Виды и принципы работы зубчатых передач. Общие сведения и классификация зубчатых передач Параметры зубьев шестерни

Описание зубчатых передач

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧАХ

Зубчатые передачи являются разновидностью механических передач, работающих на принципе зацепления. Их используют для передачи и преобразования вращательного движения между валами.

Зубчатые передачи отличаются высоким КПД (для одной ступени – 0,97-0,99 и выше), надежностью и длительным сроком службы, компактностью, стабильностью передаточного отношения из-за отсутствия проскальзывания. Зубчатые передачи применяют в широком диапазоне скоростей (до 200 м/сек), мощностей (до 300 МВт). Размеры зубчатых колес могут быть от долей миллиметра до нескольких метров.

К недостаткам можно отнести сравнительно высокую сложность изготовления, необходимость нарезания зубьев с высокой точностью, шум и вибрация при высоких скоростях, большую жесткость, не позволяющая компенсировать динамические нагрузки.

Передаточные числа в редукторных передачах могут достигать 8, в открытых передачах – до 20, в коробках передач – до 4.

По расположению зубьев различают передачи с наружным и внутренним зацеплением.

Конструктивно зубчатые передачи большей частью выполняются закрытыми в общем жестком корпусе, что обеспечивает высокую точность сборки. Лишь тихоходные передачи (v < 3 м/сек) с колесами значительных размеров, нередко встроенных в конструкцию машин (например, в механизмах поворота подъемных кранов, станков), изготавливаются в открытом исполнении.

Чаще всего зубчатые передачи применяют в качестве замедлительных (редукторов), т.е. для уменьшения частоты вращения и увеличения вращающего момента, но также с успехом используются для повышения скорости вращения (мультипликаторы).

Для предохранения рабочих поверхностей зубьев от заедания и абразивного износа, а также для уменьшения потерь на трение и связанного с этим нагревания, применяют смазку. Закрытые передачи обычно смазываются жидкими минеральными маслами, окунанием колес или принудительной подачей масла к зацепляющимся зубьям. Открытые передачи смазываются консистентными смазками, периодически наносимыми на зубья.

Зубчатые передачи с параллельными валами называются цилиндрические (рис. 2.1), с пересекающимися валами – конические (рис. 2.2).

По расположению зубьев различают передачи с наружным (рис. 2.1а -в ) и внутренним зацеплением (рис. 2.1г ).

По профилю зубьев колес передачи подразделяют: на передачи с эвольвентным зацеплением , в котором профили зубьев очерчены эвольвентами; на передачи с циклоидальным профилем ; на передачи с зацеплением Новикова . Далее в пособии будут описываться только передачи эвольвентного профиля с наружным зацеплением.

Шестерня – это зубчатое колесо передачи с меньшим числом зубьев (чаще всего – ведущее). Колесо – это зубчатое колесо передачи с большим числом зубьев. Термин "зубчатое колесо" можно применять как к шестерне, так и к колесу зубчатой передачи.

Цилиндрические зубчатые передачи бывают прямозубыми, косозубыми и шевронными.

Прямозубые колеса (рис. 2.1а ) применяют преимущественно при невысоких и средних окружных скоростях, при большой твердости зубьев (когда динамические нагрузки от неточностей изготовления невелики по сравнению с полезными), в планетарных передачах, в открытых передачах, а также при необходимости осевого перемещения колес (в коробках передач).

Косозубые колеса (рис. 2.1б ) обладают более высокой нагрузочной способностью (за счет большей длины зуба при одинаковой ширине зубчатого венца), повышенной плавностью и пониженной шумностью, поэтому их применяют для ответственных передач при средних и высоких скоростях. Объем их применения – свыше 40 % объема применения всех цилиндрических колес в машинах.

Косозубые колеса с твердыми поверхностями зубьев требуют повышенной защиты от загрязнений во избежание неравномерности износа по длине контактных линий и опасности выкрашивания. В косозубом зацеплении возникает осевая сила, которую надо учитывать при проектировании опор и валов.

Шевронные колеса (рис. 2.1в ) обладают всеми преимуществами косозубых колес, и при этом отсутствует вредная осевая сила, но их технология изготовления сложней.

Для прямозубых колес угол наклона зубьев b = 0°, для косозубых - b = 8...20°, для шевронных - b = 25...40°.

В косозубых передачах редукторов для шестерен рекомендуют принимать направление зуба левое, для колес – правое.

Большинство серийных редукторов имеют косозубые колеса, причем и в быстроходных и в тихоходных ступенях.

Среди конических зубчатых передач наибольшее распространение в машиностроении имеют передачи с прямыми зубьями. Также часто применяются передачи с круговыми зубьями. Гораздо реже – с тангенциальными и другими криволинейными зубьями.

