Шестерни

Шестерня – зубчатое колесо – основная деталь зубчатого соединения, с помощью которого происходит передача крутящего момента между двумя (несколькими) элементами. Учитывая то, что в большинстве случаев колеса имеют разный диаметр и отличаются числом зубцов, при этом происходит изменение передаточного числа.

В профессиональной среде принято из двух колес зубчатой передачи называть шестерней меньшее, хотя часто это название можно услышать и в общем обо всех зубчатых колесах.

Шестерня как элемент передачи

Зубчатая передача очень востребована и применяется повсеместно, механизм, использующий такой принцип работы, имеет название редуктор. Причем в его конструкции может быть как одна зубчатая передача, так и несколько.

Что касается терминологии, то колесо, с которого передается вращение, называется ведущим, а на которое – ведомым.

Если шестерня:

Ведущая с ведомым зубчатым колесом, то есть отношение передачи больше единицы, такой редуктор называется понижающим. Это название отображает, что угловая скорость вращения уменьшается. Поскольку механическая мощность в данной системе в идеале (без учета трения и других реальных помех) остается неизменной, то на ведомом валу в такой ситуации момент силы увеличивается.
Ведомая, редуктор называется повышающим. Значение угловой скорости ведомого вала больше, чем ведущего, а момент силы становится меньше.

В ситуации, когда колеса одинаковы, величина момента не изменяется.

Особенности зубчатых передач

Эти системы подразделяются на:

Цилиндрические – для валов, оси которых либо параллельны, либо скрещиваются. Это наиболее часто используемое соединение, в котором работают прямозубые, косозубые, шевронные шестерни. По характеру зацепления бывают внутренние и внешние.
Конические – для перпендикулярно расположенных валов. По форме линий зубьев они могут классифицироваться как прямые, тангенциальные, круговые и криволинейные.
Червячные – зацепление червяка (винта со специальной резьбой) и шестерни. Позволяет добиться существенного повышения момента и снижения угловой скорости. Отличается низким уровнем шума, плавностью работы, высокой кинематической точностью.
Реечные – рейка воспринимается как колесо с бесконечным диаметром. Реечная передача – кремальера – преобразует вращение колеса в поступательное движение планки (рейки). Наиболее часто используется в рулевом управлении переднеприводных автомобилей.

Зубчатые передачи имеют много достоинств, среди которых стоит отметить такие, как:

Надежность работы.
Малые габариты.
Отсутствие проскальзывания, что обеспечивает постоянное значение передаточного отношения.
Большой диапазон значений передаточных чисел, вращающих моментов и скоростей.

Сегодня эти механизмы широко востребованы и используются в различных отраслях промышленности: от машино- и станкостроения до космической отрасли.

Конструкция и характеристики

Данная деталь представляет собой диск цилиндрической или конической формы с зубьями, которые в процессе работы входят в зацепление с аналогичной конструкцией. Этот механизм используется для:

Передачи вращения с вала на вал при взаимном параллельном, перпендикулярном или скрещенном состоянии.
Преобразования вращения в возвратно-поступательное движение.

Конструктивно эта деталь имеет зубья определенной формы. Наиболее часто встречается эвольвентная конфигурация (у цилиндрических шестерен) – она обеспечивает наилучший кпд системы при относительной простоте изготовления. Кроме того, существуют круговые зубья (на одних колесах выпуклые, на парных к ним – вогнутые) и циклоидальные.

К их значимым параметрам относятся:

Число зубьев.
Диаметр делительной окружности.
Модуль зацепления.

Последний принимается за основу при расчете параметров схемы передачи.

Особенности проектирования шестерней и зубчатых передач

При разработке зубчатых передач и используемых в этих механизмах деталей учитываются специфические особенности, отдельные из них заслуживают особого внимания.

