Типи шестерень

1. Вступ

Багато типів передач є важливою частиною незліченних механічних систем, можна знайти скрізь, від автомобілів до промислового обладнання та навіть побутової електроніки.

Вони працюють шляхом передачі обертальної сили між компонентами машини, дозволяє точно контролювати рух, швидкість, і крутний момент.

Редуктори необхідні для плавної та ефективної роботи машин, з різними типами передач, що підходять для різних застосувань.

2. Що таке Gear?

Шестерня - це зубчастий механічний компонент, який входить в зачеплення з іншою зубчастою частиною, часто інша передача, для передачі крутного моменту і руху. Шестерні можуть збільшити крутний момент, жертвуючи швидкістю, або вони можуть збільшити швидкість за рахунок крутного моменту.

Ефективність і функціональність передач залежить від їх форми, розмір, матеріал, і як вони взаємодіють один з одним.

3. Різні параметри передач

Розуміння параметрів передач має вирішальне значення для розробки ефективних і надійних систем передач. Ці параметри впливають на зачеплення шестерень, яке навантаження вони можуть витримати, і їх загальна продуктивність у різних програмах. Ось огляд ключових параметрів:

1. Кількість зубів

Кількість зубів на шестерні є основним параметром, який впливає на її передавальне число та продуктивність. Він визначає здатність шестерні зчепитися з іншою шестернею та впливає на швидкість і вихідний момент..

• Передаточне число: Співвідношення між кількістю зубців на двох зачеплених шестернях визначає співвідношення швидкості та крутного моменту.
  Наприклад, шестерня з 20 зуби зачеплення з шестернею с 40 зубів має передавальне число 1:2, тобто більша шестерня обертатиметься з половиною швидкості меншої шестерні, але з подвоєним крутним моментом.

2. Ціла Глибина

Повна глибина відноситься до загальної глибини зуба шестерні, який включає як додаток, так і відхід. Це критично важливо для забезпечення належного зачеплення з сусідніми шестернями.

• додаток: Висота зуба шестерні над ділильним колом.
• Буде дано: Глибина зуба нижче ділильного кола.

Повна глибина має важливе значення для визначення міцності шестерні та простору, необхідного для безперешкодного зчеплення зубів шестерні.

3. Pitch Circle

Діанальне коло — це уявне коло, яке котиться без ковзання по дільному колі сполученої шестерні. Дуже важливо переконатися, що шестерні взаємодіють і зачіпаються один з одним.

• Діаметр кроку: Діаметр ділильного кола. Він використовується для розрахунку передавального відношення та для забезпечення належного зачеплення шестерень.

4. Корене коло

Корінне коло – це коло, яке проходить через нижню частину канавок зубів шестерні. Він визначає мінімальний діаметр шестерні та важливий для розуміння міцності та довговічності шестерні.

• Діаметр кореня: Діаметр кола, що з'єднує основи зубів.

5. Зовнішнє коло

Зовнішнє коло, або зовнішній діаметр, це коло, яке проходить через кінці зубів шестерні. Це важливо для визначення загального розміру спорядження та кліренсу.

• Зовнішній діаметр: Діаметр вимірюється від кінчика одного зуба до кінчика протилежного зуба.

6. Діаметр кроку

Діаметр кроку – це діаметр ділильного кола, який є критичним параметром для розрахунку передавального числа та забезпечення належного зачеплення між шестернями.

• Формула: Діаметр кроку = кількість зубів / Діаметральний крок (для імперських одиниць) або діаметр кроку = (Кількість зубів * Модуль) (для метричних одиниць).

7. Круговий крок

Круговий крок - це відстань між відповідними точками на сусідніх зубах, вимірюється вздовж ділильного кола. Важливо забезпечити належне зачеплення та центрування передач.

• Формула: Круговий крок = π * Діаметр кроку / Кількість зубів.

8. Модуль

Модуль є мірою розміру зубів, визначається як відношення крокового діаметра до кількості зубів. Він використовується в метричній системі для стандартизації розмірів шестерень.