	а	б
Рис. 2.2. Виды конических зубчатых передач

Прямозубые конические передачи (рис. 2.2а ) применяют при невысоких окружных скоростях (до 2…3 м/сек, допустимо до 8 м/сек), как наиболее простые в монтаже.

Конические передачи с круговыми зубьями (рис. 2.2б ) имеют более плавное зацепление и поэтому большие быстроходность и несущую способность. Они более технологичны.

2.3Материалы зубчатых колес и термическая или химико-термическая обработка

Материалы зубчатых колес и термическая или химико-термическая обработка выбираются в зависимости от назначения передачи, условий эксплуатации и требований к габаритным размерам.

Для повышения несущей способности передач целесообразно повышение твердости поверхности зубьев, т.к. несущая способность передач по контактной прочности пропорциональна квадрату твердости поверхности зубьев. Однако повышение твердости материала отрицательно сказывается на изгибной прочности. Для повышения изгибной прочности желательно сохранять вязкую сердцевину зуба. Поэтому в основном применяется поверхностная термическая или химико-термическая обработка.

Способы упрочнения :

· Нормализация позволяет получить твердость 180…220 HB, поэтому нагрузочная способность относительно невелика, но при этом зубья колес хорошо прирабатываются и сохраняют точность, полученную при механической обработке. Нормализованные колеса обычно используют во вспомогательных механизмах, например, в механизмах ручного управления.

Применяемые стали: 40, 45, 50 и др. Для повышения стойкости против заедания шестерни и колеса следует изготавливать из разных материалов.

· Улучшение позволяет получить твердость поверхности и сердцевины 200…240 HB (для небольших шестерен 280…320 HB), нагрузочная способность несколько выше, чем при нормализации, но зубья колес прирабатываются хуже. Обычно улучшенные колеса применяют в условиях мелкосерийного и единичного производства при отсутствии жестких требований к габаритам.

Применяемые стали: 40, 45, 50Г, 35ХГС, 40Х и др.

· Закалка токами высокой частоты (ТВЧ) дает среднюю нагрузочную способность при достаточно простой технологии упрочнения. Позволяет достигать поверхностной твердости 45…55 HRC при глубине упрочненного слоя до 3…4 мм. Закалке ТВЧ обычно предшествует улучшение, поэтому механические свойства сердцевины – как при улучшении. Изгибная прочность по сравнению с объемной закалкой выше в 1,5-2 раза. Из-за повышенной твердости зубьев передачи плохо прирабатываются. Размеры зубчатых колес практически неограниченны. Необходимо помнить, что при модулях менее 3…5 мм, зуб прокаливается насквозь, что приводит к значительному их короблению и снижению ударной вязкости.

Применяемые стали: 40Х, 40ХН, 35ХМ, 35ХГСА.

· Цементация (поверхностное насыщение углеродом) с последующей закалкой ТВЧ и обязательной шлифовкой позволяет получить поверхностную твердость 56…63 HRC при глубине упрочненного слоя 0,5…2 мм. Нагрузочная способность высокая, но технология упрочнения более сложная. Изгибная прочность по сравнению с объемной закалкой выше в 2-2,5 раза.

Широко применяют сталь 20Х, а для ответственных зубчатых колес, особенно работающих с перегрузками и ударными нагрузками, стали 12ХН3А, 20ХНМ, 18ХГТ, 25ХГМ, 15ХФ.

· Азотирование (поверхностное насыщение азотом) обеспечивает высокую твердость и износостойкость поверхностных слоев, при этом не требуется последующая закалка и шлифование. Азотирование позволяет получить поверхностную твердость 58…67 HRC при глубине упрочненного слоя 0,2…0,5 мм. Малая толщина упрочненного слоя не позволяет применять азотированные колеса при ударных нагрузках и при работе с интенсивным изнашиванием (при загрязненной смазке, попадании абразива). Длительность процесса азотирования достигает 40-60 часов. Обычно азотирование применяют для колес с внутренним зацеплением и других, шлифование которых затруднено.

Применяют молибденовую сталь 38Х2МЮА, но возможно азотирование сталей 40ХФА, 40ХНА, 40Х до меньшей твердости, но большей вязкости.

· Нитроцементация – насыщение поверхностных слоев углеродом и азотом в газовой среде с последующей закалкой обеспечивает высокую контактную прочность, износостойкость и сопротивление заеданиям, обладает достаточно высокой скоростью протекания процесса – около 0,1 мм/час и выше. В связи с малым короблением позволяет во многих случаях обойтись без шлифования. Содержание азота в поверхностном слое позволяет применять менее легированные стали, чем при цементации: 18ХГТ, 25ХГТ, 40Х и др.

2.4Конструкция зубчатых колес

Конструкция зубчатых колес зависит от их размеров, материала, технологии изготовления и эксплуатационных требований.