Существует требование к минимальному числу зубцов на шестерне. С одной стороны, оно обосновано необходимостью плавной работы без рывков, которая бы способствовала минимальному износу. С другой стороны, применение метода обкатки в производстве зубчатых колес для моделей, число зубьев в которых меньше 17, происходит такое неприятное событие, как подрезание, которое ослабляет зуб. Так что если деталь требуется с меньшим количеством зубьев, придется выбирать другой метод ее изготовления. Однако и в этом случае придется рассматривать вопрос о том, какое минимальное их количество возможно, чтобы избежать уменьшения впадин на шестерне, что может привести к заклиниванию.

Изготовление шестерен

При изготовлении шестерен на заказ или из стандартного перечня в любом случае должны соблюдаться требования высокой точности. Отступление от них приводит к некачественной работе, поломке и, в конечном счете, невозможности эксплуатации целого узла или механизма.

Для изготовления шестерен разного типа используется различное оборудование и технологии. К примеру, цилиндрические, к которым предъявляются высокие требования, требуют применения зубофрезерных и зубодолбежных станков (фрезерованием и долблением реализуется метод обкатки, отличающийся высокой точностью и чистотой). При этом на каждом этапе работы проводится строгий контроль параметров.

Метод копирования – менее точный, здесь используется фасонный режущий инструмент с профилем режущих кромок, соответствующим профилю впадины зубчатого колеса. Из инструментария в основном используются дисковые и пальцевые фрезы, фасонные резцы.

В конце процесса производится цементация и шлифование готовых деталей.

При определении необходимых материалов учитывают условия работы передачи и ее назначение. В качестве материалов в большинстве случаев используются легированные или углеродистые стали, чугун, бронза, железо, что обеспечивает изделиям отличные эксплуатационные свойства, прочность, износоустойчивость.

В большинстве своем, неспециалисты называют шестернями любые зубчатые колеса, независимо от их назначения и формы. Для профессионалов, в паре соединенных зубчатых колес, шестерней всегда называется меньшее из них, большее так и называется – колесо.

Шестерни различают по форме и материалу. Как понятно из определения шестерня всегда работает в паре с колесом или, что реже, с комплекте с двумя и более колесами/шестернями.

Обычно зубчатое соединение применяется для передачи крутящего момента с изменением передаточного числа, то есть при разном диаметре колес и разном количестве зубцов на них, на один оборот колеса приходится несколько оборотов шестерни.

В идеальном механизме количество оборотов шестерен изменяется пропорционально количеству их зубцов, при этом сохраняется механическая мощность, что в свою очередь приводит к простому итогу – быстрее вращающееся колесо обладает меньшим вращающим моментом и наоборот. В реальных конструкциях данный принцип работает с учетом потерь энергии – трения, нагрева, общего несовершенства механизмов.

Передаточное число ограничено рядом требований к прочности колес, уровню шума, эффективности механизма и т.д. Поэтому, на шестерне обычно не бывает менее 12 зубцов – с меньшим количеством, передача между валами будет происходить рывками, с износом зубцов.

Кроме прямого контакта между шестерней и колесом, бывают так же цепные передачи, когда передача вращающего момента между двумя несоприкасающимися колесами происходит посредством специальной цепи. В этом случае зубчатые колеса называют звездочками.

Шестерня может быть изготовлена почти из любого условно прочного материала, от дерева до титана или алмаза. На практике, в промышленных масштабах для этого используются металлы (чугун, сталь, латунь и множество сплавов) и полимеры.

Зубцы шестерни наиболее подвержены разнообразным нагрузкам. В ходе эксплуатации, на них влияет вибрация, удары, высокие температуры, агрессивные среды и т.д. Чтобы компенсировать эти воздействия зубцы могут быть покрыты различными материалами, обработаны современными методами температурного или термохимического воздействия.

Эффективность и срок работы механизма в первую очередь зависит от качества зубцов, поэтому на поверхности шестерни их получают множеством методов: обкаткой, холодным или горячим накатыванием, штамповкой, копированием.