Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет: Технолого-экономический

Кафедра: Технологии и методики обучения

Выпускная квалификационная работа

Проект действующей модели зубчатой передачи

По дисциплине «Детали машин»

Специальность: Учитель технологии и предпринимательства

Алиев Али Гитиномагомедович

Научный руководитель

к.п.н., доцент Салахбеков А.П.

Махачкала 2010

Введение

Производство многих новых видов машин и оборудования постоянно растет. Непрерывное увеличение скоростей движения рабочих органов механизмов и машин с одновременным ростом единичной их мощности является одной из отличительных особенностей современного машиностроения.

Общественное производство выдвигает перед всей промышленностью (в том числе и перед машиностроением) ряд новых и весьма сложных проблем, особенно повышения точности, надежности и долговечности машин и приборов. Научно обоснованная организация машиностроения дает возможность обеспечить повышение производительности труда во всех отраслях народного хозяйства. В эпоху стремительно развивающейся научно-технической революции происходит тесное взаимодействие науки и производства. Всемерное использование науки становится необходимым условием прогресса в машиностроении. Это выражается в материализации научных достижений в технике, технологии и управлении. Например, создание и внедрение новых механизмов, машин, автоматов, промышленных роботов, манипуляторов и их комплексов обеспечивает непрерывное увеличение производительности труда, способствует ликвидации ручных и трудоемких процессов с одновременным повышением качества продукции и эффективности производства.

Повышение уровня производства происходит на базе улучшения комплексной механизации и автоматизации производственных процессов. Машины, используемые в одном технологическом потоке, должны быть автоматизированы настолько, чтобы труд людей, управляющих ими, сводился к операциям наблюдения и наладки. Каждая вновь выпускаемая машина должна быть более экономичной, производительной и надежной в эксплуатации, простой в уходе и дешевой в изготовлении. Современные машины должны быть также красиво и рационально оформлены.

Машиностроение является ведущей и наиболее крупной отраслью современной промышленности. Она имеет первостепенное значение для технического перевооружения всего народного хозяйства страны, является необходимым условием быстрого подъема экономики.

Детали машин изучает конкретные кинематические и динамические свойства механизмов, применяемые в современном машиностроении, методику разработки и создания оптимальных кинематических схем механизмов. В виду этого она является первой по порядку изучения дисциплиной из общего числа наук, объединяемых под общим названием машиноведение, и тесно связана с машиностроением.

Основу машиностроения составляют механические передачи. Механические передачи подразделяются на следующие виды:

· фрикционные передачи;

· ременные передачи;

· цепные передачи;

· зубчатые передачи;

· передача винт-гайка.

Среди механических передач самое большое распространения в машиностроении получила зубчатые передачи. Ввиду вышеизложенного весьма актуальной является разработка учебного модели зубчатой передачи для проведения лабораторно-практических исследований на занятий по дисциплине «Детали машин».

Основная проблема заключается в непродуманности системы по организации создания дидактических средств, применяемых в образовательном процессе. На решение этой проблемы направлена тема моей дипломной работы «Разработка проекта действующей модели зубчатой передачи по дисциплине Детали машин».

Объект исследования - анализ, содержание и процесс изучения зубчатой передачи по дисциплине «Детали машин».

Предмет исследования - учебный модель зубчатой передачи для проведения лабораторно-практических занятий по дисциплине Детали машин.

Цель исследования - разработка проекта действующей модели зубчатой передачи для проведения лабораторно-практического занятия по дисциплине Детали машин. Для реализации цели и проверки, выдвинутых нами предположений будут решены задачи:

- разработать проект модели для изучение и исследование зубчатой передачи;

- произвести расчет экономического эффекта от внедрения созданного учебного модели зубчатой передачи для проведения лабораторно-практических занятий по дисциплине Детали машин.

Теоретическое значение исследования состоит

- в разработке этапов, приемов и средств исследование зубчатой передачи;

- в определении возможностей исследование зубчатой передачи и развитии технологических способностей учащихся на основе разработки учебного проекта модели зубчатой передачи для проведения лабораторно-практических занятий по дисциплине Детали машин.

Практическая значимость исследования заключается в обосновании рекомендаций по разработке учебного проекта действующей модели зубчатой передачи для проведения лабораторно-практических занятий по дисциплине Детали машин. Проектирование машиностроительных предприятий является сложным и трудоемким процессом, в ходе которого решаются задачи технического, организационного и экономического характера. Данная выпускная работа посвящена проектированию проекта действующей модели зубчатой передачи. В работе предусмотрена изучение особенностей конструкции и технологии изготовления зубчатой передачи, а также изучение основных параметров разработанного проекта действующей модели зубчатой передачи.

1. Содержание курса «Детали машин»

Дисциплина «Детали машин» является одной из ведущих интегративного блока предмета «Машиноведение». Она базируется на дисциплинах «Материаловедение и технология конструкционных материалов», «Прикладная механика», «Графика», «Основы взаимозаменяемости, стандартизация и технические измерения». Дисциплина «Детали машин» является базой для изучения и практической реализации курсового проекта по дисциплине «Техническое творчество» и дипломного проекта. Она призвана заложить основы конструкторской подготовки бакалавров и специалистов.

Основная цель дисциплины - формирование необходимых знаний, умений подбора и расчета: деталей; конструкций узлов; механизмов; технических моделей и машин, необходимых при курсовом и дипломном проектировании для будущей творческой практико-ориентированной деятельности бакалавров и специалистов.

Задачами дисциплины являются ознакомление студентов:

1. с деталями и сборочными узлами (валы, оси, зубчатые колёса, подшипники, муфты и др.);

2. с соединениями: разъемными (резьбовыми, шлицевыми, шпоночными, штифтовыми, фигурными и др.) и неразъемными (сварными, заклёпочными, прессовыми, паяными, клеевыми и др.)

3. с механическими передачами и принципами их работы: фрикционных; цепных; зубчатых, винтовых; ременных и др.;

4. с приводами, стандартными узлами, механизмами, устройствами и др.

5. с методикой и принципами их кинематического и прочностного расчета;

6. с назначением и расчетом сопряжений деталей машин при проектировании и конструировании механического устройства, привода, модели или машины.

