Конструирование зубчатых колес

Конструирование зубчатых колес.

При конструировании зубчатого колеса учитывают материал, из которого оно будет изготовлено, требуемый диаметр и способ получения заготовки.

Стальные зубчатые колеса

Зубчатые колеса диаметром до 150 мм в единичном и мелкосерийном производстве обычно изготовляют из круглого проката; в средне-, крупносерийном и массовом производстве предпочтительнее применять кованые или штампованные заготовки, имеющие более высокие механические характеристики.

Шестерни изготовляют за одно целое с валом (вал-шестерня) (рис. 1, а, б) или делают съемными, если расстояние χ от впадины зуба до шпоночного паза (рис. 2) больше 2,5 m_n для цилиндрических шестерен и 1,8 m_e для конических. В случае цельной конструкции увеличивается жесткость вала и уменьшается общая стоимость вала и шестерни. Разъемная конструкция позволяет выполнить шестерню и вал из разных материалов, а при поломке одной детали вторую оставить без замены. На рис. 1, а показана конструкция вала-шестерни, когда диаметр впадин зубьев d_f1 превышает диаметр вала d_б.п. (диаметр буртика подшипника), что обеспечивает свободный выход инструмента при нарезании зубьев. При d_f1 < d_б.п. (рис. 1, б) выход фрезы l_вых определяют прочерчиванием по ее наружному диаметру D_ф, который принимают по табл. 1 в зависимости от m_n и степени точности передачи.

Цилиндрические зубчатые колеса диаметром до 400. 500 мм (в отдельных случаях до 600 мм) можно выполнять коваными, штампованными, литыми или сварными.

Конструктивные элементы зубчатых колес показаны на рис. 3.

Типовые конструкции зубчатых колес и основные соотношения их элементов даны на рис. 4—8. Кованые заготовки для зубчатых колес применяют при наружном диаметре колеса 4,d_f < 200 мм или при нешироких колесах (ψ_ba < 0,2) диаметром d_a до 400 мм. Операция штамповки отличается высокой производительностью и максимально приближает форму заготовки к форме готового колеса. Для облегчения заполнения металлом и освобождения от заготовки штамп, а следовательно, и заготовка должны иметь радиусы закруглений r ≥ 5 мм и штамповочные уклоны γ ≥ 5° (рис. 4). Внутреннюю поверхность обода, наружную поверхность ступицы и поверхности диска штампованных колес обычно не обрабатывают. Конструкция литого колеса дана на рис. 5.

Таблица 1. Значения диаметра фрезы D_ф, мм

Степень прочности передачи	Номинальный модуль mn, мм
	2. 2,25	2,25. 2,75	3. 3,75	4. 4,5	5. 5,5	6. 7
7 8. 10	90 70	100 80	112 90	125 100	140 112	160 125

Рис. 1. Конструкция вала — шестерни
Рис. 2. Элемент шестерни при шпоночном соединении
Рис. 3. Конструктивные элементы колес:
a — цилиндрического; б — конического; в — червячного
Рис. 4. Цилиндрические зубчатые колеса при d_a≤ 500мм:
а —штампованное; б— кованое; d_ст= 1,6d_в; l_ст≥ bпри соблюдении условия
l_ст= (0,8. 1,5)d_в; δ _o= 2,5m_n+2 , но не менее 8. 10 мм; n = 0,5m_n для обода, n для ступицы в зависимости от диаметра d_в; D_отв= 0,5(D_o+d_ст); d_отв= 15. 25 мм; c = (0,2. 0,3)b для штампованных и c = (0,2. 0,3)b для кованых колес
Рис. 5. Литое цилиндрическое зубчатое колесо при d_a= 400. 1000 мм: b ≤ 200 мм d_ст= 1,6d_в — для стального литья; d_ст= 1,8d_в для чугунного литья; l_ст≥ b
при соблюдении условия l_ст= (0,8. 1,5)d_в; δ _o= 2,5m_n+ 2 ≥ 8 мм;
n = 0,5m_n для обода n для ступицы; c = H/5, но не менее 10 мм;
S = H/5, но не менее 10 мм; e = 0,8δ _o; H= 0,8d_в; H₁= 0,8H; R — вписанная дуга окружности

Рис. 6. Бандажированное зубчатое колесо при d_в свыше 600 мм: d_ст= 1,6d_в — для стального литья; d_ст= 1,8d_в — для чугунного;l_ст≥ b
при соблюдении условия l_ст= (0,8. 1,5)d_в; c = 0,15b; δ _o= 4m_n, но не менее 15 мм; t = δ _o; e = 0,8δ _o; d₁= (0,05. 0,1)d_в; l₁= 3d₁;b ≥ 300 мм
Рис. 7. Сварное зубчатое колесо:
l_ст= (0,8. 1,5)d_в≥ b; d_ст= 1,6d_в; δ _o= 2,5m_n, но не менее 8 мм;s = 0,8c ; D_отв= 0,5 (D_o+ d_ст); d_отв= 15. 20 мм. Катеты швов: K_a= 0,5d_в; K_ь= 0,1d_в но не менее 4 мм. Ребра приваривают швом K_б Рис. 8. Шевронное зубчатое колесо с канавкой посередине:
l_ст= b + a; c = (0,3. 0,35)(b + a); δ _o= 4m_n+ 2; h = 2,5m_n; a — в зависимости от модуля. Остальные размеры см. рис. 4, 5

Размеры ступицы выбирают по рекомендациям, приведенным под рисунками. Длину ступицы l_ст по возможности принимают равной ширине венца колеса b, что обеспечивает наименьшую ширину редуктора. Отношение длины ступицы к диаметру вала должно быть не меньше 0,5. При отношении меньше 0,8 на валу предусматривают буртик, исключающий торцевое биение колеса, к которому будет прижиматься торец ступицы колеса. Если по условиям расчета (см. расчет шпоночного и шлицевого соединений) l_ст&gt b, то ступицу желательно сместить по оси колеса до совпадения одного ее торца с торцом венца (см. рис. 3, а), что дает возможность нарезать зубья сразу на двух колесах. Реже (для одноступенчатых редукторов) колеса изготовляют со ступицей, выступающей в обе стороны относительно венца (рис. 3, в), при этом зубья можно нарезать только на одном колесе. При одинаковой длине ступицы и ширине венца можно одновременно нарезать зубья на нескольких колесах.

