Виды разрушения зубьев и их рабочих поверхностей. Принцип расчета зубчатых передач. Основные расчетные соотношения

Поломка зубьев связана с напряжениями изгиба. На практике чаще наблюдается выламывание углов зубьев вследствие концентрации нагрузки. Различают два вида поломки зубьев: поломка от больших перегрузок ударного или даже статического действия (предупреждают защитой привода от перегрузок); усталостная поломка, происходящая от действия переменных напряжений в течение сравнительно длительного срока службы (предупреждают определением размеров из расчета на усталость). Особое значение имеют меры по устранению концентраторов напряжений (рисок от обработки, раковин, трещин в отливках и т.п.) Общие меры предупреждения поломки зубьев - увеличение модуля, положительное смещение при нарезании зубьев, термообработка, наклеп, уменьшение концентрации нагрузки по краям.

Все виды повреждения поверхности зубьев связаны с контактными напряжениями и трением.

Усталостное выкрашивание от контактных напряжений является основным видом разрушения поверхности зубьев при хорошей смазке передачи. Передача работает длительное время до появления усталости в поверхностных слоях зубьев. На поверхности появляются небольшие углубления, которые потом превращаются в раковины. Выкрашивание обычно начинается вблизи полюсной линии на ножках зубьев. Меры предупреждения: определение размеров из расчета на усталость по контактным напряжениям; повышение твердости материала путем термообработки; повышение степени точности.

Абразивный износ является основной причиной выхода из строя передач при плохой смазке. У изношенной передачи увеличиваются зазоры в зацеплении, появляется шум, возрастают динамические нагрузки. В то же время прочность изношенного зуба понижается вследствие уменьшения площади его поперечного сечения. Все это может привести к поломке зуба, если зубчатые колеса своевременно не забраковать. Меры предупреждения: повышение твердости поверхности зубьев, защита от загрязнения, применение специальных масел.

Заедание наблюдается в высоконагруженных и высокоскоростных передачах. В месте соприкасания зубьев развивается высокая температура, способствующая разрыву масляной пленки и образованию металлического контакта. Здесь происходит как бы сваривание частиц металла с последующим отрывом их от менее прочной поверхности. Образовавшиеся наросты задирают рабочие поверхности зубьев в направлении скольжения. Кромочный удар способствует заеданию. Меры предупреждения те же, что и против износа. Желательно фланкирование зубьев и интенсивное охлаждение.

Пластические сдвиги наблюдаются у тяжелонагруженных тихоходных зубчатых колес, выполненных из мягкой стали. При перегрузках на мягкой поверхности зубьев появляются пластические деформации с последующим сдвигом в направлении скольжения. В результате у полюсной линии зубьев ведомого колеса образуется хребет, а у ведущего - соответствующая канавка. Это нарушает правильность зацепления и приводит к разрушению зубьев. Пластические сдвиги можно устранить повышением твердости рабочих поверхностей зубьев.

Отслаивание твердого поверхностного слоя зубьев, подвергнутых поверхностному упрочнению. Наблюдается при недостаточно высоком качестве термической обработки, когда внутренние напряжения не сняты отпуском или когда хрупкая корка зубьев не имеет под собой достаточно прочной сердцевины. Отслаиванию способствуют перегрузки.

При проектном расчете зубчатых передач необходимо определить размеры передачи по заданным основным характеристикам: крутящему моменту и заданному передаточному числу. При расчете передач с цилиндрическими зубчатыми колесами сначала определяют межосевое расстояние:

Различные коэффициенты в этой формуле берут из справочной литературы в зависимости от вида передачи и условий работы. Передаточное отношение и момент должны быть известны из кинематического расчета, а допускаемые напряжения определяют в зависимости от используемого материала для изготовления зубчатых колес. Значение межосевого расстояния округляют до стандартного. Значение модуля выбирают из стандартного ряда, ориентируясь на рекомендации, выработанные практикой, и затем проверяют на изгиб. При известном модуле определяют и уточняют все параметры передачи. Для передач без смещения и при х_Σ = 0:

d₁ = 2a/ (u±1); z₁ = d₁/m; z₂ = z₁u; d₂ = mz₂; a = 0,5 (d₂±d₁); b = ψ_ba∙a.

Для окончательного утверждения выбранного значения модуля необходимо проверить прочность по напряжениям изгиба. В случае неудовлетворительного результата изменяют модуль и определяют новые значения числа зубьев. После этого определяются остальные геометрические размеры зубчатых колес и проводится проверочный расчет на прочность.

