Разница между винтовой передачей и передачей в елочку

Машины требуют постоянного источника энергии для выполнения определенной задачи. Большинство промышленных машин приводится в действие механической энергией, которая проявляется в виде крутящего момента. Первичный двигатель используется для выработки механической энергии, преобразующей другую форму энергии; например, электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую. Механическая система передачи энергии используется для передачи мощности от таких первичных двигателей к предполагаемым местам расположения машинного агрегата. В основном это четыре диска; однако для бесперебойной передачи энергии требуются другие механические элементы. Зубчатая передача, ременная передача, цепная передача и канатная передача представляют собой четыре механических привода, которые могут передавать движение, крутящий момент и мощность от ведущего вала к ведомому валу. Каждый из этих четырех накопителей имеет разные функции и поэтому может иметь определенные преимущества по сравнению с другими.

Зубчатая передача представляет собой жесткий механический привод с одним зацеплением, который подходит для передачи мощности на небольшие расстояния. Он может передавать большую мощность без проскальзывания (положительный привод). В зависимости от относительной ориентации ведущего и ведомого валов и профиля зубьев зубчатые передачи можно разделить на четыре группы:прямозубые, косозубые, конические и червячные. Цилиндрическое зубчатое колесо является простейшим типом зубчатого колеса, имеющим прямые зубья, параллельные оси зубчатого колеса, и может передавать мощность только между параллельными валами. Хотя косозубая шестерня также используется для параллельных валов, зубья не параллельны оси шестерни. Здесь зубья нарезаны по спирали на заготовке шестерни, сохраняя одинаковый угол наклона спирали. Коническая шестерня может иметь прямые или спиральные зубья и используется для пересечения валов; в то время как червячная передача используется для перпендикулярных, но непересекающихся валов.

Хотя косозубые шестерни обладают определенными преимуществами по сравнению с цилиндрическими зубчатыми колесами, они создают осевую осевую нагрузку на подшипник. Эта осевая нагрузка вредна и ограничивает возможности передачи мощности. Кроме того, требуются дорогостоящие и громоздкие подшипники, способные выдерживать радиальные и осевые нагрузки. Однако эта осевая нагрузка может быть устранена за счет использования шевронной или двойной косозубой передачи. В снаряжении "елочка" , зубья вырезаются в двух половинах заготовки шестерни с сохранением того же модуля, числа зубьев и угла наклона спирали, но с противоположной стороны спирали. Таким образом, силы тяги, создаваемые каждой половиной шевронного колеса, равны и противоположны друг другу и, таким образом, исключают друг друга. Кроме того, он может передавать сравнительно большую мощность без особых проблем. Различия между косозубыми и елочными зубчатыми колесами приведены ниже в виде таблицы.

Таблица:разница между косозубым зубчатым колесом и шевронным зубчатым колесом

Профиль зубов: Зубья косозубого колеса нарезаны в виде спирали на делительном цилиндре. Конкретная косозубая шестерня состоит либо из левых винтовых зубьев, либо из правых винтовых зубьев. Во время зацепления косозубая шестерня с левым витком может сцепляться только с косозубой шестерней с правым витком. С другой стороны, зубчатая передача состоит из обеих винтовых ветвей в одном редукторе. Каждое шевронное зубчатое колесо состоит из двух отдельных половинок:одна половина должна иметь левые зубья спирали, а другая половина должна иметь правые спирали зубьев. Другие характеристики, такие как диаметр делительной окружности, модуль, количество зубьев, угол спирали и ширина или толщина, будут одинаковыми в обеих половинах; единственная разница в их спирали.

