Шестерни

В этой статье объясняется, что такое шестерни и для чего они используются. Так вы узнаете, какие бывают части шестерни, какие бывают типы шестерен и, кроме того, каковы преимущества и недостатки шестерен.

Что такое шестерня?

Шестерня – это механизм, состоящий из двух или более зубчатых колес, находящихся в зацеплении. Следовательно, шестерня служит для передачи кругового движения от одной шестерни к другой посредством контакта их зубьев.

Следует отметить, что с помощью шестерни не только передается вращательное движение, но и в зависимости от соотношения числа зубьев двух шестерен может увеличиваться или уменьшаться частота вращения.

В простой передаче, состоящей из двух зубчатых колес разного размера, различают венец и шестерню :

• Корона : это самая большая шестерня шестерни.
• Шестерня : это самая маленькая шестерня шестерни.

Характеристики машины

Зубчатые передачи имеют следующие характерные параметры:

• Зубья : это часть шестерни, которая передает силу тяги и, следовательно, передает вращательное движение и мощность от одной шестерни к другой.
• Ось : это цилиндрическая часть, расположенная в центре шестерни, ее функция — направлять вращательное движение шестерни.
• Окружность шага : это воображаемая окружность, по которой зубья шестерни зацепляются, так что окружности шага двух зацепляющихся шестерен касаются друг друга.
• Диаметр шага : это диаметр окружности шага.
• Внешняя окружность : это окружность, ограничивающая внешнюю часть шестерни.
• Внешний диаметр : это диаметр внешней окружности.
• Внутренняя окружность : это окружность, проходящая через основание зубьев шестерни.
• Внутренний диаметр : диаметр внутренней окружности.
• Угол давления : это угол, образованный направлением силы контакта между двумя шестернями и направлением угловой скорости шестерни.
• Количество зубьев : это общее количество зубьев шестерни. Обычно он обозначается символом Z.
• Модуль : это соотношение между делительным диаметром ( _Dp ) и количеством зубьев (Z) шестерни. Итак, формула расчета модуля зубчатого колеса выглядит следующим образом:

Типы передач

прямозубые шестерни

Прямозубая шестерня — это зубчатая передача с прямыми зубьями. Таким образом, основная характеристика прямозубых шестерен состоит в том, что они представляют собой очень простой тип шестерен, поскольку представляют собой цилиндры с выступающими радиально зубьями.

Короче говоря, в отличие от других типов шестерен, таких как косозубые и конические, зубья прямозубых шестерен совершенно прямые.

На промышленном уровне цилиндрические передачи являются наиболее широко используемым типом передач благодаря своей простоте и экономичной цене.

Зубчатые передачи можно разделить на два типа:

• Внешние цилиндрические шестерни : Зубья шестерни находятся на внешнем профиле шестерни, то есть на внешней стороне колеса.
• Внутренние цилиндрические шестерни . Зубья шестерни находятся на внутреннем профиле шестерни, то есть на внутренней стороне колеса.

Внешняя прямозубая шестерня

Внутренняя цилиндрическая шестерня

Внешние прямозубые шестерни способны входить в зацепление с внешними и внутренними шестернями. Напротив, внутренние прямозубые шестерни могут сцепляться только с внешними шестернями.

Две находящиеся в зацеплении внешние шестерни имеют противоположные направления вращения, однако внутренняя шестерня вращается в том же направлении, что и внешняя шестерня, с которой она находится в зацеплении.

косозубые шестерни

Косозубая передача состоит из зубчатых колес, зубья которых наклонены относительно оси вращения. Другими словами, косозубые передачи – это разновидность шестерен, профиль которых состоит из косозубых зубьев.

Угол, который образуют зубья косозубой шестерни с ее осью вращения, зависит от угловой скорости, которую она должна передавать:

• Если передаваемая угловая скорость мала, угол должен составлять от 5° до 10°.
• Если передаваемая угловая скорость средняя, угол должен составлять от 15° до 25°.
• Если передаваемая угловая скорость высока, угол должен составлять около 30°.

Короче говоря, работа косозубой передачи аналогична работе прямой передачи, поскольку ее функция заключается в передаче вращательного движения. Однако косозубые шестерни позволяют передавать круговое движение другим способом благодаря особой форме зубьев.

Косозубые передачи подразделяются на следующие типы:

• Косозубые шестерни с поперечным валом : оси косозубых шестерен пересекаются друг с другом. Это самый простой тип косозубых передач.
• Косозубые шестерни с параллельными валами : оси косозубых шестерен параллельны. Для их правильной работы зубья двух соединенных шестерен должны иметь одинаковый угол наклона, но в противоположных направлениях. В косозубых передачах этого типа помимо передаваемой вращательной мощности создается осевая сила.
• Двойные косозубые шестерни (или косозубые шестерни «елочка») : профиль косозубых шестерен этого типа образован двумя косозубыми зубьями, образуя таким образом V-образный профиль. Двойные зубья косозубых передач этого типа служат для устранения осевой силы, возникающей при параллельности осей.

