Комплексное руководство по цилиндрическим зубчатым передачам:определения, типы, профили, расчеты и применение.

Прямозубая передача — наиболее распространенный тип механической передачи простой конструкции. Каков профиль прямозубой шестерни и как она работает? Здесь давайте узнаем об определении прямозубой шестерни, функциях, применении, производстве, типах, профиле зуба, модуле, терминологии, формулах расчета, таблице размеров и прямозубой шестерне в сравнении с косозубой шестерней.

Что такое прямозубая передача?

Прямозубая шестерня представляет собой классический тип зубчатого колеса, состоящего из цилиндра или диска с прямыми, радиально выступающими зубьями, параллельными центральной оси вращения. Зубья прямозубой шестерни могут располагаться снаружи или внутри цилиндра. Внешняя шестерня может сцепляться с другой внешней шестерней или внутренней шестерней. Внутренняя шестерня может сцепляться только с одной внешней шестерней. Прямозубые шестерни получили широкое признание благодаря своей несложной форме и простоте изготовления. Они могут незначительно отличаться по форме и толщине ступицы, но эти различия не влияют на основную поверхность или конструкцию зубьев шестерни.

Наиболее примечательной особенностью прямозубой шестерни являются ее прямые зубья, которые плавно зацепляются с зубьями другой прямозубой шестерни. Такая конструкция обеспечивает эффективную и надежную передачу мощности между параллельными валами. Поскольку цилиндрические шестерни работают только с параллельными валами, они не создают осевого усилия во время работы. Профили зубьев обычно имеют эвольвентную форму, что помогает поддерживать постоянное передаточное число при вращении шестерен. Прямозубые шестерни обычно изготавливаются из таких материалов, как сталь, латунь, бронза или пластик, и их можно закаливать для повышения прочности и долговечности.

Что делает прямозубая шестерня?
Функционально цилиндрические шестерни передают механическое движение и мощность между двумя параллельными валами. Зацепляя прямые зубья одной шестерни с другой (с тем же шагом и углом давления), прямозубые шестерни эффективно передают вращательное движение, контролируя скорость, крутящий момент и мощность внутри системы. В зависимости от размера и расположения прямозубые шестерни могут увеличивать или уменьшать скорость вращения и соответствующим образом регулировать крутящий момент.

Применение и использование прямозубых передач
Цилиндрические шестерни широко используются в различных отраслях промышленности, включая автомобилестроение, промышленное машиностроение и производство потребительских товаров, благодаря своей простоте, экономичности и надежности. Например, в трансмиссиях транспортных средств прямозубые шестерни помогают передавать мощность от двигателя к колесам, обеспечивая движение. Равномерное распределение нагрузки на зубья обеспечивает плавную работу и длительный срок службы. Кроме того, цилиндрические шестерни могут быть изготовлены по индивидуальному заказу с различными профилями и размерами зубьев в соответствии с конкретными потребностями применения.

Процесс производства и материалы прямозубых зубчатых колес

• Червячная обработка:это наиболее распространенный метод нарезания зубьев внешних прямозубых шестерен. Вращающаяся цилиндрическая фреза, называемая червячной фрезой, постепенно режет зубья шестерни, поскольку заготовка шестерни и червячная фреза вращаются синхронно. Зубофрезерная обработка эффективно создает точные профили зубьев.
• Обработка:при формировании зубчатых колес используется возвратно-поступательная фреза в форме шестерни, которая нарезает зубья в заготовке. Это особенно полезно для внутренних шестерен или шестерен со специальным профилем.
• Строгание:при строгании используется зубчатая фреза, которая движется линейно против вращающейся заготовки шестерни, чтобы нарезать зубья. Он менее распространен, но используется для шестерен определенных размеров и форм.
• Протяжка:этот метод в основном используется для нарезания внутренних зубьев шестерен. Протяжной инструмент с постепенно увеличивающимися зубьями протягивается или проталкивается через заготовку шестерни, создавая точные внутренние профили с гладкой поверхностью.
• Фрезерование:фрезерование удаляет излишки материала с заготовки шестерни для ее подготовки или нарезания зубьев шестерни при мелкосерийном или индивидуальном производстве. Фрезерные станки с ЧПУ используют вращающиеся фрезы для придания формы шестерне.
• Сверление. Сверление используется для создания центральных или монтажных отверстий в заготовке шестерни.
• Удаление заусенцев:после резки заусенцы с зубьев шестерни удаляются механическим или ручным способом, чтобы обеспечить плавность работы и уменьшить износ.

