Конструирование зубчатых и червячных колес

2.4.6.1 Конструкция цилиндрических зубчатых колес

Конструкция зубчатых колес представлена на рис. 2.2. Зубчатые колеса состоят из обода, диска и ступицы.

	а	б
Рис. 2.2. Конструкция зубчатого колеса

Диаметр окружности выступов и ширина зубчатого венца – определяются при проектировочном расчете.

Толщину обода S для всех типов колес можно принять:

.

На торцах зубчатого венца (зубьях и углах обода) выполняют фаски (рис. 2.3):

,

которые округляют до стандартного значения по тому же ряду, что и (см. табл. 2.3).

На всех прямозубых зубчатых колесах фаску выполняют под углом 45° (рис. 2.3а). На косозубых и шевронных колесах при твердости менее 350 HB фаску выполняют под углом 45° (рис. 2.3а), при более высокой твердости – под углом 15…20° (рис. 2.3б).

	а	б
Рис. 2.3. Конструкция фаски на торцах зубчатого венца

Диаметр ступицы наружный (см. рис. 2.2):

– для стальной ступицы при шпоночном соединении и посадке с натягом;

– для стальной ступицы при шлицевом соединении;

– для ступицы из чугуна.

Длина ступицы :

– меньшие значения при посадке на вал с натягом, большие – при переходной посадке;

– оптимальное значение;

Окончательно принимается после расчета соединения вал–ступица.

Зубчатые колеса для редукторов чаще всего имеют симметрично расположенную ступицу.

Острые кромки на торцах ступицы притупляют фасками , размеры которых принимают по таблице 2.5.

Таблица 2.5

Рекомендуемое значение фасок

	20…30	30…40	40…50	50…80	80…120	120…150	150…250	250…500
	1,0	1,2	1,6	2,0	2,5	3,0	4,0	5,0

Такие же по величине фаски можно применить и для притупления внутренней кромки обода.

Зубчатые колеса небольшого диаметра (до 150 мм) имеют простую форму. Заготовку получают из проката (рис. 2.4а и рис. 2.5а) или свободной ковкой (рис. 2.4б и рис. 2.5б). Применяются как при серийном, так при единичном производстве.

	а	б
Рис. 2.4. Конструкция зубчатых колес небольшого диаметра

Такую конструкцию можно применять, если толщина обода в месте, ослабленном шпоночным пазом, будет не менее 2,5m, в противном случае зубчатое колесо надо изготавливать заодно с валом (см. п. 2.4.6.2, «Конструкция вал-шестерней»).

Чтобы уменьшить объем точной обработки резанием на дисках колес выполняют выточки (для колес > 80 мм) (рис. 2.5). Эту же конструкцию колес можно применять для колес большего диаметра (до 500 мм) в единичном производстве, если нет жестких требований к массе.

	а	б
Рис. 2.5. Конструкция зубчатых колес небольшого диаметра

Кованные колеса (рис. 2.6) – колеса большего диаметра (до 500 мм) в единичном и мелкосерийном производстве получают из проката свободной ковкой с последующей токарной обработкой.

Рис. 2.6. Конструкция кованных зубчатых колес

Толщина диска . Для уменьшения массы в технически оправданных случаях можно принимать , а в диске выполнить 4…6 отверстий большого диаметра.

Радиусы закруглений .

Штампованные колеса – при серийном производстве заготовки колес диаметром до 500 мм получают из круглого проката ковкой в штампах. При годовом объеме выпуска до 100 шт. экономически оправдана ковка в простейших односторонних подкладных штампах (рис. 2.7). Для свободной выемки заготовок из штампа принимают значения штамповочных уклонов и радиусов закруглений R ³ 6 мм.

Рис. 2.7. Конструкция штампованных зубчатых колес

Толщина диска .

При годовом объеме выпуска более 100 шт. применяют двусторонние штампы (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Конструкция штампованных зубчатых колес

Для уменьшения влияния объемной термообработки на точность геометрической формы зубчатые колеса могут быть сделаны массивными (рис. 2.9): .

Рис. 2.9. Конструкция штампованных зубчатых колес

Цельнолитые колеса – применяются в серийном производстве, как наименее трудоемкие, для изготовления колес диаметром свыше 500 мм. По своей несущей способности они уступают колесам с кованным или прокатанным ободом. До диаметра 900 мм их преимущественно выполняют однодисковыми (рис. 2.10а), а при больших диаметрах и ширине – подкрепляется ребрами (рис. 2.10б) или выполняются двухдисковыми (рис. 2.10в).

