Косозубые цилиндрические передачи. Проектный расчет цилиндрической косозубой передачи двухступенчатого редуктора

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:

1. Число зубьев шестерни z₁ и колеса z₂
2. Делительный диаметр шестерни d₁ и колеса d₂
3. Диаметры начальных окружностей d_w1, d_w2
4. Размеры венцов шестерни b₁ и колеса b₂
5. Ширины зубчатых венцов B₁, B₂

Например, для косозубой цилиндрической передачи с параметрами:

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 K_д
• 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:

1. Поломка зубьев из-за усталости металла
2. Чрезмерный износ рабочих поверхностей зубьев
3. Нарушение герметичности корпуса, попадание абразива и ускоренный износ
4. 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:

1. Передаточное число u = n₁/n₂ = 8
2. Число зубьев шестерни z₁ = 17
3. 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:

1. Увеличение ширины венцов зубчатых колес
2. Оптимизация формы зуба (модификация профиля)
3. Установка упорных подшипников для восприятия осевых нагрузок
4. 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.