Что касается материалов, то для производства шестерен чаще всего используется углеродистая сталь. потому что он предлагает превосходный баланс обрабатываемости, износостойкости, прочности и экономической эффективности. Углеродистая сталь доступна в таких марках, как мягкая, средне- и высокоуглеродистая сталь, каждая из которых подходит для различных требований к прочности и твердости. В зависимости от применения для изготовления прямозубых шестерен также могут использоваться другие материалы, такие как легированные стали, латунь, бронза или пластик.

Различные типы прямозубых шестерен

Основными категориями прямозубых передач являются внешние и внутренние. Существуют также другие типы прямозубых передач для конкретных целей, такие как антилюфтовые, штифтовые, реечные, штифтовые, разъемные и т. д.

<сильный>1. Внешняя цилиндрическая шестерня
Внешняя цилиндрическая шестерня — наиболее распространенный и простой тип, с прямыми зубьями, нарезанными на внешней поверхности цилиндрической шестерни. Эти шестерни входят в зацепление с другими внешними прямозубыми шестернями для передачи вращательного движения между параллельными валами, при этом шестерни вращаются в противоположных направлениях. Их простая конструкция делает их высокоэффективными и простыми в производстве, поэтому их можно найти в бесчисленных коробках передач, двигателях, таймерах и редукторах во многих отраслях.

<сильный>2. Внутренняя цилиндрическая шестерня
Зубья внутренних цилиндрических шестерен нарезаны на внутренней поверхности цилиндрического кольца. Эти шестерни входят в зацепление с меньшими внешними шестернями, заставляя обе шестерни вращаться в одном направлении. Такая конфигурация часто используется в компактных планетарных системах передач и специализированных приводах, где пространство ограничено. Внутренние цилиндрические шестерни обеспечивают плавную передачу крутящего момента и часто используются в компактных редукторах и устройствах синхронизации.

<сильный>3. Зубчатая передача с защитой от люфта
Прямозубые шестерни с защитой от люфта предназначены для минимизации люфта или люфта между зубьями шестерен, которые сцепляются друг с другом. Люфт обычно необходим для того, чтобы учесть отклонение зуба, тепловое расширение, допуск на ошибки профиля зуба и правильную смазку. Однако в приложениях, требующих высокой точности, важен минимальный или нулевой люфт. Производители зубчатых передач разработали шестерни с защитой от люфта, отвечающие этим требованиям, регулируя величину люфта в соответствии с требованиями нагрузки. В случае прямозубых шестерен регулируемый зазор достигается путем наложения и небольшого смещения двух одинаковых шестерен для контроля толщины зуба. Эти шестерни широко используются и представляют собой экономичный способ уменьшить неточности в зубчатых передачах с низким крутящим моментом.

Прямозубые зубчатые колеса с защитой от люфта обычно состоят из двух прямозубых зубчатых колес, установленных рядом на оси и соединенных пружинами. Пружины притягивают шестерни друг к другу, создавая эффект «защемления» сопряженной шестерни. Это сжимающее движение компенсирует люфт, значительно уменьшая его при установке. Точность конструкции зубчатых колес с защитой от люфта делает их подходящими для таких отраслей, как аэрокосмическая промышленность, робототехника и высокоточное машиностроение. Например, в высокоточных телескопах используются шестерни с защитой от люфта, чтобы обеспечить точность за счет устранения люфта шестерни, который может исказить позиционирование.

