Цепная передача состоит из цепи и двух звездочек — ведущей 1 (рис. 190) и ведомой 2, работает без проскальзывания и снабжается натяжными и смазочными устройствами.

Рис. 190

Цепные передачи дают возможность передавать движение между валами в значительном, по сравнению с зубчатыми передачами, диапазоне межосе­вых расстояний; имеют достаточно высокий КПД равный 0,96...0,97; ока­зывают меньшую, чем в ременной передаче, нагрузку на вал; одной цепью передают вращение нескольким звездочкам (валам).

К недостаткам цепных передач относятся: некоторая неравномерность хода, шум при работе, необходимость тщательного монтажа и ухода; необ­ходимость регулировки натяжения цепи и своевременной смазки; быстрый износ шарниров цепи; высокая сто­имость; вытягивание цепи в период эксплуатации и т. д.

Наибольшее распространение цепные передачи получили в раз­личных станках, велосипедах и мо­тоциклах, в подъемно-транспортных машинах, лебедках, в буровом оборудовании, в ходовых механиз­мах экскаваторов и кранов и осо­бенно в сельскохозяйственных ма­шинах. Так, например, в самоходном зерновом комбайне С-4 имеется 18 цепных передач, приводящих в движение целый ряд его рабочих органов. Цепные передачи часто встречаются и на предприятиях текстильной и хлопчатобумажной промышленности.

Детали цепных передач

Звездочки. Работа цепной передачи во многом зависит от качества звездочек: точности их изготовления, каче­ства поверхности зубьев, материала и термообработки.

Конструктивные размеры и форма звездочек зависят от параметров вы­бранной цепи и передаточного отношения, определяющего число зубьев меньшей ведущей звездочки. Параметры и качественные характеристики звездочек установлены ГОСТ 13576-81. Звездочки роликовых и втулочных цепей (рис. 191, I) профилируют по ГОСТ 591-69.

Рис. 191

Рабочий профиль зуба звездочки для роликовых и втулочных цепей очерчен дугой, соответствующей окружности. Для зубчатых цепей рабочие профили зубьев звездочек прямолинейны. В поперечном сечении профиль звездочки зависит от числа рядов цепи.

Материал звездочек должен быть износостойким, способным сопротив­ляться ударным нагрузкам. Звездочки изготовляют из сталей 40, 45, 40Х и других с закалкой до твердости HRC 40...50 или цементируемой стали 15, 20, 20Х и других с закалкой до твердости HRC 50.. .60. Для звездочек тихоходных передач применяют серый или модифицированный чугун СЧ 15, СЧ 20 и др.

В настоящее время применяют звездочки с зубчатым венцом, изготов­ленным из пластмасс. Эти звездочки характеризуются пониженным изно­сом цепи и малым шумом при работе передачи.

Цепи. Цепи изготовляют на специальных заводах, а их конструкция, размеры, материалы и другие показатели регламентированы стандартами. По своему назначению цепи разделяют на следующие типы:

• грузовые цепи, (рис. 192,I) служащие для подвески, подъема и опу­скания грузов. Применяются главным образом в грузоподъемных машинах;
• тяговые цепи (рис. 192, II), служащие для перемещения грузов в транспортирующих машинах;
• приводные цепи, служащие для передачи механической энергии от одного вала к другому.

Рис. 192

Рассмотрим несколько подробнее приводные цепи, применяемые в цеп­ных передачах. Различают следующие виды приводных цепей: роликовые, втулочные, зубчатые и крючковые.

Роликовые цепи (рис. 192, III) состоят из чередующихся наружных и внутренних звеньев, которые имеют относительную подвижность. Звенья выполнены из двух пластин, напрессованных на оси (наружные звенья) или на втулки (внутренние звенья). Втулки надеты на оси сопряженных звень­ев и образуют шарниры. Чтобы уменьшить износ звездочек при набегании на них цепей, на втулки надевают ролики, которые заменяют трение сколь­жения трением качения (рис. 191, II и III).

Оси (валики) цепей расклепывают и звенья становятся неразъемными. Соединение концов цепи производят: при четном числе звеньев — соедини­тельным звеном, а при нечетном — переходным.

При больших нагрузках и скоростях с целью уменьшения шага и диаме­тра звездочек применяют многорядные роликовые цепи.

Роликовые цепи с изогнутыми пластинами (рис. 192, IV) состоят из одинаковых звеньев, подобных переходному звену. Эти цепи применяются тогда, когда передача работает с ударной нагруз­кой (реверсирование, толчки). Деформирование пластин способствует га­шению ударов, которые возникают при входе цепи в зацепление со звез­дочкой.

Втулочные цепи (рис. 192, V) по своей конструкции не отличаются от предыдущих, но не имеют роликов, что приводит к усилению износа зу­бьев. Отсутствие роликов удешевляет цепь и уменьшает ее массу.

Втулочные цепи, так же как и роликовые, могут быть однорядными и многорядными.

Зубчатые (бесшумные) цепи (рис. 192, VI) состоят из набора пла­стин с зубьями, шарнирно соединенных в определенной последователь­ности. Эти цепи обеспечивают плавность и бесшумность работы. Их применяют при значительных скоростях. Зубчатые цепи сложнее и до­роже роликовых и требуют особого ухода. Рабочими гранями пластин, воспринимающих давление от зубьев звездочки, служат плоскости зу­бьев, расположенные под углом 60°. Чтобы обеспечить достаточную из­носостойкость, рабочие поверхности пластин закаливают до твердости Н RC 40...45.

Для того чтобы исключить соскальзывание зубчатых цепей со звездочек при работе, их снабжают направляющими пластинами (боковыми или вну­тренними).

Крючковые цепи (рис. 192, VII) состоят из одинаковых звеньев специ­альной формы и не имеют никаких дополнительных деталей. Соединенней разъединение звеньев осуществляются при взаимном наклоне на угол при­близительно 60°.

Втулочно-штыревые цепи (рис. 192, VIII) собирают из звеньев с помощью штырей, изготовляемых из стали СтЗ. Штифты расклепывают, а в соединительных звеньях их фиксируют шплинтами. Эти цепи находят большое применение в сельскохозяйственном машиностроении.