Косозубые шестерни с поперечным валом

Косозубые передачи с параллельными валами

двойные косозубые шестерни

конические шестерни

Коническая передача состоит из зубчатых колес, зубья которых имеют коническую форму. Проще говоря, конические шестерни – это разновидность шестерен, имеющих форму усеченного конуса.

Основная характеристика зубчатых передач этого типа заключается в том, что они позволяют передавать вращательное движение между двумя пересекающимися осями. Хотя оси конической передачи обычно перпендикулярны, они также могут быть рассчитаны на работу под другим углом.

Обычно конические шестерни изготавливаются из чугуна, стальных сплавов или алюминия. Однако, в зависимости от применения конических передач, они могут быть изготовлены и из неметаллических материалов, хотя это бывает очень редко.

Внутри конических передач можно выделить несколько подтипов передач:

• Конические шестерни с прямыми зубьями : Тип конических шестерен с прямыми зубьями.
• Конические шестерни с косозубыми зубьями – разновидность конических шестерен с наклонными зубьями.
• Конические шестерни со спиральными зубьями : тип конической шестерни, зубья которой имеют спиральную форму.
• Гипоидные конические передачи : тип конических передач, делительная поверхность которых имеет гиперболическую форму.

Прямоконические шестерни

Конические шестерни со спиральными зубьями

Конические шестерни с косозубыми зубьями

Гипоидные конические передачи

Другие типы передач

Как правило, шестерни делятся на три типа: прямозубые, косозубые и конические, как мы обсуждали выше. Однако есть и другие типы передач, о которых вам также важно знать.

• Червяк : В червячном механизме винт с косозубой передачей входит в зацепление с прямой или косозубой шестерней. Таким образом, круговое движение передается между двумя перпендикулярными осями.
• Реечная передача : В реечном механизме зубчатое колесо (шестерня) входит в зацепление с рейкой. Этот тип передачи используется для преобразования кругового движения в линейное.
• Цепные шестерни : шестерни не зацепляются друг с другом, но круговое движение зубчатых колес передается цепью.

Червячный винт

зубчатая рейка

шестерни с цепью

зубчатая передача

Зубчатая передача представляет собой круговой передаточный механизм, состоящий из набора шестерен. Другими словами, зубчатая передача – это система, состоящая из нескольких зубчатых колес, соединенных друг с другом.

Зубчатая передача обеспечивает гораздо более высокое передаточное число, чем одинарная передача. Следовательно, зубчатая передача служит для увеличения или уменьшения угловой скорости вала в большей степени, чем одиночная шестерня. С другой стороны, шестерня обычно занимает больше места, чем простая шестерня, состоящая из двух зубчатых колес.

На следующем изображении вы можете увидеть пример зубчатой передачи, точнее, это поезд, состоящий из пяти передач: входной, двойной, промежуточной и выходной. Выход.

Механизм начинается с входного колеса, то есть левого колеса. Когда к входной шестерне приложено вращательное движение, последующие шестерни также вращаются, поскольку колеса находятся в зацеплении.

При этом скорость вращения увеличивается в два этапа. Во-первых, входное колесо имеет больше зубьев, чем его шестерня, поэтому угловая скорость увеличивается. Эта шестерня представляет собой двойную шестерню, с валом которой соединена еще одна шестерня, и эта шестерня также имеет больше зубьев, чем выходная шестерня, поэтому угловая скорость увеличивается во второй раз.

Передаточное число шестерни

Передаточное число – это соотношение скоростей вращения двух шестерен. В частности, передаточное число двух передач определяется как отношение угловой скорости выходной шестерни к угловой скорости входной шестерни.

• это передаточное число.
• — угловая скорость входного колеса.
• — угловая скорость выходного колеса.
• — количество зубьев входной шестерни.
• — количество зубьев выходной шестерни.
• — диаметр входного колеса.
• — диаметр выходного колеса.

Из формулы передаточного числа можно сделать следующие выводы:

• i>1 : если передаточное число больше 1, это означает, что выходная угловая скорость больше, чем входная угловая скорость. Следовательно, количество зубьев и диаметр выходной шестерни меньше количества зубьев и диаметра входной шестерни.
• i : если передаточное число меньше 1, это означает, что выходная угловая скорость ниже входной угловой скорости. Следовательно, количество зубьев и диаметр выходной шестерни больше, чем количество зубьев и диаметр входной шестерни.
• i=1 : если передаточное число равно 1, это означает, что выходная угловая скорость эквивалентна входной угловой скорости. Таким образом, количество зубьев и диаметр обоих колес идентичны.