С целью экономии материала, при больших диаметрах колес, для соединения ступицы с венцом колеса вместо сплошного диска применяют спицы. Зубчатые колеса большого диаметра (при внешнем диаметре d_a≥ 600 мм) иногда делают бандажированными (рис. 6): венец — стальной кованый (бандаж), а колесный центр — из стального или чугунного литья. Венец сопрягается с колесным центром посадкой с гарантированным натягом. Для большей надежности в плоскости соединения венца с центром ставят винты; соединения проверяют на смятие по материалу колесного центра: при стальном колесном центре [σ] _см≥ 0,3σ _т, при чугунном [σ] _см≥ 0,4σ _в.и, где σ _т — предел текучести; σ _в.и — предел прочности чугуна на изгиб.

При индивидуальном изготовлении колёса иногда делают сварными (рис. 7). При диаметре d_a≥ 1500 мм для удобства сборки зубчатые колеса делают разъемными — из двух половин.

На торцах зубьев и обода выполняют фаски n = 0,5m_n, размер которых округляют до стандартного значения 1; 1,2; 1,6; 2; 2,5; 3; 4; 5.

Острые кромки на торцах ступицы притупляют фасками n x 45, размер которых принимают в зависимости от диаметра вала d:

d, мм n, мм	20. 30 1	30. 40 1,2	40. 50 1,6	50. 80 2
Продолжение
d, мм n, мм	80. 120 2,5	120. 150 3	150. 250 4	250. 500 5

Шевронные зубчатые колеса (рис. 8) отличаются от других цилиндрических колес большей шириной. Наиболее часто шевронные колеса изготовляют с канавкой посередине, предназначенной для выхода червячной фрезы, нарезающей зубья. При известных размерах фрезы ширину канавки a определяют прочерчиванием. Приближенно размер а можно определить в зависимости от модуля m:

m, мм a, мм

1,5 27

2 32

2,5 37

3 42

3,5 47

4 53

5 60

6 67

7 75

8 85

10 100

Остальные конструктивные элементы шевронных колес принимают по соотношениям, указанным под рис. 8.

Конические зубчатые колеса изготовляют коваными, штампованными, литыми или из круглого проката (рис. 9—11).

Конические колеса с внешним диаметром вершин зубьев d_ae< 120 мм конструируют, как показано на рис. 9. В том случае, когда угол делительного конуса σ < 30 °, колесо выполняют по рис. 9, а, при σ < 45 ° — по рис. 9, б. Если 30° ≤ σ ≤ 45° , можно использовать обе формы. Штампованные колеса (рис. 10, а) применяют в серийном производстве. При внешнем диаметре вершин d_ae≥ 300 мм используют также литые конические колеса с ребрами жесткости.

Ступицу в зубчатых конических колесах необходимо располагать так, чтобы при закреплении колеса на оправке для нарезания зубьев обеспечивался зазор а> 0,5 m_te для свободного выхода инструмента, где т,е внешний окружной модуль (рис. 11).

Рис. 9. Конические зубчатые колеса при d_ae< 120 мм:
a — при δ < 30° ; б— при 5 >45°; диаметр ступицы d_ст= 1,6d_в; l_ст= (0,9. 1,2)d_в;
δ _o= 2,5m_n+ 2, но не менее 10 мм; n = 0,5m_n Рис. 10. Конические зубчатые колеса при d_ae до 500 мм: а — штампованное; б — кованое d_ст= 1,6d_в; l_ст= (0,9. 1,2)d_в., но не менее 10 мм; c = (0,1. 0,17)R_e; n = 0,5m_n; размеры D_отв и d_отв определяют конструктивно

Рис. 11. Крепление конического колеса при нарезании зубьев Рис. 12. Зубчатое колесо из пластмассы со стальной втулкой (ступицей), установленной при формовании колес Рис. 13.13. Зубчатое колесо (шестерня) из пластмассы со стальной сборной ступицей

В дисках цилиндрических и конических зубчатых колес предусматривают отверстия диаметром d_отв, используемые для закрепления при обработке на станках и при транспортировке. При больших размерах отверстий они служат для уменьшения массы колес, а в литых колесах также для выхода литейных газов при отливке.

Неметаллические зубчатые колеса.

Неметаллические зубчатые колеса. Зубчатые колеса из пластмасс (текстолит, древопластики, полиамиды и т. п.) работают более бесшумно, чем металлические, что имеет особое значение при больших скоростях. Чтобы понизить коэффициент трения между зубьями, одно зубчатое колесо делают из пластмассы, а второе выполняют металлическим. Пластмассы имеют сравнительно небольшие сопротивления срезу и смятию, поэтому в большинстве случаев для передачи момента применяют стальную втулку-ступицу, прочно соединяемую с телом колеса. В небольшие колеса ступицу устанавливают при формовании. Для лучшего сцепления наружную поверхность ступицы делают рифленой (накатанной) (рис. 12). Чтобы предотвратить выкрашивание и откалывание отдельных слоев пластмассы, края зубьев защищают стальными дисками (рис. 13). Толщину диска рекомендуется принимать равной половине модуля, но не более 8 мм и не менее 2 мм. Материал дисков —сталь Ст.2, Ст.З.

