Что такое шестерня: виды изделий, их характеристики, назначение и отличия

Шестерня – зубчатое колесо, являющееся одним из главных компонентов зубчатой передачи. Боковая поверхность конической или цилиндрической формы снабжена зубьями, с помощью которых зубчатые колеса цепляются друг за друга и передают механическую энергию. Внутренняя часть устанавливается на ось вращения. В машиностроении и других отраслях промышленности используется широкий спектр шестерен различных размеров и конфигурации.

Как устроена шестерня?

Зубчатое колесо или шестерня – это компонент механизма, в котором крутящий момент передается от одной оси к другой с помощью двух парных деталей. Зубцы двух шестерен поочередно задевают друг друга, вызывая вращение осей, такое зацепление обеспечивает плавное слаженное действие.

В паре всегда работают две шестерни: первая вращается под воздействием внешней силы, ее называют ведущей. Та, которая получает крутящий момент от ведущей шестерни, называется ведомой.

Ведущая и ведомая шестерня могут иметь разный диаметр – это позволяет ускорить или замедлить вращение. Если ведущее зубчатое колесо больше, чем ведомое, скорость движения передачи будет увеличиваться. Если меньше – замедляться.

Важную роль в работе передачи играет количество зубцов: чем их больше, тем более плавным и ровным будет движение передачи. Если количество зубцов у ведущей и ведомой шестерни отличается, это дает возможность изменить скорость вращения узла.

Шестерня получила свое название из-за самого принципа работы: при контакте между ведущей и ведомой шестерней всегда работают по шесть зубьев – по три с каждой стороны. Еще одна версия происхождения названия – в минимальном количестве зубьев, которое должно быть у зубчатого колеса – для обеспечения работы передачи их должно быть минимум шесть.

Где используются шестерни?

Шестерня обладает широкими возможностями использования: она применяется там, где нужно обеспечить вращение деталей, организовать передачу крутящего момента от одного вала к другому, а также увеличить или уменьшить скорость вращения ведомого вала. Примеры применения шестерен:

• Автомобильные коробки передач механического и автоматического типа;
• Рабочие узлы на судах различного назначения;
• Часовые механизмы;
• Редукторы спецтехники: это уборочные машины, газонокосилки. Комбайны и многое другое;
• Различные виды военной техники, в том числе танки и бронетранспортеры;
• Лебедки, погрузчики, подъемные краны и другие подъемные механизмы;
• Бытовая техника: кофемолки, мясорубки, соковыжималки блендеры;
• Промышленное оборудование, в том числе различные специализированные станки;
• Офисная оргтехника: МФУ, сканеры, принтеры;
• Строительные машины, в том числе бетономешалки, экскаваторы, самосвалы и многое другое.

Шестерни используются повсеместно, где есть движущиеся узлы, в которых нужно передавать механическую энергию. Это практически все отрасли машиностроения, а также приборостроение, добывающая промышленность, производство сельскохозяйственных машин и решение многих других задач.

Особенности конструкции шестерен

В конструкцию шестерни входят следующие ключевые элементы:

• Диск – основной компонент;
• Ступица. Она представляет собой центральную часть рабочего диска, может с обеих сторон снабжаться выступами;
• Посадочное отверстие. Оно расположено в ступице и предназначено для установки вращающегося вала. У большинства шестерен дополнительно предусмотрен паз для установки фиксирующей шпонки;
• Обод. Это внешняя сторона диска, на которой располагаются зубья шестерни;
• Зубцы, расположенные по окружности детали. Они обладают ножкой и головкой, благодаря которым цепляются за зубцы отвечающей шестерни и передают крутящий момент.

Ключевые характеристики при выборе шестерней

При выборе нужно обратить внимание на следующие параметры:

• Количество зубцов;
• Шаг сцепления. Он определяется как расстояние между отвечающими сторонами зубцов, измеренное по дуге окружности;
• Модуль. Это отношение между шагом сцепления и числом Пи;
• Высота головки и ножки зубца, а также общая высота;
• Диаметр посадочного отверстия, обода, впадин, вершин зубцов и выступов между ними;
• Профиль зубца. Это форма криволинейной поверхности.

