3.5 Особенности
зубчатых передач, оказывающие влияние на их расчет
В коробках скоростей и подач применяются цилиндрические зубчатые колеса с
прямыми и косыми зубьями, конические колеса с прямыми и криволинейными зубьями,
а в механизмах подач находит применение реечная передача. Коробки скоростей и
подач состоят из постоянных передач, применяемых для реверсирования вращения и
для повышения или понижения скорости в одной из структур, и передач, вводимых в
работу по мере надобности путем осевого перемещения зубчатых колес и их блоков
или муфт.
Отсюда возникает ряд специфических особенностей работы колес, валов и других
деталей коробок скоростей и подач, которые должны учитываться при расчете и
конструировании как указанных деталей, так и коробок в целом.
К числу таких особенностей можно отнести:
а) применение зубчатых колес с сравнительно большими суммарными числами
зубьев (до 120) при большом числе зубьев шестерни (до 60) [64], хотя нередки
случаи, когда применяются зубчатые колеса с небольшим числом зубьев, например z
= 14. В таком случае обязательно применение колес со смещением;
б) наличие зубчатых колес, периодически вводимых в зацепление путем осевого
перемещения отдельных колес либо их блоков. При введении в зацепление возникают
удары, вследствие чего повреждаются торцы зубьев;
в) наличие в механизмах коробок скоростей и
подач в общем случае как повышающих, так и понижающих зубчатых передач,
осуществляемых по различным кинематическим схемам. Одни и те же зубчатые колеса
могут работать как в цепи повышающих, так и понижающих передач. При расчете
межосевого расстояния следует подставлять в уравнение передаточное число для
понижающих передач большие единицы, для повышающих - меньше единицы;
г) применение зубчатых колес с малой рабочей шириной венцов. Зубчатые колеса
с большой рабочей шириной применяются, как правило, для постоянного зацепления и
только в тех случаях, Когда жесткость валов и опор достаточно большая, а
точность изготовления и монтажа зубчатых колес высокая. Применение зубчатых
колес с малой шириной венцов вызывается стремлением уменьшить расстояние между
опорами, а следовательно, сократить осевые размеры коробок с тем, чтобы
увеличить жесткость коробок, опор, валов. Кроме того, с уменьшением ширины
венцов сокращаются размеры деталей механизмов управления и сокращается время на
введение зубчатых колес в зацепление;
д) отличительной особенностью зубчатых передач коробок скоростей и подач
является то, что в каждый данный момент примерно половина зубчатых колес не
используется, а вращается вхолостую [11]. При расчетах необходимо тщательно
проанализировать продолжительность работы отдельных пар колес в течение всего
срока службы с тем, чтобы правильно рассчитать их на желательный срок службы,
выбрать необходимые материалы и термообработку так, чтобы продолжительность
работы зубчатых колес была бы приблизительно одинаковой;
е) широкое применение блоков зубчатых колес способствует уменьшению суммарной
длины ступиц и увеличивает устойчивость их на валу.
С целью уменьшения длины блоков проточки под вилки переключающих устройств
следует совмещать с проточками для выхода зуборезного инструмента или
перемещение блоков осуществлять с помощью вилок, охватывающих венец зубчатого
колеса, причем для уменьшения перекосов и сопротивления перемещению блока такой
венец по возможности должен быть меньшего диаметра;
ж) возникновение дополнительных динамических нагрузок из-за изменения режимов
резания, частых пусков, остановок, реверсирования и торможений. Дополнительные
динамические нагрузки вызывают крутильные колебания валов приводов, вибрации,
разрушающе действующие на детали передач и ухудшающие качество деталей,
изготавливаемых на станках;
з) наличие связанных колес, каждое из которых может входить в две смежные
группы передач (рисунок 3.4). Связанные зубчатые колеса являются общими для двух
смежных групп передач и, находясь на промежуточном валу трехвалового механизма,
могут входить в зацепление с зубчатыми колесами как ведущего, так и ведомого
валов. Поэтому связанное колесо может быть в цепи повышающих и -понижающих
передач.
Рисунок 3.4 - Механизм с одним связанным колесом
Просмотреть ближе
Из рассмотрения
рисунок 3.3 следует, что при различных
переключениях связанное колесо d (заштриховано) работает ведущим или ведомым, а
также паразитным.
В односвязном механизме с двумя блоками, как правило, зубчатые колеса блоков
и связанного колеса имеют одинаковые модули. Объясняется это технологическими
особенностями образования зубчатых венцов блоков и их конструкцией. Размеры
связанного колеса, исходя из условия контактной прочности рабочих поверхностей
зубьев, следует определять для того случая, когда связанное колесо является
шестерней в наиболее понижающей передаче. Понятно, что в этом случае связанным
колесом передается наибольший крутящий момент. Модуль зацепления, определенный
для этого случая, будет наибольшим, и так как связанное колесо входит в обе
группы передач, то модули зубчатых венцов блоков будут одинаковыми и равными
модулю связанного колеса. Однако возможен таком случай, когда наиболее
понижающей передачей, передающей самый большой крутящий момент, окажется,
например, передача h-р (рисунок 3.3). Тогда межосевое расстояние а, а затем и
модуль зацепления, который принимается одинаковым для всех передач обеих групп,
определяются при этих наиболее тяжелых условиях. Ширина зубчатых венцов
определяется так же, как колес соосных передач;
и) редкое применение зубчатых колес, изготовленных заодно с налом. С целью
увеличения толщины колеса между дном впадины и дном паза шлицевого отверстия,
если она менее ~2m, можно применить колеса с положительным коэффициентом
смещения х>0* пли посадочное отверстие выполнить гладким, а для передачи
крутящего момента применить торцевые кулачки на зубчатом колесе, которые будут
входить в пазы шлицевого вала;
* Колеса совмещением по старой терминологии назывались
корригированными колесами.