Зубчатые колеса больших размеров обычно делают сборными из отдельных секций.

Ширину зубчатого колеса из пластмасс принимают равной ширине зацепляющегося с ним металлического колеса или несколько меньше во избежание местного износа и выработки зубьев

Формирование колесной пары

Буксы служат для передачи веса кузова с тележками на шейки осей колесных пар, а также тяговых и тормозных усилий от колесных пар на рамы тележек.

Буксы монтируются на шейках оси колесной пары. Они служат опорами для пружин надбуксового подвешивания, и через них передается усилие от веса кузова и пассажиров на ось колесной пары, колеса и далее на ходовые рельсы.

Рис. 6.38. Общий вид буксового узла

В состав каждой буксы входят следующие элементы:

• корпус
• два роликоподшипника
• большое и малое дистанционные кольца между подшипниками
• упорное кольцо
• осевая гайка
• стопорная планка
• упорная (крепительная) крышка
• контрольная (смотровая) крышка
• лабиринтовое кольцо (воротник буксы)

Примечания:

Роликоподшипники состоят из наружного кольца с сепаратором и роликами и внутреннего кольца, насаживаемого на шайбу в горячем состоянии.

Рис. 6.39. Буксовый узел. Разрез

1 — стальной литой корпус
2 — ролики
3 — лабиринтный воротник
4 — большое дистанционное кольцо
5 — крепительная крышка
6 — корончатая осевая гайка
7 — шейка оси колесной пары
8 — стопорная планка
9 — внутреннее кольцо роликового подшипника
10 — наружное кольцо роликового подшипника
11 — малое дистанционное кольцо

Внутри корпуса буксы размещены два цилиндрических роликовых подшипника, благодаря которым износ шейки колесной оси практически отсутствует, так как во время вращения оси трение происходит между роликами и наружными поверхностями внутренних колец подшипника, насаженных на шейку оси.

Рис. 6.40. Работа буксового узла

Корпус буксы выполнен из стального литья. С боковых сторон к корпусу прилиты кронштейны — крылья. На левом и правом крыле каждой буксы прилит кронштейн для крепления бруса токоприемника. В крыльях предусмотрены сверху гнезда для установки пружин надбуксового подвешивания, а снизу простроганы гребенки для соединения с поводками.

Рис. 6.41. Корпус буксы, используемый при шпинтонном буксовом подвешивании

Рис. 6.42. Корпус буксы, используемый при поводковом буксовом подвешивании

В верхней части к корпусу буксы приварен штырь, который при сборке тележки входит в вертикальное отверстие продольной балки рамы тележки и должен обеспечивать связь колесной пары и рамы тележки при изломе поводков.

Редукторный узел

Редуктор предназначен для передачи крутящего момента с вала якоря тягового двигателя через карданную муфту на колесную пару с учетом имеющегося передаточного отношения.

Редуктор колесной пары одноступенчатый цилиндрический с косым зубом. Передаточное отношение редуктора 5,33. Монтируется он на удлиненной ступице или втулке колеса.

Рис. 6.43. Колесная пара в сборе. Разрез

Тяговый редуктор состоит из следующих элементов:

· большого зубчатого колеса (2), напрессованного на удлиненную ступицу или втулку первого колеса

· шестерни (1), выполненной заодно с валом и находящейся в зацеплении с зубчатым колесом

· двух больших подшипников — шарикового (7) и роликового (8), также напрессованных на удлиненную ступицу колеса или втулку (11)

· двух больших лабиринтных крышек (5) и (6) с лабиринтными кольцами (9) и (10)

· двух уплотнительных колец раздельной смазки (12) и (13), установленных с внутренней стороны больших подшипников

· двух малых подшипников — шарикового (14) и роликового (4), напрессованных на вал шестерни

· уплотнительных колец раздельной смазки (15) и (16), расположенных с внутренней стороны малых подшипников

· запорного лабиринтного кольца (17), установленного с наружной стороны малого роликового подшипника

· шайбы и трех болтов, крепящих малый шариковый подшипник

· крышек, прижимающих наружные кольца малых подшипников и тем самым фиксирующих малую шестерню в верхней половине корпуса редуктора

· верхней и нижней половины корпуса (3)

Рис. 6.44. Зубчатое колесо

Рис. 6.45. Малая шестерня

Рис. 6.46. Большие подшипники

Тяговый редуктор имеет систему раздельной смазки. Она заключается в том, что полости подшипников заполняют густой смазкой ЛЗ-ЦНИИ, а в полость редуктора заливают жидкую смазку — нигрол, ТАП 15. Нижняя часть большого зубчатого колеса должна находиться в смазке.

Полости друг от друга отделены лабиринтными уплотнителями раздельной смазки. В процессе эксплуатации густую смазку дополняют с помощью шприцев через пресс-масленки, установленные в крышках редуктора.

Корпус редуктора представляет собой массивную коробку, состоящую из двух половин. Фланцы верхней и нижней половин соединены болтами

Рис. 6.47. Корпус редуктора

Через люк в верхней половине корпуса редуктора осматривают зубья передачи и добавляют в редуктор смазку. Через люк на торцевой стенке нижней половины корпуса можно осматривать зубья большого колеса, а также сливать загрязненную смазку. В крышке люка имеется резьбовое отверстие для контроля объема смазки, заливаемой в редуктор. Отверстие закрывают пробкой, прикрепленной к корпусу редуктора цепочкой.

На боковой стенке верхней половины корпуса имеются два резьбовых отверстия; в одно из них ввертывают палец для крепления заземляющего устройства, а в другое — сапун. Сапун сообщает внутреннюю полость редуктора с атмосферой, что необходимо для предотвращения возможного выброса смазки через лабиринтные уплотнения под действием избыточного давления газов внутри редуктора, возникающего при его работе.

