Цилиндрическая передача
Цилиндрические передачи
Цилиндрические зубчатые передачи получили самое широкое распространение.
Многие встречаются с рассматриваемым механизмом в виде редуктора, представленного цилиндрической передачей. Их распространение можно связать со следующим моментами:
- Технология изготовления подобных зубчатых колес достаточно проста, было создано просто огромное количество различного оборудования, которое предназначено для производства подобного изделия.
- В большинстве случаев вращение передается между двумя валами, которые расположены параллельно.
- Редуктор также имеет специальный корпус закрытого типа. Он предназначен для защиты механизма от воздействия окружающей среды, а также накопления масла.
- Изменение передаваемого усилия проводится за счет изменения диаметрального размера изделий.
Многие при эксплуатации передачи не уделяют должного внимания смазке. Именно эта причина приводит к существенному износу рабочих элементов. Своевременная подача смазывающей жидкости существенно снижает трение в зоне контакта, а также снижает вероятность появления коррозии на поверхности.
Цилиндрические зубчатые передачи
Под цилиндрическими зубчатыми колёсами понимают шестерни, объёмный контур которых выполнен в виде цилиндра, где все точки вершин зубьев также повторяют цилиндр. Такие зубчатые элементы различаются по форме зубьев и подразделяются на следующие типы:
- Прямозубые шестерни;
- Косозубые цилиндрические шестерни;
- Шевронные зубчатые колёса.
Прямозубые цилиндрические
Данный вид зубчатых передач самый распространённый в составе механизмов в виду своей относительной простоты и дешевизны в изготовлении. Цилиндрические прямозубые шестерни выполнены на одном диаметре по всей своей рабочей ширине.
Такие зубчатые колёса широко применяются в составе простейших редукторов, в том числе и коробках передач тракторов и автомобилей, где смена передаточного числа осуществляется вхождением в зацепление скользящих зубчатых цилиндрических блоков по валам редуктора. С помощью цилиндрических шестерен вращение может передаваться только между параллельно расположенными валами. Данные шестерни отличаются шумностью работы на высоких скоростях вращения. Положительным моментом в работе цилиндрических прямозубых шестерён является отсутствие осевых нагрузок.
Прямозубые цилиндрические шестерни изготавливаются как с внешним зубом, по наружному диаметру, так и с внутренним венцом зубьев. Если обычные шестерни с внешними зубьями используются в конструкциях для передачи вращения между параллельно расположенными валами, то шестерни с внутренним зубом могут быть использованы для преобразования вращения в составе планетарных механизмов как коронные шестерни (эпициклы), а также в виде части соединительных зубчатых муфт.
Косозубые цилиндрические
Передача вращения с помощью косозубых цилиндрических шестерён осуществляется только между параллельно размещенными валами. В отличии от прямозубых цилиндрических шестерён, в работе редукторов такие зубчатые колёса характеризуются как шестерни постоянного зацепления, в виду невозможности вхождения в зацепление пар при осевом совмещении. Шестерни представляют собой колеса с зубьями, нарезанными под углом. В состав рабочей пары таких колёс входят шестерни с правым и левым наклоном нарезки зубьев.
Косозубые шестерни отличаются тихой работой на высоких скоростях вращения, но учитывая форму взаимодействующих зубьев и характер зацепления зубчатых пар, в механизме возникают осевые нагрузки. Для минимизации негативного влияния возникающих осевых усилий, в конструкцию опор вращения валов включают упорные подшипники. Ввиду одновременного контакта двух зубьев с сопряжённой шестерней, косозубые колеса хорошо себя зарекомендовали в работе на высоких нагрузках.
Часто в конструкциях высоконагруженных узлов используют двойные косозубые шестерни, выполненные в виде блока с двумя дорожками косых зубьев разного направления. В таком случае, возникающие осевые нагрузки в отдельной дорожке косых зубьев гасятся друг другом, обеспечивая высокие характеристики передачи.
Как и в прямозубом исполнении существуют цилиндрические косозубые шестерни с внутренней нарезкой, используемые в составе планетарных редукторов.
Шевронные
Шестерни с косозубой формой зубьев, в форме, так называемой, «ёлочки», называют шевронными. По сути, шевронное зубчатое колесо является спаркой косозубых цилиндрических шестерён с зеркальной разноименной нарезкой зубьев.