4. Реечная шестерня с цилиндрической шестерней
Реечные системы сочетают в себе цилиндрическую прямозубую шестерню (шестерню) с линейной зубчатой рейкой для преобразования вращательного движения в линейное движение или наоборот. Эта установка очень полезна в системах рулевого управления, станках с ЧПУ и механических приводах, обеспечивая точное линейное позиционирование и повышенную эффективность передачи мощности. Реечные приводы используются в автомобильном рулевом управлении, робототехнике, лифтах и промышленной автоматизации.

Профиль зуба цилиндрической шестерни и формула расчета терминологии

Профиль или форму прямозубых шестерен определяют многочисленные параметры, включая шаг (модуль/диаметральный шаг), угол давления, количество зубьев и многое другое. Если смотреть сбоку, грани зубьев прямые и параллельны оси. Что касается типов профилей зубьев прямозубых шестерен, то они бывают эвольвентными и циклоидальными.

• Цезарные передачи эвольвентного профиля являются наиболее распространенными и широко применяются в современной промышленности. Угол давления остается прежним при работе передачи. Он предпочтителен, поскольку его форма обеспечивает плавную и последовательную передачу движения между шестернями, даже если межосевое расстояние между шестернями незначительно меняется. Эвольвентная кривая создается путем разматывания натянутой струны из круга, и такая форма помогает поддерживать постоянный угол давления во время вращения шестерни. Эвольвентную передачу также проще изготовить, чем циклоидальную. 

• Цубчатая шестерня с циклоидальным профилем представляет собой более старую конструкцию, часто встречающуюся в старом или специализированном оборудовании. Угол его давления всегда меняется во время работы. Циклоидальная форма зуба основана на пути, очерченном точкой на окружности катящегося круга, который отличается от эвольвентной кривой. Хотя циклоидальные шестерни могут быть эффективными, они более чувствительны к небольшим изменениям межосевого расстояния между шестернями, и их производство, как правило, более сложное.

Схема профиля зуба прямозубой шестерни

Терминология передач Значение Формула расчета Объяснение Количество зубьев (Н)Общее количество зубьев на шестернеN =P × DN:количество зубьев
P:Диаметральный шаг
D:Делительный диаметрДелочный диаметр (D)Диаметр делительной окружности, в которой зацепляются зубьяD =N / DPD:Делительный диаметр
N:Количество зубьев
DP:Диаметральный шагДиаметральный шаг (DP)Количество зубьев на единицу делительного диаметраDP =N / DDP:Диаметральный шаг
N:Количество зубьев
D:Делительный диаметр Угол давления (α) Угол между торцом зуба и касательной к делительной окружности Обычно 20° (обычное значение) α:Угол давления Модуль (м) Параметр размера метрической шестерни определяет размер зубаm =D / Нм:Модуль
D:Диаметр шага (мм)
N:Число зубьев. Справочный диаметр (d) Диаметр, используемый в расчетах конструкции шестерни. Относительно модуля, межосевого расстояния, угла давления:Справочный диаметр. Ширина торца / Высота зуба (h) Ширина зуба шестерни вдоль оси вращенияh =ha + hfh:Ширина торца / высота зуба.
ха:Приложение
hf:DedendumAddendum (га)Высота зубца над делительной окружностьюha =mha:Приложение
м:Модуль Дедендум (hf) Глубина зуба под делительной окружностью hf =1,25 × mhf:Дедендум
м:Расстояние между центрами модулей (C) Расстояние между центрами двух зацепляющихся шестерен C =(N₁ + N₂) / (2 × DP) C:Расстояние между центрами
N₁:Зубья на ведущей шестерне
N₂:Зубья на ведомой шестерне
DP:Диаметральный шагКоличество зубьев на ведущей шестерне (N₁)Количество зубьев на ведущей шестерне (входная шестерня)Используется при расчете передаточного числа и межосевого расстоянияN₁:Количество зубьев на ведущей шестернеКоличество зубьев на сопряженной шестерне (N₂)Количество зубьев на сопряженной (ведомой) шестернеN₂ =(N₁ × R) / S₂N₂:Зубья на сопряженной шестерне
N₁:Зубья на ведущей шестерне
R:передаточное число
S₂:Требуемая выходная скорость Передаточное число (mG)Отношение зубьев ведомой шестерни к зубьям ведущей шестерниmG =N₂ / N₁mG:Передаточное число
N₂:Зубья на ведомой шестерне
N₁:Зубья на ведущей шестерне Входная скорость (S₁) Скорость вращения ведущей шестерни (об/мин) S₁ =(S₂ / mG) × (N₂ / N₁)S₁:Входная скорость
S₂:Выходная скорость
мг:передаточное число
N₁, N₂:Зубья на ведущей и ведомой шестернях. Требуемая выходная скорость (S₂). Требуемая скорость вращения ведомой шестерни (об/мин). S₂ =(S₁ × mG) / 60S₂:Выходная скорость.
S₁:Скорость ввода
мг:передаточное число
60:Коэффициент преобразования времени (секунды в минуты) Наружный диаметр (DO) Общий диаметр шестерни, включая полную высоту зуба DO =(N + 2) / DPDO:Наружный диаметр
N:Количество зубьев
DP:Диаметральный шаг Прочность зуба (S) Способность зуба выдерживать без разрушения приложенные силы S =(Y × K × Wt) / FOSS:Прочность зуба
Y:форм-фактор Льюиса (в зависимости от формы зуба)
K:Фактор геометрии
Wt:Тангенциальная сила на зубе
FOS:Фактор безопасности