• Формула: Модуль = діаметр кроку / Кількість зубів.

9. Діаметральний крок

Діаметральний крок - це кількість зубів на дюйм діаметра кроку. Він використовується в імперській системі для стандартизації розмірів шестерень і є зворотним до модуля.

• Формула: Діаметральний крок = кількість зубів / Діаметр кроку.

10. Кругова товщина

Кругова товщина - це товщина зуба шестерні, виміряна вздовж ділильного кола. Це впливає на міцність механізму та ефективність передачі потужності.

• Формула: Кругова товщина = Круговий крок / 2.

4. Як працюють Gears?

Шестерні — механічні пристрої, зазвичай круглі, із зубцями на краях, які використовуються для передачі обертальної сили та крутного моменту в машинах.

Діють у парах, шестерні зачіпають зуби для запобігання ковзанню. У кругових передачах, швидкість обертання і крутний момент залишаються постійними, у той час як некруглі передачі створюють змінні співвідношення швидкості та крутного моменту.

Щоб підтримувати постійну швидкість і крутний момент, важлива точна форма профілю шестерні. При меншій передачі, або шестерня, керує системою, він зменшує швидкість і збільшує крутний момент.

Навпаки, якщо шестерня знаходиться на веденому валу, швидкість збільшується, а крутний момент зменшується.

Вали, що утримують шестерні, повинні бути розташовані належним чином і можуть бути розташовані паралельно, непаралельні, пересічні, або конфігурації, що не перетинаються. Ці вали функціонують як важелі для передачі обертання та енергії між шестернями.

Ключові результати систем передач включають:

• Збільшити швидкість: У зубчастій парі, де є 40 зуби та інше 20, менша шестерня обертається вдвічі швидше для підтримки синхронізації, що призводить до вищої швидкості, але зниженого крутного моменту.
• Збільшити силу: Менша шестерня з меншою кількістю зубців зменшує швидкість, але збільшує силу, потребує більшого крутного моменту для обертання.
• Змінити напрямок: Коли дві шестерні зачеплені, вони обертаються в протилежних напрямках. Спеціальні шестерні використовуються для ефективної зміни напрямку або кута обертання.

5. Що таке дизайн шестерень?

У промисловості використовуються різні механізми, кожен призначений для певних цілей. Основні характеристики, які відрізняються між цими механізмами, включають:

• Форма шестерні
• Конструкція та конфігурація зуба
• Конфігурація зубчастих осей

Форма шестерні

Шестерні можуть бути циліндричними (шпора, гвинтоподібний) або конічної форми (фаска) на основі їх застосування. Форма впливає на те, наскільки добре зчеплення шестерень, кількість сили, яку вони можуть витримати, і скільки шуму вони створюють.

Прямозубі передачі, наприклад, гучні на високих швидкостях, у той час як косозубі шестерні забезпечують тихішу та плавнішу роботу завдяки кутовим зубам.

Конструкція та конфігурація зуба

Шестерні можуть мати різний профіль зубів, кожен підходить для конкретних завдань. Рівні зуби (прямозубі шестерні) добре працювати для простого, низькошвидкісні програми, при цьому гвинтові або спіралеподібні зуби (гвинтоподібний, конічні шестерні) забезпечують більш плавне зчеплення та більшу ефективність на високих швидкостях.

Конфігурація зубчастих осей

• Паралельний: У паралельних конфігураціях, вали розташовані на одній площині, а ведуча і ведена шестерні обертаються в протилежних напрямках. Ця установка зазвичай забезпечує високу ефективність передачі руху. Приклади включають гвинтові зубчасті передачі та рейкові системи.
• Пересічні: Для пересічних конфігурацій, вали перетинаються в точці в одній площині, забезпечує високу ефективність передачі, подібну до паралельних установок. Конічні зубчасті колеса є яскравим прикладом цього типу.
• Непаралельні та непересічні: У конфігураціях, де вали не є ані паралельними, ані пересічними, тобто вони не вирівняні й не знаходяться на одній площині, ефективність передачі має тенденцію бути нижчою. Черв'ячні передачі є прикладом цієї категорії.

