Шестерни: виды и технологии изготовления

Для передачи вращательного движения в различных типах механизмов применяют шестерни. Это специальные колеса или диски с небольшими зубцами, которые могут иметь цилиндрическую или коническую форму. Название этого элемента обусловлено минимальным количеством зубцов — их должно быть не менее шести.

Как правило, шестерни являются парным элементом. Принцип их работы заключается в том, что зубцы двух деталей поочередно зацепляются друг за друга, передавая энергию движения. Та шестеренка, которая получает снаружи этой системы вращательную энергию, называется ведущей. А та, которая приводится в движение, называется ведомой. Крутящий момент может ускоряться или замедляться в зависимости от разницы диаметра шестерней. Чтобы увеличить крутящий момент ведомого колеса, нужно использовать ведущую шестерню меньшего диаметра.

Большое значение имеет и количество зубьев в шестерне. Чем их больше, тем более плавным будет ход ведомой шестерни. Чтобы преобразовать крутящий момент и обороты вала, нужно использовать шестерни с разным количеством зубцов.

Виды шестерней

Шестерни используются в различных типах механизмов, и в зависимости от назначения, они могут быть изготовлены из разных типов металла. Самыми прочными считаются шестерни из стали и титановых сплавов, они могут выдерживать довольно большие нагрузки. Такие детали обычно используют в системах с высокими динамическими нагрузками, которые возникают при большой силе противодействия. К таким системам относят торможение массивных механизмов. Высокопрочная сталь и сплавы титана — довольно дорогостоящие материалы, поэтому для экономии средств могут применяться сборные бандажированные шестерни. Это зубчатые колеса, состоящие из двух частей: внутренней из более дешевого типа металла, например, чугуна, и внешней более дорогой и прочной, например, стальной.

В некоторых системах очень важно избежать образования искр при работе шестерней, например, в газовой отрасли. Поэтому зубчатые колеса, применяемые в газовом оборудовании, изготавливают из цветных металлов, таких как медь, латунь или алюминий. У этих металлов есть ряд важных качеств, которые дают им преимущества в этой отрасли. Например, шестерни из цветных металлов устойчивы к коррозии. Они могут работать без использования смазки, в так называемой сухой сцепке.

Для того чтобы смягчить главный составной компонент шестерней — металл, производители могут добавлять различные компоненты. В бронзу, чугун, сталь или железо могут быть добавлены бумага, кожа или фиброволокно. Такие детали имеют меньший вес по сравнению с обычными металлическими шестернями, а также отличаются по цене.

Самыми лёгкими, недорогими, но и самыми недолговечными считаются пластиковые шестерни. Их нельзя использовать в механизмах с большими нагрузками, так как они могут нагреваться, и из-за высокой температуры деформироваться, плавиться, что приводит к выводу всей системы из строя.

В зависимости от формы зубьев, их направления и глубины различают следующие виды шестерней:

1. Прямозубые

Это самый простой и востребованный тип шестерней — профиль зубчатого колеса круглый, зубцы расположены перпендикулярно плоскости шестерни. Производство прямозубых шестерней происходит либо методом литья, либо с помощью фрезеровки зубцов. Стыковать прямозубые шестерни можно только с элементами такого же типа. Главным преимуществом этого типа шестеренок является низкий коэффициент трения, а значит небольшой нагрев. Такие шестерни не подвержены деформации, имеют маленький люфт, а также отличаются высоким КПД.

2. Косозубые

В таких шестернях зубцы расположены под небольшим углом, а их длина немного увеличена. Благодаря этому косозубые шестерни работают плавно и бесшумно. Косозубые шестерни могут выдерживать повышенные механические нагрузки, поэтому их часто применяют в системах, где нужна надежность при повышенных оборотах.

Этот тип зубчатых колес требует использования смазки, ведь из-за увеличенной площади соприкосновения зубцов коэффициент трения несколько выше, чем в прямозубых шестернях.

Особенность работы косозубых шестерней заключается в том, что при их вращении возникает осевая механическая сила. Чтобы компенсировать её, требуется устанавливать дополнительные упорные подшипники.