Размеры и модули прямозубых шестерен

По сути, модуль измеряет размер каждого зуба шестерни относительно делительного диаметра. Модуль напрямую указывает размер и толщину зубьев шестерни. Больший модуль означает большие зубья и большую общую шестерню, а меньший модуль означает меньшие зубья и более компактную шестерню. Для правильного зацепления две шестерни должны иметь один и тот же модуль. Если шестерни имеют разные модули, их зубья не будут правильно прилегать друг к другу, что приведет к механическому повреждению. Стандартные модули могут обеспечить правильное зацепление шестерен без помех и позволяют производителям по всему миру производить совместимые шестерни.

Модуль цилиндрической шестерни (обозначается как m) рассчитывается путем деления диаметра делительной окружности (d) шестерни на количество зубьев (z). Делительная окружность — это воображаемая окружность, проходящая через зубья шестерни, где шестерни эффективно зацепляются. Например, прямозубая шестерня с делительным диаметром 100 мм и 20 зубьями будет иметь модуль 5 (100/20 =5 мм). Это означает, что каждый зуб соответствует сегменту делительной окружности диаметром 5 мм.

Таблица размеров прямозубых шестерен

Реальные размеры шестерни необходимо рассчитать проектировщику исходя из стандартных параметров профиля зубьев, выбранного модуля и количества зубьев. Ниже приведены две таблицы размеров прямозубых шестерен для справки при реальном производстве.

Таблица размеров прямозубого зубчатого колеса мода 1.0

Буквы «A» и «B» в кат.№. указывает тип шестерни, шестерня типа A с 1 модификацией имеет ширину 25 мм, а ширина шестерни типа B с 1 модификацией составляет 15 мм.

Кот. Нет. Нет. Зубы Диаметр шага. дп Мин.диаметр Макс. Скучно Хаб ⌀ C За пределами диаметра. Д Вес, кг S1012B1212669140.012S1013B13136710150.016S1014B14146711160.020S1015B15156812170.025S1016B16166813180 .030S1017B17177914190.033S1018B181881015200.038S1019B191981015210.045S1020B202081116220.055S1021B212 181116230.058S1022B222281218240.060S1023B232381218250.065S1024B242481320260.070S1025B252581320270.07 5S1026B262681320280.085S1027B272781320290.090S1028B282881320300.095S1029B292981320310.100S1030B303081 320320.105S1031B3131101625330.110S1032B3232101625340.120S1033B3333101625350.130S1034B3434101625360.1 35С1035Б3535101625370.140С1036Б3636101625380.150С1037Б3737101625390.155С1038Б3838101625400.160С1039Б 3939101625410.170S1040B4040101625420.180S1041B4141102030430.190S1042B4242102030440.200S1043B43431020 30450.210S1044B4444102030460.220S1045B4545102030470.230S1046B4646102030480.240S1047B4747102030490.250

