Детали машин и основы конструирования

1.

КАФЕДРА МЕХАНИКИ И КОНСТРУИРОВАНИЯ
КАБИНЕТ 230, КОРПУС 1
ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА
ЛЕКТОР
КОРДИКОВА ЕЛЕНА ИВАНОВНА
(КАБИНЕТ 117, КОРПУС 1)
II КУРС (3 СЕМЕСТР) ─ УСТАНОВОЧНАЯ СЕССИЯ
II КУРС (4 СЕМЕСТР) ─ ЭКЗАМЕН
III КУРС (5 СЕМЕСТР) ─ ЭКЗАМЕН
III КУРС (6 СЕМЕСТР) ─ ДИФ. ЗАЧЕТ + КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

2.

Детали машин
и основы конструирования

3.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Зубчатые передачи – движение передается с помощью
зацепления пары зубчатых колес (шестерня и зубчатое колесо).
Достоинства
• возможность передачи практически любых мощностей (до 50000 кВт и
более) при широком диапазоне окружных скоростей (до 30...150 м/с);
• компактность, надежность и высокую усталостную прочность
передачи;
• высокий КПД (95-98%) при высокой точности изготовления и монтажа,
низкой шероховатости рабочей поверхности зубьев, жидкой смазке и
передаче полной мощности;
• постоянство передаточного отношения
• относительно небольшие нагрузки на валы и опоры
• большая долговечность и простота обслуживания и ухода
• возможность изготовления из металлических и неметаллических
материалов

4.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Недостатки
• ограниченность передаточного отношения;
• шум и вибрации при больших скоростях;
• чувствительность к ударным нагрузкам
• нерациональное использование зубьев – в работе передачи
одновременно участвуют обычно не более двух зубьев каждого из
зацепляющихся колёс
• высокие требования к точности изготовления и монтажа;
• относительная сложность изготовления высокоточных зубчатых
колес

5.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Классификация зубчатых передач
По расположению зубьев на ободе зубчатых колес:
прямозубые
косозубые
шевронные
продольная
ось зуба
параллельна
образующей
поверхности
колеса
продольная
ось зуба
направлена
под углом к
образующей
поверхности
колеса
зуб выполнен
в форме двух
косозубых
колес со
встречным
наклоном осей
зубьев
с круговым зубом
ось зуба
выполнена по
окружности
относительно
образующей
поверхности
колеса

6.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Классификация зубчатых передач
По взаимному расположению осей зубчатых колес:
цилиндрические
(оси параллельны)
конические
(оси пересекаются)
винтовые, червячные
(оси перекрещиваются)
По взаимному расположению зубчатых колес:
с внешним зацеплением
с внутренним зацеплением

7.

Классификация зубчатых передач
По конструктивному исполнению
Передаточное отношение
u
Dвых (ведомое)
Dвх (ведущее)
zвых (ведомое)
zвх (ведущее)
ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ

8.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Цилиндрическая прямозубая передача
Прямозубые передачи применяют при
невысоких и средних окружных скоростях
Достоинства :
• длина линии контакта равна ширине венца
• легко изготавливать и, как следствие,
дешевизна производства,
• из-за меньшего пятна контакта снижается
нагрев при работе, что позволяет менее
требовательно относится к системе смазки,
• отсутствие осевых нагрузок при работе
Недостатки:
• повышенный шум и вибрация
• быстрее изнашиваются
• работают при невысоких окружных скоростях и малых мощностях

9.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Конструктивные особенности зубчатых колёс
Диск – часть зубчатого колеса,
соединяющая обод со ступицей;
Зубчатый венец, включающий
зубья, предназначенные для
взаимодействия с сопряженным
зубчатым колесом;
Обод – часть зубчатого колеса,
несущая зубчатый венец; наиболее
часто обод совмещают с зубчатым
венцом, но иногда их выполняют
раздельными (например, из разных
материалов);
Ступица – часть зубчатого колеса,
соединяющая его с валом,
несущим зубчатое колесо; зубчатые
колеса малого диаметра по
сравнению с валом, несущим это
колесо, выполняются, как правило,
за одно целое с этим валом и
называются вал-шестерня;