6. Які матеріали використовуються в шестернях?

Матеріал, який використовується для виготовлення шестерень, істотно впливає на їх продуктивність, міцність, і придатність для конкретних застосувань. Різні матеріали мають різний ступінь міцності, Опір зносу, і корозійна стійкість.

Нижче наведено деякі з матеріалів, які найчастіше використовуються у виробництві передач:

Прокат сталевий

Сталевий прокат широко використовується для зубчастих передач через його високу міцність і в'язкість. Його виготовляють шляхом гарячої або холодної прокатки сталі через серію валків, покращуючи його структуру та покращуючи його механічні властивості.

Зубчасті колеса, виготовлені зі сталевого прокату, часто використовуються у важких умовах, таких як автомобільні трансмісії та промислове обладнання, де довговічність і стійкість до ударів мають вирішальне значення.

Холоднокатана сталь

Холоднокатана сталь проходить процес, коли сталь охолоджується після прокатки, що покращує його міцність і якість поверхні. Цей процес забезпечує кращу точність розмірів і більш гладку поверхню, ніж гарячекатана сталь.

Холоднокатані сталеві шестерні часто використовуються в прецизійному обладнанні, яке вимагає жорстких допусків, такі як годинники та тонкі інструменти, а також автомобільне та промислове застосування.

Сплави інструментальної сталі

Сплави інструментальних сталей відомі своєю твердістю, Опір зносу, і здатність витримувати високі температури. Вони ідеально підходять для виготовлення передач, що піддаються екстремальним навантаженням і ударам.

Ці сплави зазвичай містять високий рівень вуглецю, хром, та інші елементи, такі як ванадій або вольфрам, що підвищує їх міцність і довговічність. Шестерні з інструментальної сталі використовуються в таких сферах, як ріжучі інструменти та промислове обладнання.

Сплави заліза

Сплави заліза, в тому числі чавун і ковкий чавун, широко використовуються у виробництві зубчастих коліс. Чавунні шестерні мають хорошу зносостійкість, Вібраційне демпфірування, і оброблюваність, що робить їх придатними для великих, низькошвидкісні редуктори, що використовуються в конвеєрних системах і важких машинах.

Ковкий чавун забезпечує кращу міцність, ніж чавун, забезпечення балансу між міцністю і ударостійкістю.

Нержавіюча сталь

Нержавіюча сталь найкраще підходить для передач, які вимагають високої стійкості до корозії та довговічності. Він містить хром, який утворює на поверхні захисний оксидний шар, запобігання іржі та корозії.

Шестерні з нержавіючої сталі часто використовуються в харчовому обладнанні, Морські програми, середовища, де присутні вологість або хімічні речовини.

Мідні сплави

Мідні сплави, такі як латунь і бронза, використовуються в передачах з низьким коефіцієнтом тертя, Корозійна стійкість, і легкість обробки є важливими.

Ці шестерні зазвичай використовуються в програмах, які вимагають тихішої роботи та меншого зносу, наприклад черв'ячні передачі, підшипники, і втулки.

Сплави міді також цінуються за їх електропровідність, що робить їх придатними для деяких спеціалізованих електричних пристроїв.

Алюмінієві сплави

Алюмінієві сплави мають легку вагу та стійкі до корозії, що робить їх придатними для передач, що використовуються в умовах низького навантаження, високошвидкісні програми.

Шестерні, виготовлені з алюмінію, зазвичай використовуються в аерокосмічній галузі, робототехніка, і автомобільної промисловості, де зниження ваги є пріоритетом.

Хоча не такий міцний, як сталь, алюмінієві сплави можуть бути оброблені або покриті для підвищення їх міцності та зносостійкості.

Пластикові шестерні

Пластикові шестерні мають невелику вагу, корозійний, і пропонують гладку, тиха робота.

