История развития шестерни доклад

Обновлено: 04.07.2024

Уважаемый читатель, наверняка ты прекрасно знаешь, что такое шестеренка или по другому зубчатое колесо.

Изобретение зубчатых колес - это большое достижение человека.

Шестеренки были изобретены человеком в древности, как раз для усиления крутящегося момента, для подъема тяжестей.

По крайней мере в Древнем Египте уже использовали первые примитивные шестеренки.

Для орошения земель уже использовались приводимые в действие быками устройства, состоявшие из деревянной зубчатой передачи и колеса с большим числом ковшей.

Вместо зубьев первоначально использовали деревянные цилиндрические или прямоугольные пальцы, которые устанавливали по краю деревянных ободьев.

Изготовленный в I веке до н.э. Антикитерский механизм состоял из десятков металлических зубчатых колес и содержал не менее 30 бронзовых шестерёнок в прямоугольном деревянном корпусе.

Этот механизм был астрономическим прибором и использовался для расчёта движения небесных тел.

Сейчас шестеренки можно встретить во многих устройствах, например, в часах.

В затворе плотины

И еще много где.

А теперь, внимание, вопрос на засыпку, уважаемый читатель.

Представь себе ситуацию, ты идешь по дороге и вдруг видишь на асфальте лежит шестерня.

Ответь для себя честно. С какой вероятностью ты бы подумал о том, что эта шестеренка могла бы образоваться сама собой в результате эволюции?

Чтобы ты вообще сказал о разуме человека, который бы стал твердить - что это результат эволюции и эта шестеренка сама собой образовалась, например, кусок металла за миллионы лет стал тереться там о что-нибудь и сформировал шестерню?

Ведь сама идея передачи усилия через зубчатые колеса - все это идея РАЗУМА, изобретателя, механика. У которого была цель - что-то поднять, передать крутящийся момент, передать усилие,

Вообще, чтобы создать шестеренку, которая бы работала как надо, нужно учитывать много факторов, такие как количество зубьев, шаг зубьев, высота головки зубьев, диаметр окружности еще много других.

В механике есть формулы, позволяющие рассчитать все параметры шестеренок.

Очевидно, что это продукт инженерной мысли. Никто не будет использовать шестеренку просто так, не зная куда ее вставить.

Мало спроектировать, потом шестеренку надо изготовить, нарезать

Или на худой конец отлить в форме, как это делали в Китае, 200 лет до Рождества Христова.

Чтобы изготовить и использовать шестеренку нужно:

Осознать необходимость, где нужно ее использовать.
Выбрать нужный вид шестеренки
Спроектировать ее с точки зрения необходимых качеств
Изготовить
Включить в состав конечного изделия

Все это невозможно сделать само собой, это все результат

РАЗУМА
ЦЕЛИ
ПЛАНИРОВАНИЯ
УСИЛИЙ
РАЗУМНОГО ЗАМЫСЛА КОНЕЧНОГО ИЗДЕЛИЯ

Никаким образом эволюционным образом шестеренка не может быть произведена.

А теперь самое главное, внимание!

Issus coleoptratus — вид прыгающих насекомых из семейства иссид (цикад).

Размер тела составляет 5,5—7,0 мм в длину.

В 2013 году ученые с большим удивлением обнаружили в ее конструкции самые настоящие шестеренки, зубчатые колеса, позволяющие ей прыгать.

У личинок этого насекомого есть небольшие наросты в форме шестерни на каждой из пар задних ног. Эти наросты имеют зубцы, которые цепляются друг за друга. Размер механизма около 400 микрометров.

Больше ни у кого таких шестеренок нет!

И эти шестеренки действуют только на определенной стадии развития личинки, потом за ненадобностью отпадают.

Интересно, что зубчатая передача в ногах насекомого имеет ряд особенностей, которые применяются в современных коробках передач автомобилей и других механизмах.

Все еще думаете, что шестеренки в цикадах продукт эволюции?

Вспомните, что вы ранее подумали о разуме человека, который утверждает, что механизм сцепления, зубчатых колес, мог бы быть плодом эволюции?

Это уникальный пример, явно указывающий на РАЗУМ ТВОРЦА.

Никакая эволюция не могла дать шестеренки, для этого у нее нет ни цели, ни разума, ни способности спланировать, ни разумного замысла как и где будут использоваться шестеренки.