10.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Цилиндрические зубчатые передачи
Геометрия прямозубой цилиндрической передачи
da1, da2 – диаметр вершин
зубьев, мм;
df1, df2 - диаметр впадин
зубьев, мм;
dw1, dw2 – начальная
окружность
d1, d2 – делительный
диаметр
aw – межосевое
расстояние
- угол зацепления,
град

11.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Материалы и термообработка зубчатых колес
Наибольшую твёрдость, наименьшие габариты и массу передачи,
можно получить при изготовлении зубчатых колес из сталей,
подвергнутых термообработке
Для зубчатых колес рекомендуют использовать – среднеуглеродистые
и легированные конструкционные стали, подвергнутые общей
закалке или поверхностной закалке зубьев
В зависимости от твердости (или термообработки) стальные зубчатые
колеса разделяют на две основные группы:
• твердостью НВ<350 — зубчатые колеса, нормализованные или
улучшенные;
• твердостью НВ>350 — с объемной закалкой, закалкой токами
высокой частоты, цементацией, азотированием и др.

12.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Цилиндрическая прямозубая передача
Силы в зацеплении
Контакт зубьев
происходит в полюсе
зацепления, силой
трения из-за малости
пренебрегают
Полная нагрузка Fn, нормальная к
профилям зубьев, раскладывается
на две составляющие:
Межосевое расстояние
d1 d 2 m z1 z2
aw
2
2
- угол зацепления, 20 град
• окружные силы, действующие
по касательной к окружностям
Ft1 Ft 2 2 T1 d1
• радиальные силы, действующие
по радиусу к центру
Fr1 Fr 2 Ft tg

13.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Цилиндрическая косозубая передача
Достоинства :
• плавность зацепления
• меньший шум
• снижение динамических
нагрузок
• меньшие габаритные размеры;
Недостатки:
• наличие осевой силы, которая увеличивается с
ростом угла наклона и стремящейся сдвинуть
зубчатое колесо вдоль оси
• сложнее в изготовлении

14.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Цилиндрическая косозубая передача
Особенности геометрии косозубых цилиндрических колес
pn - нормальный шаг зубьев;
pt - окружной шаг зубьев
β=8...18
0
pn
pt
cos
угол наклона зубьев
< 8 - нецелесообразно, отсутствуют
преимущества перед прямозубыми
> 18 - возникают большие осевые силы,
что усложняет работу подшипниковых
узлов

15.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Цилиндрическая косозубая передача
Силы в зацеплении
окружные силы
2 T1 2 T2
Ft1 Ft 2
d1
d2
радиальные силы
Ft tg
Fr1 Fr 2
cos
осевые силы
Fa1 Fa 2 Ft tg
- угол зацепления, 20 град
Направление осевой силы зависит
от направления вращения колеса

16.

Напряжения в зубьях
ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
При передаче крутящего момента на зуб действует нормальная к
поверхности эвольвенты сила
В результате упругих деформаций зубьев между ними появляется
площадка контакта, по которой распределены контактные напряжения
У основания зуба действуют напряжения изгиба
Виды разрушений зубьев
Усталостное
выкрашивание
рабочих поверхностей
Абразивное
изнашивание
Поломка зубьев из-за
изгиба - наиболее
опасный вид разрушения
Заедание
зубьев

17.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Конические зубчатые передачи
Коническая зубчатая передача —
зубчатая передача, состоящая из двух
зубчатых колёс, оси которых пересекаются.
Достоинства :
• передача крутящего момента
под углом
Недостатки:
• меньшая нагрузочная способность
• неравномерность распределения нагрузки по длине зуба
• пересечение валов затрудняет расположение опор
• на ведущем валу шестерня расположена консольно
• небольшое передаточное отношение (2-3)
• сложность изготовления
• большие нагрузки на опоры из-за значительных осевых нагрузок

18.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Конические зубчатые передачи
Геометрия прямозубой конической передачи
dm1, dm2 - средние
делительные диаметры
шестерни и колеса, мм;
de1, de2 - внешние
делительные диаметры
шестерни и колеса, мм;
b - ширина зубчатого венца, мм;
Rm, Re - среднее и внешнее конусные расстояния, мм;
1, 2 – углы делительных конусов шестерни и колеса, град.

19.