Опишите конструкции наиболее распространенных типов упругих и управляемых, сцепных и самоуправляемых муфт. Укажите области применения, эксплуатационные характеристики каждого типа.

Упругие муфты состоят из двух полумуфт, связанных упругим элементом. Упругая связь полумуфт позволяет: компенсировать несоосность валов; изменить жесткость системы в целях устранения резонансных колебаний при периодически изменяющейся нагрузке, снизить ударные перегрузки. По материалу упругих элементов эти муфты делят на две группы: с металлическими и неметаллическими упругими элементами.

Муфта с цилиндрическими пружинами состоит из обода с ребром и ступицы с дисками. Ребро обода размещается между дисками так, что возможен относительный поворот этих деталей. Ребро и диски имеют одинаковые фасонные вырезы, в которые закладывают пружины с ограничителями. С торцов муфту закрывают дисками, которые прикрепляют к ступице или ободу для предохранения пружины и ограничителей от выпадения и загрязнения. Такие муфты целесообразно применять как упругие звенья в системе соединения валов с зубчатыми колесами или цепными звездочками, а также для соединения валов.

Муфта зубчато-пружинная или муфта со змеевидными пружинами. Состоит из двух полумуфт, имеющих зубья специального профиля, между которыми размещается змеевидная пружина. Кожух удерживает пружину в рабочем положении, защищает муфту от пыли и служит резервуаром для смазки. Основная область применения этих муфт - тяжелое машиностроение (прокатные станы, турбины, поршневые двигатели).

Муфты с резиновыми упругими элементами проще и дешевле, чем со стальными. Преимущества резиновых элементов: высокая эластичность, высокая демпфирующая способность. Недостатки: меньшая долговечность, меньшая прочность, приводящая к большим габаритам. Муфты с резиновыми упругими элементами широко распространены во всех областях машиностроения для передачи малых и средних крутящих моментов.

Муфта с резиновой звездочкой состоит из двух полумуфт с торцовыми выступами и резиновой звездочки, зубья которой расположены между выступами. Широко применяется для соединения быстроходных валов. Муфта компактна и надежна в эксплуатации. Недостатки - при разборке и сборке необходимо осевое смещение валов.

Муфта упругая втулочно-пальцевая. Благодаря легкости изготовления и замены резиновых элементов эта муфта получила распространение, особенно в приводах от электродвигателей с малыми и средними крутящими моментами. Упругими элементами здесь служат гофрированные резиновые втулки или кольца трапецеидального сечения. Муфты обладают малой податливостью и применяются в основном для компенсации несоосности валов в небольших пределах.

Муфта с упругой оболочкой. Упругий элемент муфты, напоминающий автомобильную шину, работает на кручение. Это придает муфте большую энергоемкость, высокие упругие и компенсирующие свойства.

Управляемые муфты позволяют соединять или разъединять валы с помощью механизма управления. По принципу работы все эти муфты можно разделить на две группы: муфты, основанные на зацеплении (кулачковые или зубчатые); муфты, основанные на трении (фрикционные).

Муфты кулачковые. На торцах полумуфт имеются выступы (кулачки). В рабочем положении выступы одной полумуфты входят во впадины другой. Для включения и выключения одну из полумуфт устанавливают на валу подвижно в осевом направлении. Ее перемещают с помощью специального устройства - отводки. Вилку отводки располагают в специальном пазу полумуфты. В состав муфты входит также кольцо для центровки валов. Несоосность валов резко снижает работоспособность кулачковых муфт. Чаще всего кулачковые и зубчатые сцепные муфты располагают на одном валу и используют для переключения скоростей. Кроме того в таких муфтах неизбежны технологические боковые зазоры и связанные с этим удары при изменении направления вращения. Зазоры увеличиваются при износе кулачков. Такие муфты не рекомендуют применять для включения механизма под нагрузкой и при больших скоростях относительного вращения (больше 1 м/с).

Муфты зубчатые сцепные. По устройству и методике расчета эта муфта подобна зубчатой компенсирующей муфте с той разницей, что здесь обойма изготовляется подвижной и управляется с помощью отводки. Зубчатая муфта состоит из двух полумуфт с наружными зубьями и разъемной обоймы с двумя рядами внутренних зубьев. Муфта имеет ограничительные диски и втулку центрирующую валы, одновременно выполняя функцию подшипника при их вращении. Применяют также зубчатые муфты без обоймы, у которых одна полумуфта имеет внутренние, а другая - внешние зубья. Преимущества зубчатой муфты по сравнению с кулачковой - возможность изготовления на широко распространенном зуборезном оборудовании.

