Введение

Вращающаяся круглая деталь машины с зубьями, которые сцепляются с другой зубчатой деталью – механические передачи.

Передача – это вращающаяся круглая деталь машины, имеющая вырезанные или, в случае зубчатого колеса, вставные зубья (называемые зубцами), которые сцепляются с другой (совместимой) зубчатой деталью для передачи вращательной мощности. В процессе этого они могут изменять передаваемый крутящий момент и скорость вращения (в обратной пропорции), а также изменять ось вращения передаваемой мощности. Зубья на двух сцепленных передачах имеют одинаковую форму. Основной принцип работы передач аналогичен основному принципу рычагов. Сцепленные передачи разного диаметра производят три изменения: (i) изменение крутящего момента, создающее механическое преимущество, (ii) обратное изменение скорости вращения и (iii) изменение направления вращения, когда вращение по часовой стрелке становится вращением против часовой стрелки и наоборот. Отношение выходного крутящего момента к входному крутящему моменту равно отношению диаметра выходной передачи к диаметру входной передачи. Это называется передаточным отношением. Отношение выходной скорости вращения к входной скорости вращения равно обратному отношению диаметра выходной передачи к диаметру входной передачи. Диаметры передач измеряются в точке между основанием и вершинами зубьев передачи, называемой делительной окружностью. Передача также может неофициально называться зубчатым колесом. Две или более сцепленных передач, работающих последовательно, называются зубчатым механизмом или трансмиссией. Передачи в трансмиссии аналогичны колесам в системе скрещенных ремней. Преимущество передач заключается в том, что зубья предотвращают проскальзывание. В трансмиссиях с несколькими передаточными отношениями – таких как велосипеды, мотоциклы и автомобили – термин "передача" (например, "первая передача") относится к передаточному отношению, а не к фактической физической передаче. Термин описывает аналогичные устройства, даже когда передаточное отношение является непрерывным, а не дискретным, или когда устройство фактически не содержит передач, как в трансмиссии с бесступенчатым изменением передаточного числа (CVT). Иногда CVT называют "бесконечно переменной трансмиссией". Кроме того, передача может сцепляться с линейной зубчатой деталью, называемой рейкой, создавая движение по прямой вместо вращения (движение по окружности). См. статью "Рейка и шестерня" для примера.

Этимология

Слово gear, вероятно, происходит от древненорвежского gørvi (множественное число gørvar) — «одежда, снаряжение», связанного с gøra, gørva — «делать, конструировать, строить; приводить в порядок, готовить», распространенным глаголом в древненорвежском языке, «используемым в широком диапазоне ситуаций, от написания книги до разделки мяса». В этом контексте значение «зубчатого колеса в механизмах» впервые зафиксировано в 1520-х годах; конкретный механический смысл «частей, посредством которых двигатель передает движение» — с 1814 года; в отношении транспортных средств (велосипедов, автомобилей и т. д.) — с 1888 года. Зуб (cog) — это выступ на колесе. От среднеанглийского cogge, от древненорвежского (сравните норвежский kugg («зуб»), шведский kugg, kugge («зуб, выступ»), от протогерманского *kuggō (сравните голландский kogge («ког»), немецкий Kock), от протоиндоевропейского *gugā («горб, шар») (сравните литовский gugà («набалдашник, горб, холм»), от PIE *gēw («сгибать, выгибать»). Впервые употреблено около 1300 года в значении «колесо, имеющее зубья или выступы»; в конце XIV века — «зуб на колесе»; зубчатое колесо — начало XV века. Исторически зубья изготавливались из дерева, а не металла, и зубчатое колесо технически состояло из ряда деревянных зубьев, расположенных вокруг колеса со втулкой, каждый зуб формируя разновидность специализированного шипового соединения. Колесо могло быть изготовлено из дерева, чугуна или другого материала. Деревянные зубья часто делали из клена. В 1967 году компания Thompson Manufacturing Company из Ланкастера, штат Нью-Гэмпшир, по-прежнему активно занималась поставками десятков тысяч кленовых зубьев для шестерен в год, в основном для использования на бумажных и зерновых мельницах, некоторые из которых были установлены более 100 лет назад. Поскольку деревянный зуб выполняет точно такую же функцию, как отлитый или обработанный металлический зуб, это слово стало применяться к обоим, и различие в основном утрачено.

