Зубчатая передача (ЗП) представляет собой механизм для передачи вращения между валами зубчатыми колесами (шестернями) посредством входящих в зацепление зубьев.
Прочность зубчатой передачи – способность передавать заданную нагрузку без разрушения зубчатых колес и противостоять износостойкости.
Износостойкость – способность сопротивляться изнашиванию элементов ЗП.
Виды зубчатых передач
Разнообразие ЗП включает несколько видов. Наиболее широкое применение нашли:
- Цилиндрические;
- Конические;
- Планетарные;
- Червячные.
В свою очередь каждый из этих видов наделен своими признаками.
Цилиндрические ЗП имеют различное конструктивное исполнение формы зубьев. По этому признаку различают три основных вида.
Прямозубые. Получили широкое распространение благодаря высокой надежности и простоты конструкции. Расположение зубьев – параллельно оси вращения. Располагаются с наружной и (или) внутренней стороны шестерни.
Косозубые. Имеют наклонную дорожку зубьев. Такое расположение обеспечивает плавность работы передачи, способствует снижению шума и вибрации за счет плавного зацепления зубьев.
Шевронные. Расположение зубьев – V-образное (из двух рядов косых зубьев, располагающихся под углом в разные стороны). Передача повышает плавность хода, передает мощность без осевой нагрузки. Отличается длительным сроком эксплуатации.
Конические ЗП представляют собой зубчатые колеса, способные передавать крутящий момент с пресекающимися осями валов. Обладают низким уровнем шума во время работы. Имеют повышенную износостойкость. Широко применяются в транспортостроении (автомобильная промышленность, авиационная, станкостроение и др.).
Планетарные ЗП отличаются относительной конструктивной сложностью. Состоят из солнечной шестерни, водила и сателлитов (планетарных шестерен). Имеют различную форму зубьев. Обладают компактностью, возможностью высокой передаваемой нагрузки и большим передаточным числом.
Червячные ЗП представляют собой зубчато-винтовую передачу. Обеспечивают большое передаточное число, плавность и бесшумность в работе, компактную конструкцию. Обладает свойством самоблокировки, т. е. при остановке червяка ведомая шестерня затормаживается и придать ей вращение невозможно. Отрицательным моментом такой передачи является повышенное трение в месте зацепления зубьев.
Кроме перечисленных имеется еще ряд ЗП (например, реечные, гипоидные и др.), но их использование является ограниченным, поэтому в данной статье они не рассматриваются.
Технические условия на зубчатые передачи
В технические условия включены требования к качеству ЗП, определенные соответствующими стандартами. Так, ГОСТ 9178-81 определяет виды сопряжений зубчатых колес в зависимости от степени точности (см. табл. 1).
| Вид сопряжения | D | E | F | G | H | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Модуль m, мм | от 0,1 до 0,5 | св. 0,5 до <1,0 | от 0,1 до 0,5 | св. 0,5 до <1,0 | от 0,1 до <1,0 | — | |
| Степень точности по нормам плавности | 3-10 | 3-12 | 3-10 | 3-12 | 3-10 | 3-8 | 3-7 |
Таблица 1
В ГОСТ 21354-87 излагаются требования к прочности и устанавливается методика определения прочности (контактной и при изгибе зубьев).
Исходя из положений этих и др. стандартов по качеству ЗП основными требованиями принято считать:
- По геометрическим параметрам и точности (значения шероховатости, допусков, степени точности);
- Требования к механическим свойствам (твердости, термообработке, проведению испытаний на образцах-свидетелях);
- По контролю качества и проведению испытаний (исследование макро- и микроструктуры зуба, испытания на образцах, вырезанных из шестерни ЗП).
В качестве примера рассмотрим методику проверки двух базисных характеристик ЗП.
Определение прочности и износостойкости
Во время работы ЗП в зубьях возникают значительные напряжения, нередко носящие знакопеременный характер. В связи с этим при проектировании зубчатых колес конструкторами рассматриваются различные варианты повышения надежности рабочей пары зубчатой передачи.
Подбор материала для изготовления шестерен, вида ЗП, способов смазки и др. инженерные решения частично улучшают условия работы зубьев, но проблемы в целом не решают. Поэтому, в целях проверки надежности зубчатой передачи производится всесторонний контроль качества на всех этапах ее изготовления.
Одним из видов контроля является оценка прочности и износостойкости.
При проверке прочности ЗП наиболее существенными направлениями контроля являются проверка зуба на изгиб и проверка на выносливость поверхности зуба. С целью определения характеристик этих показателей проводится испытание согласно требованиям соответствующих стандартов.
Например, зубчатые колеса тяговых передач тягового подвижного состава подвергаются испытаниям по ГОСТ 34510-2018. Суть испытания заключается в определении максимального напряжения, не вызывающего поломку зуба.
Процесс испытания выглядит следующим образом. Зубчатое колесо закрепляют в захватах испытательной машины. Через специальное прижимное приспособление к испытываемому зубу прикладывается нагрузка, которую увеличивают до момента разрушения зуба или достижения нормативной величины, заданной НТД. Значение нагрузки отображается на дисплее (КИП) испытательной машины.
Таким образом испытываются пять пар зубьев. Число циклов испытаний — 4 * 106.
После окончания испытаний высчитывается значение приложенной нагрузки и результат сравнивается с заявленным в НТД. Износостойкость ЗП оценивается по геометрическим и кинематическим параметрам зубьев по ГОСТ 21354-87, ГОСТ 1643-81, ГОСТ 9178-81 и др. в зависимости от типа и условий эксплуатации.
Для проверки качества зубчатых передач разработано множество стандартов. Например, таких:
- ГОСТ 30803-2014 «Колеса зубчатые тяговых передач тягового подвижного состава. Технические условия»;
- ГОСТ 33189-2014 «Колеса зубчатые тяговых передач подвижного состава. Шкалы эталонов макро- и микроструктур»;
- ГОСТ 34510-2018 «Колеса зубчатые тяговых передач подвижного состава. Методы определения изгибной и контактной усталостной прочности»;
- ГОСТ 21354-87 «Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные внешнего зацепления. Расчет на прочность»;
- ГОСТ 1643-81 «Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые цилиндрические. Допуски»;
- ГОСТ 2789-73 «Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики»;
- ГОСТ 16530-83 «Передачи зубчатые. Общие термины, определения и обозначения».
Каждый вид ЗП оценивается конкретно для него установленными стандартами.