Шестерні передають рух і крутний момент майже в кожній машині: редукторах, коробках передач, насосах, сільгосптехніці, вантажопідіймальних механізмах. У цьому посібнику коротко про типи шестерень, що означають модуль і діаметри, з яких матеріалів їх роблять, як виготовляють шестерню і що виміряти, коли замінюєте зношену.
Що таке шестерня і що таке зубчаста передача
Шестерня (зубчасте колесо) має зуби, нарізані по колу, і передає рух через безпосередній контакт зубів з іншим колесом. Два або більше зубчастих колеса, що працюють разом, утворюють зубчасту передачу. Менше колесо пари називають шестернею, а більше колесом.
Порівняно з пасами й ланцюгами зубчаста передача передає великий момент у малому просторі, тримає точне передавальне число без проковзування і має високий ККД, зазвичай понад 95% на ступінь для добре виготовлених циліндричних коліс.
Типи шестерень
Тип шестерні обирають за розташуванням валів і навантаженням. Таблиця підсумовує найпоширеніші типи.
| Тип | Розташування валів | Особливість | Де застосовують |
|---|---|---|---|
| Прямозубі циліндричні | паралельні | прості, недорогі, без осьової сили; шумніші на високих обертах | редуктори, коробки передач, насоси, механізми |
| Косозубі циліндричні | паралельні | поступове входження в зачеплення, тиха робота, більше навантаження; виникає осьова сила | промислові редуктори, коробки передач авто й тракторів |
| Шевронні | паралельні | два протилежні нахили, осьові сили взаємно гасяться | важкі приводи, прокатні стани, турбіни |
| Конічні | перетинаються, зазвичай під 90° | змінюють напрямок руху; прямі або криволінійні зуби | диференціали, кутові редуктори, сільгосптехніка |
| Черв'ячна передача (черв'як і черв'ячне колесо) | схрещені під 90° | велике передавальне число в одному ступені, тиха робота, може бути самогальмівною | черв'ячні редуктори, ворота, конвеєри, підйомники |
| Шестерня і рейка | обертання в поступальний рух | перетворює обертання на лінійний рух | відкатні ворота, верстати з ЧПК, кермові механізми |
| Колеса з внутрішнім зачепленням | паралельні, співвісні | зуби на внутрішній стороні вінця; основа планетарних редукторів | планетарні редуктори, автоматичні коробки |
Окремо стоять ланцюгові зірочки: вони працюють з ланцюгом, а не з іншим колесом, мають інший профіль і нарізаються спеціальним інструментом.
Модуль і діаметри шестерні
Модуль (m) визначає розмір зуба: це ділильний діаметр, поділений на кількість зубів. Два колеса зачіплюються правильно лише з однаковим модулем і однаковим кутом зачеплення. З модуля і кількості зубів (z) виходять усі основні розміри:
- ділильний діаметр: d = m · z;
- діаметр вершин, виміряний по вершинах зубів: da = d + 2m;
- діаметр западин: df = d − 2,5m;
- крок між двома зубами: p = π · m;
- висота зуба: h = 2,25m;
- міжосьова відстань двох коліс: a = m · (z1 + z2) / 2.
Приклад: колесо з модулем 2 і 30 зубами має ділильний діаметр 60 мм і діаметр вершин 64 мм. Усі ці значення, а також передавальне число і довжину загальної нормалі, можна розрахувати в калькуляторі шестерень (англійською). Про стандартні модулі й те, як визначити модуль шестерні без креслення, читайте в посібнику модуль зубчастого колеса: формули і таблиця.
Евольвентний профіль і кут зачеплення
Бокова поверхня зуба має форму евольвенти, кривої, яку описує кінець нитки, що розмотується з кола (основного кола). Евольвентний профіль має дві практичні переваги: передавальне число залишається сталим, а передача допускає невеликі похибки міжосьової відстані без втрати працездатності.
Стандартний кут зачеплення становить 20° (ISO 53). На старих машинах трапляються колеса з кутом 14,5°, а в деяких сильно навантажених передачах використовують 25°. Колеса з різними кутами не зачіплюються між собою навіть за однакового модуля.
