▷ ШЕСТЕРНИ: какие они бывают, виды, характеристики и преимущества

В этой статье объясняется, что такое шестерни и для чего они используются. Так вы узнаете, какие бывают части шестерни, какие бывают типы шестерен и, кроме того, каковы преимущества и недостатки шестерен.

Что такое шестерня?

Шестерня – это механизм, состоящий из двух или более зубчатых колес, находящихся в зацеплении. Следовательно, шестерня служит для передачи кругового движения от одной шестерни к другой посредством контакта их зубьев.

Следует отметить, что с помощью шестерни не только передается вращательное движение, но и в зависимости от соотношения числа зубьев двух шестерен может увеличиваться или уменьшаться частота вращения.

В простой передаче, состоящей из двух зубчатых колес разного размера, различают венец и шестерню :

Корона : это самая большая шестерня шестерни.
Шестерня : это самая маленькая шестерня шестерни.

Характеристики машины

Зубчатые передачи имеют следующие характерные параметры:

Зубья : это часть шестерни, которая передает силу тяги и, следовательно, передает вращательное движение и мощность от одной шестерни к другой.
Ось : это цилиндрическая часть, расположенная в центре шестерни, ее функция — направлять вращательное движение шестерни.
Окружность шага : это воображаемая окружность, по которой зубья шестерни зацепляются, так что окружности шага двух зацепляющихся шестерен касаются друг друга.
Диаметр шага : это диаметр окружности шага.
Внешняя окружность : это окружность, ограничивающая внешнюю часть шестерни.
Внешний диаметр : это диаметр внешней окружности.
Внутренняя окружность : это окружность, проходящая через основание зубьев шестерни.
Внутренний диаметр : диаметр внутренней окружности.
Угол давления : это угол, образованный направлением силы контакта между двумя шестернями и направлением угловой скорости шестерни.
Количество зубьев : это общее количество зубьев шестерни. Обычно он обозначается символом Z.
Модуль : это соотношение между делительным диаметром ( _Dp ) и количеством зубьев (Z) шестерни. Итак, формула расчета модуля зубчатого колеса выглядит следующим образом:

$m=\cfrac{D_p}{Z}$

Шаг : расстояние между точкой на одном зубе и такой же точкой на соседнем зубе. Эта характеристика шестерен очень важна, поскольку для зацепления двух шестерен они должны иметь одинаковый шаг. Шаг шестерни равен числу пи, умноженному на ее делительный диаметр и разделенному на количество зубьев.

$p=\cfrac{\pi\cdot D_p}{Z}$

Типы передач

прямозубые шестерни

Прямозубая шестерня — это зубчатая передача с прямыми зубьями. Таким образом, основная характеристика прямозубых шестерен состоит в том, что они представляют собой очень простой тип шестерен, поскольку представляют собой цилиндры с выступающими радиально зубьями.

Короче говоря, в отличие от других типов шестерен, таких как косозубые и конические, зубья прямозубых шестерен совершенно прямые.

На промышленном уровне цилиндрические передачи являются наиболее широко используемым типом передач благодаря своей простоте и экономичной цене.

Зубчатые передачи можно разделить на два типа:

Внешние цилиндрические шестерни : Зубья шестерни находятся на внешнем профиле шестерни, то есть на внешней стороне колеса.
Внутренние цилиндрические шестерни . Зубья шестерни находятся на внутреннем профиле шестерни, то есть на внутренней стороне колеса.

Внешняя прямозубая шестерня

Внутренняя цилиндрическая шестерня

Внешние прямозубые шестерни способны входить в зацепление с внешними и внутренними шестернями. Напротив, внутренние прямозубые шестерни могут сцепляться только с внешними шестернями.

Две находящиеся в зацеплении внешние шестерни имеют противоположные направления вращения, однако внутренняя шестерня вращается в том же направлении, что и внешняя шестерня, с которой она находится в зацеплении.

косозубые шестерни

Косозубая передача состоит из зубчатых колес, зубья которых наклонены относительно оси вращения. Другими словами, косозубые передачи – это разновидность шестерен, профиль которых состоит из косозубых зубьев.

Угол, который образуют зубья косозубой шестерни с ее осью вращения, зависит от угловой скорости, которую она должна передавать:

Если передаваемая угловая скорость мала, угол должен составлять от 5° до 10°.
Если передаваемая угловая скорость средняя, угол должен составлять от 15° до 25°.
Если передаваемая угловая скорость высока, угол должен составлять около 30°.

Короче говоря, работа косозубой передачи аналогична работе прямой передачи, поскольку ее функция заключается в передаче вращательного движения. Однако косозубые шестерни позволяют передавать круговое движение другим способом благодаря особой форме зубьев.

Косозубые передачи подразделяются на следующие типы:

Косозубые шестерни с поперечным валом : оси косозубых шестерен пересекаются друг с другом. Это самый простой тип косозубых передач.
Косозубые шестерни с параллельными валами : оси косозубых шестерен параллельны. Для их правильной работы зубья двух соединенных шестерен должны иметь одинаковый угол наклона, но в противоположных направлениях. В косозубых передачах этого типа помимо передаваемой вращательной мощности создается осевая сила.
Двойные косозубые шестерни (или косозубые шестерни «елочка») : профиль косозубых шестерен этого типа образован двумя косозубыми зубьями, образуя таким образом V-образный профиль. Двойные зубья косозубых передач этого типа служат для устранения осевой силы, возникающей при параллельности осей.