Сравнение с механизмами привода

Определённое передаточное отношение, обеспечиваемое зубчатым зацеплением, даёт преимущество перед другими типами приводов (такими как фрикционные и ременные передачи) в прецизионных механизмах, например, в часах, где требуется точное соотношение скоростей. Если ведущая и ведомая шестерни расположены близко друг к другу, зубчатые передачи также выигрывают в простоте конструкции, требуя меньшего количества деталей. Однако, производство зубчатых передач обходится дороже, а необходимость их смазки может увеличить почасовые эксплуатационные расходы.

Внешние и внутренние передачи

Внешняя зубчатая передача – это передача, зубы которой расположены на внешней поверхности цилиндра или конуса. Внутренняя зубчатая передача, напротив, имеет зубы, сформированные на внутренней поверхности цилиндра или конуса. Для конических передач, внутренней считается передача с углом наклона, превышающим 90 градусов. Внутренние зубчатые передачи не приводят к изменению направления вращения выходного вала. Нагрузки на зубья не создают осевой упор. Зубчатые передачи с прямыми зубьями хорошо работают на умеренных скоростях, но, как правило, становятся шумными на высоких скоростях.

Шпионажный

Винтовые или "сухофиксированные" зубчатые передачи являются усовершенствованием по сравнению с прямозубыми. Передние кромки зубьев не параллельны оси вращения, а расположены под углом. Поскольку зубчатое колесо изогнуто, этот угол придает зубью форму сегмента спирали. Винтовые зубчатые передачи могут быть соединены параллельно или скрещенно. Первое относится к случаю, когда валы параллельны друг другу; это наиболее распространенная ориентация. Во втором случае валы не параллельны, и в этой конфигурации зубчатые передачи иногда называют "косозубыми". Угловые зубья входят в зацепление более плавно, чем зубья прямозубых передач, что обеспечивает их более плавную и тихую работу. В параллельных винтовых зубчатых передачах каждая пара зубьев сначала соприкасается в одной точке на одной стороне зубчатого колеса; затем движущаяся линия контакта постепенно расширяется по поверхности зуба до максимума, а затем уменьшается, пока зубья не разъединятся в одной точке на противоположной стороне. В прямозубых передачах зубья внезапно соприкасаются по всей ширине, вызывая напряжение и шум. Прямозубые передачи издают характерный свист на высоких скоростях. По этой причине прямозубые передачи используются в приложениях с низкой скоростью и в ситуациях, где контроль шума не является проблемой, а винтовые – в приложениях с высокой скоростью, передачей большой мощности или где важно снижение шума. Скорость считается высокой, когда скорость делительной окружности превышает 25 м/с. Недостатком винтовых зубчатых передач является возникающая осевая сила вдоль оси передачи, которую необходимо компенсировать соответствующими упорными подшипниками. Однако эту проблему можно решить, используя шевронную или двойную винтовую передачу, которая не создает осевой силы и также обеспечивает самовыравнивание зубчатых колес. Это приводит к меньшему осевому усилию, чем у сопоставимой прямозубой передачи. Вторым недостатком винтовых зубчатых передач является также более высокая степень скольжения между зацепляющимися зубьями, которая часто устраняется добавками в смазочном материале.

