Расчет основных геометрических параметров цилиндрических прямозубых колес

Эвольвентное зацепление двух зубчатых колес характеризуется следующим параметрами (ГОСТ 16530-70) (рис. 13.3).

Начальные окружности (d_w1 и d_w2) – воображаемые окружности, которые в процессе работы передачи перекатываются одна по другой без скольжения. Начальные окружности появляются у зубчатых колес в собранной передаче. Для отдельно взятого колеса понятие начальной окружности отсутствует. Оно имеет делительную окружность.

Окружность вершин зубьев (d_α) – окружность ограничивающая головки зубьев.

Окружность впадин (d_f) – окружность, проходящая через основания впадин зубьев.

Основная окружность (d_b1 и d_b2) – окружность, при развертке которой получается эвольвента.

Делительная окружность (d₁ и d₂) – окружность зубчатого колеса, по которой обкатывается делительная окружность (прямая) инструмента в процессе нарезания зубьев. Делительная окружность колеса является начальной только в процессе изготовления (нарезания) зубьев. У некорригированных колес и при высотной коррекции начальные и делительные окружности совпадают.

Полюс зацепления (точка “P”) – точка касания начальных окружностей.

Рис. 13.3. Элементы зубчатого зацепления

Окружной шаг зацепления (P_t) – расстояние между одноименными профилями, измеренное по дуге делительной окружности, зубчатого колеса.

Головка зуба (h_α) – часть зуба между делительной окружностью зубчатого колеса и его окружностью вершин зубьев.

Ножка зуба (h_f) – часть зуба между делительной окружностью и его окружностью впадин.

Высота зуба (h) равна сумме высот головки и ножки зуба.

Дуга зацепления (l) – путь по начальной окружности, проходимой точкой профиля за время зацепления пары сопряженных зубьев.

Коэффициент перекрытия (ε) – отношение дуги зацепления к окружному шагу.

Линия зацепления (N₁ и N₂) – линия, по которой перемещается точка касания зубьев. Линия зацепления проходит через полюс зацепления и является касательной к основным окружностям.

Угол зацепления (α_w) – угол между линией зацепления и касательной к начальным окружностям в полюсе зацепления.

Модуль зацепления (m). Все модули стандартизованы в пределах от 0,05 мм до 100 мм.

Рассмотренные параметры составляют определенные кинематические зависимости. В табл. 10 приводятся основные соотношения для цилиндрических некорригированных зубчатых передач внешнего зацепления.

В расчётах зуб зубчатого колеса рассматривают как балку, защемленную одним концом и нагруженную силой (Q_n). Такое положение нагрузки принимается как наиболее опасное.

Наиболее опасное сечение, где наиболее вероятен излом зуба, находится у его корня в зоне наибольшей концентрации напряжений. Максимальное напряжение возникает на стороне сжатия (нерабочая сторона). Однако следует отметить то, что расчет на прочность необходимо производить по напряжению на рабочей стороне, т.к. на этой растянутой стороне зуба здесь может образоваться усталостная трещина.

Таблица 10

Основные соотношения для цилиндрических
некорригированных зубчатых передач внешнего зацепления

Параметры зацепления	Формулы
Окружной модуль
Нормальный модуль
Нормальный шаг
Межосевое расстояние
Высота головки зуба
Высота ножки зуба
Высота зуба
Радиальный зазор
Делительный диаметр
Начальный диаметр
Диаметр основной окружности
Диаметр вершин зубьев
Диаметр впадин
Коэффициент перекрытия

13.3. Расчет зубьев
цилиндрических прямозубых зубчатых колес на изгиб

- для обозначения расчета на изгиб, который проводится по ножке зуба принят индекс F (от термина ножка – Fut – на английском и немецком языках).

- для обозначений расчета на контактную прочность принят индекс H, в честь автора теории расчетов контактных напряжений Г. Герца.

Расчет ведется по расчетной окружной силе (q), отнесенной к единице ширины венца.

где: P – передаваемое окружное усилие;

b – ширина венца зубчатого колеса (длина зуба);

K – коэффициент нагрузки, учитывающий дополнительные вредные явления (удары).

q – расчетная окружная сила, отнесенная к единице ширины венца (b).

Нормальная удельная сила равна:

Перенесем силу давления q_n вдоль линии ее действия (линия зацепления) в точку, расположенную на оси симметрии зуба (рис. 13.4) и разложим на две составляющие: изгибающую зуб (q_ncosα_n), вызывающую в опасном сечении напряжения изгиба (σ_u) и сжимающую зуб (q_nsinα), вызывающую в зубе напряжения сжатия (σ_cж). Угол «γ» несколько больше угла профиля «α_w» (γ = α_w = 20˚).

Номинальное напряжение в опасном сечении:

;
;

;
;

тогда:

;
;
.

Рис. 13.4. Схема расчета зубьев на изгиб

Умножим числитель и знаменатель на модуль «m» и заменим получим:

,

,

;

приняв: ;

получим: .

Местные напряжения:

;

обозначив:

получим: ,

где: K_T – теоретический коэффициент концентрации напряжений;

Y_FHU, Y_F – коэффициенты прочности зубьев соответственно по номинальным и местным напряжениям;

Y_FH – представляет собой номинальное напряжение в опасном сечении зуба при m = 1 и q = 1, а Y_F – местное напряжение при тех же условиях.

Технические расчеты удобно вести по формулам, в которых условия нагружения заданы в форме номинальных крутящих моментов М (ктс.см) или мощности (кВт), частоты вращения n (об/мин) и коэффициента нагрузки К.

;

Для технических проверочных расчетов следует умножить P.K и приняв

получим: ;

если

то: .

Модуль и ширина зубчатого венца, прежде всего, определяют прочность зуба на изгиб. Приняв и решив последнее уравне­ние относительно модуля, после преобразований получим:

.

Наиболее рациональной формой расчет, обеспечивающей равнопрочностъ зубьев по выкрашиванию и излому, является определение модуля по известному межосевому расстоянию “a_w” и ширине зубчатого венца “b” полученным из расчета на конкретную прочность.

Подставим:

.

После преобразования получим:

,

Откуда:

.

Для большинства редукторов общего назначения:

;

коэффициент нагрузки К можно выразить:

,

здесь: K_β – коэффициент концентрации нагрузки;

K_v – коэффициент динамичности нагрузки.