Изучение дисциплины «Детали машин» прививает следующие умения:

1. анализа и синтеза конструкций устройств, моделей, машин, сборки и управления;

2. подбора стандартных, унифицированных деталей, узлов, механизмов, устройств, приводов и их комплектующих при необходимости проектирования новых;

3. работы с источниками информации, специальной и фундаментальной справочной литературой.

После изучения дисциплины студент должен знать:

1. содержание и задачи дисциплины;

2. критерии работоспособности, требования к машинам, узлам, передачам, соединениям, муфтам и деталям, основы расчета и подбора их параметров;

3. назначение, типы коробок передач, редукторов, мультипликаторов, вариаторов, методику их кинематического и силового расчета;

4. уметь осуществлять подбор, кинематический и силовой расчет элементов машин и механизмов, деталей (осей, валов, зубчатых колес, шкивов, звездочек, ремней, тросов, шпонок, шпилек, штифтов, заклепок и др.), узлов (подшипников, муфт, соединений и др.), приводов, коробок передач и др.;

5. изображать и читать чертежи, условные изображения деталей, кинематические схемы передач и приводов;

6. объяснять, используя наглядные пособия, устройство и работу деталей, узлов, передач, механизмов и машин;

Обслуживание высокопроизводительных машин и оборудования требует от квалифицированного рабочего широких технических знаний, среди которых существенное место занимают знания о принципах действия механизмов станков приборов, машин. В соответствии с современными тенденциями к большинству проектируемых машин предъявляют следующие требования: высокая производительность, экономичность производства и эксплуатации, гарантированный срок службы, удобство и безопасность обслуживания, небольшие габарит и масса, транспортабельность, соответствие внешнего вида требованиям технической эстетики.

В машиностроении различают детали и узлы общего и специального назначения. Деталями и узлами общего назначения называют такие, которые встречаются почти во всех машинах (болты, валы, зубчатые колеса, подшипники, муфты, и др.). Они составляют подавляющее большинство и изучаются в курсе «Детали машин».

Все детали и узлы общего назначения делятся на три основные группы: соединительные детали и соединения, которые могут быть неразъемными (заключенные, сварные и др.) и неразъемные (шпоночные, резьбовые и др.); передачи вращательного движения (зубчатые, червячные, ременные и др.); детали и узлы, обслуживающие передачи (валы, подшипники, муфты и др.).

Целью курса является изучение основ расчета и конструкции деталей и узлов общего познания с учетом режима работы и срок службы машины при этом рассматриваются выбор материала и его термообработка, рациональные формы деталей, их технологичность и точность изготовления.

Детали машин зачастую имеют сложную конфигурацию, работают в различных условиях и далеко не всегда можно получить точную формулу для их расчета. При расчетах деталей машин широко применяют различные приближенные и эмпирические формулы, в которые вводят поправочные коэффициенты, устанавливаемые опытным путем и подтверждаемые практикой конструирования и эксплуатации машин. Детали и узлы общего назначения изготовляют ежегодно в очень больших количествах (в одном автомобиле более пяти тысяч типа деталей), поэтому всякое усовершенствование методов, правил и норм проектирования дает большой экономический эффект.

Российская федерация уделяет большое внимание техническому перевооружению производства, комплексной механизации и автоматизации производственных процессов, внедрению высокопроизводительной энерго и материалосберегающей технологии. Увеличивается производство систем машин с автоматическими манипуляторами (промышленными работами) программного управления, позволяющими исключить применение ручного труда; повышается качество, надежность и экономичность. Уменьшается шум и вибрации машин, снижается их материалоемкость и энергопотребление.

Во всех отраслях народного хозяйства производственные процессы осуществляются машинами или аппаратами с машинными средствами механизации. Поэтому уровень народного хозяйства в большой степени определяется уровнем машиностроения.

Современные машины многократно повышают производительность физического и умственного труда человека.

Современные мощные вычислительные машины делают миллионы и сотни миллионов операций в секунду. Машины настолько прочно вошли в жизнь общества, что в настоящее время трудно найти такой предмет или продукт потребления, который был бы изготовлен или доставлен к месту потребления без помощи машин. Без машин невозможно было бы современное развитие наук, медицины, искусств, требующих совершенных инструментов и материалов, были бы невозможны быстрые темпы строительства, а также не могли бы удовлетворяться потребности населения в предметах широкого потребления.

Важнейшим достижением и показателем уровня машиностроения и приборостроения является автоматизация, в частности комплексная автоматизация производственных процессов в народном хозяйстве, охватывающая автоматизацию непрерывных процессов, автоматизацию крупного производства штучных изделий и в настоящее время распространяемую на принципиально более сложную автоматизацию производства штучных изделий мелкосерийного производства. В настоящее время реализуются мероприятия по коренному повышению уровня и качества продукции машиностроения.

В курсе «Детали машин» нашли надлежащее отражение основные, связанные с конструированием машин, народнохозяйственные проблемы:

1. Повышение надежности и ресурса машин, достигаемое путем обеспечения их необходимого технического уровня, применения деталей и узлов, надежных и долговечных по своей природе, перехода на вероятностные расчеты.

2. Уменьшение материалоемкости конструкций путем их оптимизации, совершенствования расчетов, выбора оптимальных и новых материалов и упрочнений.

3. Уменьшение энергетических затрат путем обеспечения совершенного трения и повышения КПД механизмов, применением механизмов с особо высоким КПД.

4. Повышение производительности труда в машиностроении путем стандартизации и унификации объектов производства, организации централизованного изготовления узлов и заготовок, оптимизации структуры промышленности, как средства перехода на технологию крупносерийного и массового производства с повышением производительности в десятки раз.

5. Проектирование технологичных деталей под современную прогрессивную материале -, трудо- и энергосберегающую технологию.

В методологии теории и курса «Детали машин» реализуются основные принципы диалектики.

В соответствии с принципом детерминизма, т. е. всеобщей закономерной связи всех явлений, осуществляется переход от условных и независимых расчетов деталей машин к расчетам по истинным критериям работоспособности и к расчетам как элементов единой системы.