3. Парные косозубые шестерни

Шестерни оснащены двойным рядом зубцов, расходящихся в разные стороны. Это помогает компенсировать осевую нагрузку. Инженеры и мастера часто называют такой вид шестеренок «ёлочкой» из-за своеобразного рисунка профиля. Паз в месте соединения парной косозубой шестерни есть не всегда, а разнонаправленные зубцы имеют V-образный рисунок.

4. С внутренним зацеплением

В такой шестеренке зубцы расположены на внутренней стороне колеса. Когда оно вращается, ответная деталь повторяет её движение и вращается в эту же сторону. Шестерни с внутренним зацеплением применяют в механизмах и узлах с усложненной конструкцией, например в насосах или конструкциях с планетарными передачами. Такая конструкция позволяет использовать меньшее количество деталей, а значит механизм можно сделать менее громоздким и легким.

5. Винтовые

Этот тип шестерни всегда работает в тандеме с червячным зубчатым колесом или с шестерней. Винтовая шестерня имеет форму вытянутого цилиндра, на поверхности которого располагаются зубчики. Ведомая шестерня в механизмах располагается перпендикулярно. Благодаря такой форме удается обеспечить точное сцепление. Преимуществом таких шестерней является компактный размер и удобство. Такой механизм становится основой для редукторов, потому что он предоставляет возможность увеличивать и уменьшать передаточное число.

6. Секторные

Такие шестерни используются для шаговой передачи крутящего момента, так как зубцы нанесены не на всю поверхность, а на определенный сектор. В механизмах эта шестеренка всегда является ведущей, с неё начинается вращение, так как она, как правило, устанавливается в самом начале механизма. Принцип ее работы заключается в том, что она вращает ведомое колесо не полностью, а лишь на необходимый интервал, при этом сама она продолжает движение до того момента, когда произойдет следующий зацеп. Этот принцип движения используется в принтерах, банкоматах, фасовочном оборудовании и другой технике.

7. С круговыми зубьями

У этого типа шестерней зубцы изогнуты по радиусу. При их производстве используется сложное высокотехнологичное оборудование и прочные металлы в качестве сырья. Поэтому стоимость шестеренок с изогнутым зубьями довольно высока. Их применяют в механизмах, где важно обеспечить компактность, бесшумность работы и устойчивость к серьезным механическим нагрузкам. Такие шестерни имеют очень плавный ход, однако не обладают высоким КПД. Из-за их дороговизны и малого коэффициента полезного действия шестерни с круговыми зубьями не пользуются большой популярностью.

8. Конические

Чаще всего этот тип шестеренок применяется для передачи крутящего момента под углом, например, в узлах автомобилей, например, в коробке переключения передач, редукторах и т.п. Зубья в таких шестеренках расположены снаружи диска и могут иметь различную форму – прямую, скошенную, скругленную или тангенциальную. Конические шестерни всегда работают в тандеме с валами, которые расположены друг к другу перпендикулярно, чтобы обеспечить нужный угол передачи крутящего момента. При этом количество зубцов на совместно работающих колесах может различаться. Это позволяет при необходимости повышать и понижать передаточное число.

9. Зубчатые рейки

Весь механизм состоит, по сути, из двух деталей – из рейки и шестеренки. На обе детали нанесены зубцы таким образом, что поступательное движение, идущее на одну из деталей, превращается во вращательное. Так как эти детали друг для друга являются ответными, то возможна и обратная работа механизма, когда вращательное движение превращается в поступательное. Шестеренка в этой системе может быть секторной, а в целом система относится к реечной передаче. В зависимости от того, в каком механизме этой шестеренке предстоит работать, производители предлагают рейку различной длины.

10. Звёздочки

Шестерни в виде звездочек используются для передачи вращения на удаленные друг от друга детали. Звездочки всегда работают в паре с роликовой цепью или специальным зубчатым резиновым ремнем, которые связывают все элементы механизма между собой. При этом для роликовой цепи лучше использовать смазку, а резиновый ремень может работать без нее. Зубчатый ремень из резины позволяет снизить уровень шума при работе механизма. Однако без сбоев он может работать на невысоких оборотах, при увеличении интенсивности вращения детали ремень может проскальзывать. Разный диаметр и различное количество зубцов в звездочке позволяет варьировать передаточное число.

