12.4.1 Параметры цилиндрических прямозубых колес

Рассмотрим элементы зубчатых колес (рис. 12.9), находящихся в зацеплении, в плоскости, перпендикулярной к оси вращения. По высоте снаружи зубья ограничены окружностью выступов диаметром

da, изнутри — окружностью впадин диаметром df. 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 превратится 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 rw. 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:

,

где t — индекс соответствующей окружности.

Величина pt выражается неизмеримым числом. Это затрудняет выбор размеров колес при их проектировании и изготовлении. Поэтому за основной параметр принят не шаг, а отношение его к числу . Эта величина называется модулем зацепления:

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 ограничиваются следующими значениями модуля (в миллиметрах): 0,05; 0,06; 0,08; 0,10; 0,12; 0,15; 0,20; 0,25; 0,30; 0,40; 0,50; 0,60; 0,80; 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 p и т.

Диаметр делительной окружности d =m z.

Для наиболее распространенных не исправленных по высоте (нулевых) колес начальная и делительные окружности совпадают, передаточное отношение для пары таких колес

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 колеса к ведомому 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 . Допустимо значение 1,2.

Часть зуба высотой ha, заключенную между окружностью выступов и делительной окружностью, называют головкой зуба, а часть зуба высотой , заключенную между делительной окружностью и окружностью впадин, — ножкой зуба. Основные геометрические параметры зубчатого колеса — диаметры выступов d_a и впадин , общая высота зуба h, высота головки h_a и ножки , толщина зуба s и ширина впадин е между зубьями — выражаются через основной параметр зубчатой передачи — модуль m(по ГОСТ 9587-68).

В приборостроении зубчатые передачи используют обычно 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 уменьшать габариты колес и увеличивать 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 h_a = h*_am, где h*_a — коэффициент высоты головки, который в соответствии со стандартом равен единице ( * =1), а высота головки равна модулю (h_a =m). Высота ножки зуба *m +c) , где с = с*т — радиальный зазор (см. рис. 12.9) между зубьями колес, находящихся в зацеплении; с* — коэффициент радиального зазора, который зависит от значения модуля: с* =0,5 при т≤ 0,5 мм, с* = 0,35 при 0,5 <т< 1 мм и с* = 0,25 при т 1мм. Высота зуба с*). Диаметры окружности выступов и впадин равны соответственно da =d+2ha =m(z+2) и df =d-2hf =m(z-2-2c*).

Ширину зубчатого венца b принимают равной 2...6 модулям. Окружная толщина зуба по делительной окружности s=p/2= m/2. Боковой зазор в зубчатом зацеплении устанавливается в зависимости от принятого вида сопряжения колес.

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 ; обычно α = 20°. При изменении межосевого расстояния линия зацепления изменяет свое положение. Изменяется угол зацепления, но передаточное отношение не нарушается.

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 z_min , то при изготовлении путем нарезания режущий инструмент срезает часть зуба, возникает подрезание зубьев у ножки. Профиль зуба из-за подрезания искажается, нарушается плавность зацепления, уменьшается прочность зуба. Минимально допустимое число z_min зубьев при угле зацепления α = 20° и коэффициенте высоты головки h*_а = 1 равно 17, а при α =15° z_min =30. При изготовлении зубчатых колес иногда применяют зубья укороченной высоты с коэффициентом высоты головки h*_а = 0,8. Это позволяет получать без подреза меньшее число зубьев на шестернях.

Так, при α =20° и h*_а =0,8 z_min= 14.