Рассмотрение явлений в своем развитии является весьма плодотворным, в курсе деталей машин. Развитие конструкций тесно связано с развитием технологии, которая обеспечила появление подшипников качения, много контактных соединений и передач (шлицевых, волновых и др.), деталей оптимальных форм.

Детали машин - это составные части машин, каждая из которых изготовлена без применения сборочных операций (например, вал).

Курс «Детали машин» охватывает также совокупность совместно работающих деталей, представляющих собой конструктивно обособленные единицы, обычно объединяемые одним назначением и называемые сборочными единицами или узлами. Узлы одной машины можно изготовлять на разных заводах. Характерными примерами узлов являются редукторы, коробки передач, муфты, подшипники в собственных корпусах.

Изготовление машины из деталей в первую очередь связано с необходимостью относительных движений ее частей. Как свидетельствует одно из старейших, дошедших до наших дней определений, под термином «машина» понималось «орудие, имеющее внутреннее движение частей».

Большинство деталей являются подобными для многих машин, что делает целесообразным изучение их в самостоятельном курсе «Детали машин».

Рассмотрим самую общую классификацию деталей машин.

1. Выполнение машин и их звеньев из различных деталей вызывает необходимость соединения последних между собой. Поэтому группой деталей, рассматриваемой первой в курсе как наиболее общей, является группа соединений.

Некоторые части деталей и детали после их изготовления могут быть соединены постоянно и не требуют последующей разборки (например, нет необходимости разбирать паровой котел на отдельные листы). Соответствующие соединения называют неразъемными, их осуществляют сваркой, пайкой или клепкой. Разъединение деталей невозможно без их разрушения или связано с опасностью их повреждения.

Некоторые детали необходимо в процессе эксплуатации разъединять, например, для осмотра, очистки или замены. В этих случаях приходится использовать более сложные разъемные соединения, осуществляемые с помощью винтов, шпонок, клиньев и т. п.

2. Наиболее общими для всех машин являются передаточные механизмы. Двигательные и исполнительные механизмы, как правило, имеют много специфических деталей. Передача механической энергии наиболее удобно осуществляется при вращательном движении, которое может быть непрерывным и иметь большую скорость.

Для передачи энергии при вращательном движении в основном применяют передачи, валы и муфты.

Передачи вращательного движения являются механизмами, предназначенными передавать энергию с одного вала на другой, как правило, с изменением, т. е. с уменьшением или увеличением угловых скоростей и соответственным изменением вращающих моментов.

Передачи разделяют на передачи зацеплением, передающие энергию посредством взаимного зацепления зубьев (зубчатые, червячные и цепные передачи), и передачи трением, передающие энергию посредством сил трения, вызываемых начальным натяжением ремня (ременные передачи) или прижатием одного катка к другому (фрикционные передачи с жесткими телами качения).

3. Вращающиеся детали передач (зубчатые колеса, шкивы, звездочки) устанавливают на валах. Валы служат для передачи вращающего момента вдоль своей оси и для поддержания указанных деталей. Для поддержания вращающихся деталей без передачи полезных вращающих моментов служат оси.

Валы соединяют с помощью муфт. Муфты бывают постоянные, не допускающие разъединения валов при работе машин, и сцепные, допускающие сцепление и расцепление валов.

Валы и оси вращаются в подшипниках. Последние делятся на подшипники скольжения и качения.

Поступательно движущиеся детали поддерживают направляющие поступательного движения скольжения и качения.

4. Для преобразования видов движений (вращательного в возвратно-поступательное, или наоборот), осуществления движений с заданным законом изменения скорости и движения со сложной траекторией применяют шарнирно-рычажные и кулачковые механизмы. Основные детали шарнирно-рычажных механизмов: кривошипы, шатуны, коромысла, направляющие, кулисы, ползуны. Основные детали кулачковых механизмов: кулачки, эксцентрики, ролики.

5. В большинстве машин необходимо использовать упругие элементы: пружины или рессоры. Пружины и рессоры применяют: для защиты от вибраций и ударов (особенно широко в транспортных машинах--автомобилях, вагонах); для совершения в течение длительного времени полезной работы путем предварительного аккумулирования или накопления энергии (заводные пружины в часах и других механизмах); для осуществления обратного хода в кулачковых и других механизмах; для создания натяга и т. д.

6. Для повышения равномерности движения, уравновешивания деталей машин и для накопления энергии в целях повышения силы удара или для ее восприятия применяют детали, использующие для выполнения своих функций массу - маховики, маятники, грузы, бабы, шаботы.

7. Долговечность машин в значительной степени определяется устройствами для защиты от загрязнения и для смазывания.

8. Важную группу составляют детали и механизмы управления.

Для энергетических машин наиболее характерными являются цилиндры, поршни, клапаны, лопатки и диски турбомашин, роторы и статоры электрических машин.

Для транспортных машин характерны: колеса, гусеницы, рельсы, винты водяные и воздушные, крюки, ковши, грейферы и др.

Прообразы отдельных деталей машин в применении к ручному инструменту, оружию и приспособлениям известны с глубокой древности. К самым первым по времени появления, как известно, относятся рычаг и клин. Прообразом современных передач гибкой связью следует считать лучковый привод вращения для добывания огня, выполнявшийся наподобие лука, тетива которого обматывается вокруг вращаемого стержня. При возвратно-поступательном движении лука вдоль тетивы стержень получал возвратно-вращательное движение.

К первым деталям из числа работающих в условиях, близких к условиям работы в машинах, следует отнести колесо, ось и подшипник повозок.

В литературах разных эпох имеются данные о применении канатных и ременных передач, грузовых винтов, муфт.

Из этого следует что, большинство основных типов деталей машин было известно еще в древности или в период Возрождения.

С появлением паровой машины и паровоза широкое применение получили заклепочные соединения (в паровых котлах и железнодорожных мостах). А далее произошло постепенное вытеснение заклепочных соединений сварными.