а	б	в
Рис. 2.10. Конструкция литых зубчатых колес

Спицы могут иметь крестовидное, тавровое, двутавровое, овальное или другой формы сечения. Размеры сечения спиц у ступицы определяются из условного их расчета на изгиб. Поскольку жесткость обода невелика, распределение нагрузки между спицами очень неравномерное. Если окружное усилие на колесе , то условно полагают, что нагрузка, приходящаяся на наиболее нагруженную спицу:

,

где T – вращающий момент на колесе;

d – делительный диаметр колеса;

– количество спиц.

Тогда условие прочности спиц:

где – осевой момент сопротивления сечения спицы.

Для свободной выемки заготовок из формы принимают значения литьевых уклонов и радиусов закруглений R ³ 10 мм.

Во избежание биения и вибрации во время работы для зубчатых колес проводят балансировку, высверливая на торце обода отверстия, если их частота вращения превышает 1000 об/мин.

2.4.6.2 Конструкция вал-шестерней

Вал-шестерни применяются в тех случаях, если диаметр вала близок по размерам диаметру шестерни (преимущественно в редукторах при 3,15),

Рис. 2.11. Конструкция цилиндрических вал-шестерен

Конструкция вал-шестерни должна обеспечивать нарезание зубьев со свободным выходом инструмента (рис. 2.11а). При больших передаточных числах допускается изготовление вал-шестерни с врезанием зубьев в тело вала (рис. 2.11б,в). Выход фрезы определяют графически по ее наружному диаметру. Применения врезных вал-шестерен желательно избегать, так как в этом случае затруднено фрезерование и шлифование зубьев. При этом диаметр окружности впадин шестерни не должен быть меньше расчетного диаметра вала .

По возможности следует предусматривать вход инструмента со стороны заплечика вала (рис. 2.11г).

2.4.6.3 Конструкция червяков

Червяки выполняют заодно с валом. Насаживаемые червяки применяются крайне редко. Основные размеры червяка (диаметры , , , длина ) определены при проектировании. Ориентировочное расстояние между опорами l определяется на стадии эскизного проектирования редуктора.

Одним из основных требований, предъявляемых к конструкции вала-червяка, является обеспечение высокой жесткости. С этой целью расстояние между опорами стараются принимать как можно меньше.

а

б

в

Рис. 2.12. Конструкция цилиндрических червяков

Диаметр вала-червяка в ненарезанной части выбирают таким, чтобы обеспечить, по возможности, свободный выход инструмента при обработке витков и необходимую величину упорного заплечика для подшипника (рис. 2.12а).

Если диаметр червяка недостаточно большой для обеспечения нужной высоты заплечика, то необходимо предусмотреть буртик (рис. 2.12б).

При малом диаметре червяк приходится выполнять по рис. 2.12в. В этом случае заплечики выполняют как по рис. 2.12а, так и по рис. 2.12б.

2.4.6.4 Конструкция червячных колес

Основные размеры венца червячного колеса (диаметры , , , , ширина венца ) определены при проектировании.

Радиус выемки поверхности вершин зубьев колеса (рис. 2.13) определяется по диаметру червяка:

,

где – делительный диаметр червяка.

m – модуль передачи.

Рис. 2.13. Размеры венца червячного колеса

На торцах червячного колеса выполняют фаски с округлением до стандартного значения (стандартный размерный ряд фасок дан в табл. 2.6).

Червячные колеса небольшого диаметра (до 100-120 мм) выполняют цельными. Толщину обода в этом случае можно принять:

.

Размеры диска и ступицы принимают как у сборных колес.

Более крупные колеса изготавливают сборными для экономии дорогостоящих бронз. Диск колеса выполняют из более дешевых чугунов или сталей, зубчатый венец – из бронзы.

Нарезание зубьев червячного колеса выполняют после сборки.

Конструкция диска зависит от объема выпуска. При мелкосерийном производстве заготовки дисков получают из проката или поковок с последующей токарной обработкой (рис. 2.14а). При серийном производстве (годовой объем выпуска свыше 100 шт.) предпочтительнее изготовление штампованных или литых дисков (рис. 2.14б).

Для облегчения выемки заготовки из штампа или литейной формы необходимо на ободе и ступице предусмотреть уклоны и радиусы закругления мм. Для кованных и точеных дисков радиусы закругления принимают мм.

	а		б
Рис. 2.14. Конструкция диска сборного червячного колеса

Толщина червячного венца S: .

Толщина обода : .

Отсюда наружный диаметр диска: .

Внутренний диаметр обода: .

Толщина диска , но не менее .

Диаметр ступицы наружный :

– для стальной ступицы при шпоночном соединении и посадке с натягом;

– для стальной ступицы при шлицевом соединении;

– для ступицы из чугуна.

Длина ступицы :

– меньшие значения при посадке на вал с натягом, большие – при переходной посадке;

– оптимальное значение;

Окончательно принимается после расчета соединения вал–ступица.

Редукторные червячные колеса чаще всего имеют симметрично расположенную ступицу.

