книги / Цилиндрические зубчатые колеса

ББК 34.445 Ф59

Фингер Михаил Львович член-корр. Академии проблем качества РФ, кандидат технических наук, лауреат

Премии Правительства РФ в области науки и техники

Рецензент: профессор, доктор технических наук, академик Академии транспорта РФ В. В. Клепиков

Фингер М. Л.

Ф59 Цилиндрические зубчатые колеса. Теория и практика изготовле­ ния. — М.: Научная книга, 2005. — 368 с.

ISBN 5-94935-041-3

В книге обобщен опыт изготовления цилиндрических зубчатых колес. Рассмотрены некоторые вопросы теории эвольвентного зубчатого зацепления, представлены сведения о методах и способах формо­ образования и отделки, описаны типовые механизмы зубообрабатывающих станков, их кинематические схемы, а также методы расчета и настройки отдельных кинематических цепей.

Приведены типовые конструкции рациональной технологической оснастки, режимы резания и холодного накатывания при работе на любых видах зубообрабатывающего оборудования. Описаны методы и средства применяемого контроля, рассмотрены виды и конструкции зуборезного инструмента,.

Книга рассчитана на инженерно-технических работников — кон­ структоров, технологов, связанных с проектированием и изготовлением зубчатых передач, выпускников технических ВУЗов, желающих специализироваться в области зубообработки. Книга также может быть полезна студентам в качестве учебного пособия.

ББК 34.445

© М.Л. Фингер, 2005 г.

© «Научная книга», 2005 г..

ISBN 5-94935-041-3

Дизайн переплета Н. Н. Попов Компьютерная верстка Ю. В. Балабанов

Издательство «НАУЧНАЯ КНИГА» Лицензия на издательскую деятельность ИД № 01253

Москва, ул. Остоженка, 53/2 тел. (095) 246-82-47 e-mail: flerus@newtech.ru

Подписано в печать 3.11.2004 г. Формат 60х90'/16 Объем 23,0 уел. печ. л. Тираж 500 экз.

Отпечатано в ФГУП Издательство «Известия» Управления делами Президента РФ

127994, ГСП-4, К-6, Пушкинская пл., д. 5 Заказ № 4583

Предисловие

Зубчатые передачи являются наиболее распространенными из всех механических передач, применяемых в машинах и приборах. Механизмы с зубчатыми колесами позволяют осуществить передачи вращательного движения между параллельными, скрещивающими­ ся и пересекающимися осями, иными словами, при всех видах рас­ положения осей, которые нашли применение в практике конструи­ рования. Кроме того, с помощью зубчатой передачи вращательное движение может быть преобразовано в поступательное, если одним из звеньев передачи является зубчатая рейка. Можно отметить боль­ шое разнообразие конструктивных форм элементов зубчатых зацеп­ лений: известны колеса с прямыми, спиральными и винтовыми зу­ бьями. Боковые поверхности зубьев могут выполняться цилиндри­ ческими и коническими, линейчатыми и нелинейчатыми.

Наряду с зубчатыми механизмами, обеспечивающими постоян­ ное отношение скоростей ведущего и ведомого звеньев, используют­ ся некруглые зубчатые колеса, посредством которых осуществляет­ ся передача вращательного движения с переменным отношением скоростей звеньев. Такие колеса применяются в машиностроении в различных автоматах; в приборостроении механизм, составленный из некруглых зубчатых колес, используется как устройство для вос­ произведения функций одной независимой переменной.

Учеными и инженерами, специализирующимися в области зубча­ тых передач, создана теория зубчатых зацеплений, предложены ме­ тоды, способы и технологические приемы изготовления и отделки зубчатых колес, разработано уникальное оборудование для их изго­ товления и контроля, зуборезный инструмент — один из самых слож­ ных видов в механообрабатывающем производстве.

Высококвалифицированные специалисты-практики — техноло­ ги, конструкторы, наладчики — совершенствуя способы изготовле-

ния зубчатых колес, предложили оригинальные варианты техноло­ гической оснастки, специальных приспособлений и приемов, позво­ ляющих обеспечить высокую производительность и качество.

За истекшие годы накопился большой опыт в теории и практике зубообработки, изложенный в научно-технических статьях и томах специальной литературы. И опытным инженерам, и молодым специ­ алистам сложно сориентироваться в потоке информации, разыски­ вая сведения о каком-либо конкретном виде зубчатых передач, из­ ложенные в различных изданиях.