Передачи гибкой связью (ременная и канатная) развивались в начале как универсальные: для раздачи энергии от паровой машины по этажам фабрики (канатная передача), для привода трансмиссионных валов, привода отдельных станков и других машин и привода отдельных органов в каждой машине (ременная передача). В конце XIX и в XX вв. по мере развития индивидуального электропривода роль ременной передачи свелась к приводу легких и средних машин от индивидуальных приводных двигателей. В 20-х годах началось широкое распространение ременных передач с клиновым сечением ремня. В последние годы осуществляется переход на ремни из синтетических материалов, зубчатые и многоклиновые.

Зубчатая передача непрерывно совершенствовалась и области применения ее расширялись: вместо цевочного появляется собственно зубчатое зацепление, сначала циклоидальным, а потом эвольвентным. Вместо деревянных колес, использовавшихся в приводе от водяных двигателей, начинают применять чугунные со вставными деревянными зубьями на большом колесе, потом литые чугунные необработанные и, наконец, стальные обработанные.

С 70-х годов прошлого века в связи с появлением велосипедов начинают применять подшипники качения, которые получают широкое распространение.

Развитие конструкций деталей машин в настоящее время определяется большими сдвигами, происходящими в технике в связи с появлением новых материалов и интенсификацией рабочих процессов, комплексной автоматизацией, повышением параметров машин - мощностей, скоростей, давлений, точности.

Теория и расчет деталей машин разрабатывались по мере появления и совершенствования конструкций. Простые расчеты - определение передаточных отношений и действующих сил - были известны еще в древней Греции. Первым исследователем в области деталей машин должен, по-видимому, считаться Леонардо да Винчи. Он рассматривал вопросы о сопротивлении вращению колес, шкивов и блоков, о зоне износа подшипников, и о соотношении между износом оси и подшипника. Он предложил установку для испытания винтов. Очень большое значение имели исследования Леонардо да Винчи в области трения.

В разработке теории и расчета деталей машин большая роль принадлежит отечественным ученым. Л. Эйлер - член Российской Академии наук, нашедший в России вторую родину, предложил и разработал теорию эвольвентного зацепления зубчатых колес, которое в настоящее время имеет повсеместное распространение, разработал теорию трения гибкой нити о шкив, составляющую основу теории расчета ременных передач и ленточных тормозов.

Профессор Н.П. Петров является основоположником гидродинамической теории смазки (теории работы масляного слоя между трущимися поверхностями).

В настоящее время эта теория является не только основой расчета подшипников скольжения, но распространяется на зубчатые и червячные передачи, роликовые подшипники и другие детали, работающие со смазочными материалами.

Далее, труды прошлых времен усовершенствовались и доработались. Большой вклад в развитие машиностроения и науки о деталях машин внесли отечественные ученые: И.А. Вышнеградский, В.Л. Кирпичев, Н.П. Петров, Д.Н. Решетов, П.Г. Гузенков, И.И. Устюгов, П.Ф. Дунаев, В.Н. Кудрявцев и т.д.

цилиндрический зубчатый передача сила

2. Общие сведения о зубчатых передачах

2.1 Общие сведения и классификация зубчатых передач

Зубчатая передача представляет собой передаточный механизм, звеньями которого являются зубчатые колеса, служащие для передачи движения и сил путем непосредственного зацепления (меньшее колесо передачи принято называть шестерней, а большее - колесом. Термин "зубчатое колесо" относится как к шестерне, так и к колесу. Параметрам шестерни приписывают индекс - 1, а параметрам колеса - 2. Зубчатые передачи имеют самое широкое применение в технике. В настоящее время трудно найти отрасль машиностроения, в которой не применялись бы зубчатые передачи.

Широкое применение зубчатых передач в технике объясняется их преимуществом перед другими видами передач. Основными их преимуществами являются: высокие значения к.п.д. (до 99%); возможность применения в широких диапазонах окружных скоростей (до 150 м/с) и мощности от долей до десятков тысяч киловатт; высокая кинематическая точность; технологичность изготовления; компактность; надежность действия и долговечность работы в различных условиях эксплуатации.

Применяемые зубчатые передачи подразделяются на: передачи с параллельными валами и цилиндрическими колесами (рис. 1.); передачи с валами, оси которых пересекаются, и коническими колесами (рис. 2, а, б); передачи с валами, оси которых перекрещиваются, - винтовые с цилиндрическими колесами (рис. .2, б); червячные и винтовые с коническими колесами, или гипоидные (рис. .2, г). По форме профиля зуба передачи различают: эвольвентные (рис. 1, а-в); с зацеплением Новикова (рис. 1, г); циклоидальные и цевочные (рис. 3, а).

В силовых передачах применяются главным образом зубчатые колеса с эвольвентным профилем зубьев, который был предложен в 1754г. академиком Л.Эйлером. Передачи с эвольвентным зацеплением подвергались различным усовершенствованиям путем корригирования профиля зубьев, повышения точности их изготовления, применения упрочнения зубьев и т. п. Однако эвольвентный профиль зубьев не может удовлетворить всем современным требованиям, предъявляемым к зубчатым передачам. В 1955 г. М. Л. Новиков показал, что для очертания зубьев может применяться бесчисленное количество разновидностей поверхностей, и предложил новый, весьма перспективный, профиль зубчатых передач, имеющий в торцевом сечении очертание дугами окружностей. В отличие от эвольвентного профиль зубьев одного из парных зубчатых колес Новикова является выпуклым, а другого - вогнутым (рис. .1, г).

Это дает возможность в 2,5-3 раза повысить значения сил взаимодействия зубьев в зоне контакта и в 2-5 раз сократить затраты энергии на трение по сравнению с эвольвентным зацеплением. Сопряжение выпуклой и вогнутой поверхностей зубьев способствует также образованию между ними устойчивого слоя смазочных масел. Циклоидальное зацепление наиболее дорогое в изготовлении и весьма чувствительное ко всяким ошибкам в профиле, а также к изменению расстояния между центрами, поэтому широкого распространения не получило. Цевочным называется зацепление, в котором зубья одного из колес имеют форму цилиндрических пальцев (цевок). Как и циклоидальные, цевочное зацепление применяется весьма редко, преимущественно в приборостроении.

По расположению зубьев на ободе колес их делят на прямозубые (рис. 1, и), косозубые (рис. 1, б), шевронные (рис. 1, в) и с круговым зубом (рис.2 б).

