Косозубые vs шевронные (двойные косозубые) шестерни: ключевые различия и производительность

Машины требуют непрерывного источника мощности. Большинство промышленных машин приводятся механической мощностью в виде вращательного момента. Первичный двигатель генерирует механическую энергию, преобразуя другую форму; например, электродвигатель — электрическую в механическую. Механическая система передачи мощности передает мощность от первичных двигателей к нужным местам рабочего узла. Включает четыре привода; также использует другие механические элементы для бесперебойной передачи. Зубчатый, ременной, цепной, канатный — четыре механических привода, передающих движение, момент и мощность от ведущего вала к ведомому. У каждого свои особенности и преимущества.

Зубчатый привод — зацепление жесткое, подходящее для малой дистанции. Передает тяжелую мощность без скольжения (положительный привод). По относительной ориентации валов и профилю зубьев зубчатые приводы делятся на четыре группы: прямые цилиндрические, косозубые, конические, червячные. Прямая цилиндрическая — простейшая, прямые зубы параллельно оси, передает между параллельными валами. Косозубая также для параллельных валов, но зубы не параллельны оси — вырезаны в спиралевидной форме на заготовке с одинаковым углом спирали. Конические могут иметь прямые или спиралевидные зубы для пересекающихся валов; червячные — для перпендикулярных непересекающихся.

Хотя косозубые шестерни дают преимущества над прямыми, они создают осевую тяговую нагрузку на подшипник. Эта тяговая нагрузка вредна и ограничивает передаточную способность. Требует дорогих и громоздких подшипников для восприятия радиальной и осевой нагрузок. Однако тяговую нагрузку можно устранить, используя шевронные (двойные косозубые) шестерни. В шевронной шестерне зубы вырезаны в двух половинах заготовки с одинаковым модулем, числом зубьев и углом спирали, но противоположным направлением спирали. Тяговая сила каждой половины равна и противоположна, поэтому они компенсируют друг друга. Кроме того, можно передавать сравнимо более высокую мощность без проблем. Различия в таблице.

Таблица: Различия между косозубой и шевронной (двойной косозубой) шестерней

Профиль зубьев: Зубы косозубой вырезаны в виде спирали на делительном цилиндре. Конкретная косозубая состоит либо из лево-, либо правосторонних зубьев. При зацеплении левосторонняя может зацепиться только с правосторонней. Шевронная шестерня содержит оба направления спирали в одном блоке. У каждой шевронной две половины — одна с левосторонней, другая с правосторонней спиралью. Остальные параметры (делительный диаметр, модуль, число зубьев, угол спирали, ширина/толщина) одинаковы; отличается только направление спирали.

Тяговая сила: Косозубая дает преимущества над прямой: постепенная нагрузка на зубы, меньше вибрация, больше нагрузка, выше срок службы. Главный недостаток — тяговая нагрузка. У прямых цилиндрических зубы прямые и параллельны оси, пара создает только радиальную нагрузку. Из-за спиралевидной формы пара косозубых создает и радиальную, и осевую нагрузку. Нужен более прочный подшипник для одновременного восприятия обоих типов. Шевронная дает те же преимущества, что и косозубая, и устраняет тяговую силу. Тяговая сила каждой половины равна и противоположна (из-за противоположных спиралей), результирующая осевая сила становится нулевой. Пара зацепляющихся шевронных создает только радиальную силу (нет осевой тяги).

Угол спирали: Тяговая сила растет с углом спирали; но более высокий угол значительно снижает вибрацию и износ зубьев, увеличивает несущую способность. Тяговая сила ограничивает максимальный угол спирали для косозубой. Обычно держат 20–25°. Отсутствие тяговой силы в шевронной позволяет использовать более высокий угол, до 45°.

Подшипники для монтажа валов: Ведущий и ведомый валы монтируются на концах подходящими подшипниками. Помимо поддержки валов и точной позиции, подшипники гасят вибрацию и нагрузку, передавая их на раму. Обычно используются катящиеся контактные подшипники, если скорость не очень высока. Разные типы: некоторые для радиальной, некоторые для осевой, некоторые для обеих. Радиально-шарикоподшипники, угловые контактные, конические роликовые — воспринимают и радиальную, и тяговую нагрузку. Их используют для косозубых. Цилиндрические роликовые — для тяжелой радиальной нагрузки, подходят для шевронных.

Мощность передачи: Базовая функция любого механического привода — передать механическую мощность. Разные приводы дают разный уровень в зависимости от размера, материала и особенностей. Хотя передаточная способность косозубой выше, чем у аналогичной прямой, она обычно не используется для тяжелых применений. Тяговая нагрузка и доступность подшипников ограничивают тяжелые применения. Шевронные и двойные косозубые — предпочтительный выбор. Например, планетарные редукторы на шевронных шестернях (HPGT) наблюдаются в тяжелых машинах: угольные резаки, аэрокосмические двигатели, ветряки.

Изготовление шестерен: Вырезание косозубых зубьев на цилиндрической заготовке не сложно; проблема возникает, когда нет зазора в конце зубьев. Как и прямые, косозубые можно вырезать пиньонным формовочным резецом. Гоббинг тоже подходит. Но в шевронной нет зазора-рельефа между левой и правой половинами. Вырезание зубьев на стыке сложно — риск зайти на другую половину. Нужен специализированный гоббинговый резец с желобом, соответствующим шевронной. Требуются высокая локационная и угловая точность.

Научное сравнение косозубой и шевронной шестерни представлено в статье. Автор рекомендует обратиться к 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).