Шестерни малых размеров, у которых диаметр окружности впадин зубьев близок к диаметру вала, выполняются за одно целое с валом (вал-шестерня) (рис. 2.3).

Колеса, допускающие посадку на вал, как правило, делаются насадными. Это дает возможность подбирать различные, наиболее подходящие материалы и термообработку для вала и колеса, упрощают технологию изготовления этих деталей, и позволяет после износа зубьев колеса производить его замену, сохраняя вал.

Шестерни небольшого диаметра (D £ 200 мм) обычно изготовляются из круглого проката (£ 150 мм), кованных или штампованных заготовок в виде сплошного диска или с выступающей ступицей и др. (рис. 2.4).

Колеса средних размеров (D £ 600 мм) изготовляются из поковок, штампованных или литых заготовок и большей частью имеют дисковую конструкцию (рис. 2.5).

Зубчатые колеса больших размеров можно изготовлять цельнолитыми, с одним или двумя параллельными дисками, подкрепленными ребрами, или со спицами крестовидного, таврового, двутаврового, овального или другой формы сечения (рис. 2.6).

При использовании высококачественных сталей для изготовления зубчатого венца, в целях экономии, колеса могут выполняться бандажированными (посадка с гарантированным натягом) или сборными (на призонных болтах, с помощью сварки или клея) (рис. 2.7).

Очень часто в обиходе бывалых механиков можно услышать фразы, касающиеся различных деталей: их функций, возможностей, цены и работоспособности. Одной из таких деталей является шестерня. А для чего необходима эта деталь? Что это, и по какому принципу она работает? Давайте разбираться.

Описание и виды шестерёнок

Шестерня – это колесо (диск) с зубьями (другим словом – зубчатое колесо (ЗК)), которое крепится ко вращающейся оси. Она может быть, как с конической, так и с цилиндрической поверхностью.
Шестерёнчатые передачи подразделяются (в зависимости от линии зуба) на следующие виды:

Прямозубые. Это самые применяемые из всех видов ЗК, у которых зубья располагаются в радиальных плоскостях.

Скошенные (косозубые) , используемые в электрических и бензо инструментах (лобзиках, ножовки…). В этих деталях зубья располагаются под углом ко вращающейся оси.

Червячные (спиральные) используются для рулевого управления автомобилем.

Винтовые имеют цилиндрическую форму, зубья располагаются по линии винта. Используются на валах, расположенных перпендикулярно относительно друг друга.

С круговыми зубьями , которые имеют линию окружности радиуса, за счёт чего контакт передачи осуществляется лишь в одной точке (на линии зацепления), расположенной параллельно осям зубчатого кольца.

С внутренним зацеплением , в которых «зубы» нарезаны внутри. Применяются в приводе танковой башни, в планетарных механизмах, насосах…

Секторные являются частью шестерни различного типа, что значительно экономит габариты. Применяется в таких передачах, где не нужно вращение ЗК.

Есть ещё немало других видов этих деталей, каждая из которых может выполнять определённую функцию.

Область применения и принцип действия

ЗК считается одной из важнейших деталей, применяемых в механизмах с зубчатой передачей, как в сложных, так и в простых. Их применяют в машиностроении, пищевой и горнодобывающей промышленности, в судостроении, в подъёмных кранах, коробках передач, лебёдках, танках, буровых установках…

Зубчатые колёса применяются парно и работают при помощи зубьев, цепляясь за соседние, благодаря чему и выполняется основная функция ЗК – передача вращательных движений между валами.

Каждая из шестерён имеет своё число зубьев. Разница в количестве зубьев шестерни необходима для возможности преобразования числа оборотов вала и крутящего момента, то есть для передачи или изменения КМ от ведущего к ведомому ЗК. Ведущей называется та шестерня, к которой крутящий момент подводится снаружи, а ведомая – та, с коей он снимается.

При этом, когда диаметр ведущей детали меньше, чем у ведомой – КМ увеличивается пропорционально уменьшению скорости вращения, а в обратном случае (диаметр ведомой меньше ведущего) – наоборот. Кроме того, нужно знать то, что от числа зубьев на шестерёнке зависит плавность хода передачи (больше зубьев – плавный ход, и наоборот).

Износ шестерни (откалывание зубцов) влечёт за собой необходимость её замены, так как ремонту деталь не подлежит.

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 (шестерни) обычно используются па́рами с разным числом зубьев с целью преобразования крутящего момента и числа оборотов вала на выходе. Шестерня, к которой крутящий момент подводится извне, называется ведущей , а шестерня, с которой момент снимается - ведомой . Если диаметр ведущего колеса меньше, то крутящий момент ведомого колеса увеличивается за счёт пропорционального уменьшения скорости вращения, и наоборот.

