Види руйнування зубів та їх робочих поверхонь
Поломка зубів пов'язана з напругою вигину. Насправді частіше спостерігається виламування кутів зубів внаслідок концентрації навантаження. Розрізняють два види поломки зубів: поломка від великих перевантажень ударної чи навіть статичної дії (попереджають захист приводу від перевантажень); втомна поломка, що походить від дії змінних напруг протягом порівняно тривалого терміну служби (попереджають визначенням розмірів з розрахунку на втому). Особливе значення мають заходи щодо усунення концентраторів напруги (рисок від обробки, раковин, тріщин у виливках тощо). Загальні заходи попередження поломки зубів - збільшення модуля, позитивне зміщення при нарізуванні зубів, термообробка, наклеп, зменшення концентрації навантаження по краях.
Всі види пошкодження поверхні зубів пов'язані з контактною напругою та тертям.
Втомне фарбування від контактних напруг є основним видом руйнування поверхні зубів при гарному мастилі передачі. Передача працює тривалий час до появи втоми поверхневих шарах зубів. На поверхні з'являються невеликі заглиблення, які потім перетворюються на раковини. Вифарбовування зазвичай починається поблизу полюсної лінії на ніжках зубів. Запобіжні заходи: визначення розмірів з розрахунку на втому за контактною напругою; підвищення твердості матеріалу шляхом термообробки; підвищення рівня точності.
Абразивне зношування є основною причиною виходу з ладу передач при поганому мастилі. У зношеної передачі збільшуються зазори в зачепленні, з'являється шум, зростають динамічні навантаження. У той же час міцність зношеного зуба знижуєтьсявнаслідок зменшення площі поперечного перерізу. Все це може призвести до поломки зуба, якщо зубчасті колеса вчасно не забракувати. Запобіжні заходи: підвищення твердості поверхні зубів, захист від забруднення, застосування спеціальних масел.
Заїдання спостерігається у високонавантажених та високошвидкісних передачах. У місці стикання зубів розвивається висока температура, що сприяє розриву масляної плівки та утворенню металевого контакту. Тут відбувається зварювання частинок металу з подальшим відривом їх від менш міцної поверхні. Нарости, що утворилися, задирають робочі поверхні зубів у напрямку ковзання. Кромковий удар сприяє заїданню. Запобіжні заходи ті самі, що й проти зносу. Бажано фланкування зубів та інтенсивне охолодження.
Пластичні зрушення спостерігаються у важконавантажених тихохідних зубчастих коліс, виготовлених з м'якої сталі. При перевантаженні на м'якій поверхні зубів з'являються пластичні деформації з подальшим зрушенням у напрямку ковзання. В результаті біля полюсної лінії зубів веденого колеса утворюється хребет, а у ведучого - відповідна канавка. Це порушує правильність зачеплення та призводить до руйнування зубів. Пластичні зрушення можна усунути підвищенням твердості робочих поверхонь зубів.
Відшаровування твердого поверхневого шару зубів, підданих поверхневому зміцненню. Спостерігається при недостатньо високій якості термічної обробки, коли внутрішні напруження не зняті відпусткою або коли тендітна кірка зубів не має під собою достатньо міцної серцевини. Відшарування сприяють перевантаження.
При проектному розрахунку зубчастих передач необхідно визначити розміри передачі за заданими основними характеристиками: крутний момент ізаданому передатному числу. При розрахунку передач із циліндричними зубчастими колесами спочатку визначають міжосьову відстань:
Різні коефіцієнти у цій формулі беруть із довідкової літератури залежно від виду передачі та умов роботи. Передатне відношення і момент повинні бути відомі з кінематичного розрахунку, а напруги, що допускаються, визначають залежно від використовуваного матеріалу для виготовлення зубчастих коліс. Значення міжосьової відстані округляють до стандартної. Значення модуля вибирають із стандартного ряду, орієнтуючись на рекомендації, вироблені практикою, а потім перевіряють на вигин. При відомому модулі визначають та уточнюють всі параметри передачі. Для передач без усунення і при хУ = 0:
Для остаточного затвердження вибраного значення модуля необхідно перевірити міцність за напругою згину. У разі незадовільного результату змінюють модуль та визначають нові значення числа зубів. Після цього визначаються решта геометричних розмірів зубчастих коліс і проводиться перевірочний розрахунок на міцність.
Опишіть конструкції найбільш поширених типів пружних та керованих, зчіпних та самоврядних муфт. Вкажіть сфери застосування, експлуатаційні характеристики кожного типу.
Пружні муфти складаються з двох напівмуфт, пов'язаних пружним елементом. Пружний зв'язок напівмуфт дозволяє: компенсувати неспіввісність валів; змінити жорсткість системи з метою усунення резонансних коливань при навантаженні, що періодично змінюється, знизити ударні перевантаження. За матеріалом пружних елементів ці муфти ділять на дві групи: з металевими та неметалевими пружними елементами.
Муфта з циліндричними пружинами складається з обода з ребром і маточини з дисками. Ребро обода розміщується між дисками так,що можливий відносний поворот цих деталей. Ребро і диски мають однакові фасонні вирізи, які закладають пружини з обмежувачами. З торців муфту закривають дисками, які прикріплюють до маточини або обода для запобігання пружині та обмежувачам від випадання та забруднення. Такі муфти доцільно застосовувати як пружні ланки в системі з'єднання валів із зубчастими колесами або ланцюговими зірочками, а також для з'єднання валів.
Муфта зубчасто-пружинна або муфта зі змієподібними пружинами. Складається з двох напівмуфт, що мають зубці спеціального профілю, між якими розміщується змієподібна пружина. Кожух утримує пружину в робочому положенні, захищає муфту від пилу та служить резервуаром для змащення. Основна сфера застосування цих муфт - важке машинобудування (прокатні стани, турбіни, поршневі двигуни).
Муфти з гумовими пружними елементами простіше та дешевше, ніж зі сталевими. Переваги гумових елементів: висока еластичність, висока здатність, що демпфує. Недоліки: менша довговічність, менша міцність, що веде до великих габаритів. Муфти з гумовими пружними елементами широко поширені в усіх галузях машинобудування передачі малих і середніх крутних моментів.
Муфта з гумовою зірочкою складається з двох напівмуфт з торцевими виступами та гумової зірочки, зуби якої розташовані між виступами. Широко застосовується для з'єднання швидкохідних валів. Муфта компактна та надійна в експлуатації. Недоліки - при розбиранні та складання необхідно осьове зміщення валів.
Муфта пружна втулково-пальцева. Завдяки легкості виготовлення та заміни гумових елементів ця муфта набула поширення, особливо в приводах від електродвигунів з малими та середніми крутними моментами. Пружними елементами тутслужать гофровані гумові втулки або кільця трапецеїдального перерізу. Муфти мають малу податливість і застосовуються в основному для компенсації неспіввісності валів у невеликих межах.
Муфта із пружною оболонкою. Пружний елемент муфти, що нагадує автомобільну шину, працює на кручення. Це надає муфті велику енергоємність, високі пружні та компенсуючі властивості.
Керовані муфти дозволяють з'єднувати або роз'єднувати вали за допомогою механізму керування. За принципом роботи всі ці муфти можна розділити на дві групи: муфти, що ґрунтуються на зачепленні (кулачкові або зубчасті); муфти, що ґрунтуються на терті (фрикційні).
Муфти кулачкові. На торцях напівмуфт є виступи (кулачки). У робочому положенні виступи однієї напівмуфти входять до западини іншої. Для включення та вимкнення одну з напівмуфт встановлюють на валу рухомо в осьовому напрямку. Її переміщають за допомогою спеціального пристрою – відведення. Виделку відведення розташовують у спеціальному пазу напівмуфти. До складу муфти входить також кільце для центрування валів. Неспіввісність валів різко знижує працездатність кулачкових муфт. Найчастіше кулачкові та зубчасті зчіпні муфти розташовують на одному валу і використовують для перемикання швидкостей. Крім того, в таких муфтах неминучі технологічні бічні зазори і пов'язані з цим удари при зміні напрямку обертання. Зазори збільшуються при зносі кулачків. Такі муфти не рекомендують застосовувати для включення механізму під навантаженням та при великих швидкостях відносного обертання (більше 1 м/с).
Муфти зубчасті зчіпні. За влаштуванням та методикою розрахунку ця муфта подібна до зубчастої компенсуючої муфти з тією різницею, що тут обойма виготовляється рухомою і керується за допомогою відведення. Зубчаста муфта складається з двох напівмуфт ззовнішніми зубами та роз'ємною обоймою з двома рядами внутрішніх зубів. Муфта має обмежувальні диски і втулку, що центрує вали, одночасно виконуючи функцію підшипника при їх обертанні. Застосовують також зубчасті муфти без обойми, які мають одна напівмуфта має внутрішні, іншу - зовнішні зубья. Переваги зубчастої муфти в порівнянні з кулачковою – можливість виготовлення на широко поширеному зуборізному обладнанні.
