Redskap

Kugghjul eller kugghjul [1] , kugghjul [2]  - huvuddelen av kugghjulet i form av en skiva med tänder på en cylindrisk eller konisk yta som går i ingrepp med tänderna på ett annat kugghjul.

Vanligtvis är termerna växel , växel , växel synonyma, men vissa författare kallar drivväxeln växel , och den drivna växeln - hjulet [2] . Ursprunget till ordet "växel" är inte känt med säkerhet, även om det finns förslag på ett samband med siffran "sex". L. V. Kurkina härleder emellertid termen från ordet "pol" (i betydelsen " axel ") [3] .

Kugghjul används vanligtvis i par med olika antal kuggar för att omvandla vridmomentet och hastigheten på ingående och utgående axlar . Hjulet som vridmomentet tillförs utifrån kallas drivning och det hjul som momentet tas bort från drivs . Om diametern på det drivande hjulet är mindre , ökar vridmomentet på det drivna hjulet på grund av en proportionell minskning av rotationshastigheten och vice versa . I enlighet med utväxlingsförhållandet kommer en ökning av vridmomentet att orsaka en proportionell minskning av den drivna växelns vinkelhastighet , och deras produkt - mekaniska kraft  - kommer att förbli oförändrad. Detta förhållande är endast giltigt för det ideala fallet, som inte tar hänsyn till friktionsförluster och andra effekter som är typiska för verkliga enheter.

Historik

Idén med en mekanisk transmission i sig går tillbaka till idén om en grind . Enligt principen för dess funktion är växeln en oändlig spak, där rollen som den andra, ledande växeln spelades av en person, ett djur, vatten etc. Mannen märkte snabbt att med en längre spak på kragen, läggs mindre ansträngning på. När och vem som först kom på idén att koppla ihop de två portarna är inte känt med säkerhet. Men troligtvis uppstod denna uppfinning relativt samtidigt i flera regioner samtidigt, eftersom den var logiskt rimlig.

Genom att använda ett system med två hjulvarv med olika diametrar är det möjligt att inte bara överföra, utan också omvandla rörelsen. Om ett större hjul drivs, kommer vi att tappa hastigheten vid utgången, men vridmomentet för denna transmission kommer att öka. Denna utrustning är praktisk där du behöver "stärka rörelsen", till exempel när du lyfter vikter. Men greppet mellan kugghjulen med slät fälg är inte tillräckligt stelt, hjulen slirar. Därför började man använda växlar istället för släta hjul.

I det gamla Egypten användes redan tjurdrivna anordningar för bevattning av mark, bestående av ett träredskap och ett hjul med ett stort antal hinkar.

Istället för tänder användes från början cylindriska eller rektangulära fingrar av trä, som installerades längs kanten av träfälgar.

Tillverkad på 1:a århundradet f.Kr. Antikythera-mekanismen bestod av dussintals metallväxlar [4] .

Cylindriska kugghjul

Profilen på hjulens tänder har vanligtvis en evolvent sidoform . Det finns dock kugghjul med en cirkulär form av kuggprofilen ( Novikov-växel med en och två ingreppslinjer) och med en cykloidal . Dessutom används kugghjul med asymmetrisk kuggprofil i spärrmekanismer .

Involut växelparametrar:

För standardisering, enkel tillverkning och utbyte av växlar inom maskinteknik, antas vissa värden på kugghjulsmodulen m , som är en serie siffror att välja mellan: 0,05 ; 0,06 ; 0,08 ; 0,1 ; 0,12 ; 0,15 ; 0,2 ; 0,25 ; 0,3 ; 0,4 ; 0,5 ; 0,6 ; 0,8 ; 1 ; 1,25 ; 1,5 ; 2 ; 2,5 ; 3 ; 4 ; 5 ; 6 ; 8 ; 10 ; 12 ; 16 ; 25 ; 32 ; 40 ; 50 ; 60 ; 80 ; 100 . [5]

Kugghjul kan tillverkas med olika förskjutning av skärstället: utan förskjutning (noll växel eller "noll tänder") , med positiv förskjutning (växling mot ökande material) , med negativ offset (växling mot minskande material) .

Höjden på kugghuvudet - h aP och höjden på kuggskaftet - h fP  - i fallet med en nollväxel motsvarar modulen m enligt följande: h aP = m; h fP ​​= 1,25 m , dvs.:

Härifrån får vi att höjden på tanden h (ej angivet i figuren):

I allmänhet är det tydligt från figuren att diametern av cirkeln av topparna d a är större än diametern av cirkeln av rännorna d f med två gånger höjden av tanden h . Baserat på allt detta, om du praktiskt vill bestämma växelns modul m , utan att ha nödvändiga data för beräkningar (förutom antalet tänder z ), måste du noggrant mäta dess yttre diameter d a och dela resultatet med antalet tänder z plus 2:

Tandens längsgående linje

Cylindriska kugghjul klassificeras enligt formen på den längsgående kugglinjen i:

Spurhjul

Tänderna är placerade i radiella plan, och kontaktlinjen för tänderna på båda kugghjulen är parallell med rotationsaxeln. I detta fall måste axlarna för båda kugghjulen också vara strikt parallella. Kugghjul har den lägsta kostnaden, deras arbete har den högsta effektiviteten, men samtidigt är det begränsande överförda vridmomentet för sådana växlar lägre än det för spiralformade och chevronväxlar. De har också ökat ljud under drift.

Spiralhjul

Tänderna är placerade i en vinkel mot rotationsaxeln, och till formen utgör de en del av en helix. Ingreppet av sådana hjul är mjukare än för cylindriska växlar och med mindre buller. Kontaktytan ökas också, vilket med samma dimensioner med cylindriska växlar gör att du kan överföra mer vridmoment. Under driften av ett spiralformigt växelpar uppstår en mekanisk axiell kraft, riktad längs rotationsaxeln för varje hjul och tenderar att trycka båda hjulen i motsatta riktningar från kontaktplanet, vilket nödvändigtvis kräver användning av axiallager . Det ökade friktionsområdet för de spiralformade tänderna orsakar ytterligare effektförluster för uppvärmning. I allmänhet används spiralformade växlar i applikationer som kräver hög vridmomentöverföring vid höga hastigheter eller har allvarliga bullerrestriktioner.

Chevron hjul

Uppfinningen av chevrontandprofilen tillskrivs ofta Andre Citroen , men i själva verket köpte han bara ett patent för ett mer avancerat system, som uppfanns av en självlärd polsk mekaniker [6] . Tänderna på sådana hjul är gjorda i form av bokstaven "V" (eller de erhålls genom att sammanfoga två spiralformade hjul med motsatta tänder). Chevronhjul löser problemet med axiell kraft. De axiella krafterna hos båda halvorna av ett sådant hjul kompenseras ömsesidigt, så det finns inget behov av att installera axlarna på axiallager. I det här fallet är transmissionen självinriktande i axiell riktning, varför i växellådor med chevronhjul är en av axlarna monterad på flytande stöd (som regel på lager med korta cylindriska rullar).

Hjul med cirkulära tänder (hjul med Novikov-tänder)

Transmissionen baserad på hjul med cirkulära tänder ( Novikovs transmission ) har ännu högre körprestanda än spiralformade växlar - en hög inkopplingslastkapacitet, hög jämnhet och tyst drift. De är dock begränsade i användning av minskad, under samma förhållanden, effektivitet och livslängd, sådana hjul är märkbart svårare att tillverka. Deras tandlinje är en cirkel med radie, vald för vissa krav. Kontakten mellan tändernas ytor sker vid en punkt på ingreppslinjen, belägen parallellt med hjulens axlar.

Kugghjul med yttre och inre växling

  • Ett par kugghjul med EXTERN växling.
    Utväxling - 3 (42/14).
    Hjulen roterar i motsatt riktning.

  • Ett par kugghjul med INTERN utväxling.
    Utväxling - 3 (42/14).
    Hjulen roterar i samma riktning.

Sektorhjul

Ett sektorhjul är en del av ett konventionellt cylindriskt hjul med vilken typ av tänder som helst. Sådana hjul används i de fall där länkens rotation för en hel varv inte krävs, och därför är det möjligt att spara på dess dimensioner.

Koniska kugghjul

I många maskiner är implementeringen av de erforderliga rörelserna av mekanismen förknippad med behovet av att överföra rotation från en axel till en annan, förutsatt att axlarna för dessa axlar skär varandra. I sådana fall används en konisk växel. Det finns typer av koniska kugghjul som skiljer sig åt i formen på kugglinjerna: med raka, tangentiella, cirkulära och böjda tänder. Koniska växlar med cirkulär kugg används till exempel i bilslutdrifter av en växellåda.

  • Koniska hjul i damportens drivning

  • Huvudväxel i en bakhjulsdriven bil

Kuggstång (kremaliera)

Kuggstångsväxel ( kremalera ) används i de fall där det är nödvändigt att omvandla rotationsrörelse till translationell och vice versa. Den består av en konventionell cylindrisk växel och en kuggstång (kuggstång). Funktionen av en sådan mekanism visas i figuren.

Kuggstången är en del av ett hjul med en oändlig cirkelradie. Därför förvandlas delningscirkeln, såväl som cirklarna av toppar och dalar, till parallella raka linjer. Den evolventa skenprofilen får också en rätlinjig form. Denna egenskap hos involuten visade sig vara den mest värdefulla vid tillverkning av växlar.

Kuggstång används även i kuggstångsjärnvägar .

Kronhjul

Ett kronhjul är en speciell typ av hjul, vars tänder är placerade på sidoytan. Ett sådant hjul, som regel, förenas med en konventionell sporre eller med en trumma av stavar (lanternhjul), som i en tornklocka. Kugghjul är bland de tidigaste och enklaste att tillverka, men kännetecknas av mycket höga friktionsförluster.

  • Lykta redskap

  • ringväxel

Andra

Tandade trummor av bioutrustning - utformade för att exakt flytta filmen för perforering . Till skillnad från konventionella kugghjul som samverkar med andra hjul eller kugghjulsprofiler, har växeltrummorna på filmutrustning en kuggstigning som väljs i enlighet med perforeringsstigningen. De flesta av dessa trummor har en evolvent tandprofil, tillverkad med samma teknik som i andra kugghjul.

Att göra kugghjul

Rullningsmetod

För närvarande är det det mest tekniskt avancerade, och därför det vanligaste sättet att tillverka redskap. Vid tillverkning av kugghjul kan verktyg som en kam, snäcksax och fräs användas.

Kammetod

Ett skärverktyg format som en kuggstång kallas en kuggkam. På ena sidan av kammen är en skäregg slipad längs konturen av dess tänder. Arbetsstycket på det räfflade hjulet gör en rotationsrörelse runt axeln. Kammen utför komplexa rörelser som består av en translationsrörelse vinkelrätt mot hjulaxeln och en fram- och återgående rörelse (visas inte i animationen) parallellt med hjulaxeln för att ta bort spån över hela kanten av dess fälg. Den relativa rörelsen mellan kammen och arbetsstycket kan vara olika, till exempel kan arbetsstycket utföra en intermittent komplex rullande rörelse, i överensstämmelse med kammens skärande rörelse. Arbetsstycket och verktyget rör sig i förhållande till varandra på maskinen som om profilen på de tänder som skärs är i ingrepp med den ursprungliga producerande konturen av kammen.

Rullningsmetod med en maskskärare

Förutom kammen används en maskskärare som skärverktyg. I detta fall uppstår en snäckväxel mellan arbetsstycket och fräsen .

Inbrottsmetoden med en skärare

Kugghjul hamras också på kuggformningsmaskiner med hjälp av speciella fräsar. Gear Shaping Cutter är ett kugghjul försett med skäreggar. Eftersom det vanligtvis är omöjligt att skära av hela metallskiktet på en gång, utförs bearbetningen i flera steg. Under bearbetningen utför verktyget en fram- och återgående rörelse i förhållande till arbetsstycket. Efter varje dubbelslag roterar arbetsstycket och verktyget ett steg runt sina axlar. Verktyget och arbetsstycket "körs" så att säga in i varandra. Efter att arbetsstycket har gjort ett helt varv, gör fräsen en matningsrörelse mot arbetsstycket. Denna process fortsätter tills allt nödvändigt metallskikt har tagits bort.

Kopieringsmetod (Divisionsmetod)

En skiva eller fingerskär skär ena håligheten i kugghjulet. Verktygets skäregg har formen av denna hålighet. Efter kapning av ett hålrum roteras arbetsstycket i ett vinkelsteg med hjälp av en uppdelningsanordning, skäroperationen upprepas.

Metoden användes i början av 1900-talet . Nackdelen med metoden är dess låga noggrannhet: hjultrågen som tillverkas med denna metod skiljer sig mycket från varandra.

Varm- och kallrullning

Processen är baserad på den sekventiella deformationen av ett skikt som upphettats till ett plastiskt tillstånd av ett visst djup av arbetsstycket av ett kugghjulsrullande verktyg. Detta kombinerar induktionsuppvärmning av arbetsstyckets ytskikt till ett visst djup, plastisk deformation av det uppvärmda skiktet av arbetsstycket för att bilda tänder och löpning i de formade tänderna för att erhålla en given form och noggrannhet.

Tillverkning av koniska hjul

Tillverkningstekniken för koniska kugghjul är nära relaterad till flankernas och kuggprofilernas geometri. Metoden att kopiera den formade profilen av ett verktyg för att forma en profil på ett konisk hjul kan inte användas, eftersom dimensionerna på håligheten hos det koniska hjulet ändras när det närmar sig toppen av konen. I detta avseende kan verktyg som en modulär skivskärare, en fingerskärare, en formad slipskiva endast användas för grov skärning av håligheter eller för att bilda hjulhåligheter som inte är högre än den åttonde noggrannhetsgraden.

För att skära mer exakta koniska hjul används metoden att köra i maskiningrepp av arbetsstycket som skärs med ett tänkt producerande hjul. Det producerande hjulets sidoytor bildas på grund av rörelsen av verktygets skäreggar under huvudskärrörelsen, vilket säkerställer skärningen av utsläppet . Verktyg med raka blad är de mest populära. Med en rätlinjig huvudrörelse bildar ett rätlinjigt blad en platt producerande yta. En sådan yta kan inte bilda en evolvent konisk yta med sfäriska evolventprofiler. De resulterande konjugerade koniska ytorna, som skiljer sig från evolventa ytor, kallas kvasi-involuta.

Modellering

  • Modellering (fortsättning 1m35s) annan version

  • Datormodell av ett kugghjul (se nanoteknik )

Misstag i redskapsdesign

Tandklippning

Enligt egenskaperna hos evolvent växling, berör den raka delen av den ursprungliga genererande konturen av kuggstången och den evolventa delen av kuggprofilen på det skurna hjulet endast på linjen med maskinväxling. Utanför denna linje skär den ursprungliga genererande konturen hjultandens evolventa profil, vilket leder till underskärning av tanden vid basen, och hålrummet mellan det skurna hjulets tänder är bredare. Underskärning minskar den evolventa delen av tandprofilen (vilket leder till en minskning av varaktigheten för ingrepp av varje tandpar i det designade kugghjulet) och försvagar tanden i dess farliga sektion. Därför är skärning inte tillåten. För att förhindra underskärning, införs geometriska begränsningar på hjulkonstruktionen, från vilka det minsta antalet tänder bestäms vid vilka de inte kommer att underskäras. För ett standardverktyg är detta siffra 17. Underskärning kan också undvikas genom att använda en annan tillverkningsmetod för kugghjul än inkörningsmetoden. Men i detta fall måste villkoren för det minsta antalet tänder observeras, annars kommer hålrummen mellan tänderna på det mindre hjulet att visa sig vara så täta att tänderna på det större hjulet på det tillverkade redskapet inte kommer att räcka till. utrymme för deras rörelse och redskapet kommer att fastna.

För att minska växlarnas totala dimensioner bör hjulen utformas med ett litet antal tänder. Därför, när antalet tänder är mindre än 17, så att underskärning inte uppstår, måste hjulen göras med en verktygsförskjutning - en ökning av avståndet mellan verktyget och arbetsstycket ( korrigerade växlar).

Skärpning av tanden

När verktygsförskjutningen ökar kommer tandtjockleken att minska. Detta leder till skärpning av tänderna. Faran med skärpning är särskilt stor för hjul med ett litet antal tänder (färre än 17). För att förhindra att spetsen på en spetsig tand spricker, begränsas verktygets förskjutning uppifrån.

  • Tandslipning

  • Tandklippning

Andra användningsområden

I naturen

Kugghjul används i larver av insekter av släktet Issus för att synkronisera benens rörelse vid tiden för hoppet. [7] [8]

I symbolism

Kugghjulet (eller kugghjulet) används ofta inom internationell, territoriell och stamheraldik. Detta emblem dök upp under maskinproduktionens era under andra hälften av 1800-talet - början av 1900-talet. Oftast representerar kugghjulet industri, tekniska och vetenskapliga framsteg, industrialisering, modernisering.

Se även

Länkar

Anteckningar

  1. ↑ Utrusta // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus och Efron  : i 86 volymer (82 volymer och 4 extra). - St Petersburg. 1890-1907.
  2. ↑ 1 2 V. A. Tatarinov. Inhemsk terminologis historia. Moskva Lyceum, 1994. S. 213.
  3. ↑ L. V. Kurkina. Etymologiska anteckningar // Etymology 1974 . M. , "Vetenskap". 1976. S. 46.
  4. ↑ Växellådans historia: från antiken till idag . Hämtad 11 juni 2020. Arkiverad från originalet 11 juni 2020.
  5. ↑ GOST 9563-60, 1960 , sid. 2.
  6. ↑ 7 innovationer av Andre Citroen som förändrade bilbranschen . Hämtad 10 juni 2014. Arkiverad från originalet 11 juni 2014.
  7. ↑ Julia Smirnova. Det äldsta "redskapet" som finns på insekters ben  // Science and Life. — 2013.
  8. ↑ The First Gear Discovered in Nature Arkiverad 13 september 2013 på Wayback Machine // Popular Mechanics

Litteratur

  • GOST 16530-83. Växellådor. Allmänna termer, definitioner och beteckningar.
  • GOST 9563-60. Kugghjul. Moduler.
  • Gears // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron  : i 86 volymer (82 volymer och 4 ytterligare). - St Petersburg. 1890-1907.
  • Allmän teknisk referensbok / Ed. Skorokhodova E. A .. - M . : Mashinostroyeniye, 1982. - S. 416.
  • Gulia N. V., Klokov V. G., Yurkov S. A. Maskindelar. - M . : Publishing Center "Academy", 2004. - S. 416. - ISBN 5-7695-1384-5 .
  • Bogdanov V.N., Malezhik I.F., Verkhola A.P. et al. Referensguide till ritning. - M . : Mashinostroenie, 1989. - S. 438-480. — 864 sid. — ISBN 5-217-00403-7 .
  • Anuryev V.I. Handbok för designer-maskinbyggaren: i 3 volymer  / ed. I. N. Zhestkovoy. - 8:e uppl., reviderad. och ytterligare - M .  : Mashinostroenie, 2001. - T. 2. - 912 sid. - BBK 34,42ya2. - UDC  621.001.66 (035) . — ISBN 5-217-02964-1 .
  • Frolov K. V., Popov S. A., Musatov A. K., Timofeev G. A., Nikonorov V. A. Teori om mekanismer och maskiners mekanik / Kolesnikov K. S. - Fjärde upplagan, korrigerad och kompletterad. - M . : Förlag av MSTU im. N. E. Bauman , 2002. - V. 5. - S. 452-453, 456-459, 463-466, 497-498. — 664 sid. — (Mekanik vid tekniska högskolan). - 3000 exemplar.  — ISBN 5-7038-1766-8 .
  • Leonova L. M., Chigrik N. N., Tataurova V. P. Gears. Element för beräkning och design: Riktlinjer . - Omsk: OmGTU Publishing House , 2005. - 45 sid.  (inte tillgänglig länk)