Зубчатые механизмы
Применение зубчатых механизмов в машиностроении, приборостроении, в технических системах. Классификация зубчатых передач. Конструкции и материалы зубчатых колес. Цветные металлы и сплавы. Разъемные, резьбовые, шпоночные, шлицевые и профильные соединения.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 18.11.2013 |
| Размер файла | 2,5 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
- Зубчатые механизмы
- Классификация зубчатых передач
- Коническая зубчатая передача
- Червячные передачи
- Конструкции и материалы зубчатых колес
- Конструкционные материалы
- Цветные металлы и сплавы
- Разъемные соединения
- Резьбовые соединения
- Шпоночные соединения
- Шлицевые соединения
- Профильные соединения
- Задача
- Литература
Зубчатые механизмы
Зубчатые механизмы чаще по сравнению с другими видами механизмов применяются в машиностроении, приборостроении, в технических системах. Они служат для преобразования вращательного движения ведущего звена и передачи моментов сил.
Достоинствами таких передач являются постоянство заданного передаточного отношения, компактность, высокий КПД (0,92 … 0,98); наличие небольших сил давления на валы и опоры; высокая надежность; простота обслуживания. К недостаткам можно отнести сложность и высокую точность изготовления и сборки, наличие шума при работе, невозможность плавного бесступенчатого регулирования скорости вращения ведомого звена. При больших расстояниях между осями ведущего и ведомого валов зубчатые передачи получаются громоздкими и применение их в этих случаях нерационально.
Меньшее из пары зубчатых колес принято называть шестерней, большее - колесом. Термин "зубчатое колесо" можно применять как к шестерне, так и к колесу зубчатой передачи. Индексы "1" и "2" присваивают соответственно параметрам шестерни и колеса.
Зацепление зубчатых колес можно кинематически представить как качение без скольжения друг по другу двух поверхностей, называемых начальными. Для цилиндрических передач это цилиндры, для конических - конусы. Точку качения начальных поверхностей определяют как полюс зацепления.
Классификация зубчатых передач
По числу пар зацепляющихся колес зубчатые передачи бывают одно-, двух - и многоступенчатыми.
По взаимному расположению осей зубчатые передачи делят на:
цилиндрические - с параллельными осями (рис.1, а);
конические - с пересекающимися осями (рис.1, д);
червячные (рис.1, з) - со скрещивающимися в пространстве осями;
винтовые (рис.1, и) - со скрещивающимися в пространстве осями.
Наибольшее распространение имеют передачи с цилиндрическими зубчатыми колесами.
По расположению зубьев относительно образующих начальной поверхности колеса зубчатые передачи делят на:
прямозубые (рис.1, а);
косозубые (рис.1, б, в);
шевронные (рис.1, в);
с круговым зубом (рис.1, ж).
Прямозубыми называются колеса (передачи), направление каждого зуба которых совпадает с образующей начальной поверхности (цилиндра или конуса). Косозубыми называются зубчатые колеса, направление каждого зуба которых составляет некоторый постоянный угол с образующей начальной поверхности. Шевронными называются колеса, зубчатый венец которых образуется из двух рядов косых зубьев противоположного направления. В зависимости от применяемого зуборезного оборудования и инструмента шевронные зубчатые колеса выполняют либо с проточкой, либо с жестким углом шеврона.
Конические колеса могут быть прямозубыми, косозубыми и с круговым зубом (рис.1, д, е, ж).
Зацепление зубчатых колес может быть внешним и внутренним (рис.1, г).
Реечные зубчатые передачи (рис.1, к) преобразуют вращательное движение в поступательное или наоборот.
зубчатый механизм передача соединение
д е ж
з и
Рис.1
Наибольшее распространение получили передачи с эвольвентным профилем зубьев. Так как, во-первых, эвольвентное зацепление мало чувствительно к отклонениям межосевого расстояния (не нарушается правильность зацепления), во-вторых, профиль зубьев инструмента для нарезания эвольвентных зубчатых колес может быть прямолинейным (сравнительно простое изготовление и контроль инструмента и колес), одним инструментом можно нарезать колеса с разным числом зубьев. Траекторией точки контакта эвольвентных профилей зубьев является прямая линия.
По конструктивному выполнению корпуса зубчатые передачи бывают открытыми и закрытыми. Открытые не имеют защиты от попадания пыли и грязи, закрытые передачи имеют жесткий корпус и работают в масляной ванне.
По характеру своей работы передачи могут быть реверсивные и нереверсивные. Реверсивные передачи характеризуются поочередным изменением на противоположное направления движения ведущего звена.
По величине окружной скорости различают передачи - тихоходные (до 3 м/с), средних скоростей (3 … 15 м/с) и быстроходные (свыше 15 м/с).
Параметры цилиндрических прямозубых колес
Рассмотрим элементы зубчатых колес (рис.2), находящихся в зацеплении, в плоскости, перпендикулярной к оси вращения. По высоте снаружи зубья ограничены окружностью выступов диаметром , изнутри - окружностью впадин диаметром . Боковые поверхности полного профиля зуба очерчены эвольвентами противоположных ветвей. Эвольвента представляет собой траекторию произвольной точки прямой, перекатывающейся без скольжения по окружности, называемой основной. Положительная ветвь эвольвенты получается при перекатывании производящей прямой против хода часовой стрелки, отрицательная - по ходу часовой стрелки. С увеличением радиуса основной окружности до бесконечности (зубчатая рейка) эвольвента превращается в прямую. Часть бокового профиля зуба очерчивается по переходной кривой, служащей плавным переходом от эвольвенты к окружности впадин. Наличие переходной кривой делает зуб более прочным у основания. При зацеплении одного колеса с другим появляется начальная окружность радиусом . Это окружность одного зубчатого колеса, перекатывающаяся без скольжения по окружности (поверхности) второго из зацепляющихся колес. Расстояние между одноименными профилями соседних зубьев по дуге окружности называется окружным шагом и обозначается . Значение этого параметра по начальным окружностям должно быть одинаковым у находящихся в зацеплении колес. Пользуясь шагом зацепления, можно выразить длину любой окружности колеса, умножив шаг на число зубьев z:
z = рd (1)
где t - индекс соответствующей окружности, например, ,, или , .