В верхней половине корпуса снаружи под валом шестерни имеется проушина для крепления редуктора к раме тележки, выполненная в виде двух толстых ребер с отверстиями под шариковые подшипники.

Зубчатая передача

На вагонах метрополитена применена одноступенчатая, цилиндрическая косозубая передача с эвольвентным профилем зуба 8º.

Рис. 6.48. Профиль зуба зубчатой передачи

Рис. 6.49. Работа зубчатой передачи

Косозубое зацепление обеспечивает работу передачи с меньшим шумом. Поскольку в зацеплении находятся одновременно не менее двух зубьев, нагрузка на каждый зуб уменьшается. Отрицательной стороной косозубой передачи является возникновение осевого смещения и торцевое давление, равное произведению окружной скорости на тангенс угла наклона зубьев, нагрузка на каждый зуб уменьшается.

Примечания:

Отрицательной стороной косозубой передачи является возникновение осевого смещения и торцевое давление, равное произведению окружной скорости на тангенс угла наклона зуба, поэтому наклон зуба ограничен величиной 8º. Профили рабочих поверхностей зубьев очерчены по эвольвенте — кривой, являющейся разверткой базовой окружности (эволюты). Преимуществом эвольвентного зацепления является простота изготовления зубчатых колес методом обкатки путем нарезания их червячными многозаходными фрезами.

Зубчатые колеса изготавливают цельноштампованными, а шестерни цельнокатанными, причем шестерня изготовлена как одно целое со своим валом. Зубья шестерни подвергают объемной закалке и шлифовке, а зубья зубчатого колеса оставляют сырыми. Это обеспечивает одинаковую долговечность зубчатой пары.

Формирование колесной пары

Формирование колесной пары — процесс комплектования и соединения отдельных элементов колесной пары в одно целое.

Формирование колесных пар производят в соответствии с "Инструкцией по освидетельствованию, формированию и ремонту колесных пар подвижного состава метрополитена". Формирование производят на 400-тонном горизонтальном гидравлическом прессе. Пресс оборудован манометрами для контроля величины прессового давления и записывающем индикаторным устройством, с помощью которого записывается диаграмма изменения давления при напрессовке. Диаграмма записывается в координатах: по вертикали — давление в тоннах, по горизонтали — длина напрессовываемого участка.

Примечания:

Кривая изменения давления на диаграмме должна быть слегка выпуклой вверх и постепенно возрастать до конечного давления, которое характеризует прочность соединения. При запрессовке колес давление 50-80 тонн (натяг 0,08-0,22 мм), при запрессовке зубчатого колеса давление 30-45 тонн (натяг 0,09-0,15 мм).

Перед запрессовкой необходимо зачистить посадочные поверхности колесных центров и оси и проверить на магнитном дефектоскопе ось и зубчатое колесо.

Рис. 6.50. Напрессовка зубчатого колеса

Первым на ось напрессовывают первый колесный центр подрезиненного колеса с удлиненной ступицей (или втулку для цельнокатаного колеса). Затем удлиненную ступицу обрабатывают на токарном станке под посадку деталей редуктора и проверяют ее на магнитном дефектоскопе.

Шевронная передача: достоинства и недостатки

Начать стоит с изучения видов зубчатых передач, которые нашли широкое применение в разных отраслях, включая автомобилестроение.

Основной акцент будет сделан именно на автомобилях. В них используются различные типы зубчатых передач.

Зацепление зубцами способствует эффективной передаче вращательного движения, поступающего от автомобильного двигателя. В это же время преобразуется движение, меняется частота вращения, изменяется показатель крутящего момента.

Чтобы выполнять подобные функции, требуется использовать соответствующие механизмы. Согласно действующей классификации зубчатых передач, их можно разделить на несколько категорий.

1. Цилиндрические. Эти передачи включают в себя пары преимущественно с разным числом зубцов. Оси зубчатых колёс в случае с цилиндрическими передачами параллельные. Важно помнить о таком понятии как передаточное отношение. Это отношение количества зубьев. Что интересно, зубчатое колесо, большее по размеру, так и называют, а вот колесо с меньшими габаритами принято называть шестернёй.
2. Зубчатые конические передачи. У них есть одна важная особенность. В случае с коническими зубчатыми передачи оси их колёс пересекаются. При этом вращение передаётся непосредственно между валами, которые могут располагаться под разным углом. В зависимости от того, какое колесо окажется ведущим в ситуации с конической зубчатой передачей, сама передача может оказаться повышающей или понижающей.
3. Червячные. Аналогом конической зубчатой передачи является червячная. Здесь предусмотрены скрещивающиеся оси вращения. Добиться большого передаточного числа можно за счёт соотношения количества зубцов на колесе и количества заходов так называемого червяка. Червяки делятся в зависимости от числа заходов. Они бывают одно-, двух- и четырёхзаходными. Тут есть ещё одна важная особенность. Здесь передача вращения происходит только на червячное колесо от самого червяка. Реализовать обратный процесс нельзя, поскольку возникнет сильное трение. У такой передачи предусмотрена способность самостоятельного торможения, что реализовано за счёт червячного редуктора. Наглядным примером выступает подъёмный механизм для работы с грузом.
4. Реечные. Конструкция предусматривает использование зубчатых колёс и реек. Тем самым удаётся превратить вращательное движение в поступательное, как и в обратном направлении. Ярким примером выступает автомобильная рулевая рейка.
5. Винтовые. Применяются передачи такого типа при скрещивании валов. Зубцы имеют точечное зацепление, они быстро изнашиваются из-за нагрузок. Потому винтовые передачи обычно реализуются в разных приборах.
6. Планетарные. Отличительной особенностью является применение зубчатых колёс, у которых оси подвижные. Обычно предусмотрено наружное колесо с жёсткой фиксацией и с внутренней резьбой. Дополнительно устанавливается центральное колесо, водило и сателлиты. С помощью таких элементов осуществляется перемещение по окружности неподвижного колеса, реализуя тем самым вращение центрального.

