Спіральний конічний
Шестерні

Спіральна конічна передача — це конічна передача, зубці якої вирізані по вигнутому, косому шляху по конічній поверхні — на відміну від прямих радіальних зубців прямої конічної передачі. Вигнутий зуб забезпечує постійне, перекриваюче зчеплення зубців на відміну від різкого лінійного контакту, що надає спіральним конічним передачам їх характерні переваги: вища вантажопідйомність, нижчий рівень шуму та плавнішу роботу. Вони використовуються там, де потрібно передавати потужність між перетинаючими валами — майже завжди під кутом 90°, хоча можливі й інші кути.

Обидва типи передають потужність між перетинаючими валами та мають однакову конічну геометрію. Різниця полягає у формі зубців: прямі конічні передачі мають зубці, які спрямовані безпосередньо до вершини конуса — прості у виготовленні, але шумніші та з нижчою вантажопідйомністю. Спіральні конічні передачі мають вигнуті, косі зубці, які поступово зчіплюються, що надає їм 20–40% вищу вантажопідйомність для того ж розміру, значно нижчий рівень шуму (зазвичай на 10–15 дБ тихіше) та вищу швидкість лінійного руху. Компромісом є більша складність виробництва та необхідність у підшипнику осьового навантаження, яке генерує спіральний кут.

Спіральний кут (β) — це кут між слідом зубця на конусі кроку та генератором конуса кроку. Він визначає ступінь косості зубців. Стандартний спіральний кут — 35° в передачах системи Глісона — значення, яке балансує вантажопідйомність, осьовий тиск та можливість виготовлення. Вищі спіральні кути збільшують коефіцієнт контакту (плавніша робота), але також збільшують осьовий тиск. Кути від 25° до 45° є звичайними; система Глісона використовує середній спіральний кут 35° як стандарт для більшості автомобільних та промислових конструкцій.

"Глісона" відноситься до системи геометрії зубців, розробленої компанією Gleason Works (Рочестер, Нью-Йорк) для конічних та гіпоїдних передач — домінуючого стандарту в автомобільній та промисловій передачі по всьому світу. Спіральні конічні передачі Глісона використовують процес фрезерування торців який генерує звужену глибину зубця (Duplex Taper), при цьому звуження зубця узгоджується між вінцевою передачею та пініоном. Система Глісона визначає всі параметри: радіус різця, спіральний кут, кут тиску, тип звуження зубця та методи розрахунку контакту зубців. Альтернативною системою є Клінгенберг (Паллоїд), яка використовує безперервний процес нарізання торців, що забезпечує рівномірну глибину зубця.

Обидві виглядають подібно, але відрізняються геометрією валів: спіральні конічні шестерні мають перетинаючі осі — вісь шестерні та вісь кільцевої шестерні перетинаються в точці. Гіпоїдні зірочки мають зсунутих (неперетинаючі, непаралельні) осей — вісь шестерні зсунута нижче (або вище) осі кільцевої шестерні. Гіпоїдні шестерні дозволяють шестерні бути більшими та міцнішими для того ж розміру кільцевої шестерні, дозволяють знижувати вал (використовується в більшості автомобільних задніх мостів для зменшення висоти підлоги) і можуть нести більше навантаження, але є менш ефективними через ковзання та вимагають масла для шестерень з високим тиском (EP). Спіральні конічні шестерні є простішими, більш ефективними та віддаються перевагу, коли зсув осі не потрібен.

Спіральні конічні шестерні є стандартним рішенням будь-де де потрібно змінити напрямок потужності між перетинаючими валами: автомобільний диференціали, трансмісійні коробки та PTO; авіакосмічна редуктори аксесуарів вертольотів та приводи актуаторів; морська кермова шестерня та приводи двигунів; важка промисловість приводи під кутом 90 градусів для змішувачів, конвеєрів та фрезерних верстатів; робототехнічний зап’ясткові суглоби та системи панорамування-нахилу камер; та сільське господарство редуктори відбору потужності. Будь-яке застосування, що поєднує високе крутний момент, помірну до високу швидкість та конфігурацію з перетинаючими валами, є природним кандидатом.