Для обеспечения хорошей работоспособности цепи материалы ее элемен­тов должны быть износостойкими и прочными. Для пластин используют сталь 50 и 40Х и закалкой до твердости HRC35...45, для осей, валиков и втулок — сталь 20Г, 20Х и др. при твердости HRC54...62-, для роликов — сталь 60Г при твердости HRС48...55.

В связи с износом шарниров цепь постепенно вытягивается. Регулирова­ние натяжения цепи обеспечивается перемещением оси одной из звездочек, применением регулирующих звездочек или роликов. Обычно натяжные ус­тройства позволяют компенсировать удлинение цепи в пределах двух зве­ньев, при большей вытяжке цепи для звена ее удаляют.

Долговечность цепи во многом зависит от правильного применения смазки. При скорости цепи (v) равной или менее 4 м/с применяют пери­одическую смазку, которая осуществляется ручной масленкой через каждые 6...8 ч. При v s 10 м/с применяют смазку масленками-капельницами. Более совершенна смазка окунанием цепи в масляную ванну. При этом погружение цепи в масло не должно превышать ширины пластины. В мощных быстроходных передачах применяют циркуляционную струй­ную смазку от насоса.

Рис. 182

Рис. 183

К достоинствам ременных передач относятся: возможность передачи вращательного движения на большие расстояния (до 15 м): простота конст­рукции и малая стоимость; плавность хода и безударность работы; легкость ухода и обслуживания.

Однако ременные передачи громоздки, недолговечны в быстроходных механизмах, не позволяют получать постоянного передаточного отношения из-за проскальзывания ремня, создают повышенные нагрузки на валы и опоры (подшипники), так как суммарное натяжение ветвей ремня значи­тельно больше окружной силы передачи. Кроме того, во время эксплуата­ции ременной передачи не исключена возможность соскакивания и обрыва ремня, поэтому эти передачи нуждаются в постоянном надзоре.

Типы плоскоременных передач

В зависимости от расположения осей шкивов и назначения различаются следующие типы плоскоременных передач:

• открытая передача — при параллельных осях и вращении шкивов в одном направлении (рис. 184, I);
• перекрестная передача — при параллельных осях и враще­нии шкивов в противоположных направлениях (рис. 184, II);
• полуперекрестная передача — при перекрещивающихся осях (рис. 184, III);
• угловая передача — при пересекающихся осях (рис. 184, IV); передача со ступенчатыми шкивами (рис. 184, V), позволяющая изменять угловую скорость ведомого вала при постоянной скорости ведущего. Ступени шкивов располагаются так, чтобы меньшая ступень одного шкива находилась против большей ступени другого и т. д. Для изменения скорости ведомого шкива ремень перекидывают с одной па­ры ступеней на другую;
• передача с холостым шкивом (рис. 184, VI), позволяющая остановить ведомый вал при вращении ведущего. На ведущем валу насажен широкий шкив 1, а на ведомом два шкива: рабочий 2, который соединен с ва­лом при помощи шпонки, и холостой 3, свободно вращающийся на валу. Ре­мень, связывающий шкивы, можно на ходу перемещать, соединяя шкив 1 со шкивами 2 или 3, соответственно включая или выключая ведомый вал;
• передача с натяжным роликом, обеспечивающая автома­тическое натяжение ремня и увеличение угла обхвата ремнем меньшего шкива (рис. 184, VII).

Рис. 184

Плоскоременная передача проста по своей конструкции, применяется при больших межосевых расстояниях (до 15 м) и высоких скоростях (до 100 м/с) при пониженной долговечности.

Клиноременная передача

В клиноременной передаче гибкая связь осуществляется приводным ремнем трапецевидного сечения с углом профи­ля ? равном 40° (в недеформированном состоянии). По сравнению с плос­ким ремнем клиновидный ремень передает большие тяговые усилия, но пе­редача с таким ремнем имеет пониженный КПД.

Клиноременные передачи целесообразно использовать при больших пе­редаточных отношениях, малых межосевых расстояниях и вертикальном расположении осей валов. Скорость ремней клиноременной передачи не должна превышать 30 м/с. В противном случае клиновидные ремни будут вибрировать.

Клиновидные ремни для приводов общего назначения стандартизирова­ны ГОСТ 1284.1-89.

При монтаже клиноременной передачи особое внимание обращают на пра­вильность III установки клиновидного ремня в канавке обода шкива (рис. 185).

Рис. 185

Детали ременных передач

Приводные ремни. Любой при­водной ремень служит тяговым органом. Он должен обладать определенной тяговой способностью (передавать заданную нагрузку без пробуксовывания), иметь достаточную прочность, долговечность, износостойкость, хорошее сцепление со шкивом и невысокую стоимость.

Плоские ремни изготовляют раз­ной ширины, конструкции и из раз­личных материалов: хлопчатобу­мажных, прорезиненных, шерстя­ных тканей и кожи. Выбор материа­ла для ремней обусловлен условия­ми работы (атмосферные влияния, вредные пары, температурные из­менения, ударные нагрузки и т. п.) и тяговой способностью. Приводные ремни (прорезиненные) стандарти­зированы.

Клиновидные ремни бывают двух типов: кордтканевые и кордшнуровые. В кордтканевых ремнях (рис. 186, I) корд выполнен в виде нескольких слоев кордткани с основой в виде крученых шнуров толщиной 0,8—0,9 мм. В кордшнуровых ремнях (рис. 186, II) корд состоит из одного слоя кордшнура, намотанного по винтовой линии и заключенного в тонкий слой резины для уменьшения трения. Эти ремни используются в быстро­ходных передачах и являются гибкими, надежными и долговечными.

Рис. 186

Примечание. Корд — прочная крученая нить из хлопчатобумажного или искусствен­ного волокна.