Матеріали для шестерень
Металеві шестерні зазвичай роблять зі сталі. Сталі для поліпшення, як-от 42CrMo4 і C45, використовують для помірних і великих навантажень, за потреби з гартуванням СВЧ бокових поверхонь. Цементовані сталі, як-от 16MnCr5 і 20MnCr5, дають твердий поверхневий шар і в'язку серцевину, що добре для навантажених коробок передач і редукторів. Черв'ячні колеса роблять із бронзи, великі тихохідні колеса з чавуну, а тихі шестерні з малим навантаженням з технічних пластиків (POM, PA6).
Докладне порівняння з термообробкою і твердістю є в посібнику яку сталь обрати для шестерень.
Як виготовляють шестерні
Заготовку обточують по зовнішньому діаметру, розточують отвір і, за потреби, поліпшують. Потім нарізають зуби одним із процесів:
- Зубофрезерування черв'ячною фрезою: фреза і заготовка обертаються синхронно, а зуби утворюються методом обкатки. Це найпродуктивніший процес для зовнішніх циліндричних коліс, черв'ячних коліс і шліців. На зубофрезерному верстаті з ЧПК перехід на нову шестерню означає нову програму і нову фрезу.
- Зубодовбання: довбяк зі зворотно-поступальним рухом; для внутрішніх вінців і коліс із буртом поруч із зубами.
- Фрезерування дисковою модульною фрезою: западина за западиною на ділильній головці; для одиничних деталей і ремонту.
- Протягування: для внутрішніх зубів і шліців у великих серіях.
- Зубошліфування і шевінгування: оздоблювальні операції після термообробки для високої точності й малого шуму.
Реальний приклад: фермер із Pechea, повіт Галац у Румунії, відкрив через свою компанію Miatec майстерню, яка виготовляє шестерні на зубофрезерному верстаті з ЧПК Siemens Sinumerik 828D, з фінансуванням ЄС через AFIR. Повна історія з технічними даними є в кейсі.
Ступені точності
Точність шестерень виражають у ступенях за ISO 1328 (або DIN 3961/3962 у старій документації). Менше число означає вищу точність. Фрезеровані шестерні зазвичай мають 7–9-й ступінь, шліфовані 3–6-й. 7-й ступінь типовий для промислових редукторів, коробок передач сільгосптехніки і насосів.
Як замінити зношену шестерню
Щоб виготовити запчастину за зразком, запишіть або виміряйте:
- кількість зубів;
- діаметр вершин, штангенциркулем по вершинах зубів;
- тип зубів: прямі чи косі, а для косих кут і напрямок нахилу (лівий чи правий);
- ширину вінця і розміри отвору, шпонкового паза або шліців;
- матеріал і твердість, якщо їх можна встановити.
Для прямозубого колеса без зміщення профілю модуль дорівнює діаметру вершин, поділеному на кількість зубів плюс 2: m = da / (z + 2). Калькулятор шестерень робить цей розрахунок і пропонує найближчий стандартний модуль. Для перевірки виміряйте довжину загальної нормалі мікрометром із тарілчастими губками.
Часті запитання
Які основні типи шестерень?
Прямозубі й косозубі циліндричні (паралельні вали), конічні (вали перетинаються), черв'ячна передача (вали схрещені), шестерня з рейкою і колеса з внутрішнім зачепленням, що використовуються в планетарних редукторах.
Що означає модуль шестерні?
Модуль є розміром зуба в міліметрах: ділильний діаметр, поділений на кількість зубів. Колеса, що зачіплюються між собою, мають однаковий модуль.
З чого роблять металеві шестерні?
Найчастіше зі сталей для поліпшення (42CrMo4, C45) або цементованих сталей (16MnCr5, 20MnCr5). Черв'ячні колеса роблять із бронзи, а великі тихохідні колеса з чавуну.
Чим прямі зуби відрізняються від косих?
Косі зуби входять у зачеплення поступово, тож колесо працює тихіше й витримує більше навантаження, але створює осьову силу, яку мають сприйняти підшипники. Прямі зуби простіші у виготовленні й не навантажують підшипники в осьовому напрямку.
Як виготовляють шестерню?
Найчастіше зубофрезеруванням черв'ячною фрезою на зубофрезерному верстаті. Внутрішні вінці виготовляють довбанням або протягуванням, а шестерні високої точності шліфують після термообробки.