Рис.2
Величина выражается несоизмеримым числом, так как в правую часть условия (3) входит число р. Это затрудняет выбор размеров колес при их проектировании и изготовлении. Поэтому основным параметром принят не шаг, а отношение его к числу р. Эта величина называется модулем зацепления
mt = pt/р (2)
Шаг и модуль имеют индекс той окружности, по которой они измерены. Величины модулей для снижения номенклатуры и унификации режущего и контролирующего инструмента стандартизированы. Чаще всего согласно стандартам ограничиваются следующими значениями модуля (в миллиметрах): 0,05; 0,06; 0,08; 0,1; 0,12; 0,15; 0, 20; 0,25; 0,3; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,25; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0. Окружность, по которой модуль имеет расчетное стандартное значение, называется делительной. Диаметр ее обозначается d, она является базовой для определения элементов зубьев и их размеров. Шаг и модуль по делительной окружности обозначают соответственно р и m.
Диаметр делительной окружности
d= mz. (3)
Для наиболее распространенных неисправленных по высоте (нулевых) колес начальная и делительные окружности совпадают, и передаточное отношение для пары таких колес будет равно
(4)
Помимо шага по дуге окружности различают и угловой шаг (центральный угол, соответствующий шагу по дуге). За время контакта одной пары зубьев колесо повернется на угол перекрытия. Для обеспечения непрерывности передачи движения от ведущего к ведомому колесу необходимо, чтобы до выхода из контакта данной пары зубьев в зацепление вступила очередная пара зубьев. Это условие будет соблюдаться, если угловой шаг колеса меньше угла перекрытия. Отношение угла перекрытия к угловому шагу, называют коэффициентом перекрытия зубчатой передачи е. Допустимым считается значение е ? 1,2.
Часть зуба, заключенную между окружностью выступов и делительной окружностью, называют головкой зуба, а часть зуба, заключенную между делительной окружностью и окружностью впадин, - ножкой зуба. Основные геометрические параметры зубчатого колеса - диаметры выступов da и впадин df, общая высота зуба h, высота головки ha и ножки hf, толщина зуба s и ширина впадин между зубьями - выражаются через основной параметр зубчатой передачи - модуль m, по ГОСТ 9587-68.
Зубчатые передачи в приборостроении обычно используют не как силовые для передачи значительных моментов сил, а как кинематические для получения требуемых скоростей вращения. Зубчатую передачу в этом случае не рассчитывают на прочность, модуль выбирают из стандартного ряда по конструктивным соображениям. Применение малых модулей позволяет уменьшить габариты колес и увеличить плавность передачи при сохранении габаритов за счет увеличения числа зубьев. При заданном диаметре стоимость колес с уменьшением модуля возрастает, но повышается точность работы зубчатой пары, КПД таких передач 0,94.0,98.
Высота головки зуба принимается равной модулю
ha = m (5)
Высота ножки зуба принимается равной 1,25 модуля
hf = 1,25m (6)
Высота зуба
h= ha+ hf =m+1,25m=2,25m (7)
Разница в высоте ножки зуба одного колеса и высоте головки зуба другого необходима для образования радиального зазора
с= hf ha =0,25m (8)
Диаметр окружности выступов
da= d+2ha= zm+2m= m (z+2) (9)
Диаметр окружности впадин
df = d2 hf = zm2,5m= m (z2,5) (10)
Теоретически толщина зуба s и ширина впадины по делительной окружности равны между собой
s == p/2= рm/2 =1,57m (11)
Однако, чтобы создать боковой зазор, необходимый для нормальной работы зубчатой пары, зуб делается несколько тоньше, вследствие чего он входит во впадину свободно.
Траектория точек контакта пары зубьев во время зацепления у эвольвентных колес называется линией зацепления. Она является общей нормалью к боковым профилям зубьев. Угол между линией зацепления и перпендикуляром к межосевому расстоянию называют углом зацепления б, обычно б = 20°. При изменении межосевого расстояния линия зацепления изменяет свое положение. Изменяется угол зацепления, но передаточное отношение не нарушается.
Рис. 3
Чем меньше зубьев имеют колеса, тем меньше их габариты при одном и том же модуле. Уменьшение зубьев допустимо лишь до определенного предела. Если число зубьев z будет меньше минимально допустимого, то при изготовлении путем нарезания режущий инструмент срезает часть зуба, возникает подрезание зубьев у ножки (рис.3). Профиль зуба из-за подрезания искажается, нарушается плавность зацепления, уменьшается прочность зуба.
Минимально допустимое число зубьев при угле зацепления б = 20° равно 17, а при б = 15°, минимальное число
Зубьев равно 30. При изготовлении зубчатых колес иногда применяют зубья укороченной высоты с коэффициентом высоты головки ha* = 0,8. Это позволяет получить без подреза меньшее число зубьев на шестернях. Так при б = 20° и ha* = 0,8 минимально допустимое число зубьев равно 14.
Кинематика зубчатых передач с неподвижными осями.
Отношение угловых скоростей ведущего и ведомого колес называют передаточным отношением i. В простой зубчатой передаче, состоящей из двух находящихся в зацеплении колес, при внешнем зацеплении колеса вращаются в разные стороны, поэтому передаточное отношение отрицательное, а в передаче с внутренним зацеплением передаточное отношение положительное, т.е. знак "-" принимают при внешнем зацеплении колес, знак "+" - при внутреннем
(12)
Передаточное отношение, которое можно воспроизвести одной парой зубчатых колес (исключая червячную передачу) невелико, так как минимальное и максимальное значения чисел зубьев колес ограничены и лимитируются определенными технологическими факторами
, (, )
Рис. 4
При необходимости получения больших передаточных отношений применяют сложные зубчатые механизмы, состоящие из нескольких простых цилиндрических, конических, червячных зубчатых механизмов, соединенных последовательно, т.е. многоступенчатую передачу. Передача вращающего момента осуществляется последовательно с одного вала на другой через зубчатые колеса, причем на каждом промежуточном валу размещают по два колеса, одно из которых является ведомым по отношению к предыдущему, другое - ведущим по отношению к последующему.