Червячные колеса весом более 20 кг должны иметь 4…6 отверстий на диске для строповки. Диаметр отверстий принимается конструктивно.

Острые кромки на торцах ступицы притупляют фасками , размеры которых принимают по таблице 2.6.

Таблица 2.6

Рекомендуемые размеры фасок f

	20…30	30…40	40…50	50…80	80…120	120…150	150…250	250…500
	1,0	1,2	1,6	2,0	2,5	3,0	4,0	5,0

Такие же по величине фаски можно применить и для притупления внутренней кромки обода.

Соединение венца с диском должно обеспечивать передачу большого крутящего момента и сравнительно небольшой осевой силы. Конструкция венца и способ соединения с диском зависит от объема выпуска.

При единичном и мелкосерийном производстве и небольших размерах колес ( 300 мм) венцы насаживают на диск с натягом (рис. 2.15).

Толщина обода: .

При постоянном направлении вращения червячного колеса на наружной поверхности диска предусматривают буртик (рис. 2.15а), который воспринимает осевую силу. Размеры буртика можно принять: ; . Колесо реверсивной передачи можно выполнить без буртика.

	а	б
Рис. 2.15. Крепление червячного венца с натягом

При относительно небольших натягах (или принятии натяга без расчета), для гарантии непроворачиваемости, в стык червячного венца и диска устанавливают винты (рис. 2.15б) в качестве цилиндрической шпонки (обычно по 3…4 штуки по окружности).

При больших размерах колес ( 300 мм) венец можно прикрепить к диску с помощью призонных болтов (под развертку) (рис. 2.16) или заклепок. В этом случае венец предварительно центрируют по диаметру D, сопряжение выполняют по переходной посадке.

Толщина обода: .

Рис. 2.16. Крепление червячного венца с помощью болтов

В данной конструкции необходимо предусмотреть надежное стопорение гайки от самоотвинчивания, для этого пружинные шайбы применять не рекомендуется.

При серийном производстве экономически выгоднее изготавливать колеса с венцами, получаемыми отливкой. Чугунный или стальной диск нагретый до 700…800ºС закладывают в металлическую форму, подогревают ее до 150…200ºС и заливают расплавленной бронзой. При остывании между диском и венцом возникает натяг, вызываемый усадкой затвердевающего жидкого металла венца.

Толщину венца при отливке принимают .

Диски изготавливают точением, штамповкой или литьем в кокиль. Наружные поверхности литых дисков механически не обрабатывают. Их обезжиривают и очищают от оксидных пленок с помощью химической обработки. На ободе диска предусматривают 6…8 углублений, после отливки на венце образуются выступы, которые воспринимают как окружную, так и осевую силы.

Вогнутую наружную поверхность диска (рис. 2.17а,б) получают точением. Поперечные пазы получают радиальной подачей фрезы: дисковой (рис. 2.17а) – перпендикулярно оси вращения колеса или цилиндрической (рис. 2.17б) – параллельно оси вращения. Размеры пазов: ; .

Углубления на ободе диска можно высверливать (рис. 2.17в).

На рис. 2.17г,д показаны диски с пазами, получаемые при литье в диска в кокиль.

Рис. 2.17. Конструкция червячных венцов, получаемых отливкой

2.4.6.5 Выбор посадок, предельных отклонений, допусков форм и расположения поверхностей, шероховатостей.

Допуски и предельные отклонения размеров колес и червяков

Допуски на размер диаметра окружности выступов можно принять: для зубчатых колес 7 степени точности – h8, 8 степени точности – h9, 9 степени точности – h10. Для 11 степени точности (прямозубые и узкие косозубые колеса передач в ручных приводах) в реверсивных передачах – h11, в нереверсивных передачах – h12.

Допуск на длину ступицы принимают h11- h12.

Допуски на остальные размеры обычно принимают по 14 квалитету.

Шероховатость поверхностей колес и червяков

Поверхности элементов зубчатых и червячных передач должны иметь шероховатость, указанные в таблице 2.7.

Таблица 2.7

Шероховатость поверхностей элементов зубчатых и червячных колес

Элементы зубчатых колес	Шероховатость, Ra, мкм
Рабочие поверхности зубьев зубчатых колес	0,8 – 0,1
Рабочие поверхности зубьев червячных колес	0,8 – 0,4
Рабочие поверхности витков червяков	0,4 – 0,2
Поверхности выступов зубьев	6,3
Фаски и выточки на зубчатых и червячных колесах	6,3
Торцы ступиц, базирующихся по торцу заплечиков валов, при отношении	1,6
То же при отношении	3,2
Рабочие поверхности шпоночных пазов	1,6
Нерабочие поверхности шпоночных пазов	3,2
Посадочные поверхности отверстий при посадке H7:
при диаметрах ≤ 50 мм	0,8
при диаметрах > 50 мм	1,6

Проектирование валов

2.4.7.1 Построение эскизов валов

Разработку эскиза вала можно начинать с конца вала. Рекомендуется применять стандартные концы (табл. 4, 5 приложения): цилиндрические – по ГОСТ 12080-66 или конические – по ГОСТ 12081-72. Цилиндрические концы валов проще в изготовлении, но требуют дополнительной осевой фиксации насаженных деталей. Конические концы валов сложнее в изготовлении, но обеспечивают простую и плотную посадку деталей. Их рекомендуют для валов с высокой скоростью вращения.