Гипоид

Гипоидные шестерни напоминают спиральные косозубые шестерни, за исключением того, что оси валов не пересекаются. Поверхности зацепления кажутся коническими, но для компенсации смещения вала на самом деле являются гиперболоидами вращения. Гипоидные шестерни почти всегда проектируются для работы с валами под углом 90 градусов. В зависимости от того, на какой стороне смещен вал относительно наклона зубьев, контакт между зубами гипоидной передачи может быть даже более плавным и постепенным, чем у спиральнокосозубых шестерен, но при этом возникает скольжение вдоль контактирующих зубьев при вращении, поэтому обычно требуется использование наиболее вязких типов трансмиссионного масла, чтобы предотвратить его выдавливание с поверхностей зубьев. Масло обычно маркируется HP (для гипоидных передач) с последующим номером, обозначающим вязкость. Кроме того, ведущую шестерню можно спроектировать с меньшим количеством зубьев, чем спиральнокосозубую, что позволяет достигать передаточных чисел 60:1 и выше, используя всего один набор гипоидных шестерен. Этот тип передачи наиболее распространен в трансмиссиях автомобилей, в сочетании с дифференциалом. В то время как обычный (негипоидный) комплект главной пары подходит для многих применений, он не является оптимальным для автомобильных трансмиссий, поскольку создает больше шума и вибрации, чем гипоидная передача. Вывод гипоидных шестерен на рынок для массового производства стал инженерным достижением 1920-х годов.

Коронный ремень

Коронные шестерни, или конические шестерни с коронными зубами, представляют собой особую форму конической передачи, у которой зубья выступают под прямым углом к плоскости колеса; в своей ориентации зубья напоминают зубцы короны. Коронная шестерня может точно зацепляться только с другой конической шестерней, хотя иногда можно увидеть, как коронные шестерни зацепляются с цилиндрическими шестернями. Коронная шестерня также иногда зацепляется с пусковым механизмом, например, в механических часах.

Червь

Черви напоминают винты. Червь взаимодействует с червячным колесом, которое выглядит как цилиндрическая шестерня. Червячные передачи – это простой и компактный способ получения высокого крутящего момента при низких оборотах. Например, спиральные передачи обычно ограничены передаточным отношением менее 10:1, в то время как червячные передачи варьируются от 10:1 до 500:1. Недостатком является возможность значительного скольжения, приводящего к низкой эффективности. Червячная передача является разновидностью спиральной передачи, но её угол спирали обычно довольно велик (близок к 90 градусам), а тело обычно достаточно длинное в осевом направлении. Эти характеристики придают ей винтообразные свойства. Отличие червя от спиральной передачи заключается в том, что хотя бы один зуб сохраняется на протяжении полного оборота по спирали. Если это происходит, это «червь», в противном случае – «спиральная передача». Червь может иметь всего один зуб. Если этот зуб сохраняется в течение нескольких витков спирали, червь визуально кажется имеющим несколько зубов, но на самом деле наблюдатель видит один и тот же зуб, периодически появляющийся вдоль длины червя. Применяется общепринятая терминология для винтов: червь с одним зубом называется однозаходным, а червь с несколькими зубами – многозаходным. Угол спирали червя обычно не указывается. Вместо этого указывается угол захода, который равен 90 градусам минус угол спирали. В червячной передаче червь всегда может вращать колесо. Однако, если колесо пытается вращать червь, это может получиться или не получиться. Особенно при малом угле захода зубы колеса могут просто заклинить в зубах червя, поскольку составляющая силы, касательная к червю, недостаточна для преодоления трения. Однако в традиционных музыкальных шкатулках колесо вращает червь с большим углом спирали. Эта передача приводит в движение ограничительные пластины, установленные на валу червя. Червячные передачи, которые заклинивают, называются самоблокирующимися, что может быть полезно, например, когда необходимо зафиксировать положение механизма, повернув червь, а затем удерживать механизм в этом положении. Примером может служить колковая головка некоторых струнных инструментов. Если колесо в червячной передаче является обычной спиральной шестерней, достигается лишь одна точка контакта. Если требуется передача средней или высокой мощности, форма зубов колеса модифицируется для обеспечения более плотного контакта, заставляя обе шестерни частично охватывать друг друга. Это достигается путем придания обеим шестерням вогнутой формы и соединения их в седловой точке; это называется конической передачей или передачей с двойным охватом. Червячные передачи могут быть правыми или левыми, в соответствии с общепринятой практикой для винтовых резьб.

