Что такое шестерня (зубчатое колесо). Передаточное число зубчатой передачи

Зубчатое колесо или Шестерня – это важнейшая деталь, которая применяется в механизмах зубчатой передачи и выполняет основную функцию - передает вращательное движения между валами, при помощи зацепление с зубьями соседней шестерни. Выглядит шестерня как диск с конической или цилиндрической поверхностью на которой на равном расстоянии расположены зубья. В зубчатой передаче шестерней называют малое зубчатое колесо с небольшим количеством зубьев, а большое - зубчатым колесом. В случае применения пары шестерен с одинаковым количеством зубьев, ведущую называют шестерней, а ведомую – зубчатым колесом. Но чаще всего все зубчатые колеса и малые и большие называют шестернями (шестеренками).

Заурядно используют шестерни парами с различным количеством зубьев, этот механизм зубчатой передачи позволяет преобразовать число оборотов валов и вращающий момент. Передаточное число - это отношение чисел оборотов валов в минуту, определяется отношением диаметров шестерен или отношением чисел из зубьев. К стати, число зубьев на колесах влияет на плавность хода передачи, чем их число больше, тем плавнее ход передачи. Ведущей шестерней называется та, вращение которой передается извне, а ведомой называют шестерню, с которой снимается вращающий момент. Если диаметр ведущей шестерни больше, то вращающий момент ведомой шестерни уменьшается за счёт пропорционального увеличения скорости вращения, и наоборот.

Изобретение Шестерни

Изобретатель шестерни не известен, в истории шестерни упоминаются Ктезибием он использовал древнее зубчатое колесо в своих водяных часах во II веке до нашей эры, а так же упоминает в своем сочинении о применение шестерен Архимедом в III веке до н.э. Есть данные о использовании шестерен Римлянами в начале новой эры. В работах Леонардо да Винчи, в чертежах некоторых механизмов присутствуют шестерни с формой зуба близкой к современной.

Области применения шестерен

Шестерни применяются в различных, сложных и простых механизмах в машиностроении, судостроении, в пищевой и горнодобывающей промышленности, а так же: в буровых установках, железно дорожных вагонах, в подъемных кранах, в автомобильных дифференциалах, коробке передач, танках, лебедках, шестеренных гидромашинах – насосах, часах и в прочих механизмах.

Поверхности, входящими в зацепление с зубьями другого зубчатого колеса. В машиностроении принято малое ведущее зубчатое колесо независимо от числа зубьев называть шестернёй , а большое ведомое - колесом. Однако часто все зубчатые колёса называют шестерня́ми.

Зубчатые колёса обычно используются па́рами с разным числом зубьев с целью преобразования вращающего момента и числа оборотов вала на выходе. Колесо, к которому вращающий момент подводится извне, называется ведущим, а колесо, с которого момент снимается - ведомым. Если диаметр ведущего колеса меньше, то вращающий момент ведомого колеса увеличивается за счёт пропорционального уменьшения скорости вращения, и наоборот.

Следует заметить, что зубчатая передача не является усилителем механической мощности, так как общее количество механической энергии на её выходе не может превышать количество энергии на входе. Это связано с тем, что механическая работа в данном случае будет пропорциональна произведению вращающего момента на скорость вращения . В соответствии с передаточным отношением , увеличение крутящего момента будет вызывать пропорциональное уменьшение угловой скорости вращения ведомой шестерни, а их произведение останется неизменным. Данное соотношение справедливо для идеального случая, не учитывающего потери на трение и другие эффекты, характерные для реальных устройств.

Поперечный профиль зуба

Движение точки соприкосновения зубьев с эвольвентным профилем

Боковая форма профиля зубьев колёс для обеспечения плавности качения может быть: эвольвентной , неэльвовентной передача Новикова (с одной и двумя линиями зацепления), циклоидальной . Кроме того, в храповых механизмах применяются зубчатые колёса с несимметричным профилем зуба.

Продольная линия зуба

Прямозубые колёса

Работа цилиндрической зубчатой передачи

Прямозубые колёса - самый распространённый вид зубчатых колёс. Зубья являются продолжением радиусов, а линия контакта зубьев обеих шестерён параллельна оси вращения. При этом оси обеих шестерён также должны располагаться строго параллельно.

Косозубые колёса

Косозубые колёса являются усовершенствованным вариантом прямозубых. Их зубья располагаются под углом к оси вращения, а по форме образуют часть спирали. Зацепление таких колёс происходит плавнее, чем у прямозубых, и с меньшим шумом.

При работе косозубого колеса возникает механический момент, направленный вдоль оси, что вызывает необходимость применения для установки вала упорных подшипников ;
Увеличение площади трения зубьев (что вызывает дополнительные потери мощности на нагрев), которое компенсируется применением специальных смазок.

В целом, косозубые колёса применяются в механизмах, требующих передачи большого крутящего момента на высокой скорости, либо имеющих жёсткие ограничения по шумности.

Колёса с круговыми зубьями

Передачи на основе колёс с круговыми зубьями имеют ещё более высокие ходовые качества, чем косозубые - высокую плавность и бесшумность работы. Однако они ограничены в применении сниженными, при тех же условиях, КПД и ресурсом работы, такие колёса заметно сложнее в производстве. Линия зубьев у них представляет собой окружность радиуса, подбираемого под определённые требования.

Двойные косозубые колёса (шевроны)

Двойные косозубые колёса решают проблему осевого момента. Зубья таких колёс изготавливаются в виде буквы «V» (либо они получаются стыковкой двух косозубых колёс со встречным расположением зубьев). Осевые моменты обеих половин такого колеса взаимно компенсируются, поэтому отпадает необходимость в установке осей и валов в специальные подшипники. Передачи, основанные на таких зубчатых колёсах, обычно называют «шевронными».

Зубчатые конические колёса

Конические колёса в приводе затвора плотины

Кроме наиболее распространёных циллиндрических З. к. применяются колёса конической формы. Конические колёса применяются там, где необходимо передать крутящий момент под определённым углом. Такие конические колёса с круговым зубом, например, применяются в автомобильных дифференциалах , используемых для передачи момента от двигателя к колёсам.

Секторные колёса

Секторная передача с внутренним зацеплением

Секторное колесо представляет собой часть обычного колеса любого типа. Такие колёса применяются в тех случаях, когда не требуется вращение механизма на 360°, и поэтому можно сэкономить на его габаритах.

Зубчатые колёса с внутренним зацеплением

При жёстких ограничениях на габариты, в планетарных механизмах, в шестерённых насосах с внутренним зацеплением, в приводе башни танка , удобно применение колёс с зубчатым венцом, нарезанным с внутренней стороны. Также сто́ит заметить, что вращение ведущего и ведомого колеса направленно в одну сторону. В такой передаче меньше потери на трение, т.е. выше КПД.

Реечная передача (кремальера)

Литература

Под ред. Скороходова Е. А. Общетехнический справочник. - М.: Машиностроение, 1982. - С. 416.
Гулиа Н. В., Клоков В. Г., Юрков С. А. Детали машин. - М.: Издательский центр "Академия", 2004. - С. 416. - ISBN 5-7695-1384-5
Богданов В. Н., Малежик И. Ф., Верхола А. П. и др. Справочное руководство по черчению. - М.: Машиностроение, 1989. - С. 438-480. - 864 с. - ISBN 5-217-00403-7
Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х тт. - М.: Машиностроение, 2001. - ISBN 5-217-02962-5

Wikimedia Foundation . 2010 .

Синонимы :