Косозубые шестерни с поперечным валом

Косозубые передачи с параллельными валами

двойные косозубые шестерни

конические шестерни

Коническая передача состоит из зубчатых колес, зубья которых имеют коническую форму. Проще говоря, конические шестерни – это разновидность шестерен, имеющих форму усеченного конуса.

Основная характеристика зубчатых передач этого типа заключается в том, что они позволяют передавать вращательное движение между двумя пересекающимися осями. Хотя оси конической передачи обычно перпендикулярны, они также могут быть рассчитаны на работу под другим углом.

Обычно конические шестерни изготавливаются из чугуна, стальных сплавов или алюминия. Однако, в зависимости от применения конических передач, они могут быть изготовлены и из неметаллических материалов, хотя это бывает очень редко.

Внутри конических передач можно выделить несколько подтипов передач:

Конические шестерни с прямыми зубьями : Тип конических шестерен с прямыми зубьями.
Конические шестерни с косозубыми зубьями – разновидность конических шестерен с наклонными зубьями.
Конические шестерни со спиральными зубьями : тип конической шестерни, зубья которой имеют спиральную форму.
Гипоидные конические передачи : тип конических передач, делительная поверхность которых имеет гиперболическую форму.

Прямоконические шестерни

Конические шестерни со спиральными зубьями

спирально-конические шестерни, спирально-конические шестерни

Конические шестерни с косозубыми зубьями

Гипоидные конические передачи

Другие типы передач

Как правило, шестерни делятся на три типа: прямозубые, косозубые и конические, как мы обсуждали выше. Однако есть и другие типы передач, о которых вам также важно знать.

Червяк : В червячном механизме винт с косозубой передачей входит в зацепление с прямой или косозубой шестерней. Таким образом, круговое движение передается между двумя перпендикулярными осями.
Реечная передача : В реечном механизме зубчатое колесо (шестерня) входит в зацепление с рейкой. Этот тип передачи используется для преобразования кругового движения в линейное.
Цепные шестерни : шестерни не зацепляются друг с другом, но круговое движение зубчатых колес передается цепью.

Червячный винт

зубчатая рейка

шестерни с цепью

зубчатая передача

Зубчатая передача представляет собой круговой передаточный механизм, состоящий из набора шестерен. Другими словами, зубчатая передача – это система, состоящая из нескольких зубчатых колес, соединенных друг с другом.

Зубчатая передача обеспечивает гораздо более высокое передаточное число, чем одинарная передача. Следовательно, зубчатая передача служит для увеличения или уменьшения угловой скорости вала в большей степени, чем одиночная шестерня. С другой стороны, шестерня обычно занимает больше места, чем простая шестерня, состоящая из двух зубчатых колес.

На следующем изображении вы можете увидеть пример зубчатой передачи, точнее, это поезд, состоящий из пяти передач: входной, двойной, промежуточной и выходной. Выход.

Механизм начинается с входного колеса, то есть левого колеса. Когда к входной шестерне приложено вращательное движение, последующие шестерни также вращаются, поскольку колеса находятся в зацеплении.

При этом скорость вращения увеличивается в два этапа. Во-первых, входное колесо имеет больше зубьев, чем его шестерня, поэтому угловая скорость увеличивается. Эта шестерня представляет собой двойную шестерню, с валом которой соединена еще одна шестерня, и эта шестерня также имеет больше зубьев, чем выходная шестерня, поэтому угловая скорость увеличивается во второй раз.

Передаточное число шестерни

Передаточное число – это соотношение скоростей вращения двух шестерен. В частности, передаточное число двух передач определяется как отношение угловой скорости выходной шестерни к угловой скорости входной шестерни.

$i=\cfrac{\omega_2}{\omega_1}=\cfrac{Z_1}{Z_2}=\cfrac{D_1}{D_2}$

Золото:

$i$

это передаточное число.
$\omega_1$

— угловая скорость входного колеса.
$\omega_2$

— угловая скорость выходного колеса.
$Z_1$

— количество зубьев входной шестерни.
$Z_2$

— количество зубьев выходной шестерни.
$D_1$

— диаметр входного колеса.
$D_2$

— диаметр выходного колеса.

Из формулы передаточного числа можно сделать следующие выводы:

i>1 : если передаточное число больше 1, это означает, что выходная угловая скорость больше, чем входная угловая скорость. Следовательно, количество зубьев и диаметр выходной шестерни меньше количества зубьев и диаметра входной шестерни.
i<1 : если передаточное число меньше 1, это означает, что выходная угловая скорость ниже входной угловой скорости. Следовательно, количество зубьев и диаметр выходной шестерни больше, чем количество зубьев и диаметр входной шестерни.
i=1 : если передаточное число равно 1, это означает, что выходная угловая скорость эквивалентна входной угловой скорости. Таким образом, количество зубьев и диаметр обоих колес идентичны.

Достоинства и недостатки зубчатых передач.

По сравнению с другими видами механизмов передачи движения зубчатые передачи имеют следующие преимущества и недостатки:

Плюсы шестерен:

Отсутствует возможность проскальзывания между шестернями, что снижает вероятность поломки механизма.
Шестерни могут передавать большие мощности.
Механические характеристики шестерен высокие.
В целом, шестерни не требуют особого ухода.
Шестерни вообще занимают мало места.

Недостатки шестерен :

Шестеренки сделать сложно.
Поэтому цена на шестерни обычно выше, чем на другие виды механизмов.
Хотя производимый шум зависит от типа используемого механизма, обычно это шумная система передачи движения.