Косозубые цилиндрические передачи широко используются в современном машиностроении. Они обеспечивают плавность работы, высокую нагрузочную способность и надежность. В этой статье мы подробно разберем особенности проектирования и расчета косозубых цилиндрических передач на примере двухступенчатого редуктора.
Области применения косозубых цилиндрических передач
Косозубые цилиндрические передачи применяются в различных отраслях промышленности и машиностроения. Основные области их использования:
- Автомобилестроение - коробки передач, раздаточные коробки, редукторы
- Судостроение и авиастроение - трансмиссии, редукторы
- Железнодорожный транспорт - редукторы и передачи тягового привода
- Тяжелое машиностроение - металлорежущие станки, прокатные станы, подъемно-транспортные механизмы
- Нефтегазовая отрасль - буровые установки, насосы
Косозубые цилиндрические передачи используются повсеместно благодаря ряду существенных преимуществ по сравнению с другими типами зубчатых передач.
Преимущества и недостатки косозубых передач
Основные преимущества косозубых цилиндрических передач:
- Высокая плавность работы и низкий уровень шума
- Способность передавать большие мощности и вращающие моменты
- Лучшее распределение нагрузки между зубьями за счет большего числа одновременно работающих пар зубчатого зацепления
- Меньшие габариты при одинаковой нагрузочной способности
- Более высокий КПД благодаря рациональной геометрии зубчатого зацепления
К недостаткам косозубых цилиндрических передач можно отнести:
- Более высокая стоимость изготовления
- Повышенные требования к точности изготовления и монтажа
- Ограничения по максимальной скорости передачи движения
Геометрический расчет косозубой цилиндрической передачи
Геометрический расчет косозубой цилиндрической передачи заключается в определении основных размеров зубчатых колес исходя из заданных параметров передаточного числа, мощности и частоты вращения.
Исходные данные для расчета:
- Передаточное число u
- Передаваемая мощность P, кВт
- Частота вращения быстроходного вала n1, об/мин
- Модуль зацепления m, мм
- Допускаемое давление p, МПа
По этим данным определяют:
- Число зубьев шестерни z1 и колеса z2
- Делительный диаметр шестерни d1 и колеса d2
- Диаметры начальных окружностей dw1, dw2
- Размеры венцов шестерни b1 и колеса b2
- Ширины зубчатых венцов B1, B2
Например, для косозубой цилиндрической передачи с параметрами:
Модуль m | 4 мм |
Передаточное число u | 4 |
Мощность P | 22 кВт |
Частота вращения n1 | 1440 об/мин |
Допускаемое давление p | 20 МПа |
расчет начинаем с определения передаточного отношения:
u = z2/z1
Приближенно принимаем числа зубьев z1 = 17 и z2 = 68.
Силы, действующие в зацеплении косозубой цилиндрической передачи
На входящие в зацепление зубья косозубых колес действуют радиальная сила Q и окружная сила F. Эти силы возникают из-за наличия трения скольжения между рабочими поверхностями зубьев.
Радиальная сила Q стремит развести оси валов, на которых установлены косозубые колеса. Окружная сила F создает дополнительный момент, благодаря которому часть нагрузки передается трением от одного колеса к другому.
Для анализа напряженного состояния в зацеплении используются следующие параметры:
- Коэффициент неравномерности нагрузки λ
- Коэффициент динамичности Kд
- Крутящий момент T
- Силы в зацеплении F и Q
Эти параметры необходимы для последующего прочностного расчета зубчатых колес косозубой цилиндрической передачи.
Критерии работоспособности и виды отказов косозубых цилиндрических передач
Основными критериями работоспособности косозубой цилиндрической передачи являются:
- Прочность зубьев при изгибе и контактная выносливость
- Износостойкость рабочих поверхностей зубьев
- Термоустойчивость и виброустойчивость
- Герметичность корпуса редуктора или коробки передач
Основными причинами выхода из строя косозубых цилиндрических передач являются:
- Поломка зубьев из-за усталости металла
- Чрезмерный износ рабочих поверхностей зубьев
- Нарушение герметичности корпуса, попадание абразива и ускоренный износ
- Деформация валов, нарушение балансировки и возникновение вибраций
Для предотвращения преждевременных отказов необходим правильный расчет и подбор материалов косозубых колес, а также регулярное техническое обслуживание передач.