Но Бог дал это этим насекомым, запрограммировав в ДНК (программе развития) появление этих шестеренок. И я не исключаю, что Он это сделал для того, чтобы показать, спустя много тысяч лет, что именно БОГ Творец всего, Он первый, кто использовал шестеренки в конструкциях, а совсем не человек.

И только потому, что человек имеет разум, данный ему Богом, ПОЭТОМУ человек оказался способен изобрести и использовать шестеренки.

Но ИЗНАЧАЛЬНО, эта идея БОГА, подумайте об этом.

Мир - это продукт РАЗУМА, разумного замысла ТВОРЦА, а не продукт случайной эволюции.

И этот Творец скоро грядет в этот мир, чтобы судить его за неверие.

Пересмотри свои взгляды, покайся, пока есть время.

Познакомиться с тем, что нравится Творцу, а что нет, как жить и что делать ты можешь в специальной книге инструкции, которую Он оставил на земле - в Слове Божьем, в Библии.

Тот, кто придумал шестеренку для личинки цикады и сохранил ее в тайне до 2013 года, поверь, смог сохранить Свое Слово живым и действенным, чтобы спасти твою душу и в этом мире и в вечности.

Где вы оказались? Вы на канале " Ключи разумения. Апокалипсис " - то, что вы хотели знать о Боге, Библии, но вам не рассказали. А мы рассказываем ясно и просто, с картинками. Отвечаем на сложные вопросы. Вы здесь не случайно , поэтому обязательно подпишитесь на наш канал, чтобы не пропустить новые статьи. Мы пишем, чтобы вы могли найти вечную жизнь и мир с Богом. Нас лучше всего читать по порядку с самого первого поста и далее.

Зубчатое колесо

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

В современном мире трудно представить жизнь человека без использования машин разного предназначения - это и простые механизмы, и более сложные машины. В современных машинах и механизмах для передачи вращательного движения широко применяются зубчатые передачи. Они находят широкое применение во всех отраслях машиностроения, а также в автомобилестроении, станкостроении, производстве сельхозмашин и других отраслях.

Я решил разобраться в механизмах передачи движения, чтобы узнать, как передается и изменяется вращательное движение между мотором и колесом. Можно ли увеличить скорость движения, имея под рукой только шестеренки?

Цель данной работы: изучить возможность применения зубчатой передачи в различных механизмах и устройствах.

Изучить литературу по данной теме.

Рассмотреть различные механизмы и приспособления, в которых применяется зубчатая передача.

Познакомиться с историей возникновения зубчатого колеса.

Собрать модели с зубчатой передачей.

Оформить исследования в виде проекта:

Объект исследования зубчатое колесо

Предмет исследования различные механизмы

Гипотеза: зубчатое колесо или шестерня существует давно, но и в современном мире применяется очень часто.

Методы исследования – изучение литературы по данной теме, эксперимент, анализ, систематизация, обобщение.

Данное исследование может послужить докладом изучаемой темы на занятиях физики, будет востребована на занятиях по робототехнике и легоконструированию для создания моделей и разных механизмов.

Основная часть.

История появления зубчатого колеса

Нас заинтересовало, а когда же появилась эта передача впервые, и вот что мы смогли выяснить:

В 3500 году до нашей эры было изобретено первое колесо в государстве Шумеры. Прогресс не стоял на месте, и в 250 году до нашей эры Архимед изобрел свой знаменитый винт, который дал толчок к развитию водяных колес, появившихся в 200 году до нашей эры в Риме. Первые водяные мельницы появились около 300 года нашей эры возле Барбегаля во Франции и в Британии, они применялись сначала только для помола зерна. Ветряные мельницы с горизонтальной осью появились около 700 года нашей эры в Персии, а затем в 1200 году в Европе появились мельницы с вертикально расположенным колесом. На старинных гравюрах можно увидеть одну из таких машин, которая дробит, размалывает, промывает золотую руду и смешивает золото с ртутью.

В эпоху Средневековья в водяных мельницах повсеместно применялись деревянные шестерни, и только в Швеции - шестерни из камня. В 16 веке в Соловецком монастыре игумен Филипп (Федор Степанович Колычев), впоследствии митрополит Московский, изобрел установку: в неё входили мельницы, которые мололи зерно, просеивали помол и были ещё крупорушками. Установка имела к тому же устройство для приготовления кваса.