Конические зубчатые передачи
ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Силы в зацеплении
Полная нагрузка раскладывается
на три составляющие силы
Окружная сила
2 T1 2 T2
Ft1 Ft 2
d m1
dm2
Направление окружных сил зависит
от направления вращения колёс
Радиальная сила
Осевая сила
Fa1 Ft1 tg sin 1
Осевые силы всегда направлены
от вершин конусов
Fr1 Ft1 tg cos 1
Радиальные силы направлены к осям
вращения колёс
Fa 2 Fr1 Fr 2 Fa1

20.

Червячные передачи
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
Червячная передача - зубчато-винтовая
передача для передачи вращения между
скрещивающимися (обычно под прямым углом)
валами посредством червяка и сопряжённого
с ним червячного колеса.
Движение в червячных передачах осуществляется
по принципу винтовой пары
Червяк - винт с трапецеидальной или
близкой к ней по форме резьбой.
Червячное колесо - косозубое зубчатое
колесо с зубьями особой дуговой формы.
Движение передаётся только
от червяка к колесу
Ведущее звено - червяк (1),
ведомое звено - червячное
колесо (2)

21.

Червячные передачи
Достоинства
• плавность и бесшумность
работы;
• компактность и сравнительно
небольшая масса;
• возможность создания
большого передаточного числа
(10 – 60 (80))
• возможность самоторможения;
• большая кинематическая
точность.
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
Недостатки:
• сравнительно низкий КПД
(зависит от числа заходов
червяка: z1 = 1-4, η = 0,7 - 0,9);
• повышенный износ и склонность
к заеданию;
• применение для колес дорогих
антифрикционных материалов
• повышенные требования к
точности сборки

22.

Червячные передачи
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
Классификация червячных передач
По форме внешней поверхности червяка
с цилиндрическим червяком
с глобоидным червяком
По расположению червяка относительно колеса
нижнее
верхнее
боковое
По направлению линии витка червяка
• с правым направлением нарезки
• с левым направлением нарезки

23.

Червячные передачи
aw - межосевое расстояние
z1 - число заходов червяка
z2 - число зубьев колеса
ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Геометрия червячной передачи
d1 - делительный диаметр червяка
da1 - диаметр вершин витков
червяка
df1 - диаметр впадин витков
червяка
d2 - делительный диаметр
червячного колеса
da2 - диаметр вершин зубьев
червячного колеса
df2 - диаметр впадин зубьев
червячного колеса
dam2 - наибольший диаметр колеса
b2 - ширина венца колеса
2 - условный угол обхвата червяка

24.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
Червячные передачи
Силы в зацеплении
Окружная сила на колесе равна
осевой силе на червяке
2T2
Ft 2 Fa1
d2
Радиальные силы на червяке и
червячном колесе
Fr1 Fr 2 Ft 2 tg
Окружная сила на червяке
равна осевой силе на колесе
2T1
Fa 2 Ft1
d1

25.

Червячные передачи
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
Материалы
Материал венца червячного колеса
Скорости скольжения
Оловянистые бронзы
5 - 25 м/сек
Безоловянистые бронзы
2 - 5 м/сек
Серый чугун
не более 2 м/с
Материал червяка
Твердость поверхности
цементируемые стали
(20Х, 18ХГТ)
HRC 58 63
среднеуглеродистые стали
(45, 40ХН)
с поверхностной закалкой
HRC 50 55

26.

Червячные передачи
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
Способы соединения венца со ступицей
Колеса малых диаметров (до 100... 120
мм) изготовляют цельными, больших
диаметров преимущественно сборными
с натягом и винтами
болтовым соединением заливкой венца на обод

27.

Червячные передачи
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
Тепловой расчет
Высокое тепловыделение в червячной передаче, обусловленное её
относительно малым КПД, требует принятия специальных мер для
поддержания нормальной рабочей температуры деталей передачи.
Допустимая температура масла в корпусе червячного редуктора
обычно не должна превышать 70…90 С
Если рабочая температура масла превышает допустимое
значение, то следует принимать меры по охлаждению масла:
• увеличивать площадь охлаждения за счет применения ребер
охлаждения на корпусе редуктора,
• устанавливать на валу червяка вентилятор,
• применять водяное охлаждение и т. д.