У всех разновидностей предусмотрен различный коэффициент перекрытия, являющихся характерной особенностью зубчатой передачи. Так называют величину отношения угла перекрытия колеса к угловому шагу. Что же касается угла перекрытия, то это угол, на который осуществляет проворачивание колесо за время, пока в зацеплении находится одна пара зубцов.

У конических зубчатых передач, как и у многих остальных, зацепление бывает внутренним и наружным. В случае с наружным расположением ничего сложного нет, поскольку зубцы находятся сверху. Если это внутреннее зацепление, тогда зубцы от большого колеса находятся со стороны внутренней поверхности. Тут реализовать вращение можно исключительно в одном направлении.

Шевронная передача: устройство и особенности

Первое, что может броситься в глаза – это исполнение зубчатого колеса. Оно состоит из двух частей (полушевронов), каждая из которых по своей окружности имеет ряд зубцов с правым и левым зацеплением. Соответственно, ответная шестерня выполняется в таком же формате и часто комплектуется валом для усиления конструкции и прочностных характеристик. Благодаря такой конструкции образуется несколько положительных свойств:

• Практически отсутствует межосевая нагрузка;
• Наблюдается процесс самобалансировки и самоустановки осей;
• Существенно повышается максимальная нагрузка на узел;
• Снижается до минимума уровень шума;
• Увеличивается передаточное число и допустимая скорость вращения вала.

Шевронная передача является самой надёжной и производительной, а её элементы реже всего выходят из строя. Тем не менее, даже они могут поддаваться износу, истиранию и другим негативным факторам. Поэтому при использовании такого механизма необходимо внимательно следить за состоянием рабочей пары и своевременно осуществлять замену износившихся деталей.

Что ещё следует знать

Узнав, какие бывают применяемые в механизмах зубчатые передачи, следует немного дополнить информацию.

Рассмотренные зацепления могут применяться в разном сочетании, учитывая используемые кинематические схемы.

Сами передачи отличаются между собой ещё и по форме зубцов, типу и профилю. Это позволяет выделить несколько разновидностей зацепления. Оно может быть:

• циклоидальным;
• круговым;
• эвольвентным.

В основном применяются именно эвольвентные виды зацеплений. Это обусловлено их техническим превосходством над конкурентами.

Подобные зубцы нарезают путём применения реечных инструментов. У лидирующего вида зацепления передаточное отношение постоянное, и оно не зависит от того, какая степень смещения в отношении межцентрового расстояния.

Но у эвольвентного зацепления есть свой недостаток. Если передаётся большая мощность, в паре выпуклых поверхностей зубцов может сказаться небольшое пятно контакта. Из-за этого образуются дефекты, и постепенно разрушается поверхность.

Особенностью кругового зацепления выступает сцепление выпуклых зубьев с помощью вогнутых колёс. Это хорошо тем, что пятно контакта увеличивается. Но параллельно усиливается трение.

Если говорить про разновидности зубчатых колёс, то они бывают:

• криволинейными;
• шевронными;
• косозубыми;
• прямозубыми.

Среди них наибольшее распространение получили прямозубые варианты. Они простые в изготовлении, доступные для производства, предельно надёжные в процессе эксплуатации. У них линия контакта всегда остаётся параллельной относительно оси вала.

Недостаток прямозубых колёс в том, что они способны передавать меньший предельный крутящий момент, если сравнивать с шевронными и косозубыми аналогами.

Косозубые рекомендуется применять в ситуациях, когда необходимо передавать максимально высокую частоту вращения. Тогда механизм будет работать плавно и с минимальным уровнем шума. Но параллельно в таких системах сильно нагружается подшипник, что связано с большим осевым усилием.

У шевронных колёс практически те же преимущества, что и у косозубых аналогов. Но они при этом не нагружают подшипники, поскольку здесь силы разнонаправлены.

Если говорить про криволинейные типы колёс, их актуально использовать в узлах с высоким передаточным отношением. Они меньше шумят в процессе вращения, лучше справляются с работой на изгиб.

Достоинства и недостатки передач в зависимости от типа зубьев

А. Колеса прямозубые

Это наиболее распространенная разновидность зубчатых колес. Их зубья располагаются в плоскостях перпендикулярных по отношению оси вращения, а линия соприкосновения зубьев у шестерни проходит, наоборот, параллельно этой оси. Колеса с прямыми зубьями обладают наименьшей стоимостью, но они обеспечивают крутящий момент, максимальное значение которого немного меньше, чем могут создавать косозубые или шевронные. Кроме того, шестерни с такими зубьями больше шумят, чем шестерни с более сложными по форме зубьями.

Б. Косозубые и кривозубые колеса

Они представляют собой усовершенствованный вариант прямозубой шестерни. У них зубья расположены, если сравнивать с прямыми зубьями, под наклоном (или по кривой линии, в случае кривозубых колес), образуя подобие винтовой линии.

Преимущества

Зацепление колес происходит менее шумно, более эффективно и плавно, если сравнивать со случаем, когда используется прямозубый вариант шестерни. Площадь соприкосновения также больше, чем у прямозубой передачи, поэтому и значение максимального передаваемого момента также повышено.

