Понимание различий между прямыми и косозубыми цилиндрическими шестернями

Механические передачи передают движение, момент и мощность от ведущего вала (первичный двигатель) к ведомому (рабочий узел). Четыре механических привода: зубчатый, ременной, цепной, канатный. В отличие от ременного (трения), зубчатый — зацепление, где передача происходит последовательным зацеплением и расцеплением зубьев двух шестерен. Это жесткий привод, так как нет гибкого промежуточного элемента. Ведущая шестерня зацепляется напрямую с ведомой, подходит для передачи на небольшое расстояние. Мощность передачи очень высока, широкий диапазон снижения скорости (1:1 – 1:100 в одной ступени). Постоянное передаточное число, так как нет скольжения, ползания или полигонального эффекта.

Шестерни делятся на четыре базовые группы — прямые цилиндрические, косозубые, конические, червячные. У каждой свои особенности и преимущества. Прямая цилиндрическая шестерня — простейшая, передает движение и мощность между параллельными валами. Зубья прямые, параллельные оси. Косозубая шестерня также для параллельных валов, но зубы вырезаны в виде спирали на цилиндрической заготовке. Коническая — для пересекающихся валов (могут быть не перпендикулярны). Зубы могут быть вдоль оси (прямые конические) или спиралевидные (спиралевые конические). Червячная — для перпендикулярных непересекающихся валов.

Хотя обе предназначены для параллельных валов, у каждой разная ориентация зубьев и разные применения. У прямых цилиндрических зубы зацепляющихся шестерен вступают во внезапный контакт. Зубье испытывает ударную/шоковую нагрузку. Вызывает вибрацию и снижает срок службы. Спиралевидная форма устраняет проблему. У двух зацепляющихся косозубых зубы контактируют постепенно — нет ударной нагрузки. Могут нести большую нагрузку. Дают более высокое снижение скорости. В отличие от прямых, создающих только радиальную нагрузку, косозубые создают радиальную и осевую нагрузки на подшипники. Различия в таблице.

Таблица: Различия между прямой и косозубой цилиндрической шестерней

Конфигурация зубьев шестерни: Видимое различие — форма зубьев. Прямая цилиндрическая имеет прямые зубы, параллельные оси. Стоит отметить, что прямые конические тоже имеют прямые зубы вдоль оси, но они не параллельны оси (наклонены, поэтому пересекаются). Как следует из названия, косозубая имеет зубы в виде спирали на делительном цилиндре. Может иметь левую или правую спираль. Угол спирали варьируется от шестерни к шестерне. Обычно 15–25°; более высокий угол (до 45°) применяется для двойных косозубых или шевронных шестерен.

Характер нагрузки и соответствующие подшипники: При зацеплении подшипники испытывают момент и силы, передаваемые на землю. Направление и интенсивность зависят от скорости вращения и конфигурации зубьев. Поскольку некоторые подшипники эффективно воспринимают только радиальную нагрузку, некоторые только осевую, а некоторые обе — подходящий подшипник выбирается на основе природы и интенсивности сил. Из-за прямых зубьев прямые цилиндрические создают только радиальную нагрузку. Можно использовать дешевые радиально-шарикоподшипники. Косозубые создают значительную радиальную и тяговую нагрузку. Применяют радиально-шарикоподшипники, угловые контактные, конические роликовые — они воспринимают и осевую, и радиальную нагрузки.

Ориентация ведущего и ведомого валов: Базовое преимущество зубчатого привода над другими (ременной, цепной) — возможность для непараллельных валов. Однако разные типы шестерен подходят для разных ориентаций. Прямые и косозубые цилиндрические преобладают для параллельных; конические — для пересекающихся; червячные — для перпендикулярных непересекающихся. Существует особый тип косозубой — скрещивающаяся косозубая, для передачи между перпендикулярными валами. Похоже на червячную; но скрещивающаяся косозубая не дает высокого снижения скорости. Обычно 1:1 – 1:2 (против 1:15 – 1:100 у червячной). Применение ограничено множеством ограничений.

Сценарий контакта между зацепляющимися зубами: Прямые цилиндрические имеют прямые зубы, параллельные оси. Две зацепляющиеся также на параллельных валах. Зубы вступают во внезапный контакт, контакт всегда линия длины, равной ширине грани зуба. Наоборот, косозубые имеют спиралевидные зубы на параллельных валах. Зубы контактируют постепенно. Зацепление начинается с точки, становится линией, затем постепенно расцепляется как точка. Длина контакта не постоянна.

Ударная нагрузка, вибрация и шум: Поскольку зубы прямых цилиндрических вступают во внезапный контакт, они испытывают ударную/шоковую нагрузку. Это вызывает значительную вибрацию и шум, иногда ограничивающий максимально допустимую скорость. Наоборот, постепенный контакт дает постепенную нагрузку, меньшую вибрацию и шум. Косозубые можно применять на более высоких скоростях без проблем.

Вырезывание зубьев шестерни: Вырезание прямых зубьев проще, чем спиралевидных. Фрезерование или гоббинг используются для обоих. При фрезеровании для прямых нужно два одновременных движения; для косозубых — три одновременных.

Научное сравнение прямой и косозубой цилиндрической шестерни представлено в статье. Автор рекомендует обратиться к следующим источникам:

1. Design of Machine Elements by V. B. Bhandari (Fourth edition; McGraw Hill Education).
2. Machine Design by R. L. Norton (Fifth edition; Pearson Education).
3. A Textbook of Machine Design by R. S. Khurmi and J. K. Gupta (S. Chand; 2014).