Такие зубчатые колёса применяются в высоконагруженных ответственных механизмах: генерирующих турбин, горнодобывающего оборудования, в судостроении. Шевронные передачи отличаются компактностью, хорошей плавностью хода. Учитывая форму V-образного зуба в виде двух встречных косых зубьев, возникающие осевые нагрузки, созданные обеими зубчатыми сторонами шестерни, гасятся друг другом. Это обеспечивает дополнительную устойчивость к нагрузкам и высокие скоростные характеристики шевронной зубчатой передачи.
Недостатком таких зубчатых колёс является их высокая стоимость ввиду технологичной сложности в изготовлении.
Клети
Многоступенчатые цилиндрические редукторы с несколькими выходными валами, вращающимися синхронно от одного двигателя и ведущего вала, называют клетями. Их устанавливают на агрегаты с несколькими исполнительными механизмами, работу которых необходимо синхронизировать. Они имеют сложную кинематическую схему с передачей крутящего момента от одной шестерни 2 колесам. Для возможности работать параллельно, используют соосные валы, один из которых полый.
Устанавливают клети на прокатных и правильных станах, где одновременно должны синхронно вращаться гибочные и правильные валки.
Коробки скоростей
Разновидностью цилиндрического редуктора с подвижным промежуточным валом является широко известная коробка скоростей. При изменении положения вала одни пары выходят из зацепления, другие начинают взаимодействовать. В результате изменяется передаточное число, скорость вращения на выходе.
Коробки скоростей делаются с прямым зубом. Косозубые встречаются редко, когда большие нагрузки на исполнительный механизм.
Конструктивные особенности цилиндрических редукторов
Редуктором цилиндрическим называется механическая система, собранная с целью передачи и преобразования усилия крутящего момента. Система способна с высоким КПД преобразовывать высокую угловую скорость в более низкую с увеличением крутящего момента, т. е. увеличением передаваемого усилия. При добавлении в систему электродвигателя, мы получаем мотор редуктор цилиндрический — компактное устройство, создающее и преобразующее крутящий момент.
Количество зацеплений, тип зуба и взаимное расположение валов для всех видов оборудования описывает ГОСТ Редукторы цилиндрические. В нем указаны типоразмеры всех деталей, которые могут применяться в цилиндрических редукторах при различных количествах ступеней. Максимальное передаточное число одной пары 6,5. Общее многоступенчатого редуктора может быть до 70.
Устройство цилиндрических редукторов может быть самое разное, но оно обязательно включает в свою конструкцию:
- ведущий;
- ведомый вал;
- шестерню;
- колесо;
- подшипники;
- корпус;
- крышки;
- систему смазки.
В простейшем одноступенчатом редукторе одна пара находится в зацеплении – шестерня и колесо. Если ступеней 2 и больше, соответственно увеличивается количество деталей. Появляются промежуточные оси. Для изменения направления вращения, в кинематическую схему включают паразитку, промежуточную шестерню с количеством зубьев как у ведущей.
Корпус и крышка отливаются из чугуна или делаются сварными из низкоуглеродистого листа толщиной 4-10 мм, в зависимости от габаритов и мощности узла. Сварными делают маленькие редуктора. Остальные имеют крепкий литой корпус.
Цилиндрические редуктора самые шумные, при соприкосновении зубьев происходит удар поверхности одну о другую. Это исключает сильное трение и перегрев.
Для смазки достаточно залить масло в поддон, чтобы нижние шестерни в него частично погрузились. При вращении зубья захватывают масло и разбрызгивают его на другие детали.
Проектирование и порядок расчета
Расчет будущего редуктора начинается с определения передаточного момента и подборки его из нормированных пар. После этого уточняются диаметры деталей и межосевое расстояние валов. Составляется кинематическая схема, определяется оптимальная форма корпуса и крышки, номера подшипников. В сборочный чертеж входит кинематическая схема двухступенчатого редуктора, система смазки и способы ее контроля, типы подшипников и места их установки.
По размеру шестерни подбирается вал. Его прочность рассчитывается с учетом вращательного момента на скручивание и изгиб. Определяется минимальный размер, умножается на коэффициент прочности. Затем выбирается ближайший больший нормализованный размер вала. Шпонка рассчитывается только на срез и подбирается аналогично.
По диаметру вала выбирается подшипник. Его тип определяется направлением зуба. При косозубой передаче ставят упорные, более дорогие. Прямозубая передача не нагружает их в осевом направлении, и однорядные шарикоподшипники работают по несколько тысяч часов.
Схема сборки указывается на чертеже внизу и подробно расписывается в технологической документации, которая выдается в производство вместе с чертежами. На главном чертеже с общим видом в таблице указываются технические характеристики редуктора, которые затем переносятся в паспорт:
- количество ступеней;
- передаточное число;
- число оборотов ведущего вала;
- мощность на выходе;
- КПД;
- габариты;
- вес.