Недостатки

Во время работы косозубого/кривозубого колеса появляется механическое усилие, сдвигающее его по оси, поэтому вал должен устанавливаться только с применением упорных подшипников, для предотвращения его горизонтального смещения. Увеличение площади соприкосновения зубьев ведет также к возрастанию силы трения между зубьями, что в свою очередь является причиной появления дополнительных потерь мощности и нагрева цилиндрического редуктора, а также снижения его кпд. Для уменьшения указанных негативных явлений и их компенсации требуется применение специальных смазочных материалов. Косозубые/кривозубые колеса применяют в основном там, где требуется передача значительных крутящих моментов особенно, если вал вращается с очень большой скоростью, и есть ограничения по степени шумности, которую создает соосный цилиндрический редуктор.

В. Шевронные колеса

Изобретение этих колес нередко приписывают французскому предпринимателю Ситроену, хотя он просто смог во время оценить и выкупить права на соответствующий патент у польского малоизвестного сегодня механика-самоучки. Зубья шевронных колес, если смотреть на них сверху, похожи по форме на английскую букву «V». Они могут выполняться либо как цельные детали, либо получаться за счет стыковки пары колес косозубого типа.

Применение шевронных колес позволяет решить проблему возникновения на валу осевой силы, так как направленные в разные стороны усилия, действующие на обе части таких колес компенсируют взаимно друг друга. В результате отпадает необходимость в упорных подшипниках, так как передача с использованием шевронных колес является самоустанавливающейся и не имеющей тенденции к появлению осевых сдвигов. Поэтому сборка цилиндрического редуктора, оснащенного шевронными колесами, выполняется с креплением одного из валов с помощью плавающих опор (например, с использованием подшипников с цилиндрическими роликами).

Что дает наличие у редуктора нескольких ступеней передачи?

В зависимости от количества ступеней цилиндрический зубчатый редуктор называется:

• одноступенчатым;
• двухступенчатым;
• трёхступенчатым;
• многоступенчатым.

От количества передач (ступеней), которые имеет цилиндрический редуктор, зависит и передаточное число, существующее у него.

Например, у одноступенчатого цилиндрического редуктора оно, как правило, находится в диапазоне 1,5—10, у редуктора цилиндрического двухступенчатого — в пределах 10—60. А трёхступенчатые редукторы цилиндрические обеспечивают коэффициент редукции 60—400.

Материалы изготовления

Вполне закономерно предположить, что назначение используемых зубчатых передач предусматривает применение высокопрочных материалов для их изготовления.

Поэтому в основе конструкции практически всегда лежит сталь. К прочности шестерни предъявляются повышенные требования в плане прочности, а вот колёса менее требовательные. Их характеристики прочности могут отличаться.

Учитывая этот момент, при производстве шестерней применяются различные материалы. Изделия проходят через дополнительную процедуру обработки. На них воздействуют термически, химически и температурно.

Изделия на основе легированной стали обычно дополнительно улучшают свои характеристики путём цианирования, азотирования и цементации. Это влияет на изменение внутренних характеристик. А вот шестерни на основе углеродистой стали в основном проходят только поверхностные процедуры по закалке.

С зубьями всё иначе. К ним предъявляются повышенные требования в плане прочности поверхности. При этом сердцевина должна оставаться достаточно вязкой и мягкой. При таких характеристиках можно предотвратить изломы и быстрый процесс износа при активной эксплуатации под нагрузкой.

Колёсные пары, в работе которых не предусматривается высокая нагрузка и повышенная частота вращения, изготавливаются обычно на основе чугуна.

Намного реже при производстве колёсной пары применяется такой материал как бронза, латунь и пластик.

Зубцы колёс создают на основе заготовок, выполненных одним из двух методов. Это штамповка или литьё. Затем проводится нарезка. При нарезке применяются методики обкатки или копирования. Обкатка позволяет создать зубцы с разными параметрами, используя один инструмент. В роли инструментов выступают рейки, долбяки и червячные фрезы.

При использовании метода копирования применяются пальцевые виды фрезы. Затем, завершив нарезку, наступает очередь термообработки. Если требуется получить высокоточное зацепление, после термической обработки обязательно нужно сделать шлифовку и финишную обкатку изделия.

Как выходят из строя шестерни — наглядное руководство для предприятий, занимающихся термообработкой

Виды поломок шестерен коробок передач включают: износ, заедание, коррозия профиля, обламывание зубьев и сколы. В общих чертах, их можно разделить на две категории: усталостные разрушения и разрушения, связанные с износом. Усталостные разрушения чаще всего связаны с изгибом (растрескивание ножки зуба), подповерхностным усталостным напряжением, контактными (удар, механические разрушения) и тепловыми напряжениями. Разрушения вследствие износа зачастую связаны с макровыкрашивание (разрушение поверхности по делительной окружности), абразивным и адгезионным износом.

Растрескивание ножек зубьев и их разрушение происходит из-за циклических напряжений при изгибе, превышающих усталостную прочность материала по окружности впадин зубьев (рис.1). Неподходящая глубина упрочненного слоя, немартенситные продукты превращения в микроструктуре ножки зуба и перегрузки часто становятся причиной поверхностного растрескивания с последующим развитием трещины до разрушения.

Рис. 1. Обламывание зуба из-за усталости при изгибе.

Усталостное растрескивание (например, глубинное усталостное выкрашивание или трещины по границе упрочненного слоя) начинаются рядом границей упрочненного слоя, где напряжение превышает прочность согласно кривым приложенного напряжения и предельной прочности. Контактная нагрузка вызывает изменение градиента приложенного напряжения, противоположного градиенту предельной прочности, сформированному в материале при термообработке. Усталостное выкрашивание (рис.2) — это родственное явление, которое также обусловлено неправильной термообработкой и/или концентрацией высоких напряжений.

Рис. 2. Зубья шестерни, оторванные от поверхности.