Следует заметить, что шестерённая 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 в данном случае будет пропорциональна произведению на . 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

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

Продольная линия зуба

Прямозубые шестерни

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

Косозубые шестерни

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

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

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

Шестерни 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 шестерни (шевроны)

Двойные косозубые шестерни решают проблему осевого момента. Зубья таких шестерён изготавливаются в виде буквы «V» (либо они получаются стыковкой двух косозубых шестерён со встречным расположением зубьев). Осевые моменты обеих половин такой шестерни 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

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

Секторные колёса

Секторная шестерня представляет собой часть обычной шестерни любого типа. Такие шестерни применяются в тех случаях, когда не требуется вращение механизма на 360°, и поэтому можно сэкономить на его габаритах.

Зубчатые колёса с внутренним зацеплением

При жестких ограничениях на габариты, в планетарных механизмах, в шестерённых насосах с внутренним зацеплением, в приводе башни , удобно применение колёс с зубчатым венцом, нарезанным с внутренней стороны. Также стоит заметить что вращение ведущего и ведомого колеса направленно в одну сторону.

Реечная передача (кремальера)

Коронные шестерни

Коронная шестерня - особый вид шестерни, зубья которой располагаются на боковой поверхности. Такая шестерня обычно стыкуется с обычной прямозубой, либо с барабаном из стержней (цевочное колесо), как в башенных часах.

Для плавной работы и эффективной передачи энергии вращения посредством зубчатого зацепления необходимо, чтобы зубья имели особую форму. Такая форма зубьев, называемая эвольвентной , в настоящее время применяется почти на всех зубчатых колесах. (Эвольвента – это кривая, которую прочертит карандаш на конце туго натянутой нити, сматываемой с неподвижного кругового цилиндра.)

Зубчатые колеса обычно изготавливают из стали, но применяются и другие материалы – чугун, латунь, алюминий, пластмассы. Стальные зубчатые колеса для повышения долговечности подвергают поверхностному упрочнению путем науглероживания и термообработки. Такая обработка обязательна для всех ответственных зубчатых передач, в частности автомобильных передач и дифференциалов. Зацепление зубчатых колес может быть цилиндрическим, коническим и гипоидным – когда оси зубчатых колес, входящих в зацепление друг с другом, параллельны, пересекаются или скрещиваются соответственно.

Цилиндрические зубчатые колеса . Зубчатые колеса для параллельных валов называют цилиндрическими. Одно из двух входящих в зацепление зубчатых колес – передающее движение – является ведущим, другое – ведомым. Если одно из колес значительно меньше другого, оно называется шестерней. Если отношение частот вращения ведущего и ведомого колес равно единице, то оба зубчатых колеса имеют одинаковые размеры. Передаточное отношение равно отношению чисел зубьев двух колес. Например, шестерня с 10 зубьями вращается в 4 раза быстрее сцепленного с ней зубчатого колеса, имеющего 40 зубьев. Зубья могут быть расположены как на наружной, так и на внутренней поверхности колеса. При наружном зацеплении колеса вращаются в противоположных направлениях, при внутреннем – в одном.

Для преобразования вращения в линейное перемещение ведомое колесо заменяется зубчатой «рейкой» – это как бы зубчатое колесо бесконечно большого диаметра.

Многоступенчатая зубчатая передача. Для передачи вращения между двумя валами, расположенными на значительном удалении друг от друга, может потребоваться более двух зубчатых колес. Промежуточные колеса изменяют направление вращения, если их число – четное. При нечетном же их числе направление вращения не изменяется.

Виды цилиндрических зубчатых колес . Зубчатые колеса, зубья которых параллельны оси колеса, называются прямозубыми. Для увеличения контактной длины и числа зубьев, находящихся в зацеплении (что необходимо для передачи большего момента и более плавной работы на повышенных частотах вращения), применяют косозубые зубчатые колеса. Серьезным недостатком косозубых колес является осевое усилие, возникающее в контакте зацепленных зубьев. Для его устранения применяются шевронные зубчатые колеса с V-образными (угловыми) косыми зубьями.

Конические зубчатые колеса. Оси конических колес зубчатой передачи составляют прямой угол, и их зубья обычно нарезаются по радиусам. Если зубья конических колес прямые, но идут не по радиусам, то они называются тангенциальными. Конические зубчатые передачи, оси колес которых не пересекаются, называются гипоидными. Их часто применяют в задних мостах автомобилей для понижения центра тяжести. В дифференциалах автомобилей применяются ортогональные зубчатые передачи с зубчатыми колесами одного диаметра. Спиральнозубые колеса подобны цилиндрическим, но их зубья нарезаются таким образом, что они передают вращение между взаимно перпендикулярными валами.

Червячные передачи. Для увеличения передаточного отношения, получаемого с помощью цилиндрических прямозубых или конических колес, можно воспользоваться червячной передачей. «Червяк» такой передачи представляет собой винт, вращающий зубчатое колесо, ось которого перпендикулярна оси червяка. Преимущество червячной передачи – в экономии места, недостаток же – в потере мощности.

