Зубчатые передачи с параллельными и пересекающимися осями

Классификация передач и их краткий анализ

В этом разделе приводится классификация и анализ передач, преобразующих вращательное движение во вращательное же, но с другими параметрами. Их — подавляющее большинство в современной технике. Классификация механизмов, преобразующих вращательное движение в другие виды движений, рассматривается в курсе «Теория машин и механизмов».

Передачи классифицируются по двум главным признакам:

в зависимости от способа передачи вращения на передачи зацеплением (зубчатые, червячные, цепные, зубчатыми ремнями, винтовые) и передачи трением (фрикционные, с гладкими ремнями);
в зависимости от способа соединения ведущего и ведомого звеньев на передачи с непосредственным контактом (зубчатые, червячные, винтовые, фрикционные) и с гибкой дополнительной связью (ременные, цепные).

В связи с многовариантностью выбора передач конструктором и большой важностью именно этого первоначального обоснованного выбора типа передачи ниже приводится краткое описание передач, а также анализ их преимуществ, недостатков, перспектив, предпочтительные области применения каждой передачи. Ведь обоснованный выбор типа передачи для того или иного конкретного назначения — это творческий процесс, которым в первую очередь должен овладеть молодой специалист-конструктор. Дальнейшие расчеты передач, как бы важны они ни были, все-таки вторичны, и успех технического решения главным образом зависит от удачного выбора варианта передачи.

Итак, рассмотрим в упомянутом аспекте следующие наиболее распространенные механические передачи: зубчатые, червячные и другие передачи со скрещивающимися осями, винтовые, цепные, ременные, фрикционные, а также проведем их сравнение по основным показателям.

Зубчатые передачи появились еще в глубокой древности. В античные времена зубчатые колеса были настолько хорошо известны, что их даже стали использовать в качестве орнаментов и украшений. Деревянную зубчатую передачу сменила бронзовая, а затем и железная. Первую теорию зубчатой передачи дал еще Аристотель за три с половиной века до нашей эры (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Колесная передача, описанная Аристотелем (стрелками показано направление движения)

Рис. 2.2. Профили зубьев (зубья заштрихованы): а — циклоидальный; б — эвольвентный

Идею косозубого зубчатого колеса высказывал еще в XVII в. знаменитый английский ученый-механик Роберт Гук. Правда было замечено, что такие колеса вызывают осевые силы (рис. 2.3, а), но в XIX в. догадались совместить два косозубых колеса с противоположным направлением зубьев и получить шевронную передачу (рис. 2.3, б). Такие колеса стали применять прежде всего в прокатных станах.

Рис. 2.5. Цилиндрические зубчатые передачи: а — прямозубая внешнего зацепления; б — косозубая внешнего зацепления; в — шевронная внешнего зацепления; г — прямозубая внутреннего зацепления; д — реечная

Рис. 2.6. Цевочное колесо: 1 — диски; 2 — стержни

Кроме цилиндрических, известен с древности и другой тип зубчатых колес — конические. Если у цилиндрических колес оси параллельны друг другу, то у конических колес они пересекаются, чаще всего под прямым углом (ортогональные конические передачи). Появление конических зубчатых колес было вызвано прежде всего потребностями мельниц. Как на ветряных, так и на водяных мельницах ось двигателя (ветрового или водяного колес) располагалась горизонтально, а ось жерновов — вертикально. Стало быть, потребовалась механическая передача, передающая вращение под углом, чаще всего прямым. Первоначально малое зубчатое колесо как конических, так и цилиндрических передач выполнялось в виде цевочного колеса (рис. 2.6) — оно и сейчас сохранилось, например в часовых механизмах. Его очень легко было изготовить примитивными инструментами, так как состояло оно из двух дисков, между которыми располагались стержни. Обычно этих стержней было шесть (поскольку на шесть частей наиболее легко разделить окружность циркулем), поэтому вначале это колесо на Руси получило название «шестержня», которое затем трансформировалось в «шестерня». Так и до сих пор называется любое малое зубчатое колесо. В паре с шестерней располагалось большое, обычно цевочное же колесо, соединенное, например, с ветро-колесом, а шестерня соединялась с подвижным жерновом. Получалась примитивная коническая передача (рис. 2.7). Впоследствии, разумеется, в силовых конических передачах зубья стали профилировать чаще всего по эвольвенте, но также и по циклоиде, профилю зацепления Новикова и другим профилям, например прямолинейным. Конические зубчатые колеса могут иметь прямые зубья, в основном для малых частот вращения (рис. 2.8, а), косые зубья (редко) и круговые зубья (рис. 2.8, б). Колеса с круговыми зубьями прочнее прямозубых, плавнее работают и, как это ни парадоксально, технологичнее их. Правда, монтаж их значительно сложнее и требует гораздо большей точности, чем монтаж прямозубых колес.