В последние годы в отечественном машиностроении все больше стали при­менять зубчатые (полиамидные) ремни. Эти ремни сочетают в своей конструк­ции все преимущества плоских ремней и зубчатых зацеплений (рис. 187). На рабочей поверхности ремней 4 имеются выступы, которые входят в зацепле­ние в выступами на шкивах 1,2 и З. Полиамидные ремни пригодны для высо­коскоростных передач, а также для передач с небольшим межосевым рассто­янием. Они допускают значительные перегрузки, очень надежны и прочны.

Рис. 187

Концы ремней соединяют склейкой, сшивкой и металлическими соединителями. Склейку однородных ремней (кожаных) осуществляют по косому срезу на длине, рав­ной 20...25-кратной толщине ремня (рис. 188, I), а слойных ремней — по ступенчатой поверхности с числом ступеней не менее трех (рис. 188, II). Места соединения прорезинен­ных ремней после склеивания вулканизиру­ют.

Сшивку применяют для ремней всех типов. Она производится посредством жиль­ных струн или ушивальниками-ремешками из сыромятной кожи (рис. 188, III). Более со­вершенной и надежной считают сшивку встык жильными струнами с наклонными проколами (рис. 188, IV).

Рис. 188

Механические соединители применяют для всех ремней, кроме быстро­ходных. Они позволяют осуществить быстрое соединение, но увеличивают его массу (рис. 188, V). Особенно хорошую работу обеспечи­вают шарнирные соединения проволочными спиралями (рис. 188, VI). Спи­рали продевают через ряд отверстий, и после прессования они обжимают ремень. Шарнир создается в результате совмещения спиралей и продевания через них оси.

Шкивы. Для плоских ремней наиболее приемлемой формой поверх­ности шкива является гладкая цилиндрическая поверхность (рис. 189,I).

Рис. 189

Для центрирования ремня поверхность ведомого шкива делают выпук­лой, а ведущего — цилиндрической (при v <= 25 м/с оба шкива делают вы­пуклыми).

Для клиновидных ремней рабочей поверхностью служат боковые сторо­ны клиновых канавок (рис. 189, II) в ободе шкивов. Число и размеры этих канавок определяются профилем ремня и числом ремней.

Шкивы выполняют литыми из чугуна, алюминиевых сплавов, пластиче­ских масс и сварными из стали. Чугунные шкивы бывают цельными и разъ­емными, состоящими из двух половин, которые у обода и втулки скрепля­ются болтами. Разъемные шкивы можно легко снимать с вала, не поднимая вал с подшипников.

Рис. 180

Ведущим звеном обычно является червяк. Обратная передача встречает­ся редко, так как она имеет очень низкий КПД.

Червяк — это винт с резьбой, нарезанной на цилиндре (архимедов, конволютный или эвольвентный червяк — рис. 180, I) или глобоиде (рис. 180, II). Архимедов червяк представляет собой цилиндрический винт с трапецеи­дальным профилем резьбы. В торцовом сечении витки этого червяка очерче­ны архимедовой спиралью. Глобоидный червяк представляет собой винт, на­резанный на поверхности тора (глобоида). Передача с таким червяком назы­вается глобоид ной. Элементы червяка аналогичны элементам резьбы.

Червячные колеса бывают с прямыми и чаще с косыми зубьями и отличаются от цилиндрических зубчатых колес несколько видоизменений формой зуба. Зуб червячного колеса охватывает червяк по дуге, ограниченной углом 2 у, который выбирают в пределах 90... 110°. Элементы червячного коле­са в основном аналогичны элементам цилиндрического зубчатого колеса.

Червячные передачи позволяют получать большие передаточные отно­шения (до 300, а иногда и более); обеспечивают плавность зацепления, ком­пактны и бесшумны в работе. К недостаткам червячной передачи относятся сравнительно низкий КПД; сильный нагрев при продолжительной работе и, как следствие, быстрый износ элементов; высокая стоимость материала (бронзы) червячного колеса и др.

На рис. 181, где: 1 — рукоятка включения и выключения реечного меха­низма; 2 — зубчатое колесо, сидящее на валике-колесе; 3 — зубчатый ва­лик-колесо, катящийся по рейке; 4 — зубчатое колесо, перемещающееся по шлицевому валу; 5 — червячное колесо; 6 — маточная гайка; 7 — зубчатая рейка; 8 — ходовой винт; 9 — ходовой валик; 10 — рукоятка маточной гай­ки; 11 — червяк; 12 — рукоятка механической подачи суппорта; 13 — ма­ховик продольной подачи, приведен в качестве примера механизм фартука токарного станка.

Рис. 181

Материалы деталей зубчатых и червячных передач

Материалы де­талей зубчатых и червячных передач подбираются таким образом, чтобы обеспечить необходимую стойкость рабочих поверхностей зубьев против крошения и заедания.

Основными материалами для зубчатых колес служат термически обраба­тываемые стали; реже применяют чугуны и пластические массы. Наиболь­шее распространение для средних нагрузок получили качественные углеро­дистые стали 35, 40, 50Г и легированные стали 40Х, 45ХН с термической обработкой. В ответственных передачах применяют стали 40ХНМА. Зубча­тые колеса из чугуна (СЧ 20 ... СЧ 35) используют в тихоходных и малона- груженных передачах.

Червячные колеса преимущественно изготовляют из бронзы — БрАЖ-9- 4 или БрОФ-10-1. Для малоответственных тихоходных передач применяют чугун. Червяки изготовляют из углеродистых и легированных сталей. Чер­вяк подвергают термообработке (цементации, закалке и др.) с последующей шлифовкой или полировкой.

Зубчатое колесо, сидящее на передающем вращение валу, называется веду­щим, а на получающем вращение — ведомым. Меньшее из двух колес со­пряженной пары называют шестерней; большее — колесом; тер­мин «зубчатое колесо» относится к обеим деталям передачи.

Зубчатые передачи представляют собой наиболее распространенный вид передач в современном машиностроении. Они очень надежны в работе, обеспечивают постоянство передаточного числа, компактны, имеют высо­кий КПД, просты в эксплуатации, долговечны и могут передавать любую мощность (до 36 тыс. кВт).