Дополнительно могут указываться вертикальное расположение зацепления, направление вращение вала и способ установки: фланцевый или на лапах.
Проектировочный расчет цилиндрической зубчатой передачи
Для полного и точного проектировочного расчета зубчатой цилиндрической эвольвентной передачи необходимо знать: передаточное число передачи, крутящий момент на одном из валов, частоту вращения одного из валов, суммарное машинное время работы передачи, тип передачи (прямозубая, косозубая или шевронная), вид передачи (с внешним зацеплением или внутренним), график нагрузки (режим работы – доля времени действия максимальных нагрузок), материал и термообработку шестерни и колеса, схему расположения передачи в редукторе и в общей схеме привода.
На основании вышеперечисленных исходных данных при помощи многочисленных таблиц, разнообразных диаграмм, коэффициентов, формул определяются основные параметры зубчатой передачи: межосевое расстояние, модуль, угол наклона зубьев, число зубьев шестерни и колеса, ширины зубчатых венцов шестерни и колеса.
В детальном алгоритме расчетов — около пятидесяти смысловых программных шагов! При этом часто при работе приходится возвращаться на несколько шагов назад, отменять принятые ранее решения и вновь двигаться вперед, понимая, что, возможно, придется вновь вернуться. Найденные в результате такой кропотливой работы расчетные значения межосевого расстояния и модуля необходимо в конце расчетов округлить до ближайшего большего значения из стандартизованного ряда.
Выполнение проектировочного расчета цилиндрической зубчатой передачи начинается с материала. Материалом для всех зубчатых колес выбирается Сталь40Х или Сталь45 с твердостью HRC 30…36 (для шестерни – «потверже», для колеса – «помягче», но в этом диапазоне) и допустимыми контактными напряжениями [σH]=600МПа. В практике – это наиболее распространенный и доступный материал и термообработка.
Запускаем Excel. В ячейках со светло-зеленой и бирюзовой заливкой пишем исходные данные и уточненные пользователем (принятые) расчетные данные. В ячейках со светло-желтой заливкой считываем результаты расчетов. В ячейках со светло-зеленой заливкой помещены мало подверженные изменениям исходные данные.
Заполняем ячейки исходными данными:
1. Коэффициент полезного действия передачи КПД (это КПД эвольвентного зубчатого зацепления и КПД двух пар подшипников качения) пишем в ячейку D3: 0,931
2. Значение интегрального коэффициента K, зависящего от типа передачи (смотри примечание к ячейке D4), записываем в ячейку D4: 11,5
3. Угол наклона зубьев (предварительный) bп в градусах выбираем из рекомендованного диапазона в примечании к ячейке D5 и вводим в ячейку D5: 15,000
4. Передаточное число uп, определенное в предварительных расчетах, записываем
в ячейку D6: 4,020
5. Записываем мощность на быстроходном валу передачи P1 в Ваттах в ячейку D7: 250
6. Частоту вращения быстроходного вала n1 в оборотах в минуту вводим в ячейку D8: 1320
Программа расчета зубчатой передачи выдает первый блок расчетных параметров:
7. Вращательный момент на быстроходном валу T1 в Ньютонах умноженных на метр
в ячейке D9: =30*D7/(ПИ()*D8)=1,809
T1=30*P1/(3,14*n1)
8. Мощность на тихоходном валу передачи P2 в Ваттах в ячейке D10: =D7*D3=233
P2=P1*КПД
9. Частота вращения тихоходного вала n2 в оборотах в минуту в ячейке D11: =D8/D6=328
n2=n1/uп
10. Вращательный момент на тихоходном валу T2 в Ньютонах умноженных на метр
в ячейке D12: =30*D10/(ПИ()*D11)=6,770
T2=30*P2/(3,14*n2)
11. Расчетный диаметр делительной окружности шестерни d1р в миллиметрах
в ячейке D13: =D4*(D12*(D6+1)/D6)^0,33333333=23,427
d1р=K*(T2*(uп+1)/uп )^0,33333333
12. Расчетный диаметр делительной окружности колеса d2р в миллиметрах
в ячейке D14: =D13*D6=94,175
d2р= d1р*uп
13. Максимальный расчетный модуль зацепления m(max)р в миллиметрах
в ячейке D15: =D13/17*COS (D5/180*ПИ())=1,331
m(max)р=d1р/17*cos(bп)
14. Минимальный расчетный модуль зацепления m(min)р в миллиметрах в ячейке D16: =D15/2=0,666
m(min)р=m(max)р/2