Основные разновидности шестерней

В промышленности применяется несколько разновидностей зубчатых колес: они могут отличаться по размерам, форме, по расположению зубцов, их конфигурации и направлению.

Как правило, шестерни имеют цилиндрическое основание, также оно может быть коническим с уменьшением диаметра от одной стороне к другой. Зубья обычно располагаются на внешней стороне шестерни, однако некоторые изделия предусматривают наличие внутренних зубцов. Они могут иметь прямую, скошенную или сложную форму. Рассмотрим подробнее все основные разновидности:

1. Прямозубые шестерни

Это наиболее распространенная разновидность, так как она отличается простотой изготовления, обладает стандартной конфигурацией. Такие шестерни имеют круглый профиль, на котором зубцы располагаются параллельно оси вращения. Для производства часто используется фрезеровка, также получили распространение литые детали.

Такие шестерни стали широко распространенными благодаря высокому КПД при передаче крутящего момента, небольшому нагреву из-за трения, минимальным люфтам в местах сопряжения деталей. Однако такие шестерни могут применяться только для передачи крутящего момента в одной плоскости, компоненты передачи должны быть параллельны ведущей шестерне.

2. Косозубые шестерни

Их особенностью являются косые зубцы увеличенной длины: они расположены под уклоном, что придает им стойкость к высоким механическим нагрузкам. Такие шестерни имеют лавный ход, во время работы передачи уровень шума будет минимальным. Минусом таких шестерен можно назвать усиленное трение, возникающее из-за большой площади соприкосновения соединённых элементов. Чтобы предотвратить быстрый износ передачи, для ее сборки используют современные смазочные материалы – они позволяют свести трение к минимуму и сократить потери энергии.

Косозубые шестеренки рассчитаны на работу в передачах с высокими оборотами, с их помощью может передаваться мощный крутящий момент. Из-за смещения усилия по направлению к валу возможны различные расхождения и нарушения в работе передачи. Чтобы минимизировать риски, при их работе используются упорные подшипники.

3. Шестеренки с внутренним зацеплением

Они рассчитаны на работу с механизмами, имеющими сложное устройство. Эта разновидность зубчатых колес имеет зубья, расположенные внутри посадочного отверстия. В него устанавливается ведомая деталь, принцип работы обеспечивает вращение в ту же сторону, что и у ведущей шестерни. В результате в движущемся узле уменьшается количество деталей, а размеры узла сокращаются.

Такие шестерни могут использоваться в конструкции планетарной передачи. Кроме того, они могут работать в насосах, грузоподъемных машинах и другом оборудовании.

4. Секторные шестеренки

У секторных шестерен зубья располагаются не по всей внешней окружности диска, а только на отдельных секторах, что позволяет обеспечить шаговую передачу. Шестерня такого типа в паре всегда ведущая. Как только ее зубцы касаются зубцов ведомой шестерни, она начинает вращаться. Оборот доходит до гладкой части диска, при этом ведущая часть пары продолжает вращение, а ведомая останавливается до нового шага.

Секторный тип шестерен часто используется в начальных ступенях узлов: в них требуется обеспечить вращение ведомого вала не в постоянном, а в интервальном режиме через определённые промежутки времени. Например, такой принцип используется в банковских счетных аппаратах.

5. Винтовые шестерни

Такие шестерни имеют форму удлинённого цилиндра, оснащенного зубцами, адаптированными под винт, который должен двигаться вдоль изделия. Эта шестерня представляет сбой не диск, как обычное зубчатое колесо, а вал, на поверхность которого нанесены зубцы.