Рассмотрим плоский ступенчатый зубчатый механизм (рис.4, а), представляющий собой последовательное соединение нескольких простых механизмов. На каждом промежуточном валу находится не менее двух колес, зацепляющихся соответственно с колесами предыдущего и последующего валов. Ведущим является колесо 1.
Общее передаточное отношение всего механизма
(14)
где , - соответственно угловые скорости вращения ведущего и выходного n-го звена.
(15)
т.е. передаточное отношение многоступенчатой передачи равно произведению передаточных отношений всех простых зубчатых передач, входящих в механизм.
Зависимость (14) можно выразить через числа зубьев колес
(16)
где z1, z2', …, zn - числа зубьев соответствующих колес передачи; k - число внешних зацеплений. Множитель позволяет определить знак передаточного отношения сложного многоступенчатого механизма, т.е. направление вращения выходного звена по отношению к направлению вращения ведущего.
При передаче движения с малым передаточным отношением между валами, находящимися на большом расстоянии друг от друга для уменьшения габаритов передачи или для получения требуемого направления вращения выходного звена применяют последовательное соединение нескольких пар единичных зубчатых колес (рис.4, б), так называемые рядовые зубчатые механизмы. Полное передаточное отношение такой передачи через известные числа зубьев колес равно
(17)
где z1, zn - числа зубьев ведущего и выходного колес.
Промежуточные колеса влияют только на знак, но не величину передаточного отношения механизма, их называют паразитными.
Когда необходимо передавать движение между пересекающимися или между скрещивающимися осями, используют пространственные многозвенные зубчатые механизмы с применением конических или червячных передач.
Косозубая цилиндрическая передача
В косозубых цилиндрических колесах в отличие от прямозубых оси зубьев составляют некоторый угол в с осью колеса (рис.5). Величину этого угла рекомендуется выбирать равным 10, 12, 16 и 20°. Работать в паре могут колеса только с равными углами наклона зубьев, но с разным (правое и левое) направлением винтовых линий. Оси косозубых колес параллельны.
Косозубые передачи обладают рядом достоинств по сравнению с прямозубыми: благодаря наличию угла наклона в зубья вступают в зацепление по своей длине b постепенно, что обеспечивает более равномерную и плавную работу, и, естественно, снижение шума механизма вследствие большего коэффициента перекрытия. У косозубых колес минимальное число зубьев zk min, при котором не происходит подрезания, меньше, чем у прямозубых
zk min = zmincos3в (18)
Косозубые передачи позволяют подобрать при заданном межосевом расстоянии за счет изменения угла наклона в пару колес со стандартным модулем.
К недостаткам косозубых передач следует отнести более сложное изготовление колес по сравнению с прямозубыми и появление дополнительного осевого усилия, передаваемого на опоры. Во избежание большой осевой нагрузки на опоры вала не рекомендуется применять колеса с большими углами в. Вместе с тем углы в менее 8° не дают эффекта ожидаемого от применения косозубых передач. Для устранения осевого усилия можно применять шевронные зубчатые колеса. Венец шевронного колеса состоит из участков с правым и левым направлением зубьев. Зубья такого колеса могут быть нарезаны на одном ободе или венец состоит из жесткого соединения двух косозубых колес с разным направлением наклона зубьев. Шевронные колеса сложнее в изготовлении косозубых.
Коническая зубчатая передача
Для передачи вращательного движения между валами, оси которых пересекаются под некоторым углом У, применяют конические зубчатые колеса (рис.6). Их различают с прямым, косым или винтовым зубом (см. рис.1, г, д, е). Преимущественно применяют прямозубые конические колеса и только тогда, когда нельзя использовать цилиндрические. Это объясняется большей сложностью изготовления и сборки конических передач. Одно из колес конических передач из-за пересечения осей валов располагается консольно, что создает дополнительные трудности при конструировании опор. Кроме того, валы и опоры нагружаются не только радиальными, но и осевыми силами. Применение более сложных опор приводит к снижению КПД и к большему шуму, чем при применении цилиндрических передач.
Рис.6
С точки зрения движения, зацепление конических колес можно представить как перекатывание друг по другу без проскальзывания конусов, соприкасающихся по образующим. Эти конусы называют начальными, вершины их находятся в точке пересечения геометрических осей колес и при монтаже это необходимо обеспечить. Различают и делительные конусы, являющиеся базовыми для определения элементов зубьев и их размеров; конусы вершин, ограничивающие зубья со стороны, противоположной телу зубчатого колеса, и конусы впадин, отделяющие зубья от тела колеса. При изготовлении конических колес исправление высоты зубьев практически отсутствует. Поэтому начальный и делительный конусы совпадают. Углы делительных конусов колес обозначают через д1 и д2, а межосевой угол - через У. Величина его (У = д1 + д2) чаще всего равна 90°.
Передаточное отношение i конической передачи определяют из условия качения без проскальзывания начальных конусов. Отсюда
i = d2/d1 = sinд2/sinд1 (19) при У = 90° i = tgд2 = ctgд1 (20)
Величину передаточного числа u для кинематических передач рекомендуется принимать не больше 7,5, для силовых - не более 3
u = z2/z1 (21)
Конические колеса малых размеров (de < 70 мм) изготавливают со сплошным диском. При больших диаметрах для снижения массы и момента инерции в диске колеса предусматривают выточки, отверстия.
Червячные передачи
Червячные передачи применяют, когда оси ведущего и ведомого валов перекрещиваются под углом 90°. Ведущим звеном (рис.7) является червяк, имеющий форму винта с соответствующим количеством ниток (заходов) z1 резьбы, ведомым - сопряженное с червяком червячное колесо, зубья которого имеют дугообразную форму.
Червячная передача относится к числу так называемых зубчато-винтовых, т.е. имеющих признаки, характерные и для зубчатых, и для винтовых передач.
Рис.7.1 Рис. 7.2
Достоинством червячных передач по сравнению с зубчатыми является возможность получить большие передаточные отношения (числа) в одной ступени, до 80 в силовых передачах и до нескольких сотен в кинематических. Червячным редукторам присущи также бесшумность в работе; высокая плавность зацепления; компактность; свойство самоторможения, заключающееся в невозможности передачи вращения от колеса к червяку, что позволяет исключать из привода тормозные устройства; надежность и простота эксплуатации.