Материалы для изготовления косозубых цилиндрических колес
Для изготовления косозубых цилиндрических колес применяют следующие материалы:
- Конструкционные и легированные стали - наиболее распространенный материал благодаря оптимальному сочетанию механических свойств, технологичности и стоимости
- Высокопрочные стали - применяются в высоконагруженных узлах для повышения ресурса
- Цветные металлы и сплавы - используются реже из-за повышенной стоимости, обладают хорошими антифрикционными свойствами
Пример расчета цилиндрической косозубой передачи двухступенчатого редуктора
Рассмотрим пример проектного расчета первой ступени цилиндрической косозубой передачи для двухступенчатого цилиндрического редуктора.
Исходные данные:
- Мощность двигателя Р = 15 кВт
- Входная частота вращения n1 = 2880 об/мин
- Требуемая выходная частота вращения n2 = 360 об/мин
- Напряжение изгиба [sigma] = 200 МПа
По формулам определяем параметры зубчатой передачи:
- Передаточное число u = n1/n2 = 8
- Число зубьев шестерни z1 = 17
- Число зубьев колеса z2 = 136
Далее по стандартным методикам выполняется проверочный расчет на контактную выносливость и изгибную прочность зубьев шестерни и колеса.
Особенности технологии изготовления косозубых цилиндрических колес
При изготовлении косозубых цилиндрических колес применяют те же методы, что и для прямозубых колес: фрезерование, долбление, шлифование зубьев. Однако есть ряд особенностей:
- Фрезерование или долбление зубьев выполняют под углом согласно заданному углу наклона β
- Требуются специальные фрезы для обработки косых зубьев
- Необходима повышенная точность базирования и закрепления заготовки для соблюдения требуемого угла наклона
Шлифованием дорабатывают профиль зуба, обеспечивая требуемую чистоту поверхности и точность зацепления с сопрягаемым колесом.
Рекомендации по эксплуатации редукторов с косозубыми цилиндрическими передачами
Для обеспечения надежной работы редукторов с косозубыми цилиндрическими передачами рекомендуется:
- Проводить регулярное ТО с заменой смазки в редукторе
- Контролировать температуру корпуса редуктора во избежание перегрева
- Проверять балансировку валов и отсутствие люфтов в подшипниках
- Периодически проверять backlash зацепления и при необходимости регулировать
Соблюдение этих рекомендаций позволит обеспечить максимальный срок службы редукторов с косозубыми цилиндрическими передачами.
Тенденции развития косозубых цилиндрических передач
Основные тенденции совершенствования конструкций косозубых цилиндрических передач:
- Повышение несущей способности и нагрузочной емкости зубчатого зацепления
- Применение новых конструкционных материалов с улучшенными физико-механическими характеристиками
- Создание гибридных косозубо-шевронных передач для объединения преимуществ этих типов
- Прогресс в технологиях изготовления для повышения точности и снижения стоимости
Эти инновации позволят расширить области использования косозубых цилиндрических передач и улучшить технико-экономические показатели механизмов, в которых они применяются.
Упрочняющие покрытия для повышения износостойкости косозубых колес
Для повышения срока службы косозубых цилиндрических передач применяют различные упрочняющие покрытия рабочих поверхностей зубьев:
- Нитридные, карбонитридные и боридные покрытия, получаемые в вакуумных печах
- Газотермические покрытия (наплавка проволоки)
- Гальванические покрытия (хромирование, никелирование)
- Плазменные и лазерные покрытия
Такие покрытия повышают твердость поверхности зубьев, износостойкость, контактную и усталостную прочность.
Конструктивные методы повышения нагрузочной способности косозубых передач
К основным конструктивным методам повышения нагрузочной способности косозубых цилиндрических передач относятся:
- Увеличение ширины венцов зубчатых колес
- Оптимизация формы зуба (модификация профиля)
- Установка упорных подшипников для восприятия осевых нагрузок
- Применение сдвоенных и строенных зубчатых колес
Эти меры позволяют при неизменных габаритах передачи увеличить передаваемые крутящий момент и мощность на 20-40%.
Особенности расчета косозубо-шевронных цилиндрических передач
Косозубо-шевронные цилиндрические передачи совмещают в себе преимущества двух типов зацеплений. Они обладают повышенной несущей способностью и надежностью.
При расчете таких гибридных передач учитывают:
- Эквивалентные параметры косозубого зацепления в нормальном сечении
- Особенности нагруженности шеврона по длине контактных линий
- Взаимное влияние косозубой и шевронной составляющих зацепления
Расчет ведется по специальным методикам с применением поправочных коэффициентов.