Ключові переваги над прямими конічними шестернями: вища вантажопідйомність (20–40% більше для того ж розміру — перекриваючий контакт зубів краще розподіляє навантаження); нижчий рівень шуму та вібрації (поступове з'єднання, зазвичай на 10–15 дБ тихіше); вища здатність до швидкості лінії зуба (прямі конічні зубчасті колеса обмежені приблизно 5 м/с; спіральні конічні зубчасті колеса працюють плавно вище 40 м/с); плавніша передача крутного моменту — без ударного навантаження; і довший термін служби при циклічному навантаженні. Основні компроміси — вищі витрати на виробництво та осьові навантаження, що вимагають підшипників осьового тиску.

Основні обмеження: вища складність і вартість виробництва — обробка вимагає спеціалізованих машин Gleason або Klingelnberg, а не стандартних фрезерних верстатів; осьове навантаження — спіральний кут генерує значну осьову складову сили, яку потрібно поглинати підшипниками осьового тиску, що ускладнює корпус; чутливість до контактного малюнка — точна відстань монтажу і попереднє навантаження підшипників є критичними, відхилення змінюють контактний малюнок і зменшують термін служби зубчастих коліс; рука спіралі має значення — ліві та праві шестерні не є взаємозамінними; і шліфування часто є необхідним для автомобільних застосувань для оптимізації контактної схеми, додаючи етап процесу.

Контактна схема - це область боковини зуба конічного зубчатого колеса, яка фактично передає навантаження під час зчеплення. Вона візуалізується шляхом нанесення тонкого маркувального складу на зуби та прокатування пари зубчатих коліс під легким навантаженням — склад переноситься на зчеплений зуб, виявляючи контактну зону. Ідеальна контактна схема розташована в центрі лицевої частини зуба, трохи зміщена до носка (малого кінця) під час без навантаження, і переміщується до п'яти (великого кінця) під повним навантаженням.. Схеми, які занадто близько до носка або п'яти, концентрують напругу і викликають передчасний знос або втомлення. Перевірка контактної схеми є обов'язковим етапом вихідного контролю HXC для всіх замовлень на конічні зубчаті колеса.

Напрямок спіралі описує, в якому напрямку зуби вигинаються по конічній поверхні. З точки зору зворотного боку зубчатого колеса, правий (RH) зуби вигинаються за годинниковою стрілкою від вершини; лівий (LH) зуби вигинаються проти годинникової стрілки. Правий пініон завжди зчеплюється з лівим кільцевим зубчатим колесом і навпаки — вони не є взаємозамінними. Напрямок спіралі також визначає напрямок осьової сили: під час навантаження правий пініон генерує силу в напрямку від вершини. Це потрібно вказати на кресленні та узгодити з розташуванням підшипників. HXC виготовляє обидва напрямки на замовлення; будь ласка, вкажіть на вашому кресленні або запиті.

Найпоширеніші кути тиску в спіральних конічних зубчатих колесах Gleason це 20° та 22.5°. Кут тиску 20° є стандартним для більшості промислових та автомобільних зубчатих коліс. Кут тиску 22.5° підвищує міцність кореня зуба і зменшує схильність кореня зуба до підрізання при низькій кількості зубів. 20° є стандартом в HXC; 22.5° та 25° доступні за запитом. Вищі кути тиску збільшують нормальну силу на зубі (а отже, навантаження на підшипники), але дозволяють виготовляти коротші, міцніші зуби. Кут тиску повинен відповідати між пініоном і кільцевим зубчатим колесом — їх не можна змішувати.

Спіральні конічні зубчаті колеса можуть бути виготовлені практично в будь-якому відношенні, але практичні одноступінчасті відношення коливаються від 1:1 до приблизно 8:1. Можливі передаточні числа понад 8:1, але шестерня стає дуже малою з невеликою кількістю зубців, що робить її конструктивно слабкою; зазвичай віддають перевагу двоступеневому рішенню при співвідношеннях понад 8:1. Найпоширеніший діапазон — від 1,5:1 до 5:1. При співвідношенні 1:1 (конічні шестерні) комплект симетричний і обидві шестерні ідентичні — дуже поширено у приводах інструментів та зап’ясть роботів. HXC може розрахувати оптимальну кількість зубців для будь-якого потрібного співвідношення; просто вкажіть ваше співвідношення та швидкість вала у запиті.