Нециркулярный

Нециркулярные шестерни предназначены для специальных задач. Если обычная шестерня оптимизирована для передачи крутящего момента другому сопряженному элементу с минимальным шумом и износом и максимальной эффективностью, то основная цель нециркулярной шестерни может заключаться в изменении передаточного числа, колебаниях смещения оси и других подобных эффектах. Типичные области применения включают текстильные машины, потенциометры и бесступенчатые трансмиссии.

Раки и пиньоны

Реечная передача – это зубчатый брус или стержень, который можно рассматривать как секторную шестерню с бесконечно большим радиусом кривизны. Крутящий момент может быть преобразован в линейную силу путем зацепления реечной передачи с круглой шестерней, называемой зубчатым колесом (пиньоном): зубчатое колесо вращается, а реечная передача движется по прямой линии. Такой механизм используется в рулевом управлении автомобилей для преобразования вращения рулевого колеса в боковое движение рулевых тяг, прикрепленных к передним колесам. Реечные передачи также используются в теории геометрии зубчатых передач, где, например, форма зуба взаимозаменяемого набора шестерен может быть задана для реечной передачи (с бесконечным радиусом), а затем формы зубов для шестерен с конкретным фактическим радиусом выводятся на основе этой формы. Реечно-зубчатая передача также используется в зубчатых железных дорогах.

Эпициклическая передача

При эпициклической передаче одна или несколько осей шестерен движутся. Примеры включают солнечные и планетарные передачи (см. ниже), циклоидальную передачу, автоматические трансмиссии и механические дифференциалы.

Солнце и планета

Солнечно-планетарная передача — это метод преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, который использовался в паровых двигателях. Джеймс Уатт применил её в своих ранних паровых двигателях, чтобы обойти патент на кривошипно-шатунный механизм, но она также давала преимущество в увеличении скорости маховика, что позволяло Уатту использовать более лёгкий маховик. На иллюстрации солнце изображено жёлтым цветом, планета — красным, возвратно-поступательный рычаг — синим, маховик — зелёным, а ведущий вал — серым.

Гармоническая передача

Гармоническая передача или передача волны — это специализированный механизм передачи, часто используемый в промышленном управлении движением, робототехнике и аэрокосмической промышленности благодаря своим преимуществам перед традиционными системами передач, включая отсутствие люфта, компактность и высокие передаточные числа. Хотя схема не демонстрирует правильную конфигурацию, это зубчатое колесо для точной передачи момента, как правило, с гораздо большим количеством зубьев, чем у традиционного зубчатого колеса, для обеспечения более высокой степени точности.

Устройства для клеток

Коробчатая шестерня, также называемая фонарной шестерней или фонарным зубчатым колесом, имеет цилиндрические стержни в качестве зубьев, параллельные оси и расположенные вокруг нее по окружности, подобно прутьям в круглой птичьей клетке или фонаре. Конструкция удерживается вместе дисками на каждом конце, в которые вставлены зубчатые стержни и ось. Коробчатые шестерни более эффективны, чем цельные шестерни, и грязь может просыпаться сквозь стержни, а не застревать и увеличивать износ. Их можно изготавливать с помощью очень простых инструментов, так как зубы формируются не резанием или фрезерованием, а сверлением отверстий и вставкой стержней. Иногда используемые в часах, коробчатые шестерни всегда должны приводиться в движение зубчатым колесом и не должны использоваться в качестве ведущего колеса. Консервативные часовщики изначально не приветствовали коробчатые шестерни. Они стали популярны в башенных часах, где наиболее часто встречались загрязненные условия работы. Часто их применяли в американских часовых механизмах.