Винтовая шестерня предназначена для передачи крутящего момента на червячную или перпендикулярно расположенную шестерню. Такой узел имеет компактные размеры, что позволяет использовать его в редукторах различного назначения. С его помощью можно уменьшать или увеличивать скорость вращения ведомого компонента передачи.

6. Конические шестерни

В качестве основания таких шестерен используется металлический конус, на внешней стороне которого располагаются прямые, тангенциальные скругленные или косые зубья. Шестерни такого типа получили распространение в узлах, в которых валы расположены перпендикулярно: с их помощью можно передавать крутящий момент не только водной линейной плоскости, но и под углом.

Шестерни конической формы получили распространение в КПП для автомобилей, они также используются в редукторах или дифференциалах. Ведущая и ведомая шестеренка могут иметь разное количество зубцов, это позволяет увеличивать или уменьшать скорость передачи крутящего момента.

7. Шестеренки с круговыми зубцами

Особенностью шестерен такого вида является скругленная форма зубцов, изогнутых по радиусу. Это позволяет уменьшить громкость работы передачи, повысить плавность хода, а также уменьшить размеры передаточного узла.

Особенностью таких шестерен является сложность изготовления – это увеличивает их стоимость. Кроме того, к минусам можно отнести уменьшенный КПД, по сравнению с другими типами зубчатых колес. Это снижает производительность механизма.

8. Корончатые шестерни

Особенностью таких шестерен является расположение зубьев: они расположены не на внешнем или внутреннем диаметре диска, а на его боковой стороне. Из-за этого шестеренка по форме напоминает корону, что и обеспечило ей такое название.

Это достаточно редкая разновидность шестерни, которую принято использовать в механизмах, расположенных в ограниченном замкнутом пространстве. Например, раньше она широко применялась при изготовлении башенных старинных часов.

9. Шестерни-звездочки

Звездочки – разновидность шестерней, использующаяся совместно с роликовыми цепями. Они используются в механизмах для передачи крутящего момента между удаленными друг от друга ведомыми и ведущими валами. В зависимости от разницы диаметров и количества зубьев в паре звездочек можно менять скорость вращения ведомого вала.

Вместо роликовых цепей могут использоваться эластичные приводные ремни, выполненные из резины или полимерного материала. Это позволяет уменьшить шум работающей передачи, а также уменьшить расходы на смазку. Однако ремни не обладают высокой прочностью и могут использоваться только в малонагруженных передачах.

10. Зубчатые рейки

Такой узел представляет собой рейку с зубьями, расположенными по одной стороне, и шестерню. Сцепка такого типа позволяет превращать поступательное действие во вращательное или наоборот. Такие шестерни применяются в реечных передачах.

Материалы для производства

Шестерни могут выдерживать различную механическую нагрузку: например, в часах она будет совсем небольшой, а в редукторах грузоподъемных механизмов – очень высокой. В зависимости от мощности механизма и интенсивности воздействия выбирается материал будущей шестерни.

Самые распространенные шестерни изготавливаются из металлических сплавов: для производства используются различные виды стали, сплавы меди, алюминия, титана и не только. Также в промышленном оборудовании можно встретить полимерные шестерни, рассчитанные на работу с невысокими нагрузками.

Наиболее прочными можно назвать изделия из закаленной стали и титана. Он и рассчитаны на работу в передачах с высокими скоростями вращения, устойчивы к значительным нагрузкам и резкому торможению. Чтобы продлить срок работы, зубцы смазываются специальными составами, понижающими силу трения.

Для передач, работающих в сложных условиях, применяются детали из коррозионностойких материалов – это медь, бронза, латунь и другие цветные сплавы. Они уступают стали по прочности, однако могут долгое время контактировать с химически активной средой. Они обеспечивают механизму плавный ход с невысоким уровнем шума. При соединении поверхностей деталей не образуются искры.