В предложенной книге автором предпринята попытка обобщить этот опыт только в области цилиндрических зубчатых передач. Рас­ смотрены некоторые вопросы теории эвольвентного зацепления, представлены сведения о методах и способах формообразования и отделки цилиндрических зубчатых колес, описаны типовые механиз­ мы зубообрабатывающих станков, их кинематические схемы, а так­ же методы расчета и настройки отдельных кинематических цепей. Приведены типовые конструкции рациональной технологической оснастки, режимы резания и холодного накатывания при работе на любых видах зубообрабатывающего оборудования. Описаны методы и средства применяемого контроля, рассмотрены виды и конструк­ ции зуборезного инструмента.

Автор надеется, что материал книги будет полезен широкому кру­ гу инженерно-технических работников, связанных с проектировани­ ем и изготовлением зубчатых передач, выпускникам технических ВУЗов, желающим специализироваться в области зубообработки, а также послужит учебным пособием для студентов.

Выражаю глубокую признательность и благодарность всем, дав­ шим свои замечания и предложения в период работы над книгой и оказавшим незаменимую помощь при подготовке ее к изданию.

Введение

Производство зубчатых передач является трудоемким и сложным процессом. Высокое качество зубчатого колеса и экономичность его изготовления формируются на всех этапах производства, начиная с проектирования и кончая его изготовлением.

В современном производстве зубчатых колес инженер-специалист по зубчатым зацеплениям, зуборезчик-станочник, наладчик зубообра­ батывающего оборудования должен владеть не только практически­ ми, но и теоретическими знаниями. Он должен знать основы теории зацепления зубчатых колес и влияние основных геометрических па­ раметров зубьев на их качество, уметь правильно рассчитывать геомет­ рические параметры зубьев и наладочные установки станка, владеть прогрессивными методами изготовления и контроля зубчатых колес, определять причины возникновения погрешностей в зацеплении и способы их устранения.

Опыт специалиста — это не только изучение современного состо­ яния интересующей его проблемы, это еще и знание истории ее раз­ вития. Поэтому позволим себе небольшой исторический экскурс.

До сих пор никто не знает, кем и когда было изобретено первое зубчатое колесо. И, хотя имя изобретателя зубчатого колеса неизве­ стно, его нужно включить в число великих изобретателей за неоце­ нимый вклад в создание новейших достижений современного маши­ ностроения. С появлением зубчатого колеса значительно сократил­ ся путь развития машинной цивилизации.

Сведения об использовании зубчатых передач дошли к нам из глу­ бокой древности. В средние века использовались деревянные коле­ са и, в частности, деревянное цевочное зацепление, причем первые встречались на водяных мельницах и подъемных механизмах даже в начале XX века (рис. 1).

В XVI в. появились чугунные колеса с ввинченными стальными

Puc.L Разновидность деревянных зубчатых передач: а) цевочная; б) зубча­ тый подъемный механизм.

зубьями. Отлитые заодно с зубьями чугунные колеса появились в 1762г. в Шотландии.

Косозубые колеса (рис.2) изобретены в XVII в., но стали приме­ няться только в начале XIX в.

Патент (английский) на литые шевронные колеса был выдан в 1820г. Зубчатые колеса с фрезерованными зубьями появились в се­ редине XIX века, причем фрезерование производилось методом ко­ пирования. Фрезерование по методу обката стало известно в конце XIX в., а червячная фреза появилась в 1901г.

Интересно отметить, что наряду с литыми и фрезерованными ме­ таллическими зубьями даже и во второй половине XIX в. применя­ лись колеса со вставными деревянными зубьями (рис.З). Для полу­ чения плавного хода и бесшумности еще в первом десятилетии XX в. использовались передачи с шестернями из сыромятной кожи.

Наука о зубчатых колесах, математическое и графическое обосно­ вание профилей зубьев появились одновременно с развитием геомет­ рии, механики и кинематики в XVII в.

Эпициклоидная форма зубьев была создана еще в XVIII в. фран­ цузским ученым М. Камусом и применяется вплоть до сегодняшне­ го дня.

Эвольвентная форма зубьев предложена академиком Петербург-

ской Академии наук Л.П. Эйлером в 1754г. Им подробно были ис­ следованы теоретические основы и возможности эвольвентного за­ цепления. В течение более чем ста лет было соперничество между эвольвентной и эпициклоидной формой зубьев.

С расширением области применения зубчатых колес установ­ лено, что для изготовления одного и того же количества зубчатых колес эпициклоидного профиля режущего инструмента требуется в 2-3 раза больше, чем эвольвентного. Это была одна из причин постепенной замены эпициклоидного профиля эвольвентным. В настоящее время почти все зубчатые колеса изготавливают с эвольвентной формой зубьев.

Вработах Е. Бакингэма, Х.Ф. Кетова, Я.И. Дикера, В.Н. Кудряв­ цева, В.А. Гавриленко, И.А. Болотовского и его соавторов, Ф.Л. Лит­ вина, Э.Б. Булгакова геометрия эвольвентного зацепления была раз­ работана с почти исчерпывающей полнотой.

В1782г. был изготовлен вращающийся профильный зуборезный инструмент в виде диска с большим числом мелких зубьев. По суще­ ству, это был вращающийся напильник. С его появлением значи­ тельно сократилось время обработки, и возникла необходимость в создании станков, на которых можно им работать.

Большим шагом вперед в дальнейшем усовершенствовании про­ цесса нарезания цилиндрических колес было изобретение дисковой затылованной фрезы с эвольвентным профилем зубьев. После пере­ точки профиль зуба инструмента не менялся. Комплект из 8 таких фрез позволял нарезать зубчатые колеса от 12 зубьев до рейки. В этот период нарезание зубьев производилось методом копирования: каж-

дый зуб нарезали отдельно с единичным делением. Точность зубча­ тых колес была невысокой и зависела, в основном, от точности ин­ струмента.

Значительное повышение производительности и точности изго­ товления цилиндрических зубчатых колес было достигнуто в конце XIX в. благодаря применению эвольвентного зацепления и нареза­ нию зубьев методом обката червячными фрезами с прямолинейны­ ми режущими кромками. Это был значительный вклад в совершен­ ствование механической обработки зубчатых колес.

Глава 1

Основные сведения о зубчатых колесах и передачах

До изобретения зубчатого колеса передача вращательного движе­ ния от одного вала к другому осуществлялась с помощью гладких катков за счет силы трения между ними. Такая передача называлась фрикционной (от латинского frictio — трение). Фрикционные переда­ чи просты в изготовлении, однако в настоящее время применяются очень редко. Это объясняется тем, что цилиндрические поверхнос­ ти катков соприкасаются друг с другом по узкой полоске, теорети­ чески представляющей линию, а на такой малой площади невозмож­ но получить достаточную силу трения для передачи хотя бы сравни­ тельно небольшой мощности. Поэтому неизбежно проскальзывание одного катка относительно другого.

Для обеспечения передачи вращательного движения большей мощности без проскальзывания на цилиндрической поверхности катков стали делать канавки особой формы на равном расстоянии друг от друга. Эти канавки образовывали зубья одинакового разме­ ра и профиля. Такой каток или диск, на котором поочередно распо­ ложены зубья и впадины определенной формы и размеров, представ­ ляет собой зубчатое колесо.

1.1. Виды зубчатых колес и передач

Если зубья одного колеса войдут во впадины другого, то эти ко­ леса будут связаны между собой зубчатым зацеплением. Зубчатое коле­ со, которое передает вращение, называется ведущим, а зубчатое ко­ лесо, получающее вращение — ведомым. Элемент зубчатой передачи, имеющий меньшее число зубьев называется шестерней, а элемент с большим числом зубьев — колесом. Если оба колеса имеют одинако­ вое число зубьев, то шестерней называют ведущее колесо [52].

Рис.4. Виды цилиндрических зубчатых передач: а) наружного зацепления; б) внутреннего зацепления; в) реечная.

Основным условием нормальной работы зубчатой передачи явля­ ется беспрепятственный плавный вход зубьев одного зубчатого ко­ леса во впадины другого и равномерная, без толчков, передача вра­ щательного движения. Эти условия достигаются определенной фор­ мой и размерами зубьев и впадин зубчатых колес.

Если зубчатая передача выполняется в виде двух цилиндрических колес, она носит название цилиндрической зубчатой передачи и служит для передачи вращения между валами с параллельными осями. Ци­ линдрическая передача может быть внешнего и внутреннего зацеп­ ления.

Впередачах внешнего зацепления сопряженные колесо и шестерня вращаются в разных направлениях. Начальная поверхность одного ко­ леса при работе такой передачи находится в относительном движе­ нии: она катится снаружи по начальной поверхности другого коле­ са (рис.4а).

Впередачах внутреннего зацепления (рис.4б) сопряженные колесо и шестерня вращаются в одном направлении. Начальная поверхность одного колеса катится внутри начальной поверхности другого. В пер­ вом случае мгновенная ось относительного движения располагается между валами колес, во втором — валы колес находятся по одну сто­ рону относительно мгновенной оси. Передачи внутреннего зацепле­ ния компактнее передач внешнего зацепления, поэтому их применя­ ют, в основном, там, где межосевые расстояния невелики.

Вогнутый профиль колеса с внутренними зубьями сопрягается с выпуклым профилем зубьев шестерни, в результате чего срок служ­ бы и прочность передач внутреннего зацепления выше, чем у пере­ дач внешнего зацепления. Благодаря указанным преимуществам, передачи внутреннего зацепления нашли широкое применение в са­