4. Какие основные виды организационных структур предприятий сервиса Вы знаете.

Организационная структура СО формируется в соответствии с выбранным направлением деятельности. Основная функция организационной структуры - мотивировать персонал, чтобы обеспечить рост эффективности, содействовать использова­нию выработанных правил, процедур и указаний, которые поддерживают ежедневную работу персонала СО.

Многообразие функциональных связей и возможных спо­собов их распределения между подразделениями и работниками предопределяет разнообразные виды организационных структур управления производством. Большинство СО в разных отрас­лях используют следующие виды организационных структур:

Функционально-технологическую;

Организованную на основе управления по видам продукции и(или) маркам;

Организованную по географическим признакам (географиче­ская структура);

Организованную по сегментам.

Первый вид структуры, традиционный для нашей страны, заимствован из опыта промышленных и эксплуатационных предприятий (так называемая цеховая структура). Остальные три структуры часто называют дивизионными.

В дивизионных структурах ключевыми фигурами в управ­лении предприятием выступают не руководители функцио­нальных служб управления, а управляющие (ме­неджеры), возглавляющие производственные подразделения. Структуризация предприятия по отделениям производится обычно по одному из трех критериев: по выпускаемой продук­ции или предоставляемым услугам (продуктовая специализа­ция), по обслуживаемым территориям (региональная специа­лизация), по ориентации на потребителя (потребительская специализация).

Продуктовая структура позволяет достаточно просто раз­рабатывать новые виды продукции, исходя из соображений конкуренции, совершенствования технологии или удовлетво­рения потребностей покупателей.

Региональная структура обеспечивает более эффективный учет местного законодательства, социально-экономической системы и рынков по мере географического расширения ры­ночных зон. Однако при организации работы по продукции или регионам ключевые подразделения СО не знают сегмен­тов, с какими они работают, не знают потребности этих сег­ментов.

В ориентированной на потребителя организационной струк­туре все подразделения группируются вокруг сегментов, вы­бранных руководством СО. Считается, что эта ор­ганизационная структура является наиболее перспективной и соответствует современным тенденциям развития рынка, в том числе ТС ДМ. Такая структура дает возможность наиболее эф­фективно учитывать запросы потребителей, имеющих четко определенные или специфические потребности, от которых предприятие более всего зависит. Структура СО связана с су­щественными характеристиками сегментов и зависит от числа рынков (на которых работает СО), от числа и размеров сегмен­тов, от финансовых взаимосвязей. Такая структура требует со­ответствующих изменений системы учета, в том числе бухгал­терской информации. СО, ориентирующая свою деятельность на выбранные сегменты, более отзывчива к потребностям рынка, чем структуры, организующие свою работу по функци­ям, продукции или регионам.

Таким образом, выбор вида дивизионной структуры дол­жен быть основан на том, какой из этих факторов наиболее способствует обеспечению реализации стратегических планов предприятия сервиса и достижению его целей. Например, при данной структуре можно реализовать большую часть идей современной философии качества. Дивизионные структуры предпочтительны в периоды достаточно стабильной деятель­ности предприятия Hа предприятиях с жесткой функциональной организаци­ей руководство среднего звена обычно делает упор на миними­зацию потребляемых ресурсов и строгое соблюдение персо­налом регламентирующих правил и распоряжений. На та­ком предприятии процессы оптимизируются в соответствии с функциональной структурой. Однако в каждом бизнес-про­цессе участвует несколько подразделений и служб СО и в рам­ках одного процесса функциональные границы подразделений и служб пересекаются. Это приводит к появлению внутренних потребителей и поставщиков промежуточных результатов. По­этому функции, ресурсы и управление должны выстраиваться в соответствии с выполняемыми процессами, а управляюще­му персоналу следует концентрировать внимание на работе с внутренними поставщиками и обслуживании внутренних по­требителей. В таких условиях персонал имеет более сильную мотивацию к улучшению качества и других характеристик про­изводимых продуктов и услуг. Здесь удовлетворительное ре­шение дает матричная (или программно-целевая) структура управления.

Матричная структура представляет собой сетевую струк­туру, которая построена на принципе двойного подчинения исполнителей. С одной стороны, исполнители подчиняются непосредственному руководителю функциональной службы (которая предоставляет персонал и техническую помощь руко­водителю проекта), а с другой - руководителю проекта или це­левой программы (который наделен соответствующими пол­номочиями). Таким образом, руководитель проекта взаимо­действует с двумя группами подчиненных - с постоянными членами проектной группы и работниками функциональных отделов, которые подчиняются ему временно и по ограничен­ному кругу вопросов. При этом сохраняется их подчинение не­посредственным руководителям подразделений и служб.

