвижных звена, взаимодействующих между собой через высшую зубчатую кинематическую пару и образующих с третьим неподвижным звеном низшие (вращательные или поступательные) кинематические пары (рис. 5).
Рис. 5. Виды зубчатых передач.
Меньшее зубчатое колесо, участвующее в зацеплении обычно называют шестерней, большее – зубчатым колесом, звено зубчатой передачи, совершающее прямолинейное движение, называют зубчатой рейкой (рис. 5, к).
Назначение зубчатой передачи - передача движения (чаще всего вращательного) с преобразованием параметров, а иногда и его вида (реечная передача). Зубчатые передачи вращательного движения наиболее распространены в технике (рис. 5). Они характеризуются передаваемыми мощностями от микроватт (механизм кварцевых наручных часов) до десятков тысяч киловатт (крупные шаровые мельницы, дробилки, обжиговые печи) при окружных скоростях до 150 м/с.
Классификация зубчатых передач:
1. По величине передаточного числа:
1.1. с передаточным числом u >1 – редуцирующие (редукторы - большинство зубчатых передач);
1.2. с передаточным числом u <1– мультиплицирующие (мультипликаторы).
2. По взаимному расположению валов:
2.1. с параллельными валами - цилиндрические зубчатые передачи
2.2. с пересекающимися осями валов - конические зубчатые передачи
(конические передачи с углом 90град между осями валов называют ортогональными);
3.2. косозубые - продольная ось зуба направлена под углом к образующей поверхности колеса;
3.3. шевронные - зуб выполнен в форме двух косозубых колес со встречным наклоном осей зубьев;
3.4. с круговым зубом - ось зуба выполнена по окружности относительно образующей поверхности колеса.
4. По форме зацепляющихся звеньев:
4.1. с внешним зацеплением - зубья направлены своими вершинами от оси вращения колеса;
4.2. с внутренним зацеплением - зубья одного из зацепляющихся колес направлены своими вершинами к оси вращения колеса;
4.3. реечное зацепление - одно из колес заменено прямолинейной зубчатой рейкой;
4.4. с некруглыми колесами.
5. По форме рабочего профиля зуба:
5.1. эвольвентные - рабочий профиль зуба очерчен по эвольвенте круга (линия описываемая точкой прямой, катящейся без скольжения по окружности);
5.2. циклоидальные - рабочий профиль зуба очерчен по круговой циклоиде (линия описываемая точкой окружности, катящейся без скольжения по другой окружности);
5.3. цевочное (разновидность циклоидального) – зубья одного из колес, входящих в зацепление, заменены цилиндрическими пальцами – цевками;
5.4. с круговым профилем зуба (зацепление Новикова) – рабочие профили зубьев образованы дугами окружности практически одинаковых радиусов.
6. По относительной подвижности геометрических осей зубчатых колес:
6.1. с неподвижными осями колес - рядовые передачи (рис. 5);
6.2. с подвижными осями некоторых колес - планетарные передачи.
7. По жесткости зубчатого венца колес, входящих в зацепление:
7.1. с колесами неизменяемой формы (с жестким венцом);
7.2. включающая колеса с венцом изменяющейся формы (гибким).
8. По окружной (тангенциальной) скорости зубьев:
8.1. тихоходные (Vз < 3 м/с);
8.2. среднескоростные (3< Vз < 15 м/с);
8.3. быстроходные (Vз > 15 м/с).
9. По конструктивному исполнению:
9.1. открытые (бескорпусные);
9.2. закрытые (корпусные).
Наиболее широкое применение находят редуцирующие зубчатые передачи вращательного движения, в том числе и в многоцелевых гусеничных и колесных машинах (коробки передач, бортовые редукторы, приводы различных устройств). Поэтому дальнейшее изложение, если это не упоминается особо, касается только передач вращательного движения.
Достоинства зубчатых передач:1. Высокая надежность работы в широком диапазоне нагрузок и скоростей. 2. Большой ресурс. 3. Малые габариты. 4 Высокий КПД. 5. Относительно малые нагрузки на валы и подшипники. 5. Постоянство предаточного числа. 6. Простота обслуживания.
Недостатки зубчатых передач: 1. Сложность изготовления и ремонта (необходимо высокоточное специализированное оборудование). 2. Относительно высокий уровень шума, особенно на больших скоростях. 3. Нерациональное использование зубьев – в работе передачи одновременно участвуют обычно не более двух зубьев каждого из зацепляющихся колёс.
Конструктивные (геометрические) параметры зубчатых передач (на примере цилиндрических зубчатых передач):
Межосевое расстояние aw – расстояние между геометрическими осями валов, на которых закреплены шестерня и зубчатое колесо.
Диаметры начальных цилиндров (окружностей) зубчатых колес dw1 и dw2, участвующих в зацеплении – диаметры мнимых цилиндров (в сечении, перпендикулярном осям вращения взаимодействующих зубчатых колес, окружностей), которые в процессе работы передачи обкатываются один по другому без проскальзывания. При изменении межосевого расстояния передачи меняются и диаметры начальных цилиндров (окружностей).
Делительные диаметры d1 и d2 зубчатых колес, участвующих в зацеплении – диаметры цилиндров (окружностей) по которым обкатывается без скольжения инструмент при нарезании зубьев колеса методом обкатки. У большинства зубчатых передач (при отсутствии ошибок в изготовлении) делительные диаметры и диаметры начальных цилиндров совпадают, то есть dw1 = d1 и dw2 = d2. Поскольку делительные диаметры связаны с процессом изготовления зубчатого колеса, а каждое зубчатое колесо изготавливается отдельно, следовательно делительный диаметр (делительный цилиндр, в поперечном сечении – делительная окружность) имеется у каждого отдельно взятого колеса.
С целью обеспечения взаимозаменяемости зубчатых колес, унификации и сокращения номенклатуры режущего инструмента для их изготовления модуль стандартизован, то есть при проектировании передачи выбирается из ряда стандартных значений.
Из сказанного следует, в зацеплении могут находиться только зубчатые колеса с одинаковым модулем.
Для нормальной работы зубчатой передачи (обеспечение плавности работы, отсутствие излишних вибраций и инерционных сил, относительно высокий КПД зубчатого зацепления) форма рабочей поверхности профиля зубьев должна удовлетворять следующим требованиям:
1. в течение времени взаимодействия рабочих поверхностей двух сопряженных зубьев ведущего и ведомого колес передаточное отношение должно сохраняться постоянным (основная теорема зубчатого зацепления);
2. профиль зуба должен обеспечивать выполнение условия 1 при зацеплении данного колеса с любым другим колесом того же модуля;
3. профиль зуба должен обеспечивать возможность изготовления колеса любого диаметра одним инструментом;
4. инструмент для нарезания зубьев должен быть простым и легко доступным для изготовления и контроля.
Рис. 5. Виды зубчатых передач.