Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně Ústav konstruování
KONSTRUOVÁNÍ STROJŮ převody
Přednáška 3
Obsah Výroba ozubených kol
• Systém ozubení. • Materiály ozubených kol. • Technologie používané pro výrobu ozubených kol. • Tepelné a chemicko tepelné zpracování. • Dokončovací operace. • Lícování ozubených kol. Převodové mechanismy s ozubenými koly
• Ozubené soukolí. • Sériové řazení soukolí. • Sériově-paralelní řazení soukolí. • Planetové převodové mechanismy.
Výroba ozubených kol It is much easier to design than to perform. SAMUEL JOHNSON
Systém ozubení Systém ozubení je definován úhlem záběru α = 20° a soustavou proporcí (součinitelů) popisujících základní profil základního ozubeného hřebene. U tohoto hřebene evolventní profily boků zubů přecházejí v přímky a počet zubů neovlivňuje tvar boků. Všechny délkové rozměry hřebenového nástroje jsou odvozeny ze základního ozubeného hřebene násobením modulem m. Základní profil ISO 53:1974
Hřebenový nástroj
součinitel výšky hlavy zubu h = 1 součinitel radiální vůle c = 0,25 součinitel výšky paty zubu hf∗ = 1,25 součinitel poloměru zaoblení r = 0,38 ∗
a
∗
∗
f
π s = m; h = h m; h = h m; c = c m; r = r m 2 ∗
a
a
∗
f
f
∗
∗
f
f
Komerčně jsou běžně dostupné hřebenové nástroje s moduly 1; 1,25; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12; 16; 20; 25; 32; 40; 50 mm. Přednáška 3 - Výroba ozubených kol
Velikost zubů versus modul, resp. diametral pitch
Přednáška 3 - Výroba ozubených kol
Materiály ozubených kol šedá (např. 42 2425) a tvárná (např. 42 2307) litina • pro menší neproměnná namáhání a malé obvodové rychlosti • zuby mají malou pevnost v ohybu a špatně snášejí rázy • dobrá odolnost proti vzniku pittingu a proti zadírání • nízká hlučnost • litinová kola se běžně kombinují s ocelovými pastorky oceli • nejčastěji užívaný materiál • pro méně namáhaná kola se používají oceli třídy 11 • kola z oceli třídy 11 se párují s pastorky z ocelí třídy 12 nebo 13 • pro vyšší kroutící momenty se používají zušlechtěné oceli (12 060, 15 240) a oceli pro povrchové kalení (11 600, 12 050) • kola namáhaná otěrem se vyrábějí z cementační oceli (12 020) • kola jejichž zuby nelze brousit se vyrábějí z nitridační oceli (14 340)
Přednáška 3 - Výroba ozubených kol
Materiály ozubených kol plastické hmoty (např. nylon nebo polyformaldehyd) • vhodné spíše pro kinematické převody • nízká únosnost v ohybu i dotyku • špatná tepelná vodivost • nízká hmotnost, dobrá odolnost vůči korozi a chemickým vlivům • necitlivost na nepřesnosti výroby • kolo z plastu se často kombinuje s kolem ocelovým či litinovým mosazi a bronzy • pro ozubená kola kinematických převodů v jemné mechanice • vykazují větší deformace zubů a tím i lepší rozložení zatížení • často se kombinuje ocelový pastorek s bronzovým kolem slinuté kovy • pro kinematické převody • průměr kol je omezen na přibližně 80 mm Přednáška 3 - Výroba ozubených kol
Frézování dělícím způsobem Při dělícím způsobu se profily zubových mezer ozubeného kola vytvářejí tvarovou frézou postupně jedna zubová mezera za druhou. Protože pro každou velikost ozubení je zapotřebí speciálního nástroje, jsou výrobní náklady vysoké. Technologie se používá zejména u kusové dílenské výroby pro kola s malou přesností výroby. Frézka s dělícím přístrojem
Čepová fréza
h
h
Kotoučová fréza
α α r
r
Přednáška 3 - Výroba ozubených kol
Odvalovací frézování Nástrojem je odvalovací fréza, která má tvar evolventního šneku a jejíž profil v normálové rovině je tvořen základním hřebenem. Ozubení se vyrábí na odvalovacích frézkách, kdy fréza s obráběným kolem představuje záběr šroubového soukolí. Tato technologie je vhodná pro výrobu čelních a šnekových ozubených kol. Odvalovací frézka
Odvalovací fréza
odvalovací fréza obrobek otočný upínací stůl
frézovací suport
Přednáška 3 - Výroba ozubených kol
Odvalovací obrážení Odvalovací pohyb mezi nástrojem a obrobkem je založen na principu záběru základního hřebene s ozubeným kolem (hřebenový nůž), resp. na vzájemném odvalování dvou ozubených kol (kotoučový nůž). Obrážení je vhodné pro výrobu čelních ozubených kol s přímými, šikmými a šípovými zuby s vnějším i vnitřním ozubením. Obrážení kotoučovým nožem
Obrážení Kotoučový hřebenovým nůž nožem
kotoučový nůž obrobek
otočný upínací stůl
hřebenový nůž
Přednáška 3 - Výroba ozubených kol
Výroba ozubených kol vstřikováním Při vstřikování se práškový termoplast ve vytápěné tlakové komoře vstřikovacího lisu spojí a odtud se ve stavu polotekutém vstříkne tlakem pístu úzkým kanálkem do vychlazené formy. Vstřikování se používá k výrobě malých ozubených kol s nízkou přesností. Jeho výhodou je nízká cena. Vstřikovací lis
Ozubené Kotoučový kolo uvnitř nůž formy
obrobek
otočný upínací stůl
Přednáška 3 - Výroba ozubených kol
Tepelné a chemicko-tepelné zpracování Povrchové kalení - Zjišťuje tvrdý, otěru vzdorný povrch zubů při zachování relativně měkčího a houževnatého jádra. Povrchovému kalení předchází zušlechťování. Tvrdost povrchové oblasti zubů je HRC = 45 až 55. Cementování - Používá se u velmi namáhaných kol. Umožňuje dosažení značné tvrdosti povrchové vrstvy HRC = 60 až 63. Tloušťka cementované vrstvy δ se obvykle volí v závislosti na modulu: δ = (0,2 ÷ 0,25) m pro m ≤ 4 mm
δ = 0,5 m
pro m > 4 mm
Nevýhodou cementování jsou deformace ozubení, které vedou k nutnosti zařadit dokončovací operace. Nitridování - Umožňuje dosáhnout minimálně stejné tvrdosti boků zubů jako cementování, tj. HRC = 60 až 65. Vzhledem k malé tloušťce povrchové vrstvy je však její únosnost v dotyku nižší. Nitridování nevyvolává deformace a proto zpravidla nevyžaduje dokončovací operace. Nitridovaná kola jsou vhodná pro přenos středních a větších zatížení spíše klidného charakteru, a hlavně v případech, kdy se požaduje malé opotřebení boků zubů. Přednáška 3 - Výroba ozubených kol
Dokončovací operace Ševingování je dokončovací operace pro měkké ozubení. Je založeno na principu záběru dvou šikmozubých kol s mimoběžnými osami, přičemž materiál je odebírán pomocí radiálních řezných drážek na nástroji a skluzem mezi nástrojem a obrobkem. Ševingování zlepšuje přesnost o 1 stupeň dle ISO.
nástroj
obrobek
Diskontinuální odvalovací broušení α
l
r
r
α
Broušení se používá jako dokončovací operace pro kalená ozubená kola. Zuby čelních kol se brousí buď profilovým (dělícím) nebo odvalovacím broušením. Odvalovací broušení se používá v sériové a hromadné výrobě. Dosahovaná přesnost dle ISO je 4 až 7 třída přesnosti. Přednáška 3 - Výroba ozubených kol
Lícování ozubených kol Stupeň přesnosti ozubení je dán souhrnem kinematické přesnosti, plynulosti chodu a dotykem zubů. ČSN - ISO, resp. DIN třídí ozubená kola do 12 stupňů přesnosti. Lícování dále tvoří boční vůle a úchylka vzdálenosti os. Výrobní náklady versus stupeň přesnosti
Stupně přesnosti dle ISO
stupeň přesnosti AGMA
nejvyšší dosažitelná přesnost vysoká přesnost střední vyšší přesnost střední přesnost nízká přesnost velmi nízká přesnost
jednotková cena
broušení hranice broušení hranice ševingování hranice frézování
výrobní náklady
10 × jednotková cena
2-3 4-5 6-7 8-9 10 - 11 12
ševingování frézování
Příklady použití
letecké převody náklady jsou úměrné průmyslové převody přesnosti automobilové převodovky převody elektrických motorů pomaluběžné převody
4-5 6-7 8-9 8-9 10 - 11
stupeň přesnosti ISO Přednáška 3 - Výroba ozubených kol
Převodové mechanismy s ozubenými koly http://www.sfu.ca/immr/
Look long on an engine, it is sweet to the eyes. MACKNIGHT BLACK
Ozubené soukolí Ozubené soukolí je nejjednodušší formou převodového mechanismu a základní stavební jednotkou pro složitější mechanismy. Sestává z dvojice ozubených kol - menší se označuje jako pastorek, větší jako kolo. Změnu otáčivého pohybu realizovanou soukolím charakterizuje převodové číslo u. Jediným ozubeným soukolím lze dosáhnout převodového čísla maximálně 10. Soukolí s vnějším záběrem
Soukolí s vnitřním záběrem
kolo
pastorek
ω2 r2
ω1
r1
pastorek
kolo
r2 r1 ω1
u12 =
(+)
(−)
ω2
ω1 r z =− 2 =− 2 ω2 r1 z1
u12 < 1 př. do rychla u12 > 1 př. do pomala
u12 =
ω1 r2 z2 = = ω2 r1 z1
Přednáška 3 - Převodové mechanismy
Sériové řazení soukolí Při sériovém řazení soukolí je celkové převodové číslo u dáno poměrem počtu zubů prvního a posledního kola. Vložená kola nemají vliv na velikost převodového čísla, ale pouze na smysl otáčení. Je-li počet vložených kol lichý, otáčí se hnací i hnaný hřídel v témže smyslu; je-li sudý, otáčejí se v opačném smyslu. Obvykle se nepoužívá více než jedno vložené kolo. z1
z2
z3
z4
z5
u = u12 u23 u34 u45 ⎛ z ⎞⎛ z ⎞⎛ z ⎞⎛ z ⎞ z u = ⎜⎜ − 2 ⎟⎟⎜⎜ − 3 ⎟⎟⎜⎜ − 4 ⎟⎟⎜⎜ − 5 ⎟⎟ = 5 z1 ⎝ z1 ⎠⎝ z2 ⎠⎝ z3 ⎠⎝ z4 ⎠
vložené kolo
Přednáška 3 - Převodové mechanismy
Sériově-paralelní řazení soukolí V případě sériově-paralelního řazení soukolí nese alespoň jeden hřídel dvě nebo více ozubená kola. V závislosti na velikosti převodového čísla u se používá převod dvoustupňový (6 ≤ u ≤ 40), třístupňový (40 ≤ u ≤ 200) nebo vícestupňový. Podle vzájemné polohy vstupního a výstupního hřídele může být převod uspořádán paralelně nebo koaxiálně. z2
z6
z5
z1
koaxiální uspořádání z3
z7 z4
z8
u = u12 u34 u56 u78 ⎛ z ⎞⎛ z ⎞⎛ z ⎞⎛ z ⎞ u = ⎜⎜ − 2 ⎟⎟⎜⎜ − 4 ⎟⎟⎜⎜ − 6 ⎟⎟⎜⎜ − 8 ⎟⎟ ⎝ z1 ⎠⎝ z3 ⎠⎝ z5 ⎠⎝ z7 ⎠
paralelní uspořádání Přednáška 3 - Převodové mechanismy
Planetové převodové mechanismy Planetové mechanismy se skládají z centrálního kola, korunového kola s vnitřním ozubením a satelitů otočně uložených na unašeči. Satelity konají dva současné pohyby otáčejí se na čepech unašeče a současně s ním i okolo centrální osy převodu. Výhodou planetových převodů je přenos velkých výkonů a realizace vysokých převodových čísel při relativně malých rozměrech a nízké hmotnosti převodového ústrojí. korunové kolo
1
centrální kolo
2
unašeč
3 A 4
satelit
B
Bod A v31 = v21
Bod B v31 = 0
v34 + v41 = v21
v34 + v41 = 0
− r3ω34 + r2 ω41 = r2 ω21 − r3ω34 + r1ω41 = 0 r z2 ω41 = 2 ω21 = ω21 r1 + r2 z1 + z2 r1r2 z1 z2 ω34 = − ω21 = − ω21 r3 (r1 + r2 ) z3 ( z1 + z2 ) ω31 = ω34 + ω41
ω31 = −
r1 = r2 + 2r3
z r2 ω21 = − 2 ω21 2r3 2 z3 Přednáška 3 - Převodové mechanismy