Рекомендуемые размеры фасок и радиусов галтелей даны в таблице 2.8. Если участок вала необходимо при изготовлении шлифовать, вместо обычного перехода предусматривают канавку для выхода шлифовального круга (рис. 2.19, табл. 2.9).

Высоту заплечика t принимают конструктивно, в зависимости от характера нагрузки, действующей на насаженную деталь: от 1,25r – для деталей не испытывающих осевых нагрузок, до (2,0…2,5)r – для деталей, воспринимающих сильные осевые нагрузки. Диаметры остальных участков вала определяют последовательно с учетом высоты заплечиков каждой ступени.

	а	б	в
Рис. 2.18. Размеры заплечиков вала

Таблица 2.8

Размеры заплечиков вала, мм

Диаметр вала d	10 - 18	20-28	30-46	48-68	70-100	Св. 100
Радиус закругления r	1,0	1,6	2,0	2,5		4,0
Фаска c	0,6	1,0	1,6	2,0	2,5	3,0

	а	б
Рис. 2.19. Канавки под выход шлифовального круга

Таблица 2.9

Размеры канавки под выход шлифовального круга, мм

Диаметр вала d	10-48	50-100	Св. 100
Ширина канавки b
Радиус закругления R	1,0	1,6	2,0
Радиус закругления R1	0,5	1,0
Диаметр канавки d1	d–0,5	d–1,0

Если участок вала предназначен для посадки детали, то необходимо на начале участка предусмотреть фаску: под углом 45º – при посадке с зазором или переходной посадке; под углом 30º – при посадке с натягом.

Длины участков валов определяются с помощью прорисовки с учетом габаритов насаживаемых деталей, их взаимного расположения, величины необходимых зазоров между ними и т.д.

2.4.7.2 Посадка зубчатых и червячных колес на валах

Передача крутящего момента от вала к колесу или наоборот, независимо от типа посадки, осуществляется при помощи шпоночных или шлицевых соединений.

В серийных редукторах общего назначения обычно применяется одна из переходных посадок: H7/k6 (напряженная), H7/m6 (тугая). Эти посадки применяются в механизмах, работающих при небольших нагрузках и подвергающихся частым разборкам. Переходные посадки требуют дополнительного крепления колес от осевого перемещения (пружинными кольцами, установочными винтами, распорными втулками, гайками и т.д.).

При редких разборках применяются посадки: H7/n6 (глухая), H7/p6 (легкопрессовая). Эти посадки также требуют дополнительного крепления колес от осевого перемещения.

Посадка зубчатых колес на валы в тяжелонагруженных передачах, работающие при вибрационных и ударных нагрузках, осуществляется по одной из прессовых посадок: H7/r6, H7/s6. Применение этих посадок наряду с повышением надежности соединения предохраняет колеса от осевого перемещения.

2.4.7.3 Шероховатость поверхностей валов

Поверхности валов должны иметь шероховатость, указанные в таблице 2.10.

Таблица 2.10

Шероховатость поверхностей валов

Элементы валов	Шероховатость, Ra, мкм
Неподвижные соединения с посадкой скольжения	0,2 – 0,05
Соединения с переходными посадками	0,4 – 0,1
Прессовые и конусные соединения	0,4 – 0,05
Упорные буртики неподвижных цилиндрических соединений (рабочие поверхности)	1,6 – 0,4
Посадки подшипников качения на валу при классе точности подшипника:
нормальном	0,4 – 0,1
повышенным	0,1 – 0,05
Шлицевые соединения, центрирование:
по наружному диаметру	0,4 – 0,1
по внутреннему диаметру	0,8 – 0,2
Шпоночно-пазовые соединения (рабочие грани пазов)	3,2 – 0,8
Резьбы наружные	3,2 – 1,6
Резьбы внутренние	6,4 – 3,2
Уплотнения цилиндрические контактные с мягкими элементами манжеты (рабочие поверхности валов)	0,1 – 0,05
Свободные поверхности деталей (торцы и ненесущие цилиндрические поверхности валов, фаски и т.п.):
малонагруженных	6,4 – 1,6
нагруженных высокими цикличными нагрузками	1,6 – 0,2
Галтели:
неответственного назначения	3,2 – 1,6
деталей, нагруженных высокими цикличными нагрузками	0,4 – 0,1