Конічна шестерня — це просто конічна передача з передаточним числом 1:1 — обидві шестерні однакового розміру і мають однакову кількість зубців. Вони використовуються для зміни напрямку обертання вала на 90° без зміни швидкості. Оскільки обидві шестерні ідентичні, комплект конічних шестерень є найбільш економічною конструкцією (один артикул замість двох). Вони можуть бути прямозубими, спіральними або з нульовим кутом спіралі. Спіральні конічні шестерні мають ті ж переваги щодо шуму та навантаження, що й інші спіральні конічні передачі, і поширені у прямокутних приводах для приладів, робототехніки та компактних промислових редукторів.

Конічні шестерні з нульовим кутом спіралі — це особливий випадок: вони мають вигнуті зубці, як і спіральні конічні шестерні, але нульовий середній кут спіралі — зубці вигинаються по поверхні, але дотикаються до генератора конуса діаметра у середині. Це означає, що конічні шестерні з нульовим кутом спіралі мають відсутнє осьове навантаження по осі (перевага над спіральними конічними), зберігаючи поступове зачеплення зубців і менший шум вигнутих зубців (перевага над прямозубими конічними). Недолік — менша вантажопідйомність порівняно зі спіральними конічними шестернями такого ж розміру, оскільки контактне співвідношення менше. Конічні шестерні з нульовим кутом спіралі переважно використовуються у приводах авіаційних приладів, де усунення осьового навантаження важливіше за максимальну вантажопідйомність.

Для максимальної довговічності при контакті та вигині — у автомобільних і промислових приводах — кейс-загартований 20CrMnTi (цементовані до HRC 58–62) та 18CrNiMo7-6 є стандартними у галузі, обидва повністю загартовані, а потім шліфовані до DIN 5–6. Для важких промислових прямокутних приводів, 42CrMo4 віддають перевагу повністю загартованим до HRC 50–55. Для морських і корозійних середовищ, нержавіюча сталь SUS316L з пасивацією. Для авіації, де критична вага, Ti-6Al-4V or Al 7075-T6. Для низького навантаження, низького шуму правих куточкових приводів, латунь C36000 or POM в поєднанні з сталевим приводом значно зменшує шум.

Надайте якомога більше з наступного: модуль (або діаметральний крок), кількість зубів на піні та кільцевій передачі (або необхідне співвідношення), кут валу (зазвичай 90°), рука спіралі (LH або RH піньйон), кут тиску (20°, якщо не вказано), ширина обличчя, відстань монтажу та задній кут, клас якості (клас DIN), матеріал, термічна обробка та твердість, вимога до обробки поверхні, та кількість. Лист резюме Gleason або файл STEP з даними про зуби є ідеальним. Якщо у вас є лише співвідношення та вимога до потужності, наші інженери можуть розрахувати повну геометрію — просто надайте швидкість валу, момент і обмеження контуру.

Зазор у конічних зубчастих колесах — це зазор між ненавантаженими бічними гранями зубів зчепленої пари, вимірюваний на колі пітча в нормальній площині. Він регулюється під час складання шляхом підкладання осьового штифта або кільцевого зубчастого колеса, а не обробляється в окремих зубчастих колесах — саме тому встановлений зазор, а не допуски окремих зубчастих коліс є відповідною специфікацією. Типові значення зазору для автомобільного конічного набору модуля 3 становлять 0.08–0.18 мм; для прецизійного набору інструментів модуля 1.5, 0.02–0.06 мм. DIN 3967 визначає класи допусків зазору. Для підібраних наборів HXC може перевірити зібраний зазор на нашому тестері зубчастих коліс і надати рекомендацію щодо цільової товщини підкладки.