Магнитные устройства

Все зубья каждого компонента магнитной передачи действуют как постоянный магнит с периодическим чередованием противоположных магнитных полюсов на сопрягаемых поверхностях. Компоненты передачи монтируются с зазором, аналогичным другим механическим передачам. Хотя они не могут передавать столько же силы, как традиционные шестерни из-за ограничений прочности магнитного поля, такие передачи работают без контакта и поэтому не изнашиваются, обладают очень низким уровнем шума, минимальными потерями мощности на трение и могут проскальзывать без повреждений, что обеспечивает их высокую надежность. Они могут использоваться в конструкциях, невозможных для передач, требующих физического контакта, и могут работать с неметаллическим барьером, полностью отделяющим приводящую силу от нагрузки. Магнитная связь позволяет передавать усилие в герметичный корпус без использования радиального сальника, который может протекать.

Профиль зуба

Профиль – это одна сторона зуба в поперечном сечении между наружным кругом и корневым кругом. Обычно профиль представляет собой кривую пересечения зубной поверхности и плоскости или поверхности, нормальной к основной окружности, такой как поперечная, нормальная или осевая плоскость. Филет (корневой филет) – это вогнутая часть профиля зуба в месте его соединения с дном зубного пространства. Как упоминалось в начале статьи, достижение постоянного передаточного числа зависит от профиля зубов. Трение и износ между двумя шестернями также зависят от профиля зубов. Существует множество профилей зубов, обеспечивающих постоянное передаточное число. Во многих случаях, задав произвольную форму зуба, можно разработать профиль зуба для сцепляющейся шестерни, обеспечивающий постоянное передаточное число. Однако два профиля зубов с постоянным передаточным числом наиболее часто используются в настоящее время: циклоида и эвольвента. Циклоида была более распространена до конца 1800-х годов. С тех пор эвольвента в значительной степени вытеснила ее, особенно в приводных механизмах. Циклоида в некотором смысле является более интересной и гибкой формой; однако эвольвента имеет два преимущества: ее легче изготавливать, и она позволяет изменять расстояние между центрами шестерен в определенном диапазоне, не нарушая постоянства передаточного числа. Циклоидальные передачи работают правильно только при точном расстоянии между центрами. Циклоидальные передачи до сих пор используются в механических часах. Подрезка – это состояние зубьев, полученных методом генерации, при котором любая часть филета лежит внутри касательной к рабочему профилю в точке его соединения с филетом. Подрезка может быть преднамеренно введена для облегчения финишных операций. При подрезке кривая филета пересекает рабочий профиль. Без подрезки кривая филета и рабочий профиль имеют общую касательную.

Материалы для снаряжения

Для изготовления зубчатых передач можно использовать многочисленные цветные сплавы, чугун, порошковую металлургию и пластмассы. Однако сталь используется наиболее часто благодаря высокому отношению прочности к весу и низкой стоимости. Пластик обычно применяется там, где важны стоимость или вес. Правильно спроектированная пластиковая зубчатая передача может заменить стальную во многих случаях, поскольку обладает рядом полезных свойств, включая устойчивость к загрязнениям, способность к работе на низких скоростях, возможность проскальзывания и возможность изготовления из материалов, не требующих дополнительной смазки. Производители использовали пластиковые зубчатые передачи для снижения себестоимости потребительских товаров, таких как копировальные аппараты, устройства оптического хранения данных, недорогие динамо-машины, потребительское аудиооборудование, сервомоторы и принтеры. Другим преимуществом использования пластика, особенно ранее (например, в 1980-х годах), было снижение затрат на ремонт дорогостоящей техники. В случае сильного заклинивания (например, бумаги в принтере) зубья пластиковой шестерни отрывались от основы, позволяя приводному механизму вращаться свободно (вместо того, чтобы повреждаться при попытке преодолеть препятствие). Использование таких "жертвенных" зубьев предотвращало поломку гораздо более дорогостоящего двигателя и связанных с ним деталей. В более современных конструкциях этот метод был заменен применением муфт и двигателей с ограничением крутящего момента или тока.