Достоинства и недостатки зубчатых передач.

По сравнению с другими видами механизмов передачи движения зубчатые передачи имеют следующие преимущества и недостатки:

Плюсы шестерен:

• Отсутствует возможность проскальзывания между шестернями, что снижает вероятность поломки механизма.
• Шестерни могут передавать большие мощности.
• Механические характеристики шестерен высокие.
• В целом, шестерни не требуют особого ухода.
• Шестерни вообще занимают мало места.

Недостатки шестерен :

• Шестеренки сделать сложно.
• Поэтому цена на шестерни обычно выше, чем на другие виды механизмов.
• Хотя производимый шум зависит от типа используемого механизма, обычно это шумная система передачи движения.

Шестерни. Виды и применение. Особенности и материал изготовления

Шестерни, зубчатки или зубчатые колеса – элементы зубчатой передачи, представляющей собой диск с зубьями. Устройство используется для отдачи крутящего момента путем зацепления с ответными зубьями других шестерней или зубчатого приводного ремня. При разнице диаметра контактной пары происходит передача оборотов от ведущей зубчатки на ведомую с ускорением или замедлением. Шестеренки используются в механизмах различной сложности, таких как часы, КПП автомобилей, редукторах, электромясорубках, блендерах, принтерах и т.д.

Материалы изготовления

Зубчатая передача используется в механизмах с различной нагрузкой, от совсем мизерной, к примеру, в наручных часах, до многотонной в промышленных редукторах.

Можно встретить шестерни из различных материалов:

• Сталь.
• Титан.
• Алюминий.
• Медь.
• Латунь.
• пластик.
• Дерево.

Стальные и титановые отличаются высокой стойкостью к истиранию. Их зубцы выдерживают большие нагрузки. Они используются в механизмах с высокой скоростью оборотов или повышенной силой противодействия, поэтому для увеличения срока службы требуют применения смазочных материалов. Они способны работать в системах, где периодически происходит торможение массивных раскрученных элементов, так как их зубья устойчивы к динамическому воздействию.

Шестеренки из цветных металлов отличаются меньшей прочностью, однако обладают коррозионной стойкостью. Их часто применяют в механизмах с сухой сцепкой, без использования смазки. Нужно отметить, что взаимодействие шестерен из цветных металлов исключает образование искры. Это позволяет применять такие детали во взрывоопасной газовой среде.

Пластиковые зубчатки отличаются низкой прочностью. Они не предназначены на длительную работу на высоких оборотах, так как при нагреве в результате трения начинают плавиться. Их часто используют в механизмах игрушек, принтеров, блендеров, миксеров, а также прочей кухонной и бытовой технике. При заклинивании отдельных элементов зубчатой передачи зубцы на остальных пластиковых шестернях могут срываться, в результате чего механизм приходит в негодность.

Также можно встретить деревянные зубчатки. Такие шестерни не отличаются высокой прочностью, особенно в малых размерах. Их можно встретить в механизме старинных водяных и ветровых мельниц. Сейчас же они представлены в виде демонстрационных моделей зубчатой передачи, а также деревянных конструкторах.

Виды шестерен

Шестерни могут отличаться между собой не только по материалу изготовления, но и по другим параметрам:

• Размеру.
• Форме.
• Глубине и направлению зубьев.

Основание зубчатки может быть цилиндрическим, коническим или прямым. Кроме этого, зубцы могут располагаться по внешней или внутренней кромке. Они бывают прямыми, скошенными, или иметь другую форму.

В зависимости от тех или иных составляющих, их можно разделить на следующие виды:

• Прямозубые.
• Косозубые.
• С внутренним зацеплением.
• Винтовые.
• Секторные.
• С круговыми зубьями.
• Конические.
• зубчатые рейки.
• Звездочки.
• Корончатые.

Прямозубые

Это наиболее распространенная и простая в производстве шестерня. Она представляет собой круглый профиль, зубцы которого располагаются по окружности и являются строго параллельными относительно оси вращения. Их изготовление возможно как методом фрезерования, так и отливки в форму. Особенность прямозубых шестеренок в том, что они могут передавать крутящий момент только на элементы расположенные относительно них параллельно в одной плоскости. Такой способ передачи обеспечивает самый высокий КПД, так как люфты и трение при стыковке элементов получаются минимальными. Кроме этого прямозубая стыковка сопровождается сравнительно меньшим давлением на зубья. Работа механизма сопровождается меньшим нагревом.

Косозубые шестерни

Зубчатые колеса этого типа имеют зубцы расположенные под уклоном. За счет этого они получаются более длинными. Это способствует возможности увеличения на них нагрузки. Они работают менее шумно, кроме этого отличаются плавностью.