Таблица размеров цилиндрической шестерни мода 1.5

Шестерня типа А с мод. 1,5 имеет ширину 30 мм, а ширина шестерни типа В с мод. 1,5 — 17 мм.

Кот. Нет. Нет. Зубы Диаметр шага. дп Мин.диаметр Макс. Скучно Хаб ⌀ C За пределами диаметра. Д Вес, кг С1512Б1218.0891421.00.03С1513Б1319.5891422.50.04С1514Б1421.08121824.00.06С1515Б1522.58121825.50.07С1516Б1624.0813202 7.00.08С1517Б1725.58132028.50.09С1518Б1827.08132030.00.10С 1519Б1928.58202531.50.11С1520Б2030.08162533.00.13С1521Б2131 .510162534.50.14S1522B2233.010162536.00.15S1523B2334.51016 2537.50.17С1524Б2436.010162539.00.18С1525Б2537.510162540.50 .19S1526B2639.012203042.00.20S1527B2740.512203043.50.21S15 28Б2842.012203045.00.22С1529Б2943.512203046.50.23С1530Б3045 .012203048.00.25S1531B3146.512243549.50.27S1532B3248.01224 3551.00.28С1533Б3349.512243552.50.30С1534Б3451.012243554.00 .32S1535B3552.512243555.50.34S1536B3654.012243557.00.36S15 37Б3755.512274058.50.38С1538Б3857.012274060.00.40С1539Б3958 .512274061.50.42S1540B4060.012274063.00.45S1541B4161.51434 5064.50.52С1542Б4263.014345066.00.55С1543Б4364.514345067.50 .57S1544B4466.014345069.00.60S1545B4567.514345070.50.62S15 46Б4669.014345072.00.65С1547Б4770.514345073.50.68С1548Б4872 .014345075.00.70S1549B4973.514345076.50.72S1550B5075.01434 5078.00.75С1551Б5176.515406079.50.86С1552Б5278.015406081.00 .87S1553B5379.515406082.50.89S1554B5481.015406084.00.91S15 55Б5582.515406085.50.93С1556Б5684.015406087.00.95С1557Б5785 .515406088.50.97S1558B5887.015406090.01.00S1559B5988.51540 6091.51.05С1560Б6090.015406093.01.10С1561Б6191.520467094.51 .20S1562B6293.020467096.01.23S1563B6394.520467097.51.25S15 64Б6496.020467099.01.27С1565Б6597.5204670100.51.30С1566Б669 9.0204670102.01.35С1567Б67100.5204670103.51.38С1568Б68102. 0204670105.01.42С1569Б69103.5204670106.51.45С1570Б70105.020 4670108.01.48С1572А72108.02065–111.01.18С1575А75112.52068– 115.51.28С1576А76114.02068–117.01.32С1580А80120.02072–123,0 1.45С1585А85127.52080–130.51.60С1590А90135.02085–138.01.85 С1595А95142.52090–145.52.04С15100А100150.02095–153.02.30С15 110А110165.020105–168.02.81С15114А114171.020107–174.03.30С 15120А120180.020115–183.03.39С15127А127190.520120–193.53.78

Цепчатая и косозубая передача:в чем разница?

В промышленности обычно используются как прямозубые, так и косозубые шестерни. Каковы фактические различия между ними?