Недостатками червячных передач являются большое относительное скольжение сопряженных поверхностей в зацеплении; большие потери на трение; малый КПД; значительный нагрев зацепляющихся элементов в силовых передачах, что требует специальных мер для дополнительного охлаждения; высокая сложность и точность изготовления и сборки.
Существуют червячные передачи с цилиндрическим и глобоидным червяком. В цилиндрической передаче начальной поверхностью червяка является цилиндр, в глобоидной - поверхность, образованная вращением дуги окружности. В глобоидных передачах не только колесо, но и червяк имеют форму глобоида; за счет большего числа зубьев, находящихся одновременно в зацеплении, нагрузочная способность их на 35 … 50% больше, чем в цилиндрических, но технология изготовления значительно сложнее. Эти передачи сложны в монтаже, чувствительны к осевым смещениям червяка, в приборостроении их не применяют.
В зависимости от формы боковой поверхности витков червяка различают цилиндрические червяки с архимедовой, конволютной и эвольвентной поверхностью. Соответствующие названия червяки и передачи получили по виду кривых, получающихся в сечении витков червяка плоскостью, перпендикулярной к его оси (спираль Архимеда, удлиненная эвольвента или конволюта, классическая эвольвента окружности). Обычно применяются передачи с архимедовым и конволютным червяком.
Архимедовы червяки (рис.8, а) в осевом сечении имеют трапецеидальный профиль с углом профиля б = 20°, теоретический торцовый профиль витков является архимедовой спиралью.
Конволютные червяки имеют прямолинейный профиль витка в плоскости, нормальной к винтовой линии (рис.8, б). Теоретический торцовый профиль витков является удлиненной или укороченной эвольвентой. Конволютные червяки применяют обычно в многозаходных передачах.
В зависимости от направления резьбы червяка различают правозаходые и левозаходные передачи, причем передачи с правозаходными червяками имеют преимущественное распространение.
В зависимости от количества параллельных витков z1 резьбы червяка различают одно-, двух - и четырехзаходные передачи. Передачи с z1 = 3 используют только как специальные.
По расположению оси червяка в пространстве различают передачи с горизонтальной и вертикальной осью червяка.
Рис.8
Исходными данными для геометрического расчета элементов червяка и червячного колеса являются: модуль зацепления m, передаточное отношение (число) i (u), число витков (заходов) z1 червяка и коэффициент q диаметра червяка.
В осевом сечении витки червяка имеют форму зубчатой рейки со стандартным модулем m. Для нормальной работы необходимо, чтобы осевой шаг р червяка и окружной шаг червячного колеса были равны. Значения параметров m и q назначаются в зависимости от заданных при проектировании условий.
Коэффициент q характеризует число модулей, содержащихся в делительном диаметре d1 червяка
q = d1/m (22)
Рекомендуется следующий ряд значений коэффициента q диаметра червяка: 6,3; 8,0; 10; 12,5; 16; 20; 25. В случае недостаточной жесткости червяка, что характерно для мелкомодульных передач, увеличивают q; для получения высокого КПД стремятся принимать наименьшие значения q.
Передаточное отношение назначают по заданным условиям, учитывая, что посредством одноступенчатой червячной передачи можно получить передаточное число u в кинематических передачах до 300 и более, в силовых - до 80. Передаточное отношение может быть как целым, так и дробным. За один оборот червяка с числом заходов z1 червячное колесо повернется на то же число зубьев, поэтому
i = u = z2/z1 (23)
При малых значениях передаточного отношения применяют многозаходные червяки, а при больших передаточных отношениях в целях снижения размеров передачи принимают z1 = 1 - 2. Отметим, что с увеличением величины z1 снижается точность передачи и увеличивается КПД.
Червячное колесо имеет вогнутую форму и охватывает червяк, как гайка винт, по дуге с углом охвата 2д = 60 … 110° (см. рис.7). При этом получается линейный контакт между зубьями колеса и витками червяка. Минимальное число зубьев червячного колеса z2min определяется из условия отсутствия подрезания. В силовых передачах рекомендуется принимать z2min = 28, в кинематических передачах - z2min = 18 - 20. В однозаходных передачах червячные колеса могут иметь любое число зубьев в пределах z2 = 28 … 500.
Червяки выполняются конструктивно как одно целое с валом (вал-червяк) или отдельно с последующей установкой на валике и закреплением ступицы червяка штифтом, шпоночным соединением.
Конструкции и материалы зубчатых колес
Размеры и форма зубчатых колес зависят от модуля, числа и длины зубьев, материала и метода изготовления, диаметра вала. При конструировании колесам стремятся придать такую форму, которая удовлетворяла бы высокой жесткости, небольшой массе, технологичности изготовления и другим требованиям. Мелкие шестерни могут быть изготовлены вместе с валом. Если диаметр шестерни мало отличается от диаметра вала, ее зубья нарезаются на самом валу или на запрессованном в него стержне.
Центральная часть зубчатого колеса выполняется в виде ступицы, втулки, которая из условий удобства изготовления и сборки делается чаще односторонней. Диаметр ступицы принимают равным двум диаметрам вала, а ее длину - от 10 мм для колес с m ? 0,6 до 1,5 … 2 диаметров вала при более крупном модуле.
При наружных диаметрах более 50 мм для облегчения колес и уменьшения их моментов инерции в дисках колес предусматривают выточки и отверстия. При больших диаметрах (более 80 мм) и небольшой ширине венца изготовление мелкомодульных колес из одной заготовки становится экономически невыгодным. В этом случае колеса изготавливают без ступицы и крепят с валом с помощью винтов и шлиц или делают сборными. Конструкции сборных колес используют также при применении цветных сплавов и пластмасс для изготовления зубчатого венца. Крепление колес на ступице обеспечивается посадкой с натягом, развальцовкой и кернением, на винтах и с помощью шлиц.