11. Корончатые

В таких шестернях зубцы расположены сбоку, что по форме напоминает корону. Их применение ограничено из-за того, что они чувствительны к большим нагрузкам. Часто их комбинируют с коническими или прямозубыми шестернями. Главным достоинством корончатых шестерней является их компактность.

Образцы шестерней

Компания «Мир Привода» специализируется на изготовлении деталей по чертежу или образцу. Это могут быть детали из металла различного профиля и назначения, в том числе все виды шестерней. Мы работаем практически со всеми видами металла и предлагаем продукцию высокого качества.

Материалы изготовления

Шестерни изготавливают из различных типов материала. В зависимости от области применения к этим деталям предъявляют различные технические требования по прочности. Шестерни по типу материала бывают:

• стальные, максимально твердые шестерни, особенно если они изготовлены из закаленной стали. Их используют повсеместно как в больших установках и агрегатах, например в редукторах, так и в маленьких, где требуется долговечность и устойчивость к износу. Стальные шестерни выдерживают высокие скорости вращения; динамические нагрузки, возникающие при торможении; не деформируются от высокой температуры, которая появляется под действием силы трения.
• шестерни из цветных металлов (бронзовые, латунные, дюралевые) используются в механизмах, где нет больших нагрузок, но присутствует агрессивная среда. Цветные металлы не подвержены коррозии; пожаробезопасны, так как при их работе исключено образование искр. Ход их работы более плавный, поэтому они издают меньше шума. Примером использования шестерней из цветных металлов может служить промышленный редуктор, в котором червячное зубчатое колесо сделано из бронзы.
• полимерные (фторопластовые, капролоновые, пластмассовые) считаются самыми мягкими и неустойчивыми к истиранию зубцов. В механизмах с высокими оборотами и динамическими нагрузками их не используют, потому что от высокой температуры они быстро нагреваются и плавятся. Пластиковые и полимерные шестеренки обладают некоторыми преимуществами, например, они имеют небольшой вес, а по стоимости они намного дешевле, чем металлические. Их используют в бытовой и офисной технике, в банковском оборудовании и .т.п.

Технологии производства шестерней

Обкатка: шестерни производят с помощью специального инструмента – гребёнки. Она выглядит как зубчатая рейка с режущим краем. Металлическая заготовка вращается и соприкасается с гребенкой, которая совершает возвратно-поступательные движения. Этот метод позволяет добиться точности размеров, с его помощью можно производить шестерни различной формы, меняя положение резца в станке.

Обкатку также могут производить на специальных долбежных станках, которые оснащены режущими зубчатыми колесами. Металл – очень прочный материал, поэтому обработка заготовки производится в несколько этапов. С помощью этого метода можно производить шестерни с внутренним зацеплением.

Режущим инструментом при обкатке может быть червячная фреза. Благодаря вращению резака и заготовки под определенным углом между ними образуется червячное зацепление, и зубцы нарезаются нужной формы и глубины, под необходимым углом.

Копирование: впадины зубчатого колеса нарезаются при использовании этого метода специальной фрезой. Она вращается вокруг заготовки с равномерным угловым шагом. Метод копирования или деления имеет несколько разновидностей, например, протягивание или штамповка.

Метод горячего и холодного накатывания основан на воздействии высокой температуры на заготовки, придания им нужной формы, вырезания зубцов и последующей обкаткой.

Конические шестерни изготавливают путем обкатки заготовок в специальном станке. Режущий инструмент снимает с заготовки припуск, в результате чего на боковой поверхности шестерни образуются зубцы.

Вал-шестерни производят соединением зубчатого колеса с валом. Особенность конструкции заключается в том, что зубцы по размеру совпадают со впадинами на валу.

Способы финальной обработки

1. Шлифовка: обработка готовых шестерней шлифовальным кругом.
2. Шевингование: точность размеров готовой шестерни достигается за счет обработки шевер-шестерней или шевер-рейкой.
3. Притирка: шестерни обрабатывают с помощью притира, специального чугунного колеса повышенной прочности.
4. Закалка: металлические шестеренки закаливают в воде или масле. Иногда для закалки используют ток высокой частоты.