Прямозубыми называются колеса, у которых направление каждого зуба совпадает с образующей начальной поверхности (цилиндра или конуса). Косозубыми называются зубчатые колеса, у которых направление каждого зуба составляет некоторый постоянный угол с образующей начальной поверхности.

Шевронными называются колеса, у которых зубчатый венец образуется из двух рядов косых зубьев противоположного направления.

Зубчатые колеса с зацеплением Новикова могут быть только косозубыми. Конические колеса могут быть прямозубыми и с круговым зубом.

Рис. 3

В зависимости от передаточного числа передачи могут быть с постоянным передаточным числом - с круглыми колесами и с переменным передаточным числом - с некруглыми колесами (рис. 3, б). Наибольшее распространение в технике получили цилиндрические (круглые) зубчатые колеса. Некруглые колеса имеют ограниченное применение в приборостроении.



Рис.4

Рис.5

На рис.4 показаны колеса с внешним (а), внутренним (б) и реечным (в) зацеплениями. Наиболее широкое применение в технике получили передачи с внешним зацеплением, зубчатые колеса которых совершают вращательные движения в противоположных направлениях. Оба же звена зубчатых передач с внутренним зацеплением вращаются в одном направлении.

Реечное зацепление можно рассматривать как зубчатую передачу, у которой радиус одного из колес равен бесконечности. Этот механизм дает возможность преобразовать вращательное движение в поступательное и наоборот.

В зависимости от монтажа зубчатых колес на валах передачи различают передачи:

- простые, колеса которых монтируются на валах с относительно неподвижными осями вращения (рис. 5, а);

- планетарные, которые в свою очередь разделяются на две группы:

а) эпициклические (рис. 5, б), где звено 1 (солнечное колесо) неподвижно, а звено 2 (сателлит) имеет возможность совершать сложное движение вокруг оси О2, вращающейся в свою очередь относительно оси О1;

б) дифференциальные (рис. 5, б), звенья которых 1 и 3 имеют возможность вращаться около неподвижной оси О1, а звено 2 может совершать сложное движение, т.е. вращение вокруг оси 02, которая может вращаться относительно оси О1. Количество свобод движения дифференциальных механизмов равно двум. Нетрудно заметить, что эпициклические механизмы отличаются от аналогичных по конструкции дифференциальных закреплением так называемого солнечного или центрального колеса, вследствие чего количество свобод движения эпициклических механизмов равно единице.

По окружной скорости различают передачи - тихоходные (до 3 м/с), средних скоростей (3-15 м/с) и быстроходные (свыше 15 м/с). По точности зацепления стандартом предусмотрено 12 степеней точности (для цилиндрических передач - ГОСТ 1643-72, для конических - ГОСТ 1758-72).

Передачи общего машиностроения практически изготовляют по степеням точности 6-9: 6-я используется для наиболее ответственных высокоточных скоростных передач; 7-я - для точных передач; 8-я - для передач средней точности; 9-я - для тихоходных передач пониженной точности.

Зубчатые передачи могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми сообразно наличию одного или нескольких зацеплений зубчатых колес, при помощи которых осуществляется последовательное изменение скорости вращения ведомых звеньев по сравнению со скоростью вращения ведущих звеньев.

Зубчатые передачи могут быть волновыми (рис. 5, г). Основные детали такой передачи:

h - генератор волн упругой деформации;

g - гибкое зубчатое колесо;

b - жесткое зубчатое колесо.

С помощью волновых передач можно реализовать большие передаточные числа (Я = 40-400).

К зубчатым передачам относят также зубчатые механизмы с секторными колесами, с колесами, имеющими зубья на части обода, так называемые мальтийские механизмы, и, наконец, храповые (зубчато-рычажные) механизмы.

2.2 Устройство и параметры зубчатых колес

Наиболее широкое применение в машинах и приборах имеют колеса, зубья которых расположены на поверхности кругового цилиндра. Рассмотрим устройство таких колес и дадим необходимые определения их элементам в плоскости нормального сечения (рис. 6, а).

Кривые пересечения боковых поверхностей зуба с плоскостью, перпендикулярной к оси вращения колеса, называются соответственно правым (cdf) и левым (bae) профилями зубьев.

Окружность L-L, ограничивающая снаружи головки зубьев, называется окружностью головок или выступов. Окружность Т-Т, ограничивающая ножки зубьев изнутри, называется окружностью ножек или впадин. Окружность С-С одного круглого зубчатого колеса, перекатывающаяся без скольжения по окружности (поверхности) второго из зацепляющихся колес, называется начальной окружностью. Делительной называется окружность, принадлежащая концентрической делительной поверхности, принятой за базовую для определения элементов зубьев и их размеров. Эта поверхность делит зуб на головку и ножку. Такая окружность принадлежит отдельно взятому колесу.



Рис. 6

Часть зубьев, выступающая за делительную окружность (цилиндр, конус), называется головкой зуба (abcd); другая его часть, находящаяся внутри делительной окружности (цилиндра, конуса), называется ножкой (adfe).

Дуга делительной окружности, вмещающая один зуб, называется окружной толщиной зуба (st), а дуга, вмещающая расстояние между двумя зубьями, называется окружной шириной впадины (et). Дуга делительной окружности, вмещающая одну толщину зуба и одну ширину впадины, называется окружным шагом зацепления (pt).

Линейная скорость точек соприкосновения начальных окружностей зубчатых колес одинакова и может быть выражена

v = 1r1 = 2r2 (1)

где 1 и 2 - угловые скорости ведущего и ведомого колес;

r1 и r2 - радиусы начальных окружностей ведущего и ведомого колес.

Следовательно, передаточное число

и = 1 /2 = r2 /r1 (2)

Для взаимодействия пары зубчатых колес необходимо, чтобы их шаг зацепления был одинаков, т. е.

pt = 2r1/z1 = 2r2/z2 (3)

Очевидно, 2r1 = z1 pt ; 2r2 = z2 pt . Подставляя эти значения в равенство (1.2), получим

и = 1 /2 = r2 /r1 = z2 / z1 (4)

где z1 и z2 - количество зубьев ведущего и ведомого колес.