Деревянные шестерни широко были распространены в 18 веке и использовались во всем мире на различных производствах (например, на ткацких фабриках, сталелитейных заводах и др.). Во второй половине 19-го века, в эпоху бурного развития электростанций, железных дорог и производств, повсеместное использование электрических моторов и паровых двигателей привело к увеличению спроса на хорошие металлические шестерни.

Виды зубчатых колёс

Зубчатые колеса классифицируются в зависимости от формы продольной линии зуба на: прямозубые, косозубые, шевронные, колеса с круговыми зубьями.

П рямозубые колёса — самый распространённый вид зубчатых колёс. Зубья расположены в радиальных плоскостях, а линия контакта зубьев обеих шестерён параллельна оси вращения. При этом оси обеих шестерён также должны располагаться строго параллельно.

К осозубые колёса являются усовершенствованным вариантом прямозубых. Их зубья располагаются под углом к оси вращения, а по форме образуют часть спирали.

Шевронные колеса. Колеса с круговыми зубьями.

акже зубчатые колеса бывают с внутренним и внещним зацеплением.

Достоинства и недостатки зубчатых колес.

- Зацепление таких колёс происходит плавнее, чем у прямозубых, и с меньшим шумом.

- Площадь контакта увеличена по сравнению с прямозубой передачей, таким образом, предельный крутящий момент, передаваемый зубчатой парой, тоже больше.

Недостатками косозубых колёс можно считать следующие факторы:

- При работе косозубого колеса возникает механическая сила, направленная вдоль оси, что вызывает необходимость применения для установки вала упорных подшипников;

- Увеличение площади трения зубьев (что вызывает дополнительные потери мощности на нагрев), которое компенсируется применением специальных смазок.

Достоинства зубчатой передачи

Недостатки зубчатой передачи

Большая надёжность и долговечность

Повышенные требования к точности изготовления и монтажа

Высокий коэффициент полезного

действия (КПД) до 97-98%

Шум при больших скоростях

Простота в эксплуатации

Высокая жёсткость конструкции

Постоянство передаточного числа

Высокая нагрузочная способность

Изготовление зубчатых колес

При изготовлении зубчатых колес могут применятся такие инструменты, как гребенка, червячная фреза и долбяк.

Метод обката с применением гребенки

Режущий инструмент, имеющий форму зубчатой рейки, называется зуборезной гребёнкой. На одной стороне гребёнки по контуру её зубьев затачивается режущая кромка. Заготовка накатываемого колеса совершает вращательное движение вокруг оси. Гребёнка совершает сложные перемещения, состоящие из поступательного движения перпендикулярно оси колеса и возвратно-поступательного движения, параллельного оси колеса для снятия стружки по всей ширине его обода.

Метод обката с применением червячной фрезы

Помимо гребёнки в качестве режущего инструмента применяют червячную фрезу. В этом случае между заготовкой и фрезой происходит червячное зацепление.

Метод обката с применением долбяка

Зубчатые колёса также долбят на зубодолбёжных станках с применением специальных долбяков. Зубодолбёжный долбяк представляет собой зубчатое колесо, снабжённое режущими кромками.

Метод копирования.

Дисковой или пальцевой фрезой нарезается одна впадина зубчатого колеса. Режущая кромка инструмента имеет форму этой впадины. После нарезания одной впадины заготовка поворачивается на один угловой шаг при помощи делительного устройства, операция резания повторяется.

Горячее и холодное накатывание

Процесс основан на последовательной деформации нагретого до пластического состояния слоя определённой глубины заготовки зубонакатным инструментом. При этом сочетаются индукционный нагрев поверхностного слоя заготовки на определённую глубину, пластическая деформация нагретого слоя заготовки для образования зубьев и обкатка образованных зубьев для получения заданной формы и точности.

Изготовление конических колес.

Для нарезания более точных конических колёс используют способ обкатки в станочном зацеплении нарезаемой заготовки с воображаемым производящим колесом. Боковые поверхности производящего колеса образуются за счёт движения режущих кромок инструмента в процессе главного движения резания, обеспечивающего срезание припуска.

Использование зубчатых передач

Машина - это устройство, выполняющее механические движения, служащее для преобразования энергии, материалов или информации с целью облегчения или замены физического, или умственного труда человека и повышения его производительности. В машинах энергия передается через механизмы с вращающимися звеньями. Звено же – это группа деталей, соединенных между собой и движущихся как одно целое.