Стандартные шаги и модульная система

Хотя зубчатые колеса могут быть изготовлены с любым шагом, для удобства и взаимозаменяемости часто используются стандартные шаги. Шаг – это характеристика, связанная с линейными размерами, и поэтому отличается в зависимости от того, используются ли стандартные значения в имперской (дюймовой) или метрической системе. При использовании дюймовых измерений выбираются стандартные значения диаметрального шага с единицами измерения "на дюйм"; диаметральный шаг – это количество зубьев на зубчатом колесе с делительным диаметром в один дюйм. Распространенные стандартные значения для цилиндрических зубчатых колес: 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 24, 32, 48, 64, 72, 80, 96, 100, 120 и 200. Определенные стандартные шаги, такие как 1/10 и 1/20 дюйма, которые взаимодействуют с линейной зубчатой рейкой, фактически являются (линейными) значениями окружного шага с единицами измерения "дюймы". Предпочтительные стандартные значения модуля: 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,8, 1,0, 1,25, 1,5, 2,0, 2,5, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40 и 50.

Производство

По состоянию на 2014 год, по оценкам, около 80% всех шестерен, производимых в мире, изготавливаются методом формования в окончательной форме. Шестерни, изготовленные литьем, обычно производятся из порошковой металлургии или пластика. Многие шестерни готовы сразу после выхода из формы (включая пластиковые, изготовленные литьем под давлением, и металлические, изготовленные литьем), однако шестерни из порошковых металлов требуют спекания, а шестерни, полученные литьем в песчаных или прецизионных формах, нуждаются в обработке зубьев или другой механической обработке для завершения. Наиболее распространенным методом обработки зубьев является зубодолбежная обработка, но также применяются зубострогание, фрезерование и протягивание. 3D-печать как метод производства быстро набирает популярность. Для металлических шестерен в трансмиссиях автомобилей и грузовиков зубы подвергаются термической обработке для повышения твердости и износостойкости, при этом сердцевина остается мягкой и вязкой. Для крупных шестерен, склонных к деформации, используется закалочный пресс.

Модель передач в современной физике

Современная физика приняла модель зубчатых передач различными способами. В девятнадцатом веке Джеймс Клерк Максвелл разработал модель электромагнетизма, в которой линии магнитного поля представляли собой вращающиеся трубки несжимаемой жидкости. Максвелл использовал зубчатое колесо и назвал его "холостым колесом", чтобы объяснить электрический ток как вращение частиц в направлении, противоположном вращению линий поля. В последнее время квантовая физика использует в своей модели "квантовые шестерни". Группа шестерен может служить моделью для различных систем, таких как искусственно созданное наномеханическое устройство или группа циклических молекул. Трехволновая гипотеза сравнивает волново-частичный дуализм с конической передачей.

Механизм передач в природе

Механизм передач ранее считался исключительно искусственным, но уже в 1957 году зубчатые передачи были обнаружены в задних лапах различных видов цикадок, а ученые из Кембриджского университета в 2013 году охарактеризовали их функциональное значение, проведя высокоскоростную съемку нимф Issus coleoptratus в Кембриджском университете. Эти передачи встречаются только в нимфальных стадиях всех цикадок и исчезают во время последней линьки в имаго. У I. coleoptratus каждая лапа имеет полоску зубов шириной 400 микрометров, радиус делительной окружности 200 микрометров, с 10–12 полностью зацепляющимися зубьями шпоночного типа, включая скругления у основания каждого зуба для снижения риска среза. Сочленение вращается подобно механическим зубчатым передачам и синхронизирует задние лапы Issus при прыжке с точностью до 30 микросекунд, предотвращая рыскание. Передачи не соединены постоянно. На каждой задней лапе молодой особи находится по одной передаче, и когда она готовится к прыжку, два ряда зубов входят в зацепление. В результате лапы двигаются почти идеально синхронно, обеспечивая насекомому большую силу, когда зубчатые колеса вращаются до конечной точки и затем разъединяются.