Методы контроля зубчатых колес

Требования, предъявляемые  к точности зубчатых передач, зависят  от функционального назначения передач  и условий их эксплуатации. В приборах, делительных машинах, в технологическом  оборудовании для нарезания резьбы и зубчатых колес применяют так  называемые «отсчетные передачи», в которых главное внимание уделяют пропорциональности углов поворота зубчатых колес (кинематической точности передачи). Кинематическую точность передачи достаточно полно характеризует постоянство передаточного отношения за полный оборот зубчатого колеса. Колеса этих передач в большинстве случаев имеют малый модуль и работают при малых нагрузках и низких скоростях.

Достаточно часто встречаются  в технике и «силовые» или тяжело нагруженные зубчатые передачи, к точности вращения колес в которых не предъявляют высоких требований (передачи в домкратах, лебедках, прессах и т.д.). При передаче больших крутящих моментов требуется хороший контакт боковых поверхностей зубьев в передаче и максимальное использование площади рабочих поверхностей зубьев.

Деление зубчатых передач  на «отсчетные» и «силовые» достаточно условно, поскольку все они передают крутящие моменты и все должны обеспечить пропорциональность углов  поворота. Например, передачи в механических или электронно-механических часах  вполне могут оказаться «силовыми», если малые по абсолютному значению крутящие моменты передаются узкими зубцами с мелким модулем.

Если у зубчатых передач  нет явно выраженного эксплуатационного  характера, их относят к передачам  общего назначения. К таким передачам  не предъявляют повышенных требований по точности.

В редукторах турбин и  высокооборотных двигателей, в других изделиях с высокой круговой частотой вращения применяют «скоростные передачи»(высокоскоростные, быстроходные передачи), для которых основными являются требования к плавности работы, что необходимо для снижения уровня вибраций и шума при работе изделия. Плавность работы передачи зависит от колебания мгновенных передаточных отношений (различия передаточных отношений в разные моменты зацепления), которые многократно воспроизводятся за один оборот зубчатого колеса. Основными причинами неплавной работы являются такие погрешности зубчатых колес, как неправильное взаимное расположение зубьев (погрешности шага) и неточность формы рабочих поверхностей (погрешности формы профиля зубьев).

Колеса скоростных передач, как правило, имеют средние модули и передают не слишком большие  моменты, однако их зубья могут подвергаться значительным динамическим воздействиям.

В зависимости от условий  работы меняются требования и к боковому зазору между нерабочими профилями зубьев. Эвольвентное зацепление теоретически способно работать при нулевых боковых зазорах (толщина зуба, находящегося в зацеплении, равна ширине впадины ответного колеса). Однако неточности изготовления зубчатого венца приводят к искажению формы и взаимному смещению реальных профилей зубьев, что может вызвать их деформацию или поломку, если толщина зуба будет больше ширины впадины. Смещение реальных профилей зубьев может также быть следствием неточностей монтажа зубчатых колес. Видоизменяют профиль зубьев и его расположение также температурные и силовые деформации.

Для компенсации неточностей  изготовления и монтажа, силовых  и температурных деформаций используют зазор между нерабочими сторонами профилей зубьев находящихся в зацеплении колес. Ширина впадины, превышающая толщину зуба, обеспечивает не только компенсацию технологических погрешностей и деформаций, но и служит также для размещения между зубьями слоя смазки, которая при отсутствии зазоров выдавливалась бы в процессе работы.

В реверсивных передачах  и передачах, работающих в старт-стопном  режиме, назначают минимальный боковой  зазор, что позволяет предупреждать  удары при перемене направления  вращения или начале движения после  остановки. Значительные зазоры назначают в передачах, работающих при высоких температурах, в открытых передачах с высоким риском загрязнения и т.д.

ГОСТ 1643 – 81 в принципе позволяет установить двенадцать степеней точности цилиндрических зубчатых колес  и передач – с 1 по 12 в порядке  убывания точности. В настоящее время допуски и предельные отклонения параметров зубчатых колес и передач нормированы для степеней точности 3...12, а степени 1 и 2 предусмотрены как перспективные. Для каждой передачи (и зубчатого колеса) установлены нормы точности (степени точности) трех видов, определяющие степени кинематической точности, плавности работы и контакта зубьев.

Независимо от степеней точности устанавливают виды сопряжений, которые определяют требования к  боковому зазору. ГОСТ 1643 устанавливает  для зубчатых колес и передач с модулем больше 1 мм шесть видов сопряжений (A, B, C, D, E, H) и восемь видов допуска (a, b, c, d, h, x, y, z) гарантированного бокового зазора j_{n min}(рисунок 13.1).

Рисунок 13.1 – Виды сопряжений, гарантированные боковые зазоры и допуски боковых зазоров

С увеличением в сопряжении гарантированного бокового зазора j_{n min} обычно предусматривается возрастание вида допуска зазора обозначаемого одноименной виду сопряжения строчной буквой (кроме вида допуска e). В большинстве случаев для зубчатых колес и передач рекомендуется поддерживать определенное соответствие между видом сопряжения, допуском бокового зазора и классом отклонения межосевого расстояния (таблица 13.1).

Реальный боковой зазор  в передаче зависит от вида сопряжения, устанавливающего минимальное значение зазора, от допуска зазора, ограничивающего рассеяние зазора между минимально гарантированным и максимально допустимым значениями, а также от соблюдения межосевого расстояния в передаче, рассеяние которого ограничивается выбранным классом точности.

Таблица 13.1 – Рекомендуемое  соответствие между видом сопряжения, допуском бокового зазора и классом  отклонения межосевого расстояния

Для отдельно взятого  зубчатого колеса боковой зазор  рассматривают как зазор между  нерабочими профилями зубьев в воображаемом сопряжении рассматриваемого колеса с  идеальным колесом при выдержанном номинальном межосевом расстоянии.