Тяговое усилие: Косозубая передача имеет много преимуществ по сравнению с цилиндрической передачей, таких как постепенная нагрузка на зубья, меньшая вибрация, большая грузоподъемность, более длительный срок службы и т. д. Основным недостатком является осевая нагрузка. Так как зубья цилиндрического колеса расположены прямо и параллельно оси колеса, пара сопрягаемых цилиндрических колес создает только радиальную нагрузку. Из-за винтовой формы зубьев пара сопрягаемых косозубых шестерен создает как радиальную, так и осевую нагрузку. Таким образом, требуются более прочные подшипники, чтобы выдерживать оба типа нагрузки одновременно. Шестерня типа «елочка» может предложить те же преимущества, что и косозубая передача, и в то же время устраняет осевую силу. Здесь сила тяги, создаваемая каждой половинкой, равна и противоположна (из-за противоположного направления спирали), и, таким образом, результирующая сила тяги становится равной нулю. Таким образом, пара сопряженных зубчатых колес не создает осевой осевой силы на подшипники (существует только радиальная сила).

Угол спирали: Сила тяги увеличивается с углом наклона зубьев; однако более высокий угол подъема может значительно снизить вибрацию и износ зубьев, а также увеличить грузоподъемность. Эта осевая сила ограничивает максимальный угол наклона винтовой передачи в случае косозубого зубчатого колеса. Обычно она поддерживается в пределах 20–25°. Однако отсутствие силы тяги в шевронной передаче позволяет использовать больший угол наклона винтовой линии, вплоть до 45°.

Подшипники для крепления валов: Ведущий и ведомый валы установлены на обоих концах с помощью соответствующих подшипников. Помимо поддержки валов и поддержания точного положения, подшипники также отводят вибрации и нагрузки, а затем передают их на землю через раму. Обычно в редукторах используются подшипники качения, если только скорость вращения не очень высока. Существуют различные типы подшипников качения, некоторые из них подходят только для радиальной нагрузки, некоторые подходят только для осевой нагрузки, и лишь немногие из них могут выдерживать радиальную и осевую нагрузку. Например, радиальные шарикоподшипники, радиально-упорные подшипники и конические роликоподшипники могут выдерживать как радиальные, так и осевые нагрузки. Таким образом, эти подшипники могут быть использованы для косозубого редуктора. С другой стороны, цилиндрические роликовые подшипники могут выдерживать большие радиальные нагрузки и, таким образом, могут использоваться с редуктором типа «елочка».

Мощность передачи электроэнергии: Основная функция любого механического привода заключается в передаче механической энергии от ведущего вала к ведомому валу. Различные приводы предлагают разный уровень пропускной способности в зависимости от размера, материала и других характеристик. Хотя передаточная способность косозубого зубчатого колеса сравнительно выше, чем у аналогичного прямозубого зубчатого колеса, оно обычно не используется для тяжелых условий эксплуатации. Осевая нагрузка и наличие подшипников налагают ограничения в тяжелых условиях эксплуатации. Шестерни типа «елочка» и двойные косозубые шестерни являются предпочтительным выбором для таких областей. Например, планетарную зубчатую передачу типа "елочка" (HPGT) можно наблюдать в тяжелых машинах, таких как угольный резак, аэрокосмический двигатель, ветряная турбина и т. д.

Производство шестерен: Нарезание винтовых зубьев на заготовке цилиндрической шестерни не составляет труда; однако проблема возникает, когда зазора нет на концах зубьев. Как и цилиндрическое зубчатое колесо, косозубое зубчатое колесо также может быть нарезано зубодолбежной фрезой. Зубофрезерование также можно использовать для нарезания косозубых шестерен. Но в зубчатой ​​передаче «елочка» между левой и правой половинками нет рельефного зазора. Таким образом, нарезка зубов в этом стыке довольно сложна, так как существует риск перешагивания на другую половину. Для этого требуется специальная зубофрезерная фреза, имеющая канавку, совпадающую с зубчатым колесом. Также требуется поддерживать высокую степень пространственного и углового выравнивания.

В этой статье представлено научное сравнение косозубых и елочных зубчатых колес. Автор также предлагает вам просмотреть следующие ссылки для лучшего понимания темы.

1. Design of Machine Elements by V.B. Bhandari (Четвертое издание; McGraw Hill Education).
2. Machine Design by R. L. Norton (пятое издание; Pearson Education).
3. Учебник по проектированию машин Р. С. Хурми и Дж. К. Гупта (С. Чанд, 2014 г.).