Конструкции колес из пластмасс имеют некоторую специфику. Крепление их на валах предпочтительнее проводить с помощью шпонок. Основным способом крепления мелкомодульных колес является крепление коническим штифтом. Для предохранения штифтов от выпадения, особенно в быстроходных механизмах и при наличии вибрации, используют дополнительно предохранительные (пружинные) кольца.
В качестве материалов для изготовления зубчатых колес применяют стали, сплавы на основе цветных металлов, пластмассы. Выбор материала определяется назначением передачи, особенностями ее работы, способом изготовления колес. Зубья колес должны обладать хорошей износостойкостью, выносливостью при действии переменных контактных и изгибных напряжений.
При изготовлении цилиндрических и конических колес основным материалом являются термически обрабатываемые стали. При окружных скоростях зубьев до 3 м/с применяют качественные стали 20, 30, 35, а при более высоких окружных скоростях - стали 45, 50, инструментальные стали У8А, У10А и легированные стали 20Х, 40Х, 40ХН, 30ХГСА, 12ХН3А с соответствующей термообработкой (нормализацией, закалкой, улучшением - закалкой с высоким отпуском). Рекомендуется твердость зубьев шестерни (они более нагружены) выбирать на (20 … 50) НВ больше твердости зубьев колеса. Поэтому материал шестерни стараются брать более прочным, чем материал для колес.
При небольших нагрузках зубчатые колеса изготавливают из алюминиевых сплавов Д16Т, В95-Т1. Более широко при изготовлении мелкомодульных зубчатых колес, особенно червячных, применяют бронзы БрОФ10-1, БрАЖ9-4, БрАМц9-2. Эти материалы обладают хорошими антифрикционными свойствами. Вследствие высокой стоимости бронзы ее используют только при изготовлении венца колеса. Металлические зубчатые колеса изготавливают методами нарезания, накатки, выдавливания.
Широко применяются в качестве материалов зубчатых колес пластмассы (текстолит ПТК, гетинакс, полиамиды), обладающие хорошей износостойкостью, демпфирующей способностью, коррозионной стойкостью. Пластмассы хорошо амортизируют удары, обладают способностью погашать механические вибрации и шум. Их применение уменьшает шум почти на 70%. Обычно при изготовлении колеса из пластмассы, шестерню выполняют из металла для отвода тепла, выделяемого из-за трения в зацеплении. Чтобы избежать неравномерного износа зубьев пластмассового колеса, металлическую шестерню делают шире колеса. Обладая меньшей массой, инерционностью, пластмассовые колеса уменьшают динамические нагрузки, возникающие при создании стартстопных быстродействующих технических устройств. Зубчатые передачи из полиамидов (капрон, нейлон) могут работать без смазки. Колеса из пластмасс изготавливают как нарезанием (из реактопластов), так и литьем под давлением (из термопластов).
Конструкционные материалы
Качество детали и механизма зависит в значительной мере от правильного выбора материала. При выборе материала прежде всего учитывают эксплуатационные, технологические и экономические требования, предъявляемые к детали.
Эксплуатационные требования к материалу определяются условиями работы детали в механизме. Для выполнения этих требований учитываются следующие свойства материала:
- прочность - способность материала сопротивляться разрушению или появлению остаточных деформаций, характеризуется пределом прочности уu, пределом текучести уy, условным пределом текучести у0,2, пределом выносливости уR, твердостью по Бринеллю НВ или Роквеллу HRCэ;
- износостойкость - способность материала сопротивляться износу, характеризуется твердостью НВ, HRCэ или допустимым удельным давлением qadm;
- жесткость - способность материала сопротивляться упругим деформациям, характеризуется при растяжении (сжатии) и изгибе модулем упругости Е, при кручении - модулем упругости G;
- упругость характеризуется пределом упругости уe и модулем упругости Е;
- антифрикционность характеризуется коэффициентом трения скольжения f;
- плотность;
- удельные характеристики - характеристики, приходящиеся на единицу массы;
- электропроводность, теплопроводность, коррозионная стойкость, жаропрочность и др.
Технологические требования к материалу определяют возможность изготовления деталей с минимальными трудозатратами:
- при изготовлении деталей методами обработки давлением (штамповка, прессование и т.д.) учитывают пластичность - свойство материала получать без разрушения значительные остаточные деформации;
- при изготовлении литьем учитывают легкоплавкость и жидкотекучесть - заполняемость без пустот узких полостей различных форм;
- при изготовлении методами механической обработки учитывают обрабатываемость резанием.
К технологическим требованиям относят также:
- термообрабатываемость - способность материала изменять механические свойства при термической (закалка, отпуск, отжиг) и термохимической (цементация, азотирование и т.д.) обработках;
- свариваемость - способность материала образовывать прочные соединения при сварке.
Экономические требования к материалу определяются его стоимостью и дефицитностью. Более веским экономическим требованием является себестоимость детали, которая включает как стоимость материала, так и производственные затраты на ее изготовление. Производственные затраты в значительной мере зависят от технологического процесса изготовления детали. Например, при массовом и крупносерийном производствах дешевле изготавливать детали штамповкой, прессованием, с помощью литья, а при единичном или мелкосерийном производстве эти технологии из-за большой стоимости оснастки (штампы, пресс-формы, литейные формы) очень дороги, здесь выгоднее применять детали, полученные с помощью механической обработки. Выбор технологии изготовления детали влияет и на выбор материала.
При изготовлении конструктивных элементов механизмов используют черные металлы (стали и чугуны), цветные металлы и сплавы и неметаллические материалы.
Черные металлы
К черным металлам относят железоуглеродистые сплавы на основе железа, которые в зависимости от содержания углерода делят на стали - до 2,14% углерода и чугуны - свыше 2,14% углерода.
Чугуны
Это сплавы железа с углеродом, содержащие постоянные примеси марганца, кремния, фосфора и серы, а также при необходимости легирующие элементы.
В зависимости от структуры и состояния, в котором находится углерод (свободный или химически связанный), различают серые, белые и ковкие чугуны. Чугуны также классифицируют в зависимости от назначения - на конструкционные и со специальными свойствами; и от химсостава - на легированные и нелегированные.