15. Выбираем модуль зацепления m в миллиметрах из диапазона рассчитанных выше значений и из стандартизованного ряда, приведенного в примечании к ячейке В17 и записываем в ячейку D17: 1,250
Далее в диалоговом режиме пользователя и программы определяем следующие основные параметры зубчатой передачи:
16. Расчетная ширина зубчатого венца колеса b2р в миллиметрах в ячейке D18: =D13*0,6=14,056
b2р= d1р*0,6
17. Округляем ширину зубчатого венца колеса b2 в миллиметрах и вводим в ячейку D19: 14,000
18. Программа определяет ширину зубчатого венца шестерни b1 в миллиметрах
в ячейке D20: =D19+4=18,000
b1=b2+4
19. Далее находится расчетное число зубьев шестерни z1р в ячейке D21: =D13*COS (D5/180*ПИ())/D17 =18,1
z1р=d1р*cos(bп)/m
20. Округляем полученное выше значение числа зубьев шестерни z1 и записываем
в ячейку D22: 19
21. Далее по аналогии — расчетное число зубьев колеса z2р в ячейке D23: =D22*D6=76,4
z2р=z1*uп
22. Округленное число зубьев колеса z2 записываем в ячейку D24: 77
23. Уточняем расчетом передаточное число (окончательное) u в ячейке D25: =D24/D22=4,053
u=z2/z1
24. Рассчитываем отклонение передаточного числа окончательного от предварительного delta в процентах и сравниваем с допустимыми значениями, приведенными в примечании к ячейке D26, в ячейке D26: =(D25/D6-1)*100=0,81
delta=u/uп-1
25. Далее программа находит расчетное межосевое расстояние зубчатой передачи awр в миллиметрах в ячейке D27: =D17*(D22+D24)/(2*COS (D5/180*ПИ())=62,117
awр=m*(z1+z2)/(2*cos(bп))
26. Округляем в большую сторону расчетное значение межосевого расстояния зубчатой передачи по стандартизованному ряду, приведенному в примечании к ячейке D28, и вводим окончательное межосевое расстояние awв миллиметрах в ячейку D28: 63,000
27. В завершение программа уточняет угол наклона зубьев зубчатой передачи b в градусах в ячейке D27: =ЕСЛИ(D5=0;0;ACOS (D17*(D22+D24)/(2*D28))/ПИ()*180)=17,753
b=arccos(m*(z1+z2)/(2*aw))
Таким образом, выполняется по упрощенной схеме проектировочный расчет зубчатой цилиндрической передачи, целью которого является определение основных габаритных параметров на основе заданных силовых.
Далее конструктору для выполнения чертежей элементов передачи необходимо выполнить геометрический расчет зацепления.
Применение цилиндрических редукторов
Благодаря высокому КПД, цилиндрические редукторы наиболее распространены. Их используют в приводах прокатных валков, металлообрабатывающих станков, мешалок и др. Нагрузка может быть равномерной, переменной, реверсивной, однонаправленной. Другие типы передач применяются, когда необходимо обеспечить особые условия: плавный ход, высокое передаточное число при небольших габаритах, угловую компоновку привода.
Редукторы применяются для следующих целей:
- ступенчатое снижение скорости вращения – коробка передач;
- бесступенчатое изменение угловой скорости – вариатор;
- преобразование низкой скорости в высокую – мультипликатор;
- совмещение с двигателем в одном блоке – мотор-редуктор.
Область применения зависит от конструктивных особенностей механизма, а также типа применяемого материала при производстве.
Достоинства цилиндрических редукторов
Группа наиболее распространена, благодаря ряду преимуществ.
- Высокий КПД, составляющий 95-98 %. С увеличением количества ступеней его величина несколько снижается. Низкие потери энергии вызваны небольшими силами трения в процессе работы.
- Высокая нагрузочная способность. При подходящих габаритах редуктор цилиндрический способен пропустить через себя и передать на расстояние значительную мощность. Конструктивные особенности механизмов не создают заеданий в зацеплениях. В большинстве устройств потерями пренебрегают, но в крупных и высокоскоростных агрегатах их необходимо учитывать.
- Незначительный люфт вала на выходе позволяет достичь высокой кинематической точности механизма.
- Отсутствие больших потерь энергии не приводит к перегреву агрегата. Основная мощность передается от привода к потребителю. На нагрев идет незначительная доля энергии, не вызывающая сильный нагрев деталей. Для большинства передач не нужны системы охлаждения.