Пластмассовые шестерни обладают низкой устойчивостью к истиранию, а при повышенных нагрузках они начинают плавиться из-за нагрева. Однако такие шестеренки имеют минимальный вес и стоят недорого, поэтому широко применяются в механизмах с небольшой нагрузкой. Например, они подходят для офисной оргтехники.

Чертежи для изготовления шестерен

На начальном этапе изготовления разрабатываются чертежи – в них учитываются требования к точным характеристикам и параметрам будущего изделия. Наличие чертежей ускоряет производственный процесс и улучшает его результаты.

Для его подготовки используются следующие данные:

• Диаметр отверстия в соответствии с характеристиками вала;
• Диаметр выступа, обода, ступицы и друге диаметры изделия;
• Размер шпоночного паза, который должен соответствовать диметру шпонки;
• Модуль, от которого зависят характеристики сопрягающихся деталей;
• Размеры зубьев – высота ножки и головки;
• Количество зубьев будущей шестеренки.

Технология производства шестерен

Способ изготовления будет зависеть от типа и назначения зубчатого колеса, материала, требований к итоговой прочности и износостойкости. После подготовки чертежа изготавливается заготовка, на которой нарезаются зубья, она проходит многоступенчатую обработку.

Основные способы производства:

• Деление или копирование. На заготовке с помощью фрезы нарезаются зубцы: после углубления заготовка поворачивается, операция повторяется. В результате изготавливается шестерня невысокой точности, такой метод чаще применяется в целях изготовления деталей для ремонта механизма.
• Холодная или горячая накатка. Такая технология основана на деформации заготовки. Если модуль составляет не больше 1 мм, то используется холодная калибровка. Если значение больше, то металл разогревается токами высокой частоты, а затем обрабатывается колесами-накатниками для получения впадин с нужным типом и размерами профиля.
• Обкатка. Такая технология дает возможность воспроизвести процесс зацепления деталей. В качестве одного элемента выступает заготовка, второго – режущий инструмент.

Какое оборудование используется для производства?

Для производства зубчатых колес используются следующие разновидности оборудования:

• Зубодолбежные станки. С помощью инструмента подготавливаются зубцы требуемой формы, шестерня приобретает заданный чертежом рельеф.
• Зубофрезерные станки. В качестве режущего инструмента на них используются фрезы различных типов: они могут быть дисковыми, пальцевыми, червячными и т.д.
• Зубострогальные станки. Они оснащаются инструментами, снабженными острыми кромками, с помощью которых срезаются верхние слои металла.

Большинство станков снабжаются шпинделем для удержания инструментов, столом для заготовок, электромотором с передачей, станиной.

Финишная отделка заготовок

Если шестерни плохо подогнаны по размеру и геометрической форме зубцов, а на их поверхности присутствуют разнообразные дефекты, это приводит к появлению люфта между сопрягаемыми поверхностями, усиливающемуся трению, а также понижает результативность работы зубчатой передачи. Чтобы этого не допустить, проводится обязательная заключительная обработка.

Она включает в себя следующие операции:

• Шлифовка. Это обработка шероховатых поверхностей с помощью абразивного круга. Такая технология широко применяется в быстроходных передачах.
• Притирка – обработка специальным колесом и пастами.
• Шевингование. Этот метод обработки предназначен для снятия тонкой стружки с поверхности шестерен для устранения неровностей.
• Закалка. Зубчатые колеса проходят обработку высокочастотными токами для повышения прочности.

Где можно приобрести шестерни?

Компания «Мир привода» уже более 14 лет поставляет на российский рынок высококачественную продукцию европейского и российского производства. В продаже представлены шестерни различных диаметров и конфигураций, можно подобрать подходящий тип продукции для сборки любого механизма. При поставках соблюдаются все требования и технические параметры, возможны оптовые поставки партиями любого объема.

Качественные шестеренки станут важным компонентом зубчатой передачи, обеспечат его стабильную бесперебойную работу. Постоянное сотрудничество с крупными поставщиками позволяет нам предлагать продукцию высокого качества по выгодной цене.