Распространенная проблема, связанная с термической обработкой, — это слишком малая или слишком большая глубина упрочненного слоя (не оставляющая достаточного объема сердцевины для поддержки упрочненного слоя).

Поверхностное и глубинное выкрашивание (рис.3) возникает на пересечении приложенного (сдвигового) напряжения и допустимой прочности на поверхности или вплотную к ней. При наличии скольжения и высоком коэффициенте трения (из-за некачественной, неправильно выбранной смазки или разрыва смазочной плёнки) напряжение на поверхности максимально.

Рис. 3. Поверхностное усталостное выкрашивание из-за торцевой нагрузки.

Другие виды отказов могут быть связаны с некачественной термообработкой. Примерами могут служить очень тонкий поверхностно упрочненный слой или мягкие пятна (рис. 4) из-за неправильной очистки, параметров упрочнения поверхности или отпуска.

Рис. 4. Мягкие пятна в упрочненном слое (наблюдаются после дробеструйной обработки).

Неподходящие методы закалки и температура аустенизации также могут привести к снижению твердости, вследствие чего зубчатые колеса преждевременно выходят из строя из-за мягких зубьев (рис.5).

Рис. 5. Недостаточная твердость, приводящая к выходу из строя шестерни.

Свойства материала, такие как способность к закалке, размер зерен и включения (рис. 6), могут вызвать различные виды поломок шестерен. Поэтому чистота стали особ важна, как и контроль размера, формы и типа присутствующих включений.

Рис. 6. Выкрашивание из-за включений в вакуумированной стали.

Ликвация легирующих элементов и наварка сплавом также могут вызвать проблемы, поэтому при термообработке зубчатых колес нормализация считается целесообразным процессом.

Предотвращение поломок зубчатых колес

Важно понимать, что на усталостную прочность влияют такие факторы, как распределение твердости (глубина упрочненного слоя и твердость сердцевины и упрочненного слоя), микроструктура (размер зерен, остаточный аустенит, немартенситные фазы, карбиды и межзеренная прочность), а также особенности проектирования (рис. 7) и изготовления (остаточные напряжения сжатия, отделка и геометрия поверхности).

Рис. 7. Неправильное расположение отверстий.

Термическая обработка выполняется для достижения высокой твердости и достаточной подповерхностной прочности на активной поверхности, а также достаточной поверхностной твердости и высокого остаточного напряжения сжатия на переходной поверхности.

Выбор глубины упрочненного слоя (т.е. градиент прочности) во многом зависит от твердости сердцевины и температуры отпуска. С точки зрения легирования молибден и марганец оказывают сильное влияние на твердость сердцевины, хром оказывает умеренное влияние, а никель — слабое. Также следует отметить, что на твердость упрочненного слоя гораздо больше, чем на твердость сердцевины, влияет температура отпуска, поэтому ее следует выбирать, исходя из желаемой твердости упрочненного слоя.

Низкая твердость упрочненного слоя также может быть обусловлена науглероживанием со слишком низким углеродным потенциалом, образованием нежелательных микроструктурных элементов, частичным обезуглероживанием поверхности, “слабой” закалкой или ненадлежащей температурой отпуска. Изменение технологических параметров приводит к образованию нежелательной микроструктуры.

Чрезмерное содержание остаточного аустенита (рис.8a) и избыточное образование карбидов (рис.8b) может привести к преждевременному выходу из строя зубчатых колес в процессе эксплуатации. Возможные причины большого количества остаточного аустенита: слишком высокий углеродный потенциал и прямая закалка после цементации с охлаждением до требуемой температуры. Возможные причины образования карбидов и карбидной сетки — это, опять же, слишком высокий углеродный потенциал, недостаточная диффузионная выдержка, слишком короткая выдержка и слишком низкая температура закалки.

Рис. 8. Изменение микроструктуры упрочненного слоя из-за неконтролируемых параметров процесса термообработки.

Некоторые неисправности зубчатых колес также могут возникать из-за проблем с проницаемостью упрочненного слоя, которые сводят на нет методы избирательного маскирования цементацией (например, меднение, маскировочные покрытия) для защиты поверхности от повреждений. В некоторых случаях загрязнение поверхности или неправильная сушка приводят к образованию пузырей. Чрезмерно агрессивная струйная обработка после нанесения покрытия также может повредить маскировочное покрытие. При травлении нежелательная цементация часто проявляется в виде неоднородных темно-серых участков (в зоне, которая должна быть светло-серой).

Изменение параметров закалки, даже при использовании одной и той же закалочной среды, может привести к образованию нежелательной микроструктуры сердцевины и твердости. Шестерня коробки передач 8822RH была закалена при двух разных значениях давления газа (20 бар и 12 бар), что привело к образованию разных микроструктур и разной твердости (рис.9).

Рис. 9. Изменение микроструктуры сердцевины вследствие закалки: (a) полностью мартенситная микроструктура с твердостью сердцевины HRC 44, (b) мартенситная микроструктура с продуктами промежуточных превращений (бейнит и феррит) при твердости сердцевины HRC 26.

Геометрия шестерни и слишком глубокая цементация для конкретного профиля зуба могут вызвать растрескивание упрочненного слоя, которое начинается в подповерхностном слое. Это явление обычно называют образованием трещин по границе упрочненного слоя (рис.10). Снижение высоких концентраций углерода на поверхности (например, маскирование вершин зубьев и торцевых поверхностей) и выбор глубины упрочненного слоя в соответствии с нижним предельным значением, указанным в спецификации, зачастую помогает избежать этой проблемы.

Рис. 10. Трещины по границе упрочненного слоя.