- Надежная работа при динамических воздействиях (частые пуски, неравномерные нагрузки). В связи с этим цилиндрические редукторы широко применяются в оборудовании, где на рабочие органы действуют значительные импульсные нагрузки: дробилки, измельчители, шредеры и др. Преимущество обеспечивается за счет небольшой величины трения скольжения, благодаря которому мало изнашиваются детали. Высокий ресурс валов, передач и подшипников.
- Большой выбор устройств с разными передаточными числами.
Недостатки цилиндрических передач
Наряду с достоинствами, цилиндрический тип передач имеет недостатки.
- Одна ступень не обеспечивает большое передаточное число. Минимальное количество зубьев колеса равно 17. Это требует значительного увеличения габаритов при максимально возможных передаточных числах (до 1:12.5).
- Высокий уровень шума, создаваемого при поочередном входе в контакт пар зубьев. Простейшая конструкция, когда они прямые. Контакт здесь происходит по всей длине зуба. Это обеспечивает передачу большой мощности, но также значительный износ и повышенный шум при вращении. В косозубых зацеплениях захват каждого последующего звена производится постепенно, что снижает вибрацию и удары. При этом требуются меньшие усилия для вращения вала.
- Нет самоторможения. Наружная нагрузка может вращать выходной вал, что не всегда целесообразно. В одном случае это является недостатком, в другом – преимуществом.
- Зубчатые колеса обладают высокой жесткостью и не дают возможности компенсировать динамические нагрузки.
Редуктор коническо-цилиндрический
Данный тип редукторов относится к классическим вариантам конструкции. Его основным назначением является преобразование или изменение скорости вращения валов, как правило, от большей к меньшей. Благодаря конической конфигурации рабочих частей обеспечивается и эффективная передача крутящего усилия от одного вала к другому независимо от параметра угла подведения. Редуктор цилиндрический с конической передачей выгодно отличается от других конструкций повышенным коэффициентом полезного действия и высокой надежностью в эксплуатации. Данные качества устройства оказывают прямое влияние на технические параметры всего механизма, в котором используется данный редуктор. Например, от количества передач в механизме во многом зависит производительность всего устройства. Поэтому, в зависимости от конструктивных требований, используются одноступенчатые устройства, а также редуктора коническо цилиндрические двухступенчатые и многоступенчатые.
Описание конструкции коническо-цилиндрического редуктора
Редуктор коническо-цилиндрический состоит из пары конических колес с круговыми зубьями (быстроходная ступень) и пары цилиндрических косозубых колес. Чугунный корпус имеет разъем в горизонтальной плоскости. Опоры быстроходного вала: радиальный шариковый подшипник для восприятия наибольшей радиальной реакции, два радиально-упорных подшипника с коническими роликами для восприятия осевых нагрузок.
Конические роликоподшипники регулируют с помощью набора прокладок между крышкой и стаканам. Регулирование зацепления осуществляют набором прокладок между корпусом и стаканом на быстроходном валу и набором прокладок между крышками и корпусом на промежуточном валу. Зацепления в редукторе смазываются погружением колес в масло; подшипники — разбрызгиванием масла. К подшипникам ведущего вала масло подводится по канавкам, сделанным в плоскости разъема корпуса редуктора.
Модели коническо-цилиндрических редукторов
Узнать механизмы данного типа можно по маркировке: у всех имеется буквенное обозначение КЦ. Редукторы могут быть двухступенчатыми (КЦ-200, КЦ-250, КЦ-300, КЦ-400, КЦ-500) или трехступенчатыми (КЦ2-500, 700, 1000, 1300). Все они различаются по основным характеристикам – передаточному числу, номинальному крутящему моменту и так далее. Для защиты соединений используется прочный чугунный корпус.
Двухступенчатые модели в качестве быстроходной ступени используют коническую передачу. Крутящий момент у них составляет 520-9000 Нм, а передаточные числа могут быть от 6,3 до 28.
Трехступенчатые комбинированные редукторы имеют более высокие передаточные числа – от 28 до 180, а их номинальный крутящий момент – от 8750 до 200000 Нм. Это означает, что их можно использовать для решения более серьезных производственных задач.
Преимущества коническо-цилиндрических моделей
Редукторы комбинированного типа получили широкое распространение благодаря тому, что обладают серьезным списком достоинств. К ним относятся:
- превосходная энергоэффективность;
- высокий КПД – более 90%;
- устойчивость к высоким нагрузкам;
- длительный срок эксплуатации;
- безопасность.
За счет угловой передачи вращения достигается удобство при установке, а габариты при компоновке с двигателем достаточно невелики.