Bilim.techО проекте

Конические передачи

Как повернуть вращение на 90°? Конические колеса с прямым и круговым зубом, главная передача и бортовой редуктор.

01 Что это такое

Коническая передача поворачивает вращение на угол, обычно на 90°. Ее колеса это два конуса с общей вершиной, которые катятся друг по другу без скольжения.

У цилиндрических колес из темы 6.1 оси параллельны, и колеса катятся друг по другу как два цилиндра. Если оси пересекаются, катиться без скольжения могут только конусы, причем с общей вершиной O в точке пересечения осей. Тогда на любом расстоянии от вершины точки обоих конусов на линии касания OP движутся с одной скоростью. Зубья нарезают на поверхности этих конусов, поэтому зуб конического колеса сужается к вершине: у широкого конца он крупный, у узкого мелкий.

Чем меньше зубьев у шестерни по сравнению с колесом, тем острее ее конус: tg δ1 = z1 / z2. Углы двух конусов в сумме дают угол между осями Σ. Передаточное число считается по зубьям, как у цилиндрической пары: u = z2 / z1. Где конические пары стоят среди других передач, смотри в обзоре 9.1.

δ₁δ₂Σ = 90°Rer₁r₂ω₁ω₂OPТемные полосы: зубья, они нарезаны на внешней части конусовОБЩАЯ ВЕРШИНА Otg δ₁ = z₁ / z₂ = 15 / 30δ₁ = 26,6°, δ₂ = 90° − δ₁ = 63,4°шестерня z₁ = 152 оборотаколесо z₂ = 301 оборотu = z₂ / z₁ = tg δ₂ = 2обороты делятся на u, момент умножается на uОси пересекаются в точке O под углом Σ,обычно Σ = 90°: поток мощности идет вбок
Радиусы конусов в точке P относятся как зубья: r₂ / r₁ = z₂ / z₁ = 2. Пока колесо делает оборот, шестерня делает два, а образующая OP остается линией касания.
δ
Угол делительного конуса, градусы. Угол между осью колеса и образующей его конуса. У пары под 90° углы шестерни и колеса дают в сумме 90°: δ1 + δ2 = Σ. Острый конус у шестерни, почти плоский у большого колеса.
me
Внешний окружной модуль, мм. Модуль на широком конце зуба, где зуб самый крупный. По нему считают размеры: внешний делительный диаметр de = me z. К вершине конуса модуль уменьшается вместе с зубом.
Re
Внешнее конусное расстояние, мм. Длина образующей от вершины O до широкого конца зуба. Одна на оба колеса пары. Ширина венца b обычно около 0,3 Re: зуб длиннее сделать нельзя, узкий конец станет слишком мелким.
02 Опыт
Поверни рисунок. Смени зубья. Найди пятно контакта. УГОЛ ЗАЦЕПЛЕНИЯ 20°, ЗУБ СУЖАЕТСЯ К ВЕРШИНЕ
ПЕРЕДАЧИ

Как повернуть вращение за угол и почему шестерню отжимает вдоль вала?

Рис. 9.4
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ

Передаточное число u
Углы конусов δ1 и δ2
Выход: обороты и момент

ⓘ Рисунок в аксонометрии, колеса в точном масштабе по me и z, зубья упрощены: трапеции на делительном конусе, высота головки me, ножки 1,2 me на широком конце. Круговой зуб показан дугой с углом спирали 35° в середине венца. Гипоидная пара нарисована приближенно: шестерня просто опущена на E, ее увеличенный диаметр не показан. Силы считаются на среднем диаметре без трения; для круговых зубьев с углом спирали 35° и направлением спирали, при котором шестерню отжимает от колеса. Сдвиг пятна контакта показан условно, для понимания направления регулировки. Анимация замедлена, отношение скоростей сохраняется точно.

03 Формулы по буквам

Углы конусов, размеры колес и силы на валах

Во всех карточках числа из опыта. Меняй зубья, модуль и момент и следи, как пересчитываются углы конусов, диаметры и силы. Как считаются сами зубья и окружная сила, разобрано в теме 6.1, здесь только то, что добавляет конус.

Как наклонены конусы и во сколько раз падают обороты?

tg δ1 = z1 / z2, δ1 + δ2 = 90°
u = z2 / z1 = n1 / n2 = tg δ2

Тангенс угла конуса шестерни равен отношению зубьев шестерни и колеса. Углы двух конусов вместе дают угол между осями. Передаточное число, как у цилиндрической пары, равно отношению зубьев, а при осях под 90° оно же равно тангенсу угла конуса колеса.

z1, z2
числа зубьев шестерни и колеса
δ1, δ2
углы делительных конусов, градусы
Σ
угол между осями, чаще всего 90°; при другом Σ: tg δ1 = sin Σ / (u + cos Σ)
n1, n2
обороты шестерни и колеса, об/мин

Какого размера колеса?

de = me · z
Re = de / (2 sin δ)

Внешний делительный диаметр равен внешнему модулю, умноженному на число зубьев. Конусное расстояние: радиус широкого конца делить на синус угла конуса. Для шестерни и колеса получается одно и то же число, ведь у них общая вершина и общая образующая.

me
внешний окружной модуль, мм, у пары общий
de
внешний делительный диаметр, мм
Re
внешнее конусное расстояние, мм
b, dm
ширина венца b ≈ 0,285 Re и средний диаметр dm = de (1 − 0,5 b / Re), мм

Куда зубья давят на валы и подшипники?

Ft = 2 T1 / dm1
Fa1 = Ft tg α sin δ1, Fr1 = Ft tg α cos δ1

Окружная сила крутит колесо, ее считают на среднем диаметре. Зуб давит под углом зацепления α, и часть силы Ft tg α раскладывается вдоль оси шестерни и вдоль ее радиуса. У колеса те же две силы, но меняются местами: Fa2 = Fr1, Fr2 = Fa1.

T1
момент на шестерне, Н·м
dm1
средний делительный диаметр шестерни, в метрах
α
угол зацепления, 20°, tg α = 0,364
Fa, Fr
осевая и радиальная силы, Н

Откуда берется tg δ1 = z1 / z2

Шаг 1. Колеса не должны скользить друг по другу, значит, на линии касания их точки движутся вместе: ω1 r1 = ω2 r2, как у цилиндрических колес. Но линия касания здесь длинная, это образующая OP, и равенство нужно на всей ее длине.

Шаг 2. Точка на образующей на расстоянии s от вершины лежит на радиусе r1 = s sin δ1 от оси шестерни и r2 = s sin δ2 от оси колеса. Подставим: ω1 s sin δ1 = ω2 s sin δ2. Расстояние s сокращается, равенство верно сразу для всех точек. Это и есть причина общей вершины: если бы вершины конусов не совпали, скорости совпали бы только в одной точке, а остальная часть зуба скользила бы.

Шаг 3. Получили u = ω1 / ω2 = sin δ2 / sin δ1. Внешние радиусы равны me z / 2, модуль общий, поэтому то же отношение равно z2 / z1.

Шаг 4. При Σ = 90° угол δ2 = 90° − δ1, а sin δ2 = cos δ1. Тогда u = cos δ1 / sin δ1, отсюда tg δ1 = 1 / u = z1 / z2 и tg δ2 = u.

Шаг 5. Силы. Зуб давит на шестерню под углом α к ее поверхности, поэтому кроме окружной Ft есть сила Ft tg α поперек образующей. Она наклонена к радиусу шестерни на угол δ1 и раскладывается на осевую Ft tg α sin δ1 и радиальную Ft tg α cos δ1. Для колеса та же сила наклонена на δ2 = 90° − δ1, синус и косинус меняются местами.

δ₁Ft к намFa1Fr1Ft tg αOPось шестерниось колесаFa1 = Ft tg α sin δ₁, Fr1 = Ft tg α cos δ₁
Сила поперек образующей прижимает шестерню к оси и отжимает ее вдоль оси от вершины O. Поэтому подшипники шестерни ставят такие, что держат осевую силу: конические роликовые.
04 Где и зачем это применяют

Везде, где вращение нужно повернуть за угол

Допущения модели+

Колеса абсолютно жесткие, без люфта и без смещения исходного контура, угол зацепления 20°, ширина венца 0,285 Re. Углы конусов и размеры считаются по точным формулам для любого Σ. Силы посчитаны на среднем делительном диаметре без трения; для прямых зубьев по формулам из карточки, для круговых и гипоидных по формулам с углом спирали β = 35° и направлением спирали, которое отжимает шестерню от колеса. У настоящей гипоидной пары углы спирали шестерни и колеса разные, шестерня крупнее, а силы отличаются сильнее; здесь гипоид показан приближенно. Предел подрезания прямого зуба оценен по эквивалентному числу зубьев z / cos δ. КПД взят одним числом: 0,97 для прямых, 0,975 для круговых, 0,95 для гипоидных. Связь пятна контакта со сдвигом шестерни условная: показано только направление, в каком уходит пятно, а настоящий допуск зависит от размера пары и задается заводом. Числа в готовых случаях примерные: задний мост грузовика, конвейер с двигателем 160 кВт, ручная дрель, легковая машина на высшей передаче.

Еще в направлении «Механика»

Все темы направления «Механика» →