К недостаткам зубчатых передач следует отнести: необходимость высо­кой точности изготовления и монтажа, шум при работе со значительными скоростями, невозможность бесступенчатого изменения передаточного числа.

В связи с разнообразием условий эксплуатации формы элементов зубча­тых зацеплений и конструкции передач весьма разнообразны.

Зубчатые передачи классифицируются по признакам, приведенным ниже.

1. По взаимному расположению осей колес: с па­раллельными осями (цилиндрическая передача — рис. 172, I—IV); с пере­секающимися осями (коническая передача — рис. 172, V, VI); со скрещива­ющимися осями (винтовая передача — рис. 172, VII; червячная передача — рис. 172, VIII).
2. В зависимости от относительного вращения колес и расположения зубьев различают передачи с внеш­ним и внутренним зацеплением. В первом случае (рис. 172, I—III) враще­ние колес происходит в противоположных направлениях, во втором (рис. 172, IV) — в одном направлении. Реечная передача (рис. 172, IX) служит для преобразования вращательного движения в поступательное.
3. По форме профиля различают зубья эвольвентные (рис. 172, I, II) и неэвольвентные, например цилиндрическая передача Новикова, зу­бья колес которой очерчены дугами окружности.
4. В зависимости от расположения теоретичес­кой линии зуба различают колеса с прямыми зубьями (рис. 173, I), косыми (рис. 173, II), шевронными (рис. 173, III) и винтовыми (рис. 173, IV). В непрямозубых передачах возрастает плавность работы, уменьшается износ и шум. Благодаря этому непрямозубые передачи большей частью применяют в установках, требующих высоких окружных скоростей и пере­дачи больших мощностей.
5. По конструктивному оформлению различают закры­тые передачи, размещенные в специальном непроницаемом корпусе и обес­печенные постоянной смазкой из масляной ванны, и открытые, работаю­щие без смазки или периодически смазываемые консистентными смазками (рис. 174).
6. По величине окруж­ной скорости различают: тихо­ходные передачи (v равной до 3 м/с), среднескоростные (v равной от 3... 15 м/с) и быстроходные (v более 15 м/с).

Рис. 172

Рис. 173

Рис. 174

Основы теории зацепления

Боковые грани зубьев, соприкасаю­щиеся друг с другом во время враще­ния колес, имеют специальную кри­волинейную форму, называемую про­филем зуба. Наиболее распространен­ным в машиностроении является эвольвентный профиль (рис. 175).

Рис. 175

Придание профилям зубьев зубча­тых зацеплений таких очертаний не является случайностью. Чтобы зубья двух колес, находящихся в зацепле­нии, могли плавно перекатываться один по другому, необходимо было вы­брать такой профиль для зубьев, при котором не происходило бы перекосов и защемления головки одного зуба во впадине другого.

На рис. 176 изображена пара зубчатых колес, находящихся в зацепле­нии. Линия, соединяющая центры колес О₁ и О₂ называется линией центров или межосевым расстоянием — a_w.

Рис. 176

Точка Р касания начальных окружностей d_W1 и d_W2 — полюс — все­гда лежит на линии центров. Начальными называются окружнос­ти, касающиеся друг друга в полюсе зацепления, имеющие общие с зуб­чатыми колесами центры и перекатывающиеся одна по другой без сколь­жения.

Если проследить за движением пары зубьев двух колес с момен­та, когда они впервые коснутся друг друга до момента, когда они выйдут из зацепления, то ока­жется, что все точки касания их в процессе движения будут лежать на одной прямой NN. Прямая NN, проходящая через полюс за­цепление Р и касательная к ос­новным* окружностям db₁, db₂, двух сопряженных колес, назы­вается линией зацепле­ния. Отрезок g_a линии зацепле­ния, отсекаемый окружностями выступов сопряженных колес, — активная часть линии зацепле­ния, определяющая начало и ко­нец зацепления пары сопряжен­ных зубьев.

Линия зацепления представ­ляет собой линию давления со­пряженных профилей зубьев в процессе эксплуатации зубча­той передачи.

Угол ?_w между линией зацеп­ления и перпендикуляром к ли­нии центров O₁О₂ называется углом зацепления. В основу профилирования эвольвентных зубьев и инструмента для их на­резания положен стандартный по ГОСТ 13755-81 исходный контур так называемой рейки, равный 20°.

Во время работы цилиндри­ческой прямозубой передачи сила давления Р_n ведущей шес­терни O₁ в начале зацепления передается ножкой зуба на со­пряженную боковую поверх­ность (контактную линию) головки ведомого колеса О₂. Чем больше пара зубьев одновременно находится в зацеплении, тем более плавно работает передача, тем меньшую нагрузку воспринимает на себя каждый зуб.

Стремление сделать зубчатую передачу более компактной вызывает не­обходимость применять зубчатые колеса с возможно меньшим числом зубь­ев. Изменение количества зубьев зубчатого колеса влияет на их форму (рис. 177). При увеличе­нии числа зубьев до бесконечно­сти  колесо превращается в рейку и зуб приобретает пря­молинейное очертание. С умень­шением числа зубьев одновре­менно уменьшается толщина зу­ба у основания и вершины, а так­же увеличивается кривизна эвольвентного профиля, что приводит к уменьшению проч­ности зуба на изгиб. При умень­шении числа зубьев, когда z < z_mim, происходит так называе­мое подрезание зубьев, то есть явление, когда зубья большого колеса при вращении заходят в область ножки меньшего колеса (см. заштрихованная площадь на рис. 177), тем самым ослабляя зуб в самом опасном сечении, увеличивая износ зубьев и снижая КПД передачи.

Рис. 177

На практике подрезку зубьев предотвращают прежде всего выбором со­ответствующего числа зубьев. Наименьшее число зубьев (z_min), при кото­ром еще не происходит подрезание, рекомендуется выбирать от 35 до 40 при равном 15° и от 18 до 25 при ?_w равном 20°.

В отдельных случаях приходится выполнять передачу с числом зубьев меньшим, чем рекомендуется, при этом производят исправление, или, как говорят, корригирование формы зубьев. Один из таких способов заключает­ся в изменении высоты головки и ножки зуба до h_a = 0,8m; h_f = m. Этот спо­соб исключает подрезку, но увеличивает износ зубьев.