Состояние печи, используемой при термообработке, также может сыграть ключевую роль в преждевременном выходе из строя шестерни. Проникновение воздуха в печь (будь то из-за неправильных методов выполнения работ или из-за утечки) может повлиять на твердость упрочненного слоя и распределение остаточных напряжений, вызывая частичное или, в некоторых случаях, полное обезуглероживание поверхности (рис.11). Это может произойти, если углеродный потенциал атмосферы меньше, чем поверхностное содержание углерода в детали, или при потере защитной среды (например, при отключении питания).

Рис. 11. Полное обезуглероживание поверхности.

И наконец, выбор метода цементации (газовая, вакуумная) может повлиять на состояние поверхности, привести к межзёренному окислению и избирательной коррозии вследствие окисления.

Шестерни выходят из строя по целому ряду причин, однако причины, связанные с термической обработкой, можно предотвратить, используя рекомендованные методы выполнения работ и тщательно контролируя параметры процесса и оборудование.

Зап.части к вагонам

Луганский завод "Трансмаш"освоил технологию изготовления колёсных пар. На предприятии созданы и сертифицированы производства по изготовлению полупроводниковых блоков для систем управления тягового и мотор-вагонного подвижного состава, а также производство соединительных рукавов и арматуры к автотормозам.

На предприятии действует система менеджмента качества, соответствующая требованиям МС ISO 9001:2007, которая сертифицирована BUREAU VERITAS , а также система экологического управления, соответствующая ISO 14001:2004.

Предприятие по разным видам продукции обладает сертификатами Европейского Союза TSI,сертификатом Европейского фонда управления качеством (ЕFQM), сертификатами, выданными регистром сертификации на федеральном железнодорожном транспорте и сертификатами УкрСепро. В настоящее время ведутся работы по внедрению международного железнодорожного стандарта IRIS. Продукцию завода "Трансмаш" знают более чем в двадцати странах Европы, Азии и Африки.

П Е Р Е Ч Е Н Ь

продукции и услуг, предлагаемых к поставке

Наименование продукции и услуг

Колесные пары к грузовым вагонам РУ1Ш-957Г нового формирования

Ось колесной пары РУ1Ш957-Г

Тележки двухосные к грузовым вагонам 18-1750 тип 2 ГОСТ 9046-2004

Полный аналог тележки 18-100

Краны разобщительные и концевые, трехходовые и водоспускные, клапаны обратные и переключательные, фильтры воздушные к авто-тормозам и пневмосистемам локомотивов и вагонов по согласованной номенклатуре.

№№ 372,379,190, 4304,4314 и пр.

Рукава соединительные (цилиндровые, концевые и пр) Р11, Р12 ,Р13, Р14, Р15, Р16, Р17Б, Р32

Услуги по ремонту и модернизации тепловозов и электровозов отечественных серий, а также тепловозов серии ЧМЭ-3М для промышленных предприятий.

Изготовление новых полувагонов, сертифицированных в системе УКРСЕПРО

Вагон-цистерны для перевозки нефтепродуктов

Вагон-цистерны для сжиженных газов

Ремонт колесных пар РУ1Ш в объеме от промежуточной ревизии до кап. ремонта с заменой элементов. Изготовление колпар СОНК

Колесные пары к магистральным электровозам серий ВЛ-10 ( ВЛ-11; ВЛ-40; ВЛ-60; ВЛ-80) с буксовыми узлами

Колесные пары к электровозу серии 2ЭС5К ( б/букс)

Запасные части к электровозным колесным парам. Ось к электровозам серии ВЛ-80

Колесо зубчатое к электровозам серии ВЛ-80

Ремонт колесных пар к электровозам ВЛ-80

Колесные пары к тепловозам серии ТЭ10 и ТЭ116 для нужд промышленных предприятий.

2ТЭ116 30 55 008

Оси к колесным парам тепловозов серии ТЭ116 и ТЭ10 оборудованных ТЭД с циркуляционной смазкой и без.

2ТЭ116 30 55 132

2ТЭ116 30 55 143

Капитальный Ремонт колесных пар к тепловозам серии ТЭ116 и ТЭ10 с заменой элементов

Колесные пары нового формирования к маневровым тепловозам серии ЧМЭ-3

Запасные части к колесным парам тепловозов ЧМЭ-3, Ось

Ремонт колесных пар к тепловозам серии ЧМЭ-3

Колесные пары типа ВА-004 (ВА005) для грузовых вагонов, колеи 1435 Евростандарт

Оси к колесным парам ВА004

Колесные пары нового формирования к тепловозам серии ТЭМ-2

с буксовыми узлами

Черт. М62.30.55.001 с буксой 2ТЭ10Л 30 56 008.

Ось к тепловозам серии ТЭМ2

ТЭМ2 35 15 127-01

Корпус буксы колпары к т-зу ТЭМ2

2ТЭ10Л 30 56 023

Крышки буксового узла колпары к т-зу ТЭМ2 ( передние и задние)

2ТЭ10Л 30 56 024 и 2ТЭ10л 30 56 143.

Ремонт колесных пар к тепловозам серии ТЭМ-2

Колесные пары нового формирования к тепловозам серии ТЭМ-7

Оси к колесным парам тепловозов серии ТЭМ7

Ремонт колесных пар к тепловозам серии ТЭМ7 с заменой элементов

Колесные пары нового формирования к т-зам серии ТЭП-70

ТЭП75 31 15 000

Оси к тепловозам серии ТЭП70

ТЭП75 31 15 101

Ремонт колесных пар к тепловозам серии ТЭП-70

Запасные части к колесным парам тепловозов ТЭП-70

Колесные пары нового формирования к тяговым агрегатам (карьерным электровозам производства Днепропетровского и Новочеркасского предприятий) серии ОПЭ-1, ОПЭ-1А и ПЭ-2М с буксовыми узлами