Как конструкционный материал наиболее широко применяются серые чугуны, в которых весь углерод находится в свободном состоянии в виде включений графита пластинчатой формы. Они обладают средней прочностью, хорошими литейными и другими технологическими свойствами (жидкотекучестью, малой линейной усадкой, обрабатываемостью резанием), мало чувствительны к концентрации переменных напряжений, антифрикционны.
В белых чугунах избыточный углерод, не растворившийся в твердом растворе железа, присутствует в виде карбидов железа. Вследствие низких механических свойств - высокой хрупкости и твердости, плохой обрабатываемости резанием - белые чугуны не применяются в качестве конструкционных материалов.
Ковкий чугун получают из белого путем последующего отжига до распада графита в виде хлопьев. Детали из него могут подвергаться незначительным деформациям. Они обладают меньшей по сравнению с деталями из серого чугуна хрупкостью, но стоят на 30 … 100% дороже.
Высокопрочный чугун характеризуется шаровидной или близкой к ней формой включений графита, которую получают модифицированием жидкого чугуна присадками магния. Шаровидный графит в наименьшей мере ослабляет металлическую основу, что приводит к высоким механическим свойствам. Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными и эксплуатационными свойствами.
Для улучшения прочностных характеристик и получения особых эксплуатационных свойств: износостойкости, немагнитности, коррозионной стойкости и т.д., в состав чугунов вводят легирующие элементы (никель, хром, медь, алюминий, титан и др.). Легирующими элементами могут служить также марганец (при содержании более 2%) и кремний (более 4%).
Марки чугуна обозначаются буквами, показывающими назначение чугуна: СЧ - серый чугун, ВЧ - высокопрочный, КЧ - ковкий чугун; для антифрикционных чугунов в начале марки указывается буква А (АСЧ, АВЧ, АКЧ). Цифры в обозначении марки нелегированного чугуна указывают на его механические свойства. Для серых чугунов цифры указывают величину предела прочности (кгс/мм2) при растяжении. Например, марка СЧ18 показывает, что чугун имеет уut = 18 кгс/мм2 = 180 МПа. Для высокопрочного и ковкого чугуна цифры определяют предел прочности (кгс/мм2) и относительное удлинение при растяжении в процентах, например ВЧ60-2 - высокопрочный чугун с уut = = 600МПа и д = 2%.
Стали
Стали - это деформируемые сплавы железа с углеродом и другими элементами.
По химсоставу стали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые стали содержат кроме железа и углерода также марганец (до 1%) и кремний до (0,8%), а также примеси, от которых трудно избавиться в процессе выплавки - серу и фосфор. Сера и фосфор снижают механические свойства сталей: сера увеличивает хрупкость в горячем состоянии (красноломкость), а фосфор - при пониженных температурах (хладноломкость). В зависимости от содержания углерода различают низко - (С ? 0,25%), средне - (0,25 < С ? 0,6%) и высокоуглеродистые (C > 0,6%) стали.
В состав легированных сталей помимо указанных компонентов для улучшения технологических и эксплуатационных характеристик и придания особых свойств вводят легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий и др.). Легирующими элементами могут быть также марганец при содержании более 1% и кремний - более 0,8%.
По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. Наиболее широко применяют конструкционные стали. Они бывают как углеродистыми (С ? 0,7%), так и легированными. Инструментальные стали служат для изготовления режущего, ударно-штампового и мерительного инструментов. Они бывают углеродистыми (С ? 0,8 … 1,3%) и легированные хромом, марганцем, кремнием и другими элементами. К сталям с особыми свойствами относят нержавеющие, немагнитные, электротехнические стали, стали постоянных магнитов и др.
По качеству стали делят на обыкновенные, качественные, высоко и особо высококачественные. Различие между ними заключается в количестве вредных (сера и фосфор) примесей. Так, в сталях обыкновенного качества допускается содержание серы до 0,06% и фосфора до 0,07%; в качественных - каждого элемента не более 0,035%; а в высококачественных - не более 0,025%.
По характеру застывания из жидкого состояния, степени раскисления различают спокойную, полуспокойную и кипящую стали. Чем полнее удален из расплава кислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания и меньше выделение пузырьков окиси углерода ("кипение"). Выбор технологии раскисления определяется назначением и возможностями производства, но каждый способ имеет свои достоинства и недостатки.
Марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст (сталь) и цифрами от 0 до 6, например Ст0 - Ст6. Цифры соответствуют условному номеру марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем больше число, тем больше содержание углерода в стали, выше прочность и ниже пластичность. Эти стали делят на три группы - А, Б и В. Сталь группы А имеет гарантированные механические свойства и не подвергается термообработке, в марке стали группа А не указывается. Для стали группы Б гарантируется химический состав, для стали группы В - химический состав и механические свойства.
Степень раскисления обозначается индексами, стоящим справа от номера марки: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная. Например, сталь Ст2кп - сталь группы А, кипящая; БСт3пс - сталь группы Б, полуспокойная; ВСт5сп - сталь группы В, спокойная.
Углеродистые качественные стали маркируются двузначными цифрами (08, 10, 15, …, 70), показывающими среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Эти стали можно условно разделить на несколько групп. Стали 08, 10 обладают высокой пластичностью, хорошо штампуются и свариваются. Низкоуглеродистые стали 15, 20, 25 хорошо свариваются и обрабатываются резанием, после цементации и термообработки обладают повышенной износостойкостью. Наибольшее распространение получили среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45 и 50 благодаря хорошему сочетанию прочностных и пластических свойств, хорошей обрабатываемости резанием. Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70 обладают высокой прочностью, износостойкостью и упругостью, используются для изготовления деталей типа пружин. Прочность и твердость средне - и высокоуглеродистых сталей можно повысить с помощью термической обработки.
Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой У и цифрами, которые соответствуют содержанию углерода в десятых долях процента, например, сталь марки У9 содержит в среднем 0,9% углерода.