Обозначение точности зубчатой передачи или колеса включает обозначения  всех назначенных норм точности, то есть степеней точности по показателям  кинематической точности, плавности  работы, контакта зубьев и норм бокового зазора в передаче. При установлении неодинаковых степеней точности по разным нормам, а также при несоответствии между видом сопряжения, допуска бокового зазора и классом точности межосевого расстояния, в обозначении пишутся три числа (указание степеней точности) и две буквы (вид сопряжения и допуск бокового зазора), а через косую черту указывается класс отклонения межосевого расстояния. Например, обозначение точности зубчатого колеса или передачи

7–8–7–Вс/IV[ ГОСТ 1643–81]

расшифровывается следующим  образом: степень точности по нормам кинематической точности 7, по нормам плавности работы 8, по нормам контакта зубьев 7, вид сопряжения В, вид допуска бокового зазора с, класс точности межосевого расстояния IV.

При одинаковых степенях точности и соблюдении соответствия вида сопряжения, допуска бокового зазора и класса межосевого расстояния обозначение существенно сокращается, например 9–В ГОСТ 1643-81 (степени точности по нормам кинематической точности, плавности работы и контакта зубьев 9, вид сопряжения В, вид допуска бокового зазора b, класс точности межосевого расстояния V).

Стандарт допускает  определенное комбинирование норм кинематической точности, плавности работы и контакта по разным степеням точности. Поскольку  между элементами зубчатых колес  существует взаимосвязь, нормы плавности работы колес и передач могут быть не более чем на две степени точнее или на одну степень грубее норм кинематической точности. Нормы контакта зубьев можно назначать по любым степеням, более точным, чем нормы плавности, а также на одну степень грубее норм плавности.

По разным профилям зубьев (левым и правым) одного и того же зубчатого колеса могут быть заданы разные нормы точности, если это  дает определенную экономию при обработке  зубчатых колес, предназначенных для  нереверсивной работы. Желательно чтобы колесо имело асимметричную ступицу во избежание неправильной сборки с переменой «левого» профиля зубьев на «правый».

Допускается не назначать, а значит и не контролировать степень  точности на норму, не имеющую принципиального  значения для конкретной конструкции зубчатого колеса. Если на одну из норм не задана степень точности, то на соответствующем месте обозначения точности зубчатого колеса вместо цифры ставят букву N(например 7–N–6–Ba ГОСТ 1643–81).

Для полной оценки точности геометрических параметров зубчатых колес необходимо обеспечить их контроль по всем нормам (с использованием показателей кинематической точности, плавности работы, контакта зубьев и бокового зазора в передаче). С этой целью разработаны и регламентированы стандартом так называемые контрольные комплексы показателей, обеспечивающие проверку соответствия зубчатого колеса всем установленным нормам. Примеры контрольных комплексов приведены в таблице 13.2.

Таблица 13.2 – Контрольные  комплексы для зубчатых колес

Каждый из контрольных  комплексов устанавливает показатели, необходимые для контроля зубчатого  колеса по всем назначенным нормам точности, причем все стандартные комплексы равноправны. Для контроля каждой из норм точности может быть выбран либо комплексный показатель, либо частный комплекс, характеризующий именно эту норму точности. Например, в контрольный комплекс может входить комплексный показатель кинематической точности F′_ir, либо частные комплексы из элементарных показателей кинематической точности F_pr и F_pkr, либоF_rr и F_vWr. Показатели точности зубчатых колес и передач есть реальные значения, получаемые в ходе измерительного контроля (об этом свидетельствует буква r в конце подстрочного индекса). Установленные стандартом нормы (предельно допустимые значения или допуски) для зубчатых колес или передач с соответствующими номинальными параметрами и определенной степени точности обозначаются такими же литерами с индексами, но без последней в индексе буквы r, например, F′_i, F_p, F_pk, F_r, F_vW.

Выбор метода контроля зависит  от технологии производства зубчатых колес и состояния зубообрабатывающего  оборудования. Согласно положению стандартаесли изготовитель существующей системой контроля технологического процесса обеспечивает требуемую точность изготовления и сборки зубчатых колес, непосредственный их контроль, а также контроль передач по всем показателям установленного контрольного комплекса не являются обязательными.

Если зубчатые колеса по точности соответствуют требованиям установленных норм, контроль зубчатой передачи в сборе необязателен; если собранная передача по точности отвечает требованиям назначенных норм, контроль точности зубчатых колес не является необходимым.

Выбор контрольного комплекса зависит от масштабов производства, требуемой точности и типоразмеров изготовляемых зубчатых колес, наличия зубоизмерительных средств, а также от назначения проверяемых зубчатых колес. Следует учитывать и двоякую цель измерений: во-первых, контроль изготовленных колес предназначен для выявления и изъятия бракованных деталей (приемочный контроль), а во-вторых, результаты измерений зубчатых колес могут быть использованы для оперативного вмешательства в управление производством и корректировки технологических процессов.

При приемочном контроле зубчатых колес в соответствии с  основным следствием из принципа инверсии (необходимость соблюдения единства баз) рекомендуется использовать в  качестве измерительной базы конструкторскую (монтажную) базу, т.е. поверхность, определяющую положение зубчатого колеса в собранном узле или механизме. Для соблюдения этих условий при приемочном контроле в качестве измерительной базы желательно воспроизвести рабочую ось колеса – его основную конструкторскую базу, а сам контроль осуществлять в однопрофильном зацеплении с ответным или с контрольным зубчатым колесом. Понятно, что такие требования не всегда реализуемы и их соблюдение обеспечивает возможности измерения ограниченной номенклатуры показателей.