Для конических колес с прямыми зубьями, предназначенными для передачи вращения между пересекающимися осями, может быть получено выражение передаточного числа в тригонометрической форме. На рис.6, б представлены начальные конусы (аксоиды) двух зацепляющихся конических колес. Из треугольника угловых скоростей и = 1 /2 = Sin2/Sin1 .

Если оси вращения колес пересекаются под углом = 1 + 2 = /2 , то

и = ctg 1 = tg 2 (5)

Угол называется межосевым углом. Расстояние b между торцами зуба (рис. 6, б) называется длиной зуба. Для конических колес вводятся понятие о конусном расстоянии Re, представляющем собой длину образующей начальных конусов, и коэффициент полноты зуба = b/Re, определяемый из равенства = 1,2/(u + 0,6) и принимаемый обычно не более 0,35. Профиль зубчатого зацепления Новикова образуется дугами окружностей (рис. 7). Наличие контакта выпуклой поверхности с вогнутой создает благоприятные предпосылки для создания более устойчивого масляного слоя в зоне контакта зубьев по сравнению с эвольвентным профилем. Число, определяющее количество зубьев, может быть только целым, а величины r1 и r2 желательно выражать действительными числами с конечным количеством знаков. В таком случае из равенства (1.3) следует, что шаг pt выражается трансцендентным числом. Это обстоятельство могло бы затруднить проектирование зубчатых колес и их измерение. С целью устранения отмеченного выше неудобства вводят понятие о модуле зубчатого зацепления.

Рис. 7

Модуль зубчатого зацепления представляет собой количество единиц длины делительного диаметра, приходящееся на один зуб.

На рис. 6,а представлены основные элементы зубчатых колес.

Размеры цилиндрических прямозубых колес вычисляют по делительному нормальному модулю. Такой модуль зубчатого колеса называют расчетным или просто модулем (m). Значения модулей стандартизованы (табл.1). Модуль - базовая величина, в долях которой выражаются все линейные размеры зубчатых колес.

Таблица 1. Значения модуля зацепления т по ГОСТ 9563-60

Ряды
Значение модуля, мм
1		3		10		32
	1,25		3,5		11		36
1,25		4		12		40
	1,375		4,5		14		45
1,5		5		16		50
	1,75		5,5		18		55
2		6		20		60
	2,25		7		22		70
2,5		8		25		80
	2,75		9		28		90

По ГОСТ 6922-60 предусматриваются следующие значения элементов зубчатой передачи в зависимости от величины модуля - табл.2.

Следует иметь в виду, что размеры зубьев конических колес различны для разных поперечных сечений зубьев. Поэтому зубья конических зубчатых колес определяются размерами внешнего делительного диаметра de и среднего поперечного сечения и соответственными окружностями.

При этом зависимость между модулями, например, наружного торца зубьев de и среднего сечения dm, непосредственно следует из очевидного равенства de = dm + b Sinj (j, равный 1 или 2, - индексам ведущего или ведомого колеса). Разделив это равенство на количество зубьев z, найдем

mte = mtm + b Sin j / z (6)

Таблица 2

Геометрические параметры прямозубой цилиндрической передачи

Параметры	Расчетные формулы
Модуль т Диаметр вершин зубьев da Делительный диаметр d Основной диаметр db Диаметр впадин зубьев df Высота зуба h Высота головки зуба ha Высота ножки зуба hf Окружная толщина зуба St Окружная ширина впадины зубьев et Радиальный зазор с Окружной шаг рt Длина зуба (ширина обода) bе = b Межосевое расстояние aw	т = pt/n; т - d/z; m=df /(z + 2); т = 2 aw /(zс) da = т (z + 2) d = mz db = mz Cos df = т (z - 2,5) h = 2,25т hа = т hf= 1,25m st = m/2 et = m/2 c= 0,25m pt = m be= b = d (= 0,50,9) aw = mzс /2

Расстояние между вершинами О1 и О2 дополнительных конусов называется межосевым расстоянием. Оно определяется по равенству

(7)

где z1 и z2 - действительные количества зубьев конических колес.

2.3 Теорема зубчатого зацепления

В настоящее время в технике наиболее распространены передачи эвольвентного зацепления - зубчатые цилиндрические и конические, а также червячные. Картина зацепления сопряженных поверхностей зубьев этих передач в пространстве аналогична картине зацепления профилей этих поверхностей. Поэтому в теории указанных передач изучение зацепления звеньев принято заменять изучением зацепления их профилей, которые представляют собой взаимоогибаемые кривые.

Взаимоогибаемыми называются такие кривые, при качении и скольжении которых друг по другу точка их контакта совершает непрерывное движение вдоль каждой кривой.

Правильное зацепление зубьев зубчатых колес плоского зацепления возможно при соблюдении условий, определенных нижеследующей основной теоремой зубчатого зацепления.

Теорема. Нормаль к обоим взаимоогибаемым профилям зубьев в точке их соприкасания проходит через мгновенный центр относительного вращения зубчатых звеньев и делит прямую, соединяющую центры их абсолютного вращения, на части, обратно пропорциональные величинам угловых скоростей абсолютного вращения этих звеньев.

Доказательство. Пусть ведущее 1 и ведомое 2 звенья (рис.8, а) вращаются с угловыми скоростями 1 и 2 вокруг осей О1 и О2 в противоположных направлениях. Контур К.1 звена 1 выбран произвольно и соприкасается с контуром К.2 звена 2 в некоторой точке контакта, которую будем называть А1 или А2 соответственно при рассмотрении звена 1 или 2.

Проведем через точку А нормаль NN к кривым К.1 и К.2 и восставим к этой нормали перпендикуляры из центров О1 и О2, обозначив основания перпендикуляров D1 и D2. Построим векторы скорости абсолютного движения точек А1 и А2: v1 = 1 LО1А1 ; v2 = 2 LО2А2. При взаимодействии контуров 1 и 2 их взаимное внедрение (деформация) должно быть исключено, а поэтому проекции на направление нормали NN векторов v1 и v2 должны быть равны. Следовательно, концы а1 и а2 векторов v1 и v2 , перпендикулярных соответственно к радиусам О1А и О2А , должны быть расположены на одной прямой, перпендикулярной к нормали NN. При этом масштаб векторов должен быть одинаков.

Рис. 8

Согласно теореме теоретической механики, точка Р, определяемая равенством, является мгновенным центром относительного качения звеньев 1 и 2. Таким образом, теорема доказана.

Эволютой (в переводе с латинского слова evoluta - развернутая, evolventis - развертывающий) некоторой линии называется кривая, представляющая собой геометрическое место центров кривизны этой линии. Эвольвентой или разверткой данной кривой называется линия, для которой данная кривая является геометрическим местом центров кривизны, т.е. эволютой. Если, например, эволютой является окружность, то для эвольвенты окружности эта последняя является геометрическим местом центров кривизны. Но центры кривизны являются такими точками, что проведенные из них касательные к эволюте одновременно являются нормалями к эвольвенте. Иначе говоря, эволюта является огибающей семейства нормалей эвольвенты.

Для образования зубьев эвольвентного зацепления в качестве эволюты используется окружность. Из вышеизложенного следует практический прием построения этой эвольвенты путем качения без скольжения прямой по окружности. При этом каждая точка прямой опишет эвольвенту на неподвижной плоскости, связанной с окружностью или цилиндром (рис. 8, б). Очевидно, каждая точка эволюты является не только центром кривизны эвольвенты, но и мгновенным центром вращения прямой (или нити), точка А которой описывает эвольвенту.

Нетрудно видеть, что любая точка М нити при ее перематывании с одного цилиндра на другой вычерчивает три линии:

1. Прямую АВ на неподвижной плоскости, направление которой совпадает с прямолинейным участком нити на рис. 8. в;

2. Эвольвенту К1 на плоскости центроиды С1 , вращающейся вместе с этой центроидой вокруг центра О1 со скоростью 1

3. Эвольвенту К2 на плоскости центроиды С2, которая вращается вокруг центра О2 со скоростью 2.

Обе эвольвенты вычерчиваются одной точкой М одновременно, а поэтому точка М является точкой их соприкасания. Их общая нормаль в той же точке М проходит через мгновенный центр Р относительного движения центроид. Следовательно, обе эвольвенты, являясь взаимоогибаемыми кривыми, удовлетворяют условиям основной теоремы зацепления и пригодны для образования профиля зубьев зубчатых колес.

Ниже приведены основные свойства эвольвентного зацепления.

1. Зубчатое колесо с зубьями эвольвентного профиля образует правильное зацепление с любым колесом эвольвентного же зацепления при одинаковых значениях угла а и шага pt зубьев, так как размеры профиля (эвольвенты) вполне определяются величиной радиуса основной окружности

= R cos (9)

где R - радиус центроиды (начальной окружности). Это свойство дает возможность вводить в зацепление зубчатые колеса с различным количеством зубьев.

2. Правильность зацепления зубчатых колес сохраняется при незначительных относительных смещениях осей вращения зубчатых колес.

3. Прочность зубьев при изгибе достаточно высока, так как толщина их увеличивается от вершины к основанию соответственно изменению момента их изгиба.

4. Простота и точность изготовления методом обкатки. Это свойство представляет значительное преимущество передач эвольвентного зацепления.

5. Значительное относительное скольжение поверхностей зубьев по сравнению с другими видами зацепления и вследствие этого повышенный износ зубьев.

6. Переменность величины относительного скольжения в процессе зацепления зубьев, а следовательно, и неравномерность износа вдоль профиля, вызывающая нарушение правильности эвольвентного профиля, а следовательно, и зацепления.

7. Прочность зубьев внешнего зацепления в зоне контакта относительно мала вследствие соприкасания выпуклых поверхностей.

Свойства 5-7 определяют недостатки передач эвольвентного зацепления по сравнению с передачами циклоидального зацепления и зацепления Новикова.

2.4 Краткие сведения о способе изготовления зубчатых колес

Зубья колес нарезают на фрезерных или специальных зуборезных станках.

Рис. 9

Существует два основных способа нарезания зубьев: 1) копирование, осуществляемое на фрезерных станках с помощью дисковой (рис. 9, а) или пальцевой (рис. 9, б) фрез, режущие кромки которых имеют профиль, соответствующий профилю впадин зуба; 2) обкатка, осуществляемая на зубофрезерных или зубострогальных станках с помощью соответствующего режущего инструмента - червячной фрезы (рис. 10, а), долбяка (рис. 10,6), инструментальной рейки-гребенки (рис. 10, в), находящихся в непрерывном зацеплении с заготовкой на всей стадии нарезания зубьев. Способ обкатки обеспечивает высокую производительность и достаточную точность изготовления зубчатых колес.

В последнее время в массовое производство внедряют метод; горячей накатки зубьев, который производится на специальном зубонакатном станке, состоящем из двух валов, жестко связанных между собой делительной передачей. На один из валов насаживают вальцевальное зубчатое колесо, а на другой - нагретую до температуры ковки заготовку. Валы перемещаются друг к другу под большим давлением; при этом вальцевальное колесо накатывает зубья на заготовке.

При массовом (крупносерийном) изготовлении зубчатых колес горячая накатка дает существенную экономию по сравнению с ранее рассмотренными методами нарезания зубьев. Недостаток - меньшая точность накатанных зубьев по сравнению с нарезанными.

Рис. 10

После нарезания зубья могут быть подвергнуты окончательной обработке: шлифованию, шевингованию или притирке, обеспечивающим необходимые точность и шероховатость рабочих поверхностей зубьев.

Заготовки для изготовления зубчатых колес могут быть получены литьем, ковкой (штамповкой).

Зубчатые колеса изготовляют из углеродистой стали (Ст5, Ст6, сталь 35; 45; 50; 50Г и др.), легированной стали (12ХНЗ; 15Х; 20Х; 35Х и др.), стального литья (35Л; 45Л; 55Л и др.), чугуна (СЧ 15 - 32; СЧ 18-36; СЧ 21-40 и др.), неметаллических материалов (текстолит, капрон, ДСП и т. п.) (см. табл. ПЗ, П21,П28).

Чугунные зубчатые колеса применяют в тихоходных передачах. Зубчатые колеса из неметаллических материалов работают в паре с металлическими и применяются для понижения шума быстроходных передач небольших мощностей.

К материалам, применяемым для изготовления зубчатых колес, предъявляют требования достаточной общей и поверхностной прочности, выносливости зубьев при изгибе, стойкости против абразивного износа заедания. Указанным требованиям лучше, всего удовлетворяют термически или термохимически обработанные стали.

Нормализация--нагрев материала до температуры, незначительно 'щей температуру верхней критической точки стали, выдержка и постепенна охлаждение на воздухе или вместе с печью. Нормализации подвергают качественные углеродистые и легированные стали, а также заготовки из стального Она снимает литейные напряжения и наклеп (после ковки или штамповки) и обеспечивает получение равномерной структуры материала по всему объему заготовки.

Закалка (объемная и поверхностная) создает высокую твердость и прочность материала. Существенным недостатком объемной закалки является то, что подвергнутый ей материал не сохраняет вязкой сердцевины. В результате поверхностной закалки (для зубчатых колес малых и средних размеров - токами высокой частоты (ТВЧ), для зубчатых колес крупных размеров - в ацетиленовом пламени) сохраняется вязкая сердцевина при высокой твердости и прочности поверхности слоев материала. Закалке подвергают качественные углеродистые или легированные стали. Углеродистые стали обыкновенного качества не закаливают.

Улучшение - закалка с последующим высокотемпературным отпуском. Нормализованные и улучшаемые стали (качественные углеродистые и легирован! обычно применяют для изготовления зубчатых колес индивидуального или мелкосерийного производства. Они хорошо поддаются чистовой обработке и хорошо прирабатываются.

Цементация - насыщение поверхностного слоя углеродом и закалка. Цементация существенно повышает твердость и несущую способность поверхности слоя зубьев, обеспечивает высокую прочность на изгиб. Цементации обычно подвергают низкоуглеродистые стали: хромистые (15Х,20Х), хромоникелевые (12ХН3А, 18Х2Н4МА, 20Х2Н4А) для ответственных зубчатых колес, работающих с перегрузками или ударными нагрузками, и безникелевые (18ХГТ, 25ХГТ, 15ХФ).

Азотирование - насыщение поверхностного слоя азотом. Обеспечивает особо высокую твердость и износостойкость поверхностных слоев зубьев. Для азотируемых колес обычно применяют молибденовую сталь 38Х2МЮА или стали и 35ХЮА, не содержащие молибдена. Расширяется применение мягкого азотирования, как более производительного процесса с использованием сталей 4ОХ2Ш 40ХФА. В связи с минимальным короблением зубья после азотирования не шлифуют. Поэтому азотирование применяют для колес с внутренними зубьями и других деталей, шлифование которых затруднительно.

Недостатками азотированных колес являются малая толщина упрочненного слоя (0,2. ..0,5 мм), не позволяющая применять их при ударных нагрузках к опасности растрескивания упрочненного слоя и при работе с интенсивным износом (при загрязненной смазке, попадании пыли) из-за опасности стирания упрочненного слоя и быстрого выхода передачи из строя; длительность и дороговизна этого процесса.

Цианирование -- насыщение поверхностного слоя углеродом и азотом в целях повышения его механических свойств. Цианированный слой имеет малую толщину и сравнительно легко разрушается при ударных нагрузках.

Зубья с твердостью рабочих поверхностей < НВ350 после термообработки допускают чистовое нарезание с высокой точностью. Они хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению при динамических нагрузках. При твердости ?НВ350 нарезание зубьев затруднительно и они плохо прирабатываются. Поэтому их необходимо нарезать до термообработки. Последующая термообработка (особенно объемная закалка, цементация) вызывает значительное коробление зубьев, которое приходится исправлять дорогостоящими операциями - шлифовкой, притиркой, обкаткой и т.п.

Зубчатые колеса высокой твердости, обеспечивающие малогабаритные передачи с минимальной массой на единицу передаваемой мощности, широко применяют в крупносерийном производстве.

В правильно спроектированной зубчатой паре соотношение твердости рабочих поверхностей зубьев шестерни и колеса не может быть выбрано произвольно.

Зубья передачи общего машиностроения обычно изготовляют по 6…8-й степени точности. Большое распространение в современном машиностроении имеет эвольвентное зацепление, т.к. она наиболее проста и дешева Это объясняется тем, что эвольвентный профиль зуба состоит из одной кривой без точек перегиба.

Рис.11. Угол зацепления зубьев

Пользуясь методом Эйлера, проведем через поле зацепления Р (рис.11) под некоторым углом в к линии центров О1РО2 прямую MN и опустим под неё перп-ры О1А и О2В из центров О1и О2 радиусами О1А=r и O2B=r2 опишем основные (производящие) окружности с1 и с2. Выбрав на производящей прямой MN производящую точку С покатим эту прямую MN по основным окружностям с1 и с2 в каком угодно последовательном порядке, например, сначала по окружности с1, а затем по окружности с2. Тогда точка С прямой MN опишет соответствующие эвольвенты c1Cc1 и c2Cc2. Т.к. по известным свойствам эвольвенты прямой MN являются общей нормалью эвольвентою c1Cc1 и c2Cc2 в точке С их касания и проходит через полюс Р зацепления, то эти кривые на основании закона зацепления пригодны для профилей зубьев при перед. числе а именно: эвольвента c1Cc1 даёт профиль зуба колеса I, а эвольвента c2Cc2 профиль зуба колеса 2. Производящие окружности с1 и с2 является основными эволютами, эвольвенты которых дает профили зубьев. Все наглядно видно из рис.12, где сохранены обозначения (Рис.11).

Угол б=90°в между производящей прямой MN и общей касательной ТТ к начальным окружностям в точке их касания Р называется углом зацепления. Из (рис.12) на котором контакт зубьев показан в полюcе зацепления Р как это обычно принято в технических чертежах видно, что профиль зуба состоит только из одной кривой эвольвенты c1Cc1 или c2Cc2.Форма этой кривой определяется радиусом r этой окружности и совершенно не зависит от элементов одного колеса. Это позволяет применять эвольвентное зацепление в сменных передачах, сериях колес.

...