Муфти фрикційні. При включенні фрикційних муфт момент, що крутить, зростає поступово в міру збільшення сили натискання на поверхні тертя. Це дозволяє з'єднувати вали під навантаженням та з великою різницею початкових кутових швидкостей. У процесі вмикання муфта пробуксовує, а розгін веденого валу відбувається плавно, без удару. Відрегульована на передачу граничного моменту, що крутить, безпечного для міцності машини, фрикційна муфта виконує одночасно функції запобіжного пристрою. Усі фрикційні муфти в залежності від форми робочої поверхні можна розділити на три групи: дискові муфти (плоска поверхня); муфти конічні (конічна поверхня); муфти колодкові, стрічкові (циліндрична поверхня). Ці муфти також допускають несоосности.
Муфти дискові. Перша напівмуфта кріпиться на валу нерухомо, а друга напівмуфта рухома в осьовому напрямку. Між ними фрикційна накладка. Для з'єднання валів до рухомої напівмуфт прикладають осьову силу. Для зменшення необхідної сили та габаритів муфти застосовують конструкції не з однією, а з багатьма парами поверхонь тертя – багатодискові муфти. У цих муфтах є дві групи дисків: зовнішні, з'єднані з першою напівмуфтою та внутрішні, з'єднані з другою напівмуфтою за допомогою рухомого шліцевого з'єднання. Розрізняють муфти зелектромагнітним, гідравлічним, пневматичним та механічним управлінням.
Муфти конічні Складаються з двох напівмуфт, що сполучаються по конічній поверхні. Одна з напівмуфт рухлива в осьовому напрямку. Від дії осьової сили на конічній поверхні дотику напівмуфт виникають питомий тиск та питомі сили тертя. Сили тертя, спрямовані по дотичному до кола конуса, використовуються для передачі моменту, що крутить. Конічні муфти дозволяють зменшити осьову силу, необхідну для роботи муфти порівняно з дисковими. У той же час конічні муфти мають більші габарити, ніж багатодискові; складніше у виготовленні та вимагають підвищеної точності центрування валів.
Самоврядні муфти призначені для автоматичного роз'єднання валів у тих випадках, коли параметри роботи машини стають неприпустимими. Ці муфти вимагають суворості напівмуфт (валів).
Муфти запобіжні. Служать для захисту машин від навантаження. Будь-яка фрикційна муфта, відрегульована на передачу граничного моменту, виконує запобіжні функції. Спеціальні запобіжні фрикційні муфти не мають механізму управління, а сили натискання в них зазвичай забезпечуються пружинами, що постійно діють. Муфта зі спеціальним руйнівним елементом складається з двох напівмуфт, момент, що крутить, між якими передається через штифт, який зрізається при перевантаженні. Кулачкова запобіжна муфта. Напівмуфти зачіплюються кулачками, що мають трапецеїдальний профіль. Недоліком запобіжних кулачкових муфт є удари кулачків при перевантаженнях, що супроводжуються великим шумом. Ці муфти не рекомендується застосовувати за високої частоти обертання.
Муфти відцентрові. Ці муфти автоматично з'єднують вали лише тоді, коли кутова швидкістьперевищить певне задане значення. Таким чином, ці муфти є самоврядними по кутовій швидкості. Відцентрові муфти використовують для автоматичного включення та вимикання виконавчого механізму за допомогою регулювання кутової швидкості двигуна; розгону машин із великими маховими масами при двигуні з малим пусковим моментом; підвищення плавності пуску; вимикання під час перевантаження. Муфта складається з двох напівмуфт, колодок, пружини та регулювального гвинта. Відцентрова сила притискає колодку до барабана другої напівмуфти. Цьому перешкоджає сила, що виникає від прогину пружини. Значення цієї сили регулюють гвинтом.
Муфта вільного ходу Ці муфти передають момент, що крутить, тільки в одному заданому напрямку. Їх застосовують у верстатах, автомобілях, мотоциклах, велосипедах тощо. У велосипедах вони передають момент, що крутить, від педалей на колесо і в той же час дозволяють колесу вільно котитися при нерухомих педалях. Найпростішим представником муфт вільного ходу є пристрій з храповиком. Внаслідок шуму на холостому ходу та різкого ударного включення муфти з храповиком застосовують порівняно мало і лише за низьких швидкостей. Безшумну роботу забезпечують фрикційні роликові або кулькові муфти. Якщо шестерня обертається за годинниковою стрілкою, то ролик закочується у вузьку частину паза і заклинюється. Утворюється тверде з'єднання шестерні з валом через ролик. При обертанні шестірні у протилежному напрямку ролик виходить у широку частину паза, і шестерня виявляється роз'єднаною з валом. У цьому напрямку вона може вільно обертатися. Толкач, що має слабку пружину, виконує допоміжну роль. Він утримує ролик у постійному стиканні з обоймою.