Рис. 2.7. Примитивная коническая передача с цевочными колесами: 7 — большое коническое колесо с зубьями — стержнями; 2 — ведущий вал; 3 — малое цевочное колесо с шестью стержнями — «шестержня»

Рис. 2.8. Конические зубчатые передачи (стрелками показано направление движения): а — прямозубая; б — с круговым зубом

По сравнению с другими зубчатыми передачами планетарные и волновые передачи появились сравнительно недавно. Планетарную передачу предложил в 1781 г. изобретатель паровой машины Дж. Уатт, причем не совсем по ее прямому назначению, а для того, чтобы заменить кривошипно-шатунный механизм, запатентованный применительно для паровой машины другим изобретатеелем. Однако столетие спустя планетарная передача стала активно использоваться по своему прямому назначению в трансмиссиях машин.

Самой «молодой» из зубчатых передач является волновая передача. Впервые такая передача была запатентована в США инженером Массером в 1959 г. и за довольно краткий срок широко распространилась во многих областях техники.

Рис. 2.9. Схема планетарной передачи:
a — центральное колесо наружного зацепления; b — центральное колесо внутреннего зацепления; g — сателлиты; Н — водило

Планетарными называются передачи, имеющие зубчатые колеса с подвижными осями. Эти передачи (рис. 2.9) состоят из центральных колес наружного a и внутреннего b зацепления (часто используются устаревшие названия, соответственно солнечное колесо и эпицикл). Центральные колеса а и b находятся в зацеплении с сателлитами g, вращающимися вокруг осей, установленных в водиле Н, которое тоже вращается. Сателлиты, вращаясь вокруг собственных осей, вращаются, кроме того, и вокруг центрального колеса а, подобно планетам вокруг Солнца. Отсюда и название передачи.

Ведущим в планетарной передаче может быть как центральное колесо а, так и водило Н при остановленном колесе b. Можно вращать и колесо b при остановленном колесе а. При этом получаются различные передаточные отношения в одной и той же передаче. Для получения хода назад (реверса) останавливают водило Н и вращают центральные колеса — а или b. При этом и на заднем ходу получают различные передаточные отношения.

Если же вращаются и водило, и оба центральных колеса, то получают так называемую дифференциальную передачу, которая, в отличие от большинства механических передач, имеет не одну, а две степени свободы. Такие дифференциальные передачи широко применяются в автомобилях для механической связи ведущих колес как на одной оси (межколесный дифференциал), так и для связи ведущих колес на разных осях (межосевой дифференциал).

Дифференциальные передачи часто применяются совместно с механическими и немеханическими бесступенчатыми передачами, расширяя их функциональные возможности — повышая КПД или увеличивая диапазон передаточных отношений. Роль таких комбинированных передач в технике все возрастает.

Планетарные передачи могут быть одно- или многоступенчатыми и иметь передаточные отношения до 1000 и более.

Так как в планетарных передачах вращающий момент распределяется по нескольким потокам — по числу сателлитов, эти передачи получаются намного компактнее обычных зубчатых передач. Кроме того, все подшипники, кроме сателлитных, здесь разгружены от радиальных усилий. Так как водило вращается в ту же сторону, что и ведущее центральное колесо, КПД, особенно при малых передаточных отношениях, в планетарной передаче может быть чрезвычайно высок.

Все это создает большие преимущества планетарным передачам, да и вообще планетарным схемам механизмов, делая их весьма перспективными во многих отраслях машиностроения. В настоящее время планетарные передачи выполняют на мощности от нескольких ватт (приборы, сервопривод) до мегаватт (например, ветроэлектростанции) при колоссальных вращающих моментах — до5^.10⁶ Н^.м.