Увеличенная ширина зубцов сопровождается повышенным трением. Как следствие такая деталь нагревается больше. Для предотвращения потери ее прочностных характеристик, требуется использование улучшенной системы смазки.

Косозубое колесо используют в механизмах, где требуется передача мощного крутящего момента с высокими оборотами. В силу смещенного направления усилия относительно посадочного вала такой зубчатки, при ее установке желательно применение упорных подшипников. Они препятствуют расхождению между сцепленными косыми шестернями, которые стремятся при вращении рассоединяться, так как каждый из них склонен к отклонению в разные стороны относительно друг друга.

С внутренним зацеплением

В более сложных механизмах используются шестеренки с зубьями расположенными по внутренней окружности. Их применение дает возможность обеспечить одинаковое направление вращения ведущего и ведомого вала. Это позволяет отказываться от дополнительных зубчаток, тем самым уменьшая габариты механизма. Такой технический прием можно встретить в конструкции насосов, а также в планетарной передаче. Производятся и действительно большие зубчатки с внутренним зацеплением, которые обеспечивают вращение поворотных механизмов кабины кранов и прочей землеройной, а также строительной техники.

Винтовые

Это легко угадываемые по форме профиля шестерни. Они имеют вид длинного цилиндра. Их зубья сделаны под винт, оборачиваемый вдоль цилиндра. Обычно такая зубчатка представляет собой вал с зубцами, а не диск как остальные.

Она используется для передачи крутящего момента на другую шестерню, расположенную относительно нее перпендикулярно. Причем сам узел примыкания получается достаточно компактным. Такая пара передает крутящий момент с понижающим или повышающим передаточным числом, поэтому ее часто можно встретить в конструкции редукторов.

Секторные

Это шестерня, зубья на которой нанесены не по всей окружности, а только частично на ширину сектора. За счет этого при сцеплении она делает неполный оборот, а только его часть, пока хватает зацепов. Обычно она используется в механизмах как ведущий элемент. Вращаясь на валу, она достигнув ответной шестерни цепляет ее и проворачивает на часть оборота. После прохождения ее зубцов, она вращается дальше, но последующая часть механизма останавливается до момента повторного примыкания зубцов. Таким образом, происходит шаговая передача крутящего момента.

Используя секторную шестерню можно обеспечить работу рывками от источника постоянного вращения. Это требуется для различного фасовочного оборудования на конвейерах и подобных устройствах.

С круговыми зубьями

Они имеют скругленные зубья, то есть с изгибом по радиусу. За счет этого они могут работать с увеличенной нагрузкой. Такие колеса обладают плавным ходом. Их недостаток в снижении КПД, зато они очень тихие.

Производство данных шестерен сложное, поэтому они применяются не так часто. Их стоимость выше, чем нескольких упрощенных зубчаток, решающих аналогичную задачу. Их применяют, если требуется добиться максимальной компактности и при этом низкого уровня шума готового механизма.

Конические

Такие шестерни могут передавать крутящий момент на валы, которые располагаются друг к другу под прямым углом. Их зубья могут быть прямыми, косыми, скругленными или тангенциальными. Это один из самых распространенных элементов. Его можно встретить в конструкции редукторов и дифференциала автомобиля. Такие зубчатки имеют зубья обычно только по наружной окружности. Коническая зубчатая пара состоит из элементов с разным количеством зубьев. В результате этого на таком узле происходит повышение или понижение передаточного числа.

Зубчатые рейки

Это элемент реечной передачи. Он представляет собой рейку с зубьями, предназначенную для стыковки с ответными шестернями. Такая пара позволяет превращать вращательное движение в поступательное, или же наоборот. Рейки бывают различной длины. Нередко они работают в сочетании с секторной зубчаткой, что обеспечивает выполнение возвратно-поступательных движений.

Звездочки

Это шестерни, предназначенные для соединения с роликовой цепью. Они применяются для передачи крутящего момента между элементами расположенными на расстоянии друг от друга. За счет разницы диаметра звездочек, и разного числа зубцов, при вращении такой пары происходит увеличение или понижение передаточного числа на ведомом элементе.

Также возможна работа звездочек посредством установки зубчатого ремня из резины или полимера Такое техническое решение сопровождает отсутствием необходимости выполнения смазки, а также понижением шума при оборотах. Однако ремень склонен к проскальзыванию под нагрузкой, так как способен растягиваться.

Корончатые

Это достаточно редкие шестерни, которые сложно спутать с любыми другими. Они отличаются тем, что зубья на них располагаются сбоку. За счет этого внешне они похожи на корону. Их применяют в сцепки с прямозубым колесом. Они не рассчитаны на большие нагрузки, и используются сугубо в силу необходимости корректировки формы механизма передачи, в случае необходимости его размещения в стесненный корпус или короб. Увидеть такие шестеренки можно в старинных башенных часах.

Похожие темы: