В промышленности наиболее широко используются зубчатые колеса с эвольвентным профилем зуба, который получают при механической обработке заготовок методом обкатывания (без скольжения) зуборезного инструмента.
По назначению зубчатые передачи можно разделить на следующие группы:
- отсчетные;
- силовые;
- скоростные;
- общего назначения.
Отсчетные (кинематические) передачи чаще всего применяются в измерительных приборах, часах, счетно-решающих машинах, различных делительных механизмах, т.е. там, где требуется высокая согласованность углов поворота ведомого и ведущего колес, и основным показателем является высокая кинематическая точность.
Силовые передачи передают значительные усилия при малых скоростях вращения. Зубчатые колеса изготавливают с зубьями большой длины и большим модулем. При работе таких колес должна максимально использоваться площадь контакта зубьев, что и является основным эксплуатационным требованием к этим передачам.
Скоростные передачи применяются при больших окружных скоростях (более 100 м/с). Такие передачи должны работать без вибраций и бесшумно. Основное требование к ним — плавность работы, что достигается высокой точностью изготовления формы и взаимного расположения зубьев колеса.
Передачи общего назначения передают малые нагрузки при невысоких окружных скоростях (до 10 м/с). К их точности не предъявляют высоких требований.
Допуски зубчатых колес и передач
Профиль зубчатого колеса соответствует требованиям ГОСТ 13755—81 «Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные. Исходный контур», который устанавливает форму и размер исходного контура зубчатого колеса (рис. 6.1), основные параметры и коэффициенты этого контура:
- угол α главного профиля, α = 20°;
- коэффициент hа высоты головки, hа = 1;
- коэффициент hf высоты ножки, hf = 1,25;
- коэффициент hl граничной высоты, hl = 2;
- коэффициент ρ f радиуса кривизны переходной кривой, ρ f = 0,38;
- коэффициент hw глубины захода зубьев в паре исходных контуров, hw = 2;
- коэффициент с радиального зазора в паре исходных контуров с = 0,25.
Рис. 6.1.Схема исходного контура зубчатого колеса:
P — шаг зубьев; m — модуль
Исходя из назначения колес и их основных эксплуатационных показателей выбирают точностные требования к ним, регламентируемые ГОСТ 1643—81 «Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые цилиндрические. Допуски». Систему допусков для различных видов передач строят на основе одних и тех же принципов.
По точности изготовления все зубчатые колеса разделены на 12 степеней: 1, 2, 3, …, 12-ю (в порядке понижения точности). Для 1-й и 2-й степеней точности допуски не предусмотрены. Они предназначены для будущего развития техники.
Колеса 3—5-й степеней точности предназначены, в основном, для измерительных колес, используемых для проверки контролируемых зубчатых колес. Самыми распространенными колесами являются колеса 6—9-й степеней точности (в металлорежущих станках — 3—7-й, автомобилях — 5—8-й, авиационных двигателях — 4—7-й, различных редукторах — 6—8-й, тракторах и строительной технике — 7—9-й степеней точности).
Для каждой степени точности установлены независимые нормы допустимых отклонений различных параметров:
- кинематической точности;
- плавности работы;
- контакта зубьев зубчатых колес в передаче.
Независимо от норм и степеней точности предусматривается и норма бокового зазора, характеризующая вид зубчатого соединения.
Нормами кинематической точности колес лимитируют несогласованность поворота ведомого колеса при его зацеплении с точно изготовленным ведущим колесом. Эти требования особо важны в различных следящих системах, делительных механизмах.
Нормы плавности определяют равномерность хода зубчатого колеса. Они имеют важное значение в скоростных передачах автомобилей, когда предъявляются жесткие требования к бесшумности передачи, отсутствию вибрации и т.д. Нормы контакта зубьев очень важны в тяжелонагруженных передачах (в частности, в прессах и прокатных станах) и определяют величину и место расположения пятна контакта сопряженных колес в зубчатой передаче.
К параметрам кинематических норм точности относятся:
- кинематическая погрешность передачи;
- кинематическая погрешность зубчатого колеса;
- накопленная погрешность шага зубчатого колеса;
- радиальное биение зубчатого венца;
- колебание длины общей нормали;
- колебание измерительного межосевого расстояния за оборот зубчатого колеса;
- колебание измерительного межосевого расстояния на одном зубе.
При проектировании зубчатых колес и передач нормируются лишь некоторые из этих параметров, но не все.
К параметрам норм плавности относятся:
- циклическая погрешность колеса и передачи;
- местные кинематические погрешности зубчатого колеса и передачи;
- отклонение шага зацепления;
- погрешность профиля зуба.
Для улучшения плавности работы передачи зачастую используют зубчатые колеса с модифицированным профилем головки зуба (рис. 6.2), при этом линия модификации представляет собой прямую, коэффициент модификации hg должен составлять не более 0,45, а коэффициент глубины модификации ∆ — не более 0,02. В этом случае обеспечивается плавное вхождение зубьев в зацепление, улучшаются условия смазки передачи, снижается шум.
Рис. 6.2.Схема исходного контура зубчатого колеса с модификацией профиля головки зуба:
hg — коэффициент модификации; ∆ — коэффициент глубины модификации
Для тяжелонагруженных передач, работающих с невысокими скоростями, с точки зрения повышения долговечности колес и их изностойкости важным фактором является норма контакта зубьев в передаче. Нормируются величина и расположение области прилегания боковых поверхностей зубьев сопряженных колес. Неполное или неравномерное прилегание поверхностей зубчатых колес приводит к их интенсивному износу.
Полнота контакта нормируется комплексным показателем — площадью суммарного пятна контакта (рис. 6.3), которое задается как по длине зуба, так и по его высоте:
по длине зуба — отношением суммарной длины пятна b (за вычетом расстояния c между пятнами) к общей длине зуба a, %:
по высоте зуба — отношением высоты следов прилегания hm к общей высоте зуба hp, %:
Рис. 6.3.Схема пятна контакта зубьев в передаче
На полноту контакта зубьев влияют следующие погрешности формы зубьев и их взаимного расположения в передаче:
- отклонение осевых шагов по нормали;
- суммарная погрешность контактной линии;
- погрешность направления зубьев;
- отклонение от параллельности осей зубчатых колес в передаче и их перекос.
Для нормальной работы зубчатой передачи между активными боковыми поверхностями сопряженных колес должен быть зазор. Он необходим:
- для компенсации погрешностей изготовления и монтажа колес (эти погрешности могут быть вызваны неточностью подшипников, посадочных мест и т.д.);
- исключения заклинивания передачи в результате тепловых деформаций;
- обеспечения смазки, без которой невозможно нормальное функционирование передачи.
Боковой зазор jn определяют в сечении, перпендикулярном направлению зубьев, в плоскости, касательной к основным цилиндрам (рис. 6.4).
Рис. 6.4.Схема бокового зазора jn в передаче
Стандартом установлен наименьший гарантированный зазор — jn min. Величина jn min не зависит от степени точности колеса, а определяется условиями работы передачи (скорость, нагрев, смазка).
Предусмотрены шесть видов сопряжений с разной величиной jn min: А, В, С, D, E, H (рис. 6.5).
Рис. 6.5.Виды сопряжений и допусков на боковой зазор
Как правило, определенным видам сопряжения соответствует и определенный вид допуска. Например, при 3—12-й степенях точности используют вид сопряжения А, при 3—11-й — В, при 3—9-й — С, при 3—8-й — D, при 3—7-й — Е и Н.
На боковой зазор установлен допуск Т jn, величина которого зависит от вида сопряжения и точности передачи и возрастает с увеличением бокового зазора.
Существуют восемь видов допуска Т jn на боковой зазор: x, y, z, a, b, c, d, h. Определенным видам сопряжений соответствуют и определенные виды допуска. Например, Н и Е соответствует вид допуска h; D, C, B, A соответствуют виды допусков — d, c, b, а.
Однако можно изменять это соответствие, используя допуски x, y и z. Стандартами установлены шесть классов отклонений межосевого расстояния, которые обозначаются римскими цифрами от I до VI. Класс VI означает самую низкую точность.
Сопряжениям Н и Е соответствует II класс отклонений межосевого расстояния; сопряжениям D, C, B и A — III, IV, V, VI классы; а I класс зарезервирован для очень точных колес, получение которых пока технологически невозможно.
Гарантированный боковой зазор в передаче обеспечивается при изготовлении зубчатых колес путем дополнительного смещения профиля зуборезного инструмента к центру нарезаемого колеса на величину ЕHS относительно номинального положения исходного контура (рис. 6.6). На величину ЕHS установлен допуск ТH, величина которого зависит от допуска на радиальное биение. Кроме того, установлены допуски Т Wm на длину общей нормали (рис. 6.7, а), а также установлены верхнее (+Е a'' s) и нижнее (-Е a'' i) предельные отклонения измерительного межосевого расстояния (рис. 6.7, б).
Рис. 6.6.Схема исходного контура после дополнительного смещения 
Рис. 6.7.Схема предельных отклонений длины общей нормали W (а) и измерительного межосевого расстояния a'' (б):
Wi — действительные размеры
Условное обозначение зубчатых колес на чертежах должно включать в себя степень точности по нормам кинематической точности, нормам плавности, нормам контакта зубьев, а также вид сопряжения и вид допуска на боковой зазор. Например: в обозначении 8—7—6—Сb—II (ГОСТ 1643—81) 8 означает степень точности по нормам кинематической точности, 7 — степень точности по нормам плавности, 6 — степень точности по нормам контакта, С — вид сопряжения, b — вид допуска на боковой зазор, II — класс отклонения межосевого расстояния. Если на чертеже встретится более короткая запись условного обозначения, например 7—В (ГОСТ 1643—81), то она означает, что данная передача имеет одинаковую степень точности по нормам кинематической точности, плавности и контакта — 7, вид сопряжения В, вид допуска на боковой зазор b и класс отклонений межосевого расстояния V.
Таким образом, вид допуска на боковой зазор и класс отклонений межосевого расстояния проставляют только в том случае, если они не соответствуют виду сопряжения. При контроле зубчатых колес следует отдавать предпочтение тем нормам, которые определяют назначение передачи. В процессе изготовления зубчатых колес используют приборы и оборудование для непосредственного контроля, а также для настройки зубообрабатывающего оборудования.