Волновые передачи кинематически представляют собой планетарные передачи с одним сателлитом в виде гибкого венца g (рис. 2.10). Этот гибкий венец упруго деформируется генератором волн Н (в данном случае специальным гибким подшипником l) и входит в зацепление с жестким центральным колесом b, в данном случае в двух зонах. Как видно, в зацепление входят много зубьев, до 50 % всех зубьев колеса, с чем связана высокая несущая способность волновой передачи. Ведь у обычных зубчатых передач в зацепление входят лишь 1...2 % зубьев.

b — центральное колесо; g — венец; l — подшипник; H — генератор волн; n_H — частота вращения ведущего звена; n_g — частота вращения ведомого звена

По сравнению с обычными зубчатыми передачами волновые имеют меньшие габариты и массу, даже меньшие, чем у планетарных передач на тот же момент. Они обеспечивают высокую кинематическую точность, обладают демпфирующей способностью. Специфическим свойством волновых передач является возможность передачи вращения в герметизированное пространство практически при нулевых протечках среды.

Волновые передачи способны осуществлять высокие передаточные отношения в одной ступени: например для стальных гибких колес, от минимального примерно 60 до максимального 300. При этом КПД их достаточно велик — в режиме редуктора 80...90 %, как и в планетарных передачах с тем же передаточным отношением. При работе в качестве мультипликатора КПД сильно падает.

Недостатком волновых передач является малая частота вращения генератора волн, примерно в пределах 1500...3500 мин^-1 при радиусах малых гибких колес от 125 до 25 мм соответственно. Поэтому мощность волновых передач, несмотря на высокие передаваемые моменты, не может быть высокой — от 0,1 до 48 кВт. Срок службы их тоже не очень высок — до 10⁴ часов; это всего около полутора лет при круглосуточной работе и втрое больше при 8-часовой смене.

При серийном изготовлении в специализированном производстве волновые передачи дешевле планетарных; серийно волновые редукторы общего назначения выпускаются пока только в США и Японии.

Зубчатые передачи — самые распространенные из механических передач; они обладают высокими КПД и несущей способностью; компактны, особенно планетарные и волновые, отличающиеся также плавностью и бесшумностью работы. Кроме последних, они способны передавать значительные мощности — по этому показателю им нет равных среди механических передач.

Однако зубчатые передачи требуют точного изготовления, монтажа и обязательной смазки. Особенно требовательны в этом отношении конические колеса с круговыми зубьями и планетарные передачи. Прямозубые передачи, особенно конические, создают при работе с высокими скоростями шум и динамические нагрузки на трансмиссию.

В наиболее общих случаях следует стремиться компоновать проектируемую передачу так, чтобы оси зубчатых колес были параллельны. Тогда можно применять цилиндрические зубчатые колеса — самые распространенные и простые. При невысоких линейных скоростях в зацеплении можно использовать прямозубые колеса — наиболее простые и не создающие осевых нагрузок. При высоких линейных скоростях и вращающих моментах — косозубые и шевронные, а также с арочными зубьями и с зацеплением Новикова, если прогибы валов несущественны.

Планетарные передачи, несмотря на их сложность, очень перспективны, если требуются высокая компактность и расширение функций передачи — реверс, наборы передаточных отношений. Планетарные передачи позволяют иметь высокие передаточные отношения, комбинирование с бесступенчатыми передачами, упрощенное включение передачи торможением одного из звеньев. Планетарные схемы очень перспективны для повышения КПД как зубчатых передач, так и других, например фрикционных.

Волновые передачи следует использовать в сервоприводах и других случаях, не требующих высоких мощностей и частот вращения. В частности, если требуется высокая компактность передачи, точность и плавность работы, а также возможность передачи вращения в герметизированное пространство. Волновые передачи, если позволяет компоновка, следует смелее использовать вместо червячных передач (см. ниже) средней мощности в сервоприводах, лебедках, мотор-редукторах с высокими передаточными отношениями и других случаях, так как первые намного компактнее и имеют несравнимо высокий КПД.

Конические зубчатые передачи следует применять только в том случае, если нет возможности использовать цилиндрические.

Прямозубые конические колеса сложны в изготовлении, годны только для тихоходных передач, а с круговыми зубьями — технологичны, но очень сложны в компоновке и монтаже. Приводов с непрямозубыми коническими колесами следует особенно избегать, если нет надежной поставки запасных колес.

В автомобилестроении идут на то, что ставят двигатель машины «поперек», чтобы только иметь цилиндрическую главную передачу и избежать конических и гипоидных передач (см. ниже).

Но если уже принято решение создавать привод с конической передачей, особенно непрямозубой, следует иметь в виду, что для её реальных расчетов нужны соответствующие компьютерные программы, а для изготовления — сложные специализированные станки, которых не так уж много.