Легированными называют стали, в состав которых для придания им специальных свойств вводят легирующие элементы. Они по-разному влияют на свойства стали:
- марганец повышает прочность и износостойкость;
- кремний увеличивает упругие характеристики стали;
- хром повышает коррозионную стойкость, твердость, прочность, жаропрочность;
- никель снижает коэффициент линейного расширения, повышает прочность и износостойкость;
- вольфрам и молибден повышают прочность и твердость, улучшают режущие свойства при повышенной температуре.
Маркируют легированные стали буквами и цифрами, указывающими ее химический состав. Первые цифры марок перед буквами указывают содержание углерода для конструкционных сталей в сотых долях процента (две цифры), а для инструментальных и специальных сталей - в десятых долях. Далее обозначение состоит из букв, указывающих, какие легирующие элементы входят в состав стали, и стоящих непосредственно за каждой буквой цифр, характеризующих среднее содержание легирующего элемента в процентах. Цифры за буквой не ставятся при содержании легирующего элемента менее 1,5%.
Легирующие элементы обозначаются следующими буквами: Т - титан, С - кремний, Г - марганец, Х - хром, Н - никель, М - молибден, В - вольфрам и т.п.
Например, нержавеющая сталь Х18Н10Т содержит 18% хрома, 10% никеля и до 1,5% титана; конструкционная легированная сталь 30ХГС содержит 0,30% углерода, а хрома, марганца и кремния до 1,5% каждого; инструментальная легированная сталь 9ХС содержит 0,9% углерода, а хрома и кремния до 1,5% каждого. В сталях 30ХГС и 9ХС кремния больше 0,8%, марганца в стали 30ХГС больше 1%.
Обозначения марок некоторых специальных сталей включают впереди букву, указывающую на назначение стали. Например, буква Ш шарикоподшипниковая сталь (ШХ15 - с содержанием хрома ? 1,5%), Э - электротехническая и т.д.
Обладая хорошими механическими характеристиками, стали являются наиболее распространенным конструкционным материалом. Существенный их недостаток - большая плотность и, как следствие, небольшая удельная прочность и удельная жесткость. Стали обладают также малой коррозийной стойкостью, а применение нержавеющих сталей для подобных целей дорого.
Стали поставляются как листовой и сортовой прокат в виде листов, полос, лент, проволоки, прутков круглого, прямоугольного и квадратного сечений, труб, равно - и неравнобоких уголков, и других видов профилей разных размеров, оговоренных стандартами.
Цветные металлы и сплавы
Цветные металлы (медь, алюминий, титан, магний) и их сплавы широко применяются в виде прутков, листов и лент для изготовления деталей механизмов. Но их применение должно быть обосновано, так как стоимость деталей из цветных металлов и сплавов значительно выше, чем из стали и пластмасс.
Медь и ее сплавы
Медь в чистом виде характеризуется высокой электро - и теплопроводностью, хорошей обрабатываемостью давлением, небольшой прочностью и применяется для изготовления токопроводящих деталей. Более широкое применение получили медные сплавы: латунь и бронза. В латунях основным легирующим элементом является цинк, в бронзах - иные элементы.
Легирующие элементы в марках медных сплавов обозначают следующими буквами: А - алюминий, Н - никель, О - олово, Ц - цинк, С свинец, Ж - железо, Мц - марганец, К - кремний, Ф - фосфор, Т - титан.
Латуни делят на двойные и многокомпонентные сплавы. В двойных содержание цинка может доходить до 50%. Марки таких латуней обозначают буквой Л и цифрой, показывающей содержание меди в процентах, например Л59. Для улучшения механических, технологических и коррозийных свойств в латуни вводят кроме цинка в небольших количествах различные легирующие элементы (алюминий, кремний, марганец, олово, железо, свинец). В марках многокомпонентных латуней первые цифры указывают среднее содержание меди, а последующие - легирующих элементов. Например, латунь ЛКС80-3-3 содержит 80% меди, по 3% кремния и свинца, а остальное - цинк.
Марки бронз и медно-никелевых сплавов начинаются соответственно с букв Бр и М, а следующие буквы и цифры указывают на наличие легирующих элементов и соответственно их содержание в процентах. Например, бронза БрОЦС 5-5-5 содержит олова, цинка и свинца по 5% или медно-никелевый сплав мельхиор МН19 содержит 19% никеля.
Бронзы называют по основным легирующим элементам: оловянистые, алюминиевые, бериллиевые, кремнистые и т.д. Широко используются оловянистые бронзы, они характеризуются высокой стойкостью против истирания, низким коэффициентом трения скольжения. Все медные сплавы отличаются хорошей стойкостью против атмосферной коррозии.
Латуни и бронзы используют в качестве конструкционных материалов. В частности, латунь Л63, отличающуюся высокой пластичностью, используют для изготовления токопроводящих и конструктивных деталей типа наконечники, втулки, шайбы, а латунь ЛК80-3Л - для изготовления литых деталей. Безоловянистые бронзы БрАЖ9-4, БРАМц9-2 обладают высокими механическими и антифрикционными свойствами, хорошо обрабатываются, поэтому используются при изготовлении небольших зубчатых и червячных колес, втулок подшипников скольжения, ходовых гаек в винтовых механизмах. Наилучшие антифрикционные свойства имеют оловянистые бронзы.
Особое место занимает при изготовлении упругих элементов из-за высокой прочности и упругости бериллиевая бронза марки БрБ2. Она немагнитна, стойка к морозу, действию пресной и соленой воды, хорошо сваривается и обрабатывается резанием. Применяют ее для изготовления ответственных деталей типа токоведущих пружинящих контактов, пружин, мембран.
Прочность медных сплавов, особенно латуней, ниже, чем сталей, а коррозионная стойкость много больше. Все латуни и большинство бронз, за исключением алюминиевых, хорошо паяются.
Алюминий и его сплавы
Чистый алюминий применяется редко, так как имеет низкую прочность. Чаще при изготовлении деталей применяют сплавы на основе алюминия. Они обладают малой плотностью, высокой электро - и теплопроводностью, коррозийной стойкостью и удельной прочностью. Алюминиевые сплавы в зависимости от технологических свойств делят на деформируемые и литейные.
Наибольшее распространение из деформируемых сплавов получили термически упрочняемые с помощью закалки и старения алюминиево-медно-магниевые и алюминиево-магниевые сплавы. Первые называют дуралюминами (марки Д1, Д16), из вторых наиболее часто применяется сплав марки АМг6. Они обладают высокими механическими свойствами, выпускаются в виде прутков, листов, труб, фасонных профилей. Их применяют для средненагруженных деталей типа стоек, крышек, втулок и т.д. К деформируемым относится высокопрочный алюминиево-магниево-цинковый сплав В95, который применяют для деталей с повышенными статическими нагрузками (валы, зубчатые колеса).
Деформируемыми являются так называемые спеченные алюминиевые сплавы, отличающиеся очень высокими прочностными свойствами (модуль упругости, пределы прочности и текучести). Они бывают двух видов: САП (спеченная алюминиевая пудра) и САС (спеченный алюминиевый сплав). САП упрочняется дисперсными частицами окиси алюминия Al2O3, образуемой в процессе помола алюминиевой пудры в атмосфере азота с регулируемой подачей кислорода. Пудру брикетируют, спекают и подвергают деформации - прессованию, прокатке, ковке. В зависимости от содержания Al2O3 (прочность сплава возрастает при увеличении окиси алюминия до 20 - 22%) различают 4 марки САП (САП-1, САП-2, САП-3 и САП-4). Сплавы САС содержат до 25% кремния и 5% железа. Их получают распылением жидкого сплава, брикетированием полученных гранул и последующей деформацией. Спеченные алюминиевые сплавы применяют для изготовления высоконагруженных деталей и различных профилей.
Из литейных алюминиевых сплавов наибольше распространение получили сплавы алюминия с кремнием - силумины. Они обладают хорошими литейными и средними механическими свойствами. Силумины марок АЛ-2, АЛ-4, АЛ-9 применяют для изготовления литьем корпусов, крышек, кронштейнов и других сложных средненагруженных деталей.
Алюминий и его сплавы трудно паяются.
Пластмассы
Из неметаллических материалов широко используют пластмассы. Пластмассами называют материалы, получаемые на основе природных или синтетических смол (полимеров), которые при определенных температуре и давлении приобретают пластичность, а затем затвердевают, сохраняя форму при эксплуатации. Кроме связующего вещества (полимера) в состав пластмасс входят наполнители, пластификаторы, отвердители, красители.
Полимером служат различные смолы, которые в период формирования деталей находятся в вязкотекучем (жидком) или высокоэластичном состоянии, а при эксплуатации - в стеклообразном или кристаллическом состоянии.
Наполнители вводят в смолы для повышения механической прочности, теплостойкости, уменьшения усадки и снижения стоимости пластмассы. Наполнители могут быть в газовой (пенопласты) и твердой фазе, иметь органическое (древесная мука, хлопковые очесы, целлюлоза, бумага, хлопчатобумажная ткань) и неорганическое (графитная, асбестовая и кварцевая мука; углеродное и стекловолокно; стеклоткань) происхождение. Механическая прочность пластмасс существенно зависит от наполнителя. Пластмассы с порошкообразными, коротковолокнистыми, длиной 2 … 4 мм, наполнителями по прочности приближаются к дуралюмину и некоторым сортам стали. Для деталей, работающих в узлах трения, широко применяют теплопроводящие наполнители, например, графит.
Подобные документы
Зубчатые механизмы, в которых движение между звеньями передается последовательным зацеплением зубьев. Классификация зубчатых передач. Элементы теории зацепления передачи. Геометрический расчет эвольвентных прямозубых передач. Конструкции зубчатых колес.
презентация [462,9 K], добавлен 24.02.2014Виды зубчатых передач. Параметры цилиндрических зубчатых передач внешнего зацепления. Виды разрушения зубьев. Критерии расчета зубчатых передач. Выбор материалов зубчатых колес и способов термообработки. Допускаемые напряжения при пиковых нагрузках.
курс лекций [2,2 M], добавлен 15.04.2011Классификация зубчатых передач по эксплуатационному назначению. Система допусков для цилиндрических зубчатых передач. Методы и средства контроля зубчатых колес и передач. Приборы для контроля цилиндрических зубчатых колес, прикладные методы их применения.
реферат [31,5 K], добавлен 26.11.2009Параметры цилиндрических косозубых колес. Конструкции и материалы зубчатых колес, их размеры и форма. Конические зубчатые передачи и ее геометрический расчет. Конструкция и расчет червячных передач. Основные достоинства и недостатки червячных передач.
реферат [2,0 M], добавлен 18.01.2009Способы соединения деталей и сборочных единиц. Разъемные соединения: подвижные и неподвижные. Достоинства резьбовых соединений. Назначение крепежной, крепежно-уплотнительной и ходовой резьбы. Штифтовые, шпоночные, шлицевые и профильные соединения.
реферат [1,7 M], добавлен 17.01.2009Основное применение конических зубчатых колес в передачах между валами, оси которых расположены под углом. Геометрические параметры, силы и передаточное число детали. Компоновочные возможности при разработке сложных зубчатых и комбинированных механизмов.
реферат [3,0 M], добавлен 14.02.2011Материал для изготовления зубчатых колес, их конструктивные и технологические особенности. Сущность химико-термической обработки зубчатых колес. Погрешности изготовления зубчатых колес. Технологический маршрут обработки цементируемого зубчатого колеса.
реферат [16,6 K], добавлен 17.01.2012Требования предъявляемые зубьям шестерен. Термическая обработка заготовок. Контроль качества цементованных деталей. Деформация зубчатых колес при термической обработке. Методы и средства контроля зубчатых колес. Поточная толкательная печь для цементации.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 10.01.2016Расширение технологических возможностей методов обработки зубчатых колес. Методы обработки лезвийным инструментом. Преимущества зубчатых передач - точность параметров, качество рабочих поверхностей зубьев и механических свойств материала зубчатых колес.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 23.02.2009Конструкция, износ, ремонт и замена зубчатых колес. Методы скоростного ремонта зубчатых передач. Цилиндрическая, винтовая, коническая зубчатая передача. Открытые и закрытые передачи, смазка шестерен редуктора. Методы скоростного ремонта путем замены.
контрольная работа [518,1 K], добавлен 18.11.2009