Теперь обратимся к изложению основной теоремы зацепления: общая нормаль (линия зацепления NN) к сопряженным профилям зубьев делит межосевое расстояние ( ?_w= О₁О₂) на отрезки (О₁Р и 0₂Р), обратно пропор­циональные угловым скоростям (w₁ и w₂). Если положение точки Р (полю­са зацепления) неизменно в любой момент зацепления, то передаточное от­ношение — отношение частоты вращения ведущего колеса к частоте враще­ния ведомого — будет постоянным.

0₂Р / O₁P = w₁/w₂ = i = const.

4.3. Основные элементы зубчатых зацеплений. При изменении осевого расстояния ?_w = О₁О₂ пары зубчатых колес будет меняться и положение по­люса зацепления Р на линии центров, а следовательно, и величина диаметров начальных окружностей, то есть у пары сопряженных зубчатых колес может быть бесчисленное множество начальных окружностей. Следует отметить, что понятие начальные окружности относится лишь к паре со­пряженных зубчатых колес. Для отдельно взятого зубчатого колеса нельзя говорить о начальной окружности.

Если заменить одно из колес зубчатой рейкой, то для каждого зубчатого колеса найдется только одна окружность, катящаяся по начальной прямой рейке без скольжения, — эта окружность называется делительной.

Примечание. В настоящей книге рассматриваются зубчатые передачи, у которых на­чальные и делительные окружности совпадают.

Так как у каждого зубчатого колеса имеется только одна делительная ок­ружность, то она и положена в основу определения основных параметров

зубчатой передачи по ГОСТ 16530- 83 и ГОСТ 16531-83 (рис. 178)

Рис. 178

Основные параметры зубчатых колес:

1.  Делительными окружностя­ми пары зубчатых колес называ­ются соприкасающиеся окружно­сти, катящиеся одна по другой без скольжения. Эти окружности, на­ходясь в зацеплении (в передаче), являются сопряженными. На чер­тежах диаметр делительной ок­ружности обозначают буквой d.

2.  Окружной шаг зубьев Р_t — расстояние (мм) между одноимен­ными профильными поверхностя­ми соседних зубьев. Шаг зубьев, как нетрудно представить, равен делительной окружности, разде­ленной на число зубьев z.

3.  Длина делительной окруж­ности. Модуль. Длину делитель­ной окружности можно выразить через диаметр и число зубьев: Пd = P_t • r. Отсюда диаметр делитель­ной окружности d = (Рt • z)/П.

Отношение P_t/П называется модулем зубчатого зацепления и обозначается буквой т. Тогда диаметр дели­тельной окружности можно выразить через модуль и число зубьев d = m • z. Отсюда m = d/z.

Значение модулей для всех передач — вели­чина стандартизированная.

Для понимания зависимости между вели­чинами Р_t т и d приведена схема на рис. 178, II, где условно показано размещение всех зубь­ев 2 колеса по диаметру ее делительной окруж­ности в виде зубчатой рейки.

4. Высота делительной головки зуба h_a — расстояние между делительной окружностью колеса и окружностью вершин зубьев.

5. Высота делительной ножки зуба h_f — расстояние между делительной окружностью колеса и окружностью впадин.

6.     Высота зуба h — расстояние между ок­ружностями вершин зубьев и впадин цилинд­рического зубчатого колеса h = h_a + h_f..

7. Диаметр окружности вершин зубьев d_a — диаметр окружности, ограничивающей вершины головок зубьев.

8. Диаметр окружности впадин зубьев d_f — диаметр окружности, прохо­дящей через основания впадин зубьев.

При конструировании механизма конструктор рассчитывает величину модуля т для зубчатой передачи и, округлив, подбирает модуль по таблице стандартизированных величин. Затем он определяет величины остальных геометрических элементов зубчатого колеса.

Зубчатые передачи с зацеплением M.Л. Новикова

В этом зацепле­нии профиль зубьев выполняется не по эвольвенте, а по дуге окружности или по кривой, близкой к ней (рис. 179).

Рис. 179

При зацеплении выпуклые зубья одного из колес контактируют с вогнуты­ми зубьями другого. Поэтому площадь соприкосновения одного зуба с другим в передаче Новикова значительно больше, чем в эвольвентных передачах. Касание сопряженных профилей теоретически происходит в точке, поэтому данный вид зацепления называют точечным.

При одинаковых с эвольвентным зацеплением параметрах точечная систе­ма зацепления с круговым профилем зуба обеспечивает увеличение контакт­ной прочности, что в свою очередь позволяет повысить нагрузочную способ­ность передачи в 2...3 раза по сравнению с эвольвентной. Взаимодействие зу­бьев в сравниваемых передачах также различно: в эвольвентном зацеплении преобладает скольжение, а в зацеплении Новикова — качение. Это создает благоприятные условия для увеличения масляного слоя между зубьями, уменьшения потерь на трение и увеличения сопротивления заеданию.

К достоинствам зацепления Новикова относятся возможность примене­ния его во всех видах зубчатых передач: с параллельными, пересекающи­мися и скрещивающимися осями колес, с внешним и внутренним зацепле­нием, постоянным и переменным передаточным отношением. Потери на трение в этой системе зацепления примерно в 2 раза меньше потерь в эвольвентном зацеплении, что увеличивает КПД передачи.

К основным недостаткам передач с зацеплением Новикова относятся: технологическая трудоемкость изготовления колес, ширина колес должна быть не менее 6 модулей и др. В настоящее время передачи с зацеплением Новикова находят применение в редукторах больших размеров.

Фрикционная передача состоит из двух колес (катков) — ведущего и ве­домого, которые прижаты друг к другу с заданной силой. При вращении од­ного из катков, например, ведущего приходит в движение ведомый, благо­даря возникающей силе трения.

Условие работоспособности передачи Т_mp >= F,

где: F — передаточное окружное усилие;

Т_mp — сила трения в месте контакта.