Матричная организация позволяет лучше координировать деятельность предприятия при осуществлении разных биз­нес-процессов. Она более гибкая, чем, например, функцио­нальная структура, в которой все работники жестко закрепле­ны за определенными функциональными отделами. В рамках матричной структуры можно осуществить интеграцию на уровне как совмещения функционального, оперативного, геorрафического и временного аспектов, так и взаимосвязи между сервисом и другими подразделениями предприятия. Матрич­ная организация используется во многих отраслях промыш­ленности, а также в некоторых организациях непроизводст­венной сферы. К недостаткам матричной организации следует отнести сложность и неясность ее структуры, наложение вер­тикальных и горизонтальных полномочий, что подрывает принцип единоначалия и может приводить к конфликтам и трудностям в принятии решений.

Ни один хороший механизм не может быть построен без такой детали, как зубчатое колесо (или, иначе, шестерня). Правильное понимание того, как шестерни влияют на такие параметры, как крутящий момент и скорость вращения, очень важно. Ниже будет рассказано об азах зубчатых передач и о том, как правильно их использовать.

Механическое преимущество: крутящий момент против скорости вращения

Зубчатые передачи работают по принципу механического преимущества. Это значит, что с помощью использования шестерен различных диаметров вы можете изменять скорость вращения выходного вала и вращающий момент, развиваемый приводным двигателем.

Любой электродвигатель имеет определенную скорость вращения и соответствующий его мощности крутящий момент. Но, к сожалению, для многих механизмов предлагаемые на рынке и подходящие по стоимости асинхронные двигатели обычно не обладают желаемым соотношением между скоростью и моментом (исключением являются сервоприводы и мотор-редукторы с высоким моментом). Например, вы действительно хотите, чтобы колеса вашего робота-уборщика вращались со скоростью 3000 об/мин при низком крутящем моменте? Нет конечно, поэтому последний зачастую предпочтительнее скорости.

Уравнение зубчатой передачи

Она обменивает высокую входную скорость на больший выходной крутящий момент. Этот обмен происходит по очень простому уравнению, которое можно записать так:

Момент входной * Скорость входная = Момент выходной * Скорость выходная

Скорость входную можно найти, просто просматривая табличку приводного электродвигателя. Момент входной легко определить по этой скорости и механической мощности из той же таблички. Затем просто подставим выходную скорость или требуемый крутящий момент в правую часть уравнения.

Например, предположим, что ваш асинхронный двигатель при моменте на выходном валу 0,5 Н∙м имеет скорость 50 об/с, но вы хотите только 5 об/с. Тогда ваше уравнение будет выглядеть так:

0,5 Н∙м * 50 об/с = Момент выходной * 5 об/с.

Ваш выходной крутящий момент будет 5 Н∙м.

Теперь предположим, что с тем же мотором вам нужно 5 Н∙м, но при этом требуется минимальная скорость 10 об/с. Как бы узнать, способен ли на это ваш мотор вместе с зубчатой передачей (т. е., по сути, мотор-редуктор)? Обратимся снова к нашему уравнению

0,5 Н∙м * 50 об/с = 5 Н∙м * Скорость выходная,

Скорость выходная = 5 об/с.

Итак, вы определили, используя простое уравнение, что при показателе Момент выходной =5 Н∙м обеспечить скорость выходную в 10 об/с ваша зубчатая передача не способна. Вы только что сохранили себе кучу денег, так как не потратили их на механизм, который никогда не заработал бы.

Передаточное число зубчатой передачи

Мы записали уравнения, но как механически поменять местами крутящий момент и скорость? Для этого нужны две шестерни (иногда больше) различных диаметров, чтобы иметь конкретное передаточное число. В любой паре шестерен большее зубчатое колесо будет двигаться более медленно, чем меньшее, но оно будет передавать на выходной вал больший крутящий момент. Таким образом, чем больше величина разницы (или передаточное число) между двумя колесами, тем больше разница их скоростей и передаваемых крутящих моментов.

Передаточное число показывает, во сколько раз зубчатая передача изменяет скорость и вращающий момент. Для него, опять же, имеется очень простое уравнение.

Предположим, что передаточное число равно 3/1. Это будет означать, что вы увеличиваете ваш крутящий момент втрое, а скорость втрое снижаете.

Момент входной = 1,5 Н∙м, Скорость входная = 100 об/с,

Передаточное число = 2/3

Скорость выходная = Скорость входная * 3/2 = 150 об/с.

Итак, на выходе передачи момент в полтора раза вырос, а скорость точно так же снизилась.

Достижение определенного передаточного числа

Если вы хотите достичь простой его величины, скажем 2 к 1, вы должны использовать две шестерни, одна из которых вдвое больше другой. Это не что иное, как отношение их диаметров. Если диаметр зубчатого колеса в 3 раза больше, чем у сцепленного с ним другого, то вы получите передаточное число 3/1 (или 1/3).