Все механические передачи разделяют на две основные группы: передачи, основанные на использовании трения (ременные, фрикционные); передачи, основанные на использовании зацепления (зубчатые, червячные, цепные, винтовые).

В целом, косозубые колёса применяются в механизмах, требующих передачи большого крутящего момента на высоких скоростях, либо имеющих жёсткие ограничения по шумности.

Ш евронные колёса.

Шевронные колёса решают проблему осевой силы. Осевые силы обеих половин такого колеса взаимно компенсируются, поэтому отпадает необходимость в установке валов на упорные подшипники. При этом передача является самоустанавливающейся в осевом направлении, по причине чего в редукторах с шевронными колесами один из валов устанавливают на плавающих опорах (как правило — на подшипниках с короткими цилиндрическими роликами).

Конические зубчатые колёса.

Во многих машинах осуществление требуемых движений механизма связано с необходимостью передать вращение с одного вала на другой при условии, что оси этих валов пересекаются. В таких случаях применяют коническую зубчатую передачу. Различают виды конических колёс, отличающихся по форме линий зубьев: с прямыми, тангенциальными, круговыми и криволинейными зубьями. Конические колёса с прямым зубом, например, применяются в автомобильных главных передачах, используемых для передачи момента от двигателя к колёсам.

Реечная передача (кремальера) применяется в тех случаях, когда необходимо преобразовать вращательное движение в поступательное и обратно. Состоит из обычной прямозубой шестерни и зубчатой планки (рейки).

Зубчатая рейка представляет собой часть колеса с бесконечным радиусом делительной окружности. Поэтому делительная окружность, а также окружности вершин и впадин превращаются в параллельные прямые линии. Эвольвентный профиль рейки также принимает прямолинейное очертание. Такое свойство эвольвенты оказалось наиболее ценным при изготовлении зубчатых колёс.

Также реечная передача применяется в зубчатой железной дороге.

Коронное колесо — особый вид колёс, зубья которых располагаются на боковой поверхности. Такое колесо, как правило, стыкуется с обычным прямозубым, либо с барабаном из стержней (цевочное колесо), как в башенных часах.

Также существуют и другие виды зубчатых передач. Зубчатые барабаны киноаппаратуры - предназначены для точного перемещения кинопленки за перфорацию. В отличие от обычных зубчатых колес, входящих в зацепление с другими колесами или зубчатыми профилями, зубчатые барабаны киноаппаратуры имеют шаг зубьев, выбранный в соответствии с шагом перфорации. Большинство таких барабанов имеет эвольвентный профиль зубьев, изготавливаемых по тем же технологиям, что и в остальных зубчатых колесах.

Наши эксперименты

Для начала нужно:

Собрать модели с двумя, тремя шестеренками, с разным количеством зубьев.

Провести опыты с шестеренками.

Проанализировать результаты опытов и сделать вывод.

Собрали модель, состоящую из одной большой шестеренки с большим количеством зубьев и малой шестеренки с малым количеством зубьев. При вращении маленькое колесо - ведущее. Отмечаем, что за полный оборот малого колеса, большое колесо делает пол оборота и двигается в противоположенном направлении.

Вывод: Когда маленькое колесо приводит в движение большое, то шестерня (большое колесо) двигается с меньшей скоростью, но с большей силой – это понижающая передача.

Сборка модели прежняя. При вращении большое колесо - ведущее. Отмечаем, что за полный оборот большого колеса, малое колесо делает два полных оборота и двигается в противоположенном направлении.

Вывод: Когда большое колесо приводит в движение малое, то шестерня (маленькое колесо) двигается с большей скоростью, но с меньшей силой - повышающая передача.

Собрали модель, состоящую из одной большой шестеренки с большим количеством зубьев и двух малых шестеренок с малым количеством зубьев.

П ри вращении любое крайнее колесо - ведущее. Отмечаем, что шестерня двигается в одном направлении с ведущим. На данном примере мы наблюдаем зубчатую передачу, то есть передачу вращательного движения.

Вывод: При добавлении третьей шестеренки, направление движения вращающего колеса и шестерни совпадает. Этот тип передачи очень полезен, потому как позволяет получать: большую скорость маленького колеса или большую силу движения большого колеса.

Следуя пошаговой инструкции, мы построили вертушку, которая раскручивает волчок с различными скоростями. Модель состоит из кирпичиков ЛЕГО, зубчатых колес (разного размера), мотора. Чтобы модель работала лучