Зубчасте колесо

Зубчасті колеса

Зу́бчасте ко́лесо (ше́стерня) — основна деталь зубчастої передачі у вигляді диска з зубами на циліндричній або конічній поверхні, що входять в зачеплення із зубами іншого зубчастого колеса. У машинобудуванні прийнято мале ведуче зубчасте колесо незалежно від числа зубів називати шестернею, а велике ведене — колесом. Проте часто усі зубчасті колеса називають шестернями.

Зубчасті колеса зазвичай використовуються парами з різним числом зубів з метою перетворення обертового моменту і числа обертів валу на виході. Колесо, до якого обертовий момент підводиться ззовні, називається ведучим, а колесо, з якого момент знімається, — веденим. Якщо діаметр ведучого колеса менший, то обертовий момент веденого колеса збільшується за рахунок пропорційного зменшення швидкості обертання, і навпаки. Відповідно до передавального відношення, збільшення обертового моменту викликатиме пропорційне зменшення кутової швидкості обертання веденої шестерні, а їх добуток — механічна потужність — залишиться незмінним. Це співвідношення справедливе для ідеального випадку, що не враховує втрати на тертя та інші ефекти, характерні для реальних пристроїв.

Циліндричні зубчасті колеса

Параметри зубчатого колеса

Поперечний профіль зуба

Профіль зубів коліс як правило має евольвентну бічну форму. Проте, існують передачі з коловою формою профілю зубів (передача Новікова з однією і двома лініями зачеплення) і з циклоїдною.

Параметри евольвентного зубчатого колеса:

m - модуль колеса - найголовніший параметр, стандартизований, визначається з міцнісного розрахунку зубчатих передач. Чим навантаженіша передача, тим вище значення модуля. Через нього виражається решта всіх параметрів. Модуль вимірюється в міліметрах, обчислюється за формулою:

$\mathbf{m=\frac{d}{z}=\frac{p}{\pi}}$

z - число зубів колеса
p - крок зубів (позначений фіолетовим кольором)
d - діаметр ділильного кола (позначений жовтим кольором)
d_a - діаметр кола вершин темного колеса (позначений червоним кольором)
d_b - діаметр основного кола - евольвенти (позначений зеленим кольором)
d_f - діаметр кола впадин темного колеса (позначений синім кольором)
h_ap+h_fp - висота зуба темного колеса, x+h_ap+h_fp - висота зуба світлого колеса

Подовжня лінія зуба

Прямозубі колеса

Прямозубі колеса - найпоширеніший вид зубчатих коліс. Зуби у них розміщені радіально, а лінія контакту зубів обох шестерень паралельна до осі обертання. При цьому осі обох шестерень також повинні розташовуватися строго паралельно.

Косозубі колеса

Косозубі колеса є вдосконаленим варіантом прямозубих. Їх зуби розташовуються під кутом до осі обертання, а формою утворюють частину спіралі. Зачеплення таких коліс відбувається плавніше, ніж у прямозубих, і з меншим шумом.

За недоліки косозубих коліс можна вважати такі чинники:

При роботі косозубого колеса виникає механічна сила, направлена уздовж осі, що викликає необхідність застосування для установки валу радіально-упорних підшипників;
Збільшення площі тертя зубів (що викликає додаткові втрати потужності на нагрів), яке компенсується застосуванням спеціальних мастил.

Шевронні колеса

В цілому, косозубі колеса застосовуються в механізмах, що вимагають передачі великого крутного моменту, на високих швидкостях, або що мають жорсткі обмеження по шуму.

Шевронні колеса

Шевронні колеса вирішують проблему компенсації осьової сили. Зуби таких коліс виготовляються у вигляді букви «V» (або вони отримуються стиковкою двох косозубих коліс із зустрічним розташуванням зубів). Осьові сили обох половин такого колеса взаємно компенсуються, тому відпадає необхідність у встановленні валів на упорні підшипники. При цьому передача є самовстановлюваною в осьовому напрямі, унаслідок чого в редукторах з шевронними колесами один з валів встановлюють на плаваючих опорах (як правило - на підшипниках з короткими циліндртчними роликами). Передачі на таких зубчатих колесах, зазвичай називають «шевронними».

Секторна передача з внутрішнім зачепленням

Зубчаті колеса з внутрішнім зачепленням

При жорстких обмеженнях на габарити, в планетарних механізмах, в шестеренчастих насосах з внутрішнім зачепленням, в приводі башти танка, застосовують колеса із зубчатим вінцем, нарізаним з внутрішньої сторони. Обертання ведучого і веденого колеса здійснюється в один бік. У такій передачі менші втрати на тертя.

Секторні колеса

Секторним колесом є частина звичайного колеса будь-якого типу. Такі колеса застосовуються в тих випадках, коли не потрібне обертання ланки на повний оберт, і тому можна заощадити на його габаритах.

Колеса з коловими зубами

Передача на основі коліс з коловими зубами (Передача Новікова) має ще вищі ходові якості, ніж косозубі - високу здатність навантаження зачеплення, високу плавність і безшумність роботи. Проте вони обмежені в застосуванні через понижені, за тих же умов, ККД і ресурс роботи. Такі колеса суттєво складніші у виготовленні. Лінія зубів у них є колом радіусу, що підбирається під певні вимоги. Контакт поверхонь зубів відбувається в одній точці на лінії зачеплення, розташованій паралельно осям коліс.

Конічні зубчаті колеса

Конічні зубчасті колеса в приводі засувки дамби

У багатьох машинах здійснення необхідних рухів механізму пов'язане з необхідністю передати обертання з одного валу на іншій за умови, що осі цих валів перетинаються. У таких випадках застосовують конічну зубчасту передачу. Розрізняють види конічних коліс, що відрізняються формою ліній зубів: з прямими, тангенціальними, круговими і криволінійними зубами. Конічні колеса з прямим зубом, наприклад, застосовуються в автомобільних диференціалах для передачі моменту від двигуна до коліс.

Корончасті колеса

Цівкова передача

Корончаста шестерня

Корончасте колесо - особливий вид коліс, зуби яких розташовуються на бічній поверхні. Таке колесо зазвичай стикуєтся із звичайним прямозубим, або з барабаном із стрижнів (цівкове колесо), як в баштовому годиннику.