1. Дизайн зуба
   Прямозубые шестерни имеют прямые зубья, параллельные оси вращения, поэтому при зацеплении двух шестерен все зубья входят в зацепление одновременно по одной линии. Напротив, косозубые шестерни имеют зубья, срезанные под углом, образующие спиральную форму вокруг шестерни. Такая наклонная конструкция зубьев позволяет зубам постепенно входить в зацепление от одного конца к другому.
2. Шаблон контакта
   Способ контакта зубьев существенно различается между двумя типами шестерен. Прямозубые шестерни имеют линейный контакт, при котором одновременно зацепляется одна пара зубьев, вызывая внезапные ударные силы и более высокую нагрузку на зубья. Однако косозубые шестерни поддерживают контакт нескольких зубьев одновременно из-за наклона зубьев.
3. Осевое усилие
   Поскольку зубья прямозубой шестерни прямые и зацепляются в одной плоскости, они не создают осевого усилия (силы вдоль оси вала). Косозубые шестерни создают осевую силу, когда зубья скользят друг относительно друга во время вращения. Это осевое усилие требует дополнительной поддержки вала, например, упорных подшипников, чтобы предотвратить нежелательное движение вала и обеспечить плавную работу.
4. Шум и вибрация
   Прямозубые шестерни имеют тенденцию создавать больше шума и вибрации. Косозубые шестерни работают гораздо тише и плавнее. Это делает косозубые передачи предпочтительными в тех случаях, когда важно снижение шума, например в автомобильных трансмиссиях.
5. Несущая нагрузка
   Косозубые шестерни обычно имеют более высокую несущую способность, чем прямозубые. Наклонные зубья косозубых шестерен создают большую площадь контакта поверхности между сопрягаемыми шестернями, что распределяет нагрузку на несколько зубьев. Это приводит к меньшему износу и увеличению срока службы шестерен. Прямозубые шестерни несут нагрузку на меньшее количество зубьев, что может привести к более высокому износу при больших нагрузках.
6. Скорость
   Косозубые шестерни могут выдерживать более высокий крутящий момент и поддерживать более тихую работу при более высоких скоростях вращения. Цилиндрические шестерни, хотя и способны работать с высоким КПД на умеренных скоростях, испытывают повышенный шум, вибрацию и износ при работе на высоких скоростях.
7. Сложность и стоимость производства
   Цилиндрические шестерни проще по конструкции и проще в изготовлении. Это означает снижение производственных затрат и упрощение обслуживания. Косозубые шестерни требуют более сложных производственных процессов, включающих точные угловые разрезы и трехмерное движение, что увеличивает их стоимость.
8. Применение и ориентация вала
   Цилиндрические шестерни в основном используются для передачи движения между параллельными валами в более простых и низкоскоростных устройствах, таких как часы, стиральные машины и конвейеры. Косозубые шестерни также можно использовать для параллельных валов, но они также позволяют осуществлять передачу между скрещенными или непараллельными валами. Эта универсальность делает косозубые передачи пригодными для автомобильных трансмиссий, аэрокосмической промышленности, электростанций и морских силовых установок.
9. Коэффициент контакта
   Коэффициент контакта — это мера количества зубьев, соприкасающихся во время зацепления шестерен. Прямозубые шестерни обычно имеют передаточное отношение от 1,2 до 1,6, что означает, что обычно одновременно полностью зацепляется только один зуб. Косозубые шестерни имеют более высокий коэффициент контакта, часто превышающий 2. Этот более высокий коэффициент контакта способствует более плавной передаче мощности и меньшей вибрации.
10. Эффективность
    Цилиндрические шестерни обеспечивают очень высокий КПД, особенно в более простых, среднескоростных применениях, где ключевым моментом является минимизация трения и осевых сил, часто достигая КПД 98-99%. Косозубые шестерни немного менее эффективны из-за скольжения и осевого усилия, обычно варьирующегося от 95% до 98%, но имеют другие преимущества, которые могут оправдать их небольшое снижение эффективности.


Руководство по размерам болтов и винтов с внутренним шестигранником:размеры в мм и дюймах Сравнение нитей ABS, PLA, PETG, TPU, ASA, PBT и нейлона:объяснение ключевых различий