Зазвичай виготовляється з таких матеріалів, як нейлон, ацеталь, або полікарбонат, пластикові шестерні часто використовуються в програмах, що вимагають низький рівень шуму та тертя, наприклад принтери, побутова техніка, і малі машини.

Хоча вони не витримують такого великого навантаження, як металеві шестерні, пластикові шестерні ідеальні для малопотужних, економічно ефективні рішення.

7. Типи шестерень

Шестерні класифікуються за формою зуба, конфігурація валу, і конкретне призначення. Розуміння різних типів передач має важливе значення для вибору відповідної передачі для забезпечення ефективної передачі сили в механічних конструкціях.

На основі форми зуба

1. Прямозубі шестерні

• • Зовнішні прямозубі шестерні: Найпоширеніший вид снастей, з прямими зубцями, паралельними осі шестерні. Ці шестерні використовуються для передачі потужності між паралельними валами та відомі своєю ефективністю та простотою.
  • Внутрішні прямозубі шестерні: Подібно до зовнішніх прямозубих передач, зуби нарізані на внутрішній поверхні зубчастого вінця. Вони використовуються там, де потрібна економія місця, такі як планетарні системи передач.

2. Косозубі шестерні

• • Одиночна гвинтова: Ці шестерні мають кутові зуби, які забезпечують більш плавну та тиху роботу, ніж прямозубі шестерні. Кут зубів забезпечує поступове зачеплення, зниження шуму і напруги під час роботи.
  • Подвійна спіраль: Також відомий як «ялинка»., вони мають два набори протилежних гвинтових зубців. Конструкція скасовує осьову тягу, що робить їх придатними для важкої техніки з високими навантаженнями.
  • Гвинтові передачі: Подібно до гвинтових передач, вони використовуються там, де потрібні непаралельні вали. Вони призначені для передачі крутного моменту між двома непересічними валами.

3. Конічні шестерні

• • Прямі шестерні: Для передачі руху між пересічними валами використовуються конічні шестерні з прямими зубами, зазвичай під кутом 90 градусів. Вони ефективні, але можуть бути шумними під навантаженням.
  • Спіральні шестерні: Вони мають вигнуті зуби, які пропонують більш плавну роботу та вищу вантажопідйомність, ніж прямі конічні шестерні. Вони ідеально підходять для високошвидкісних програм.
  • Торцеві шестерні: Тип конічної шестерні, де передавальне число 1:1, зазвичай використовується в програмах, які вимагають однакової швидкості, але зміни напрямку.
  • Гіпоїдні шестерні: Ці шестерні мають зміщені осі, що забезпечує передачу вищого крутного моменту та тихішу роботу. Вони зазвичай зустрічаються в автомобільних диференціалах.
  • Zerol Gears: Гібрид прямих і спіральних конічних передач, пропонуючи компроміс між плавною роботою та простотою виготовлення.
  • Коронні конічні шестерні: Конічна шестерня, у якій зуби розташовані перпендикулярно поверхні шестерні, пропонуючи унікальні кутові конфігурації.

4. Ялинка Gears
   Ялинкові шестерні мають V-подібну форму зубів і відомі своєю здатністю витримувати великі навантаження, не створюючи значного осьового зусилля. Ці шестерні часто використовуються у великих промислових машинах і на кораблях.

1. 4. Рейкові та шестерні
      Лінійна зубчаста передача, де шестерня (кругова передача) сітки з лінійною передачею (стелаж) для перетворення обертального руху в прямолінійний, широко використовується в системах рульового керування та залізниці.

4. Черв'ячні передачі
   Черв'ячні передачі складаються з черв'яка (гвинтоподібна передача) і черв'ячне колесо. Вони забезпечують високе зниження крутного моменту в компактних приміщеннях і використовуються в конвеєрних системах і ліфтах.

