Служебное назначение и типовые конструкции зубчатых колес

Современные механизмы и машины трудно представить без зубчатых колес. В то же время, до сих пор никто не знает, кем и когда было изобретено зубчатое колесо. С появлением зубчатого колеса значительно сократился путь развития машинной цивилизации.

Наука о зубчатых колесах, математическое и графическое обоснование профилей зубьев, появились одновременно с развитием геометрии, механики и кинематики в ХVII веке.

Эпициклоидная форма зубьев была создана в ХVIII веке французским ученым Катусом и применялась до ХХ века.

Эвольвентная форма зубьев создана профессором Петербургской академии Леонардом Эйлером (примерно в 1765 г.). С расширением области применения зубчатых колес установлено, что для изготовления одного и того же комплекта зубчатых колес эпициклоидного профиля режущего инструмента требуется в 2-3 раза больше, чем эвольвентного. Это была одна из причин постепенной замены эпициклоидного профиля эвольвентным. В настоящее время почти все зубчатые колеса изготовляют с эвольвентной формой зубьев.

В 1954 г. в бывшем СССР было изобретено новое зацепление, получившее название по имени автора М.Л.Новикова, - зубчатые передачи с зацеплением Новикова.

В современных машинах широко применяют зубчатые передачи. Различают силовые зубчатые передачи, предназначенные для передачи крутящего момента с изменением частоты вращения валов, и кинематические передачи, служащие для передачи вращательного движения между валами при относительно небольших крутящих моментах.

Зубчатые передачи, используемые в различных механизмах и машинах делят на цилиндрические, конические, червяковые, смешанные и гиперболоидные (винтовые и гипоидные).

Наибольшее распространение получили цилиндрические, конические и червяковые передачи (рис. 1).

Рис. 1. Виды зубчатых передач:

а – цилиндрическая; б – коническая; в – червячная;

1 – шестерня; 2 – зубчатое колесо; 3 – червяк; 4 – червячное колесо

Цилиндрические зубчатые колеса служат для передачи вращательного движения между валами. Изготовляют их с прямыми и косыми зубьями, реже с шевронными.

Основные механизмы, в которых применяют цилиндрические зубчатые колеса, следующие: коробки передач тракторов, комбайнов и автомобилей, редукторы, передаточные механизмы станков и др.

Конструкция колес непосредственно связана с их служебным назначением.

На рис. 2 показаны основные типы цилиндрических зубчатых колес:

I – одновенцовые колеса с достаточной длиной базового отверстия l (l/d >1); обработав точно отверстие и торец, можно получить в качестве технологической базы двойную направляющую поверхность отверстия и в качестве опорных баз – поверхность торца и шлица;

II – многовенцовые колеса, которые также имеют значительно большую длину базового отверстия, чем диаметр (l/d >1), поэтому они также могут базироваться как колеса типа I;

III- одновенцовые колеса типа дисков, у которых l/d<1 и длина поверхности отверстия недостаточна для образования двойной направляющей базы; поэтому после обработки отверстия и торца установочной базой для последующих операций может быть базовый торец, а двойной опорной базой – поверхность отверстия;

Рис. 2. Цилиндрические зубчатые колеса:

I-V – типы; а-д – конструктивные разновидности каждого типа

IV- венцы, которые после обработки насаживаются и закрепляются на ступицу колеса и вместе с ней образуют одновенцовые или, наиболее часто встречаемые, многовенцовые колеса;

V – зубчатые колеса-валы, которые имеют большую длину.

Служебное назначение не только определяет тип колеса: внутри данного типа колес конструкции могут различаться по форме в зависимости от назначения. Например, если колесо закрепляется неподвижно на оси вала в определенном положении, то ступицу делают как простой выступ с обработанным торцом (рис. 2, а, в, г); если же требуется иметь колесо-каретку, перемещающуюся по оси вала для включения с другим колесом, то на ступице необходимо предусмотреть канавку для вилки переключения (рис. 2, б), кроме того, зуб по торцу должен быть закруглен, чтобы обеспечить более плавное включение зубьев во впадины другого колеса.