Муфты фрикционные. При включении фрикционных муфт крутящий момент возрастает постепенно по мере увеличения силы нажатия на поверхности трения. Это позволяет соединять валы под нагрузкой и с большой разностью начальных угловых скоростей. В процессе включения муфта пробуксовывает, а разгон ведомого вала происходит плавно, без удара. Отрегулированная на передачу предельного крутящего момента, безопасного для прочности машины, фрикционная муфта выполняет одновременно функции предохранительного устройства. Все фрикционные муфты в зависимости от формы рабочей поверхности можно разделить на три группы: муфты дисковые (плоская поверхность); муфты конические (коническая поверхность); муфты колодочные, ленточные (цилиндрическая поверхность). Эти муфты также не допускают несоосности.

Муфты дисковые. Первая полумуфта крепится на валу неподвижно, а вторая полумуфта подвижна в осевом направлении. Между ними находится фрикционная накладка. Для соединения валов к подвижной полумуфте прикладывают осевую силу. Для уменьшения необходимой силы и габаритов муфты применяют конструкции не с одной, а со многими парами поверхностей трения - многодисковые муфты. В этих муфтах имеются две группы дисков: наружные, соединенные с первой полумуфтой и внутренние, соединенные со второй полумуфтой с помощью подвижного шлицевого соединения. Различают муфты с электромагнитным, гидравлическим, пневматическим и механическим управлением.

Муфты конические. Состоят из двух полумуфт, сопрягающихся по конической поверхности. Одна из полумуфт подвижная в осевом направлении. От действия осевой силы на конической поверхности соприкасания полумуфт возникают удельное давление и удельные силы трения. Силы трения, направленные по касательной к окружности конуса, используются для передачи крутящего момента. Конические муфты позволяют уменьшить осевую силу, необходимую для работы муфты, по сравнению с дисковыми. В то же время конические муфты имеют большие габариты, чем многодисковые; сложнее в изготовлении и требуют повышенной точности центровки валов.

Самоуправляемые муфты предназначены для автоматического разъединения валов в тех случаях, когда параметры работы машины становятся недопустимыми. Эти муфты требуют строгой соосности полумуфт (валов).

Муфты предохранительные. Служат для защиты машин от перегрузки. Любая фрикционная муфта, отрегулированная на передачу предельного момента, выполняет функции предохранительной. Специальные предохранительные фрикционные муфты не имеют механизма управления, а силы нажатия в них обычно обеспечиваются постоянно действующими пружинами. Муфта со специальным разрушающим элементом состоит из двух полумуфт, крутящий момент между которыми передается через штифт, который срезается при перегрузке. Кулачковая предохранительная муфта. Полумуфты зацепляются кулачками, имеющими трапецеидальный профиль. Недостатком предохранительных кулачковых муфт являются удары кулачков при перегрузках, сопровождающиеся большим шумом. Эти муфты не рекомендуется применять при высокой частоте вращения.

Муфты центробежные. Эти муфты автоматически соединяют валы только тогда, когда угловая скорость превысит некоторое заданное значение. Таким образом, эти муфты являются самоуправляемыми по угловой скорости. Центробежные муфты используют для автоматического включения и выключения исполнительного механизма с помощью регулировки угловой скорости двигателя; разгона машин с большими маховыми массами при двигателе с малым пусковым моментом; повышения плавности пуска; выключения при перегрузках. Муфта состоит из двух полумуфт, колодок, пружины и регулировочного винта. Центробежная сила прижимает колодку к барабану второй полумуфты. Этому препятствует сила, возникающая от прогиба пружины. Значение этой силы регулируют винтом.

Муфта свободного хода. Эти муфты передают крутящий момент только в одном заданном направлении. Их применяют в станках, автомобилях, мотоциклах, велосипедах и т.д. В велосипедах они передают крутящий момент от педалей на колесо и в то же время позволяют колесу свободно катиться при неподвижных педалях. Простейшим представителем муфт свободного хода является устройство с храповиком. Вследствие шума на холостом ходу и резкого ударного включения муфты с храповиком применяют сравнительно мало и только при низких скоростях. Бесшумную работу обеспечивают фрикционные роликовые или шариковые муфты. Если шестерня вращается по часовой стрелке, то ролик закатывается в узкую часть паза и здесь заклинивается. Образуется жесткое соединение шестерни с валом через ролик. При вращении шестерни в противоположном направлении ролик выходит в широкую часть паза, и шестерня оказывается разъединенной с валом. В этом направлении она может вращаться свободно. Толкатель, имеющий слабую пружину, выполняет вспомогательную роль. Он удерживает ролик в постоянном соприкасании с обоймой.