Примечание. Окружное усилие — сила, которая вращает шкив, коленчатый вал, ма­ховик и т. д., направленная по касательной к окружности, по которой движется точка приложения этой силы. Определяют окружное усилие по формуле F = М/r,

где: М — вращающий момент;

r — расстояние от точки приложения окружного усилия до оси вращения.

Если это условие нарушается, то возникает буксование, то есть ведомый каток не вращается, а ведущий скользит по нему.

Передаточное число фрикционной передачи — отношение угло­вых скоростей ведущего и ведомого валов — не может быть строго постоян­ным, так как всегда существует относительное проскальзывание катков, изменяющееся в зависимости от нагрузки.

Различают фрикционные передачи с условно постоянным передаточным числом между валами с параллельными пересекающимися осями и переда­чи с переменным передаточным числом (вариаторы) без промежуточного звена и с промежуточным звеном.

В зависимости от условий работы фрикционные передачи подразделяют на открытые, работающие всухую, и закрытые, работающие в масле. Коэф­фициент трения в открытых фрикционных передачах выше, а прижимное усилие катков меньше. В закрытых фрикционных передачах масляная ван­на делает скольжение менее опасным, кроме того, обеспечивается отвод тепла и увеличивается долговечность передачи.

Фрикционные передачи обладают рядом достоинств, основными из кото­рых являются: простота и бесшумность работы; равномерность вращения колес; возможность регулирования скорости (без остановки передачи); не­большая стоимость колес (катков).

К недостаткам фрикционных передач относятся значительные нагрузки на валы и подшипники, непостоянство передаточного числа, сравнительно низкий КПД, наравномерный износ рабочих поверхностей колес.

Фрикционные передачи широко используются в различных отраслях промышленности. Их часто применяют в приводах конвейеров, в свароч­ных и литейных машинах, в металлорежущих станках и др.

Для колес применяют следующие сочетания износостойких материалов с высоким коэффициентом трения и модулем упругости: закаленная сталь по закаленной стали (такое сочетание обеспечивает высокий КПД, не требу­ет изготовления передачи с высоким классом шероховатости поверхности); чугун по стали или чугуну (в этом случае рабочим поверхностям придают большую твердость, для чего отбеливают поверхность чугунных колес).

Типы фрикционных передач

Цилиндрическая фрик­ционная передача. На ведущем 2 (рис. 167) и ведомом 1 валах на­сажены на шпонках два катка. Подшипники вала 1 установлены непо­движно, а подшипники вала 2 позволяют перемещаться валу по направле­нию линии центров передачи. Если привести во вращение ведущий вал 2, то вместе с ним будет вращаться и ведущий диск. Ведомый диск не будет вращаться до тех пор, пока не будет пре­одолено полезное сопротивление на валу 1 — вращающий момент и сопротивле­ние трения в подшипниках. Но так как подшипники ведущего вала выполнены плавающими и находятся под действием пружины сжатия, то этим самым обеспе­чивается прижимное усилие Т, а следо­вательно, и вращение ведомого вала.

Рис. 167

Рис. 168

Коническая фрикционная передача. Катки передачи (рис. 168) представляют собой усеченные конусы, которые соприкасаются по общей образу­ющей. При осевом сжатии конусов на их образующих в месте контакта возникает сила трения, которая и увлекает во враще­ние ведомый каток и вал. Для правильной работы передачи необходимо, чтобы кону­сы имели общую вершину, являющуюся точкой пересечения осей катков.

Вариаторы

Вариаторы — переда­чи, посредством которых можно плавно, бесступенчато изменять передаточное число. По форме тел вращения вариаторы бывают лобовые, конусные, торовые и др.

Лобовые вариаторы (рис. 169) применяются в винтовых прессах и приборах. В наиболее простом из них (рис. 169, I) ведущий ролик катится по торцовой поверхности большо­го диска и передает ему вращение. Движение можно передавать и в обрат­ном направлении — от диска к ролику. Для регулирования скорости враще­ния ролик передвигают вдоль диска. Передаточное отношение в таких ва­риаторах равно i = R₁/R₂,

где: R₁ и R₂ — радиусы колес.

В более сложном плоском вариаторе (рис. 169, II) между дву­мя большими дисками вращается передвижной ролик. Один диск веду­щий, другой — ведомый. Ролик служит промежуточным звеном, переда­ющим вращение. При регулировании скорости ролик перемещают вдоль обоих дисков, причем, приближаясь к центру одного из них, он в то же са­мое время удаляется от центра другого. Поэтому изменение передаточно­го отношения и плавное регулирование скоростей вращения производит­ся быстрее и в более широких пределах, чем в вариаторе с одним диском.

Рис. 169

Вариаторы с раздвижными конусами (рис. 170) имеют огра­ниченное применение в машиностроении. Конические диски насажены на два параллельных вала I и II. Между дисками зажато стальное кольцо, ко­торое передает движение от ведущего вала к ведомому. Изменение переда­точного числа осуществляется сближением одной пары конусов и раздвижением другой.

Рис. 170

Рис. 171

На рис. 171 представлены торов ые вариаторы. На валах I и II насажены два диска, имеющие сферические рабочие поверхности. Враще­ние от ведущего диска I к ведомому II передаются посредством двух проме­жуточных роликов 1, свободно сидящих на осях 2. Изменение передаточно­го числа осуществляется одновременным поворотом этих осей вокруг шар­ниров 3. Торовые вариаторы требуют довольно высокой точности изготовле­ния.

Рис. 164

Основное назначение передач типа «винт — гайка» — преобразование вращательного движения в поступательное. Эти передачи бесшумны в рабо­те, что достигается повышенной плавностью зацепления, просты по конст­рукции и в изготовлении и позволяют получать большой выигрыш в силе. К недостаткам следует отнести: относительно низкий КПД, склонность к заеданию, тихоходность передачи.

Передачи типа «винт — гайка» применяют в подъемных механизмах, в станках (механизмы подачи рабочих инструментов), в измерительных приборах (механизмы для точных перемещений, микрометрические и дифференциальные винты), в прокатных станах (регулировочно-установочные механизмы подшипников, нажимные винты), в винтовых про­цессах.

Винтовые механизмы принципиально ничем не отличаются от резьбо­вых соединений, но так как они применяются для передачи движения, то трение в резьбе должно быть минимальным. Наименьшее трение между

винтом и гайкой обеспечивает прямоуголь­ная резьба, однако ее нетехнологичность, то есть невозможность нарезания на резьбофрезерных станках, и небольшая прочность по сравнению с трапецеидальной резьбой дела­ют ее применение крайне ограниченным. Поэтому для передаточных винтов применя­ют главным образом трапецеидальную резь­бу с мелким, средним и крупным шагами и упорную резьбу. Наибольшее распростране­ние получила трапецеидальная резьба со средним шагом. Трапецеидальную резьбу с мелким шагом используют при относитель­но небольших перемещениях; трапецеидаль­ную резьбу с крупным шагом — при тяже­лых условиях эксплуатации. Профиль тра­пецеидальной резьбы позволяет использо­вать ее в механизмах с реверсивным переме­щением.

Для передач с большими односторонними нагрузками (прессы, домкраты, нажимные устройства в прокатных станах и др.) приме­няют упорную резьбу.

Резьба винтов и гаек передач бывает пра­вой или левой, однозаходной или многозаходной.

Материалы винтов должны обладать высо­кой износостойкостью и хорошей обрабатыва­емостью, а более нагруженные — высокой прочностью. Винты, не подвергаемые закал­ке, изготовляют из сталей 45, 50, А50, а вин­ты, подвергаемые закалке, выполняют из ста­лей У10, У65, 40Х, 40ХГ и др. Материал гаек— бронзы оловянные БрОФЮ- 1, БрОЦС-6-6-3 и др.

Конструктивное оформление винтовой передачи зависит от ее целевого назначения. Устройство простейшего винтового механизма показано на примере домкрата.

Винтовой домкрат состоит из ходо­вого силового винта 2 (рис. 165), ввинчиваемого в корпус 1, и рукоят­ки 3 с собачкой (на рис. 165 не пока­зана), преобразующих качательное движение, получаемое рукояткой от руки рабочего, в прерывистое враще­ние. Винт домкрата несет на себе гру­зовую головку 4, которая может иметь различное конструктивное оформление.

Рис. 165

Для червяков рулевого управле­ния автомобилей, механизмов навод­ки ракет и ходовых винтов станков используют шариковые винты. Ка­навки шарикового винта 3 (рис. 166, I) и гайки 2 в осевом сечении имеют полукруглую форму. Непрерывный за­мкнутый поток шариков 4 заполняет винтовое пространство между желоба­ми по всей длине гайки. Пройдя его, шарики переходят в округленный трубчатый канал 1, по которому они возвращаются в рабочую зону винто­вой пары.

Рис. 166

Коэффициент полезного действия шариковой винтовой пары много вы­ше, чем обычной, вследствие резкого снижения трения в резьбе.

Для полного устранения зазоров в шариковой паре «винт — гайка» на винте устанавливают одновременно две шариковые гайки 2 (рис. 166, II), между которыми помещают стальную пружину 5. Пружина, создавая пред­варительный натяг между винтом 3, шариками и гайками, устраняет все зазоры в передаче.

Рабочие поверхности такой передачи закаливают до твердости Н RC60 и выше. Винты изготавливают из сталей ХВГ, 7ХГ2ВМ с объемной закалкой. Материал гаек — стали 9ХС, ШХ15, ХВГ с объемной закалкой и др.

Широкое распространение передач в машиностроении обусловлено прежде всего тем, что в абсолютном большинстве случаев режим работы машины-орудия не совпадает с оптимальными скоростями двигателя. Пе­редачи позволяют понижать (реже повышать) скорость; осуществлять сту­пенчатое или бесступенчатое регулирование ее в широком диапазоне, из­менять направление движения; преобразовывать один вид движения в другой; приводить в движение несколько механизмов от одного двигателя.

По принципу работы передачи подразделяют (рис. 163): на передачи тре­нием — фрикционные, ременные, передачи зацеплением — зубчатые, чер­вячные, цепные, а также передачи типа «винт — гайка».

Рис. 163

В зависимости от способа передачи движения от ведущего вала враще­ния к ведомому различают: передачи непосредственного контакта — фрик­ционные, зубчатые, червячные и «винт — гайка»; передачи гибкой свя­зью — ременные, цепные.

Из механических передач наибольшее распространение получили пере­дачи вращательного движения, так как они обеспечивают равномерное дви­жение и просты по конструкции.

Рис. 158

Конические гладкие штифты находят наибольшее применение. Их устанавливают в сквозные отверстия. В глухие от­верстия ставят конические штиф­ты с резьбой (рис. 159, I). В соеди­нениях, которые испытывают толчки и удары, ставят разводные штифты (рис. 159, II). Такие же ко­нические штифты применяют и в соединениях быстровращающихся деталей. Конические штифты мож­но без ущерба для надежности со­единения многократно вынимать и снова ставить на место. Коничес­кие штифты выполняют с конусно­стью 1 : 50.

Рис. 159

Цилиндрические штифты ставят в отверстия с на­тягом. В движущихся соединениях цилиндрические штифты ставят с расклепыванием концов. Большим недостатком цилиндрических штифтов является ослабление по­садки при повторных сборках и раз­борках.

В основном цилиндрические штифты применяют как установоч­ные детали для повышенной фикса­ции соединяемых деталей относи­тельно друг друга и в тех случаях, когда возникает необходимость пре­дохранить соединяемые детали от боковых смещающих усилий, дей­ствующих в противоположные сто­роны (рис. 160).

Рис. 160

Цилиндрические и конические штифты изготовляют из конструк­ционных сталей. Размеры штифтов перечисленных типов указаны в со­ответствующих ГОСТ.

Насечные штифты. Некоторые конструкции насечных штиф­тов показаны на рис. 158. Они отличаются от гладких штифтов тем, что имеют на поверхности канавки различной формы. При забивании таких штифтов в отверстия выдавленный ранее из канавок материал упруго де­формируется в обратном направлении. Это положение и обеспечивает по­вышенную прочность сцепления. Важно отметить, что насечные штифты допускают многократный монтаж и демонтаж без ослабления силы сцеп­ления. Изготовляют эти штифты из пружинной стали.

Пружинные штифты (см. рис. 158) напоминают цилиндричес­кую трубу, разрезанную вдоль образующей.

Их изготовляют из пружинной стали с последующей термообработ­кой. Пружинные штифты вставляют в отверстия, которые по своему ди­аметру меньше, чем диаметр штифта. Надежное соединение осуществля­ется за счет сил упругости материала штифта. Многократные сборки и разборки не приводят к сколько-нибудь заметному ослаблению силы сцепления.

Штифты с головками 1, как и насечные, имеют продольные (вдоль оси стержня) три канавки, создающие пружинящее действие при ус­тановке их в отверстие. Применяют их большей частью для крепления хо­мутиками 2 деталей 3 радио- и электроаппаратуры на панелях 4, щитках и др. (рис. 161).

Рис. 161

В качестве примера применения штифтовых соединений на рис. 162 по­казан чертеж и наглядное изображение муфты 3, соединяющей два вала 1 и 5 с помощью конических штифтов 2 и 4.

Рис. 162

Рис. 153

Зубчатые соединения по сравнению со шпоночными имеют следующие преимущества: большая нагрузочная способность благодаря значительно большей рабочей поверхности и относительно равномерному распределе­нию давления по высоте зуба; лучшее центрирование сопрягаемых деталей;

большая прочность вала в сравне­нии с валом со шпоночными канав­ками.

Зубчатые зацепления могут слу­жить как неподвижные для скреп­ления ступицы с валом, так и в ка­честве подвижных — осевое переме­щение ступицы детали по валу, на­пример, в тракторах, автомобилях, в коробках передач станков и т. д.

Большое распространение полу­чили зубчатые соединения с прямо­угольной или прямобочной (рис. 154, I, IV, V), эвольвентной (рис. 154, II) и треугольной (рис. 154, III) формами зубьев (шлицев). Шлицы на валах фрезируют или нарезают на зубообрабатывающих станках методом обкатки (рис. 155), а пазы в отверстиях получают долблением или протягиванием.

Рис. 154

Рис. 155

Прямобочные зубчатые со­единения

Эти соединения находят наибольшее применение в общем машиностроении. Они стандартизи­рованы ГОСТ 1139-58 и имеют три серии соединений: легкая, средняя и тяжелая. Отличаются эти серии друг от друга высотой и количест­вом зубьев (см. рис. 154, I, IV, V).

Легкую серию применяют для неподвижных или незначительно нагруженных соединений; среднюю — для средненагруженных соединений и тяжелую — для наиболее тяжелых условий работы.

Прямобочные зубчатые зацепления различают также по способу центри­рования ступицы на валу: по наружному диаметру; по внутреннему диаме­тру; по боковым граням.

Примечание. Центрирование — вид соединения деталей, обеспечивающий соос­ность вала и втулки, где требуется высокая кинематическая точность.

Центрирование по наружному диаметру D (рис. 156, I) или внутреннему d (рис. 156, II) является более точным, и поэтому эти виды соединений при­меняют в тех случаях, когда требуется высокая кинематическая точность (в самолетах, автомобилях и т. п.).

Рис. 156

Центрирование по боковым граням зубьев (рис. 156, III) используют в тех случаях, когда необходима достаточная прочность соединения. Центри­рование по боковым граням не обеспечивает точной соосности ступицы и ва­ла. но зато создает равномерное распределение нагрузки по зубьям. Поэто­му этот вид соединения применяют при передаче больших крутящих мо­ментов, но при отсутствии высоких требований к точности центрирования. Типичным примером центрирования по боковым граням является соедине­ние карданных валов в автомобилях.

Зубчатые соединения могут быть изготовлены из стали, силумина, текс­толита и других материалов.

Эвольвентные зубчатые соединения

Эвольвентные зубчатые соеди­нения (см. рис. 154, II) стандартизированы ГОСТ 6033-80 и являются весь­ма перспективными. Профиль зубьев очерчивается окружностью выступов, впадин и эвольвентами, подобно профилю зубьев зубчатых колес. Эволь­вентные зубчатые соединения также центрируют по наружному диаметру вала D или по боковым граням.

Эвольвентный профиль зубчатых соединений по сравнению с прямобоч- ными имеет повышенную прочность и технологичность. Повышенную прочность получают благодаря большому количеству зубьев, утолщению их к основанию, а также наличию закруглений у основания.

Что касается технологичности, то при обработке эвольвентного профиля нужен меньший комплект простых фрез, чем для валов прямобочного про­филя. Кроме того, при обработке эвольвентного профиля могут быть ис­пользованы весьма совершенные технологические процессы, благодаря че­му зубья профиля могут иметь повышенную точность.

Треугольные зубчатые соединения

Этот вид соединения (см. рис. 154, III) применяют только в качестве неподвижного при передаче не­больших вращающих моментов. Центрирование треугольного зубчатого соединения осуществляется по боковым сторонам зубьев. Треугольные зубчатые соединения бывают не только цилиндрическими, но и коничес­кими. Конусность в большинстве случаев выбирают 1 : 16.

Благодаря надежности и долговечности шлицевые соединения (рис. 157) получили очень широкое распространение в машиностроении и приборост­роении. Их можно встретить в ме­ханизмах самолетов и автомоби­лей, металлорежущих станков, различных точных приборов и т. д.

Рис. 152

В качестве материала для шпонок служат среднеуглеродистые стали. Призматические шпонки и клиновые шпонки без головок изготовляют из стали, поставляемой в соответствии с ГОСТ 8786-68.

В процессе проектирования шпоночного соединения ширину и высоту шпонок берут по соответствующему ГОСТ с учетом диаметра вала. Длину шпонки выбирают в зависимости от длины ступицы и согласовывают ее размер с ГОСТ на шпонки.