к) ограниченное применение косозубых цилиндрических колес, несмотря на их
очевидные достоинства по сравнению с прямозубыми. Объясняется это главным
образом тем, что в косозубом зацеплении возникают осевые усилия. Поэтому в
коробках скоростей и подач, где наибольшее число колес вводится в зацепление
путем осевого перемещения, последнее трудно осуществлять по той причине, что
перемещение колес по прямым шлицам должно сопровождаться проворачиванием валов.
Осевые силы также действуют на механизм управления.
Косозубые колеса находят основное применение для постоянного зацепления в
коробках скоростей с кулачковыми муфтами;
л) наличие паразитных зубчатых колес.
В коробках скоростей и подач эти колеса необходимы для осуществления
реверсивного движения;
м) зубчатые передачи в некоторых случаях одновременно осуществляют как
силовые, так и чисто кинематические функции, например в механизмах подач.
Поэтому должны проектироваться передачи достаточно высокой степени точности для
обеспечения постоянства мгновенного передаточного числа, понижения уровня
вибраций и шума с тем, чтобы уменьшить влияние этих факторов на качество
обрабатываемых изделий;
н) применение сменных открытых или полузакрытых передач в приводах как
главного движения, так и подач.
Зубчатые передачи коробок скоростей и подач, работающие в закрытых корпусах
при обильной смазке, рассчитываются на выносливость рабочих поверхностей зубьев
по контактным напряжениям. Этот расчет является, как правило, проектным. Расчет
на выносливость по напряжениям изгиба чаще всего имеет проверочный характер, за
исключением некоторых специфических случаев, о чем будет сказано ниже.
Расчет открытых или полузакрытых передач производится на выносливость по
напряжениям изгиба;
о) специфика расчета зубчатых передач коробок скоростей и подач заключается
также в том, что числа зубьев парных колес определяются из кинематического
расчета.
Наименьшее число зубьев шестерни силовых передач можно выбирать из тех же
соображений, которые положены в основу выбора числа зубьев обычных передач,
например редукторных. В связи с тем что частоты вращения любого ведомого вала
составляют геометрическую прогрессию со знаменателем φ, то и передаточные числа,
принимаемые для получения этих частот вращения, также должны быть геометрической
прогрессией с тем же знаменателем φ, при этом для всех передач данной
двухваловой группы должно быть z∑= z1 + z2 =
const.
Стандартные значения φ - числа дробные. Числа зубьев шестерни и колеса,
вычисленные по уравнениям
и
 ,
оказываются тоже дробными. Принимая округленные значения z1 и z2,
тем самым нарушаем как заданное значение, так и условие соосности.
По таблице [64] можно подобрать такие числа зубьев колес (вводимых в
зацепления или находящихся в постоянном зацеплении) для данной элементарной
двухваловой передачи, при которых соблюдаются два необходимых условия: а)
постоянство межцентрового расстояния, т. е. суммы чисел зубьев парных колес
(рисунок 3.4) одинаковы (при одинаковых модулях); б) принятые передаточные числа
отличаются от действительных не более чем на ± 10 (φ—1) %.
Указанным двум условиям могут удовлетворять многие комбинации чисел зубьев
шестерен. Например, трехскоростная двухваловая передача. (рис. 3.4) при
передаточных числах отдельных пар колес, равных 1,12, 1,41 и 1,78, может быть
осуществлена двадцатью различными вариантами.
В основу выбора s, а следовательно, z1 и z2 при данном и
должны быть положены, прежде всего качественные показатели работы зубчатых
зацеплений, зависящие от z1 и z2, а именно коэффициент скольжения
(удельное скольжение профилей зубьев), приведенный радиус кривизны зубьев в
точках контактной линии (контактная прочность рабочих поверхностей зубьев),
степень перекрытия, отсутствие подрезания зубьев, отсутствие заклинивания (см.
п. 3.7).
Кроме того, существенное влияние числа зубьев парных колес оказывают на
величину потерь в зацеплении, на выносливость зубьев по изгибным напряжениям.
Габариты передач, прежде всего радиальные, также зависят от чисел зубьев
парных колес;
п) наличие колес, вращающихся на валах, которые в определенные моменты работы
не передают крутящих моментов. Обычно такие колеса выполняются со сцепными
муфтами, чаще всего кулачковыми и фрикционными дисковыми. Для расчета
принимается более нагруженная пара колес;
р) зубчатые передачи коробок подач работают, как правило, при меньших
нагрузках и скоростях по сравнению с передачами коробок скоростей.
|