   

Спеціальні типи передач

1. Внутрішні шестерні
   Внутрішні шестерні мають зуби, вирізані на внутрішній стороні круглого кільця. Їх часто поєднують із зовнішніми циліндричними зубчастими колесами в системах планетарних передач для досягнення високого крутного моменту та ефективності використання простору..
2. Диференціальні шестерні
   Використовується переважно в автомобільних системах, диференціали дозволяють колесам обертатися з різною швидкістю, зберігаючи розподіл крутного моменту, необхідні для плавного проходження поворотів.
3. Планетарні шестерні
   Планетарні передачі складаються з центральної сонячної шестерні, планетарні передачі, і зовнішнє кільце (внутрішня передача). Ця конструкція забезпечує високу щільність крутного моменту і широко використовується в автоматичних трансмісіях і промисловому обладнанні.

   

4. Зірочки
   У ланцюгових передачах використовуються зірочки, із зубами, призначеними для зачеплення з ланцюгом або ременем. Вони зазвичай зустрічаються у велосипедах, мотоцикли, і конвеєрні системи.
5. Шлицеві шестерні
   Ці шестерні мають канавки або зуби вздовж і використовуються в механічних муфтах, дозволяючи передавати крутний момент, одночасно дозволяючи деякий рух уздовж осі.
6. Нейлонові шестерні
   Нейлонові шестерні легкі та стійкі до корозії, пропонуючи гладкий, тиха робота. Вони зазвичай використовуються в малих, програми з низьким енергоспоживанням, такі як принтери та побутова техніка.

   

7. Задні передачі
   Знаходиться в автомобільних диференціалах, задні шестерні забезпечують передачу високого крутного моменту та необхідні для забезпечення правильної швидкості коліс під час поворотів автомобіля.
8. Малі шестерні
   Малі шестерні використовуються в додатках, де потрібні компактні розміри та точне керування рухом, наприклад у годинниках, інструменти, та малої техніки.

8. Міркування в дизайні передач

На конструкцію механізму впливає кілька факторів, гарантуючи, що обраний механізм відповідає продуктивності, вартість, і вимоги до довговічності:

• Бюджет: Високоефективні матеріали, такі як нержавіюча та інструментальна сталь, дорожчі, ніж основні метали, такі як чавун.
• Обмеження простору: У компактних системах часто використовуються планетарні передачі, які забезпечують передачу високого крутного моменту при невеликій площі.
• Потреби в передачі: Високошвидкісні програми можуть віддавати перевагу гвинтовим або конічним зубчастим колесам для плавної роботи, при низькій швидкості, завдання з високим крутним моментом часто використовують черв'ячні або прямозубі передачі.
• Умови обслуговування: Жорстке середовище, як ті, що включають вологу або хімічні речовини, можуть знадобитися корозійностійкі матеріали, такі як нержавіюча сталь або нейлон.

9. Застосування Gears

Шестерні використовуються в багатьох галузях промисловості для контролю швидкості, крутний момент, і напрямок руху. Основні програми включають:

• Автомобільні системи рульового керування: Рейкові передачі перетворюють обертовий рух у лінійний, дозволяючи точний контроль над кермом.
• Коробки передач: Знайшли в автомобілях, промислова техніка, і вітрові турбіни, коробки передач регулюють швидкість і крутний момент.
• Аерокосмічний: Шестерні використовуються в системах управління польотом і двигунах для плавного руху, ефективна передача електроенергії.
• Сільськогосподарська техніка: На тракторах і комбайнах для керування потужністю двигуна та приводу знарядь використовується редуктор.

Таблиця для кожного типу застосування спорядження

Види передач	Назви передач	Типові продукти
Шпора	Цилиндрична шестерня	Годинники Потяги Літак Пральні машини Електростанції
Гвинтоподібний	Одинарна гвинтова передача Подвійна гвинтова передача Оселедець снасті Гвинтова передача	Автомобільний Годинники Системи поливу Господарські інструменти
Фаска	Пряма конічна шестерня Спіральна конічна передача Торцева шестерня Гвинтова конічна передача Гіпоїдна передача Нульова передача Коронна шестерня	Насоси Потяги Літак Електростанції
Черв'як	Черв'ячна передача	Ліфти Автомобільний
Рейка Gear	Рейка і шестерня	Вагові ваги Потяги