Для гораздо более точного способа вычислить передаточное число подсчитайте отношение зубьев на шестернях. Если одна из них имеет 28 зубьев и другая - 13, вы получите передаточное число 28 / 13 = 2,15 или 13 / 28 = 0,46. Подсчет зубьев всегда будет давать вам наиболее точную величину.

Эффективность передач

К сожалению, в зубчатой передаче вы имеете определенные энергетические потери. Это обусловлено очевидными причинами, такими как трение, рассогласование углов давления, смазкой, зазорами (расстоянием между сцепленными зубьями двух шестерен), а также угловыми моментами и т. д. Различные типы передач, разные виды зубчатых колес, различные материалы и износ шестерен, - все это будет влиять на КПД передачи. Возможные их комбинации дадут слишком большой список, поэтому точную величину КПД передачи, которые вы используете, вы сможете найти в документации на нее.

Предположим, что вы используете два цилиндрических зубчатых колеса. Обычное КПД такой передачи примерно ~ 90%. Умножьте это число на вашу скорость выходную и момент выходной, чтобы получить истинные выходные величины передачи.

Если (из предыдущего примера):

Передаточное число = 2/3

Момент выходной = Момент входной * 2/3 = 1 Н∙м,

Скорость выходная = Скорость входная * 3/2 = 150 об/с,

то тогда:

Истинный Момент выходной = 1 Н∙м * 0,9= 0,9 Н∙м,

Истинная Скорость выходная = 150 об/с * 0,9 = 135 об/с.

Направление вращения шестерен

Разрабатывая любую зубчатую передачу, нужно понимать, как она изменяет направление вращения выходного вала. Две сцепленные шестерни всегда будут вращаться в противоположных направлениях. Это означает, что если одна вращается по часовой стрелке, то другая всегда будет вращаться против нее. Это вполне очевидно. Но что делать, если у вас есть передача, скажем, из шести сцепленных шестерен? Правило здесь следующее: входной и выходной валы у передач с нечетным числом шестерен всегда вращаются в одном направлении, а при четном числе шестерен - в противоположном.

Конструкция и параметры зубчатого колеса

Оно содержит венец с зубьями, диск и ступицу. Имеется три наиболее важных его параметра: модуль, диаметр делительной окружности и количество зубьев. Какую же делительную окружность имеет зубчатое колесо? Чертеж цилиндрического колеса с типовыми эвольвентными зубьями показан ниже.

Делительная окружность показана на нем пунктиром. По ней принято определять окружной шаг зубьев p (шаг зацепления), т. е. часть ее длины, приходящуюся на один зуб, и модуль шестерни m - часть диаметра делительной окружности d , приходящуюся на один зуб. Чтобы его вычислить, просто используйте формулу ниже:

m = d /z = p /3,14, мм.

Например, зубчатое колесо с 22 зубьями и диаметром 44 мм имеет модуль m = 2мм. Сцепленные шестерни должны обе иметь один модуль. Значения их стандартизованы, и как раз на делительной окружности модуль данного колеса принимает свое стандартное значение.

Высота головки зуба одного колеса меньше высоты ножки зуба второго, зацепляющегося с ним, благодаря чему образуется радиальный зазор c .

Для обеспечения бокового зазора δ между двумя сцепленными зубьями сумма ихтолщин принимается меньше их окружного шага p . Радиальный и боковойзазоры предусматриваются для создания необходимых условий смазки, нормальной работы передачи при неизбежных неточностях изготовления и сборки, тепловом увеличении размеров передачи и т. п.

Расчет зубчатого колеса

Он всегда ведется в составе расчета конкретной зубчатой передачи. Исходными данными для него обычно являются мощность (или крутящий момент), угловые скорости (или скорость одного вала и передаточное число), условия работы (характер нагрузки) и срок службы передачи.

Дальнейший порядок относится к закрытой цилиндрической прямозубой передаче.

1. Определение передаточного числа u .

2. Выбор материалов колес в зависимости от условий работы, назначение термообработки и значения твердости рабочих поверхностей зубьев.

3. Расчет зубьев передачи на изгиб.

4. Расчет зубьев передачи на контактную прочность (прочности контактирующих поверхностей зубьев).

5. Определение межосевого расстояния a W из условия контактной прочности и округление его значения до стандартного.

6. Задание модуля из соотношения m = (0,01 - 0,02) х a W и округление его значения до ближайшего стандартного. При этом в силовых передачах желательно иметь m ≥1,5 - 2 мм.

7. Определение суммарного числа зубьев передачи, числа зубьев шестерни и колеса.

8. Выбор коэффициентов формы зубьев для шестерни и колеса.

9. Проверка прочности зубьев по напряжениям изгиба.

10. Проведение геометрического расчета передачи.

11. Определение окружной скорости колеса и назначение соответствующей точности зацепления.

Расчет зубчатого колеса в составе открытой зубчатой передачи несколько отличается от приведенного, но в основном последовательность его такая же.

Как обозначается точность изготовления зубчатых колес

При изготовлении любые их виды имеют ряд погрешностей, среди которых выделяют четыре основные:

• кинематическую погрешность, связанную в основном с радиальным биением зубчатых венцов;
• погрешность плавности работы, вызываемую отклонениями шага и профиля зубьев;
• погрешность контакта зубьев в передаче, которая характеризует полноту прилегания их поверхностей в зацеплении;
• боковой зазор между неработающими поверхностями зубьев.

Для контроля первых трех погрешностей стандартами установлены специальные показатели - степени точности от 1 до 12, причем точность изготовления увеличивается с уменьшением показателя. Для контроля четвертой погрешности изготовления имеются два показателя:

• вид сопряжения зубчатых колес - обозначается литерами A, B, C, D, E, H;
• допуск на боковой зазор - обозначается литерами x, y, z, a, b, c, d, e, h.

Для обоих показателей бокового зазора обозначения даны в порядке убывания его величины и допуска на него.

Условно точность зубчатых колес обозначается двумя способами. Если степень точности по первым трем погрешностям одинакова, то ставится один общий для них численный показатель степени точности, за которыми стоят литеры обозначения вида сопряжения и допуска на боковой зазор. Например:

8-Ас ГОСТ 1643 - 81.

Если точности по первым трем погрешностям разные, то в обозначении ставятся три численных показателя последовательно. Например:

5-4-3-Са ГОСТ 1643 - 81.

Типы зубчатых передач

Любое зубчатое колесо, независимо от его типа, делается и работает по одним и тем же вышеприведенным принципам. Однако различные их типы позволяют выполнить разные задачи. Некоторые виды передач обладают или высоким КПД, или высоким передаточным отношением, или же работают с непараллельными осями вращения шестерен, к примеру. Ниже приведены основные общие типы. Это не полный список. Также возможно и сочетание нижеприведенных типов.

Примечание: Приведены только типичные КПД передач. Из-за многих других возможных факторов приводимые КПД должны использоваться только в качестве справочных величин. Часто производители приводят ожидаемые КПД в паспортах для своих передач. Помните, что износ и смазка будут также существенно влиять на эффективность передач.

Цилиндрические прямозубые колеса (КПД ~ 90%)

Цилиндрическое зубчатое колесо имеет зубья, расположенные на цилиндрической поверхности. Передачи с ними являются наиболее часто используемыми типами благодаря своей простоте и максимальной эффективности среди всех других. Передаточное число для одной пары u ≤ 12,5. Не рекомендуется для очень высоких нагрузок, так как прямые зубья зубчатого колеса довольно легко ломаются.

Цилиндрические косозубые колеса (КПД ~ 80%)

Они работают так же, как цилиндрические прямозубые, для передачи момента между параллельными валами, но у такой передачи более плавно происходит зацепление. Вследствие этого они создают меньше шума при работе и имеют меньшие габариты. У них большая нагрузочная способность. К сожалению, из-за сложной формы зубьев они, как правило, более дорогие.

Цилиндрические шевронные колеса

Являются разновидностью предыдущего вида. Чем отличается такое зубчатое колесо. Чертеж его показан ниже. Видно, что по ширине его венца расположены зубья с правым и левым наклоном, так что такие составные зубья зубчатого колеса по форме напоминает «шевроны». Эти колеса обладают всеми преимуществами косозубого их вида, плюс отсутствием осевых нагрузок. Они способны самоцентрироваться и не нуждаются в дорогостоящих радиально-упорных подшипниках для восприятия осевых нагрузок.

Конические зубчатые колеса (КПД ~ 70%)

Зубья этих колес, располагающиеся на конических поверхностях, выполняют прямыми, косыми, круговыми (дугообразными). Эти передачи применяют для передачи момента между перекрещивающимися под разными углами валами. К сожалению, их КПД довольно низок, поэтому следует избегать их применения, если возможно.

Червячные передачи (КПД ~ 70%)

Это передача с винтом-червяком на одном валу и червячным колесом на втором, перпендикулярном первому, валу. Они имеют очень высокое передаточное число. В расчетах принимают во внимание то, что у червяка (однозаходного) имеется только один зуб (виток).

Еще одним преимуществом червячной передачи является то, что у нее только одно направление вращения. Это означает, что только приводной двигатель может вращать такую передачу, в то время как сила тяжести или другие сторонние силы не вызовут каких-либо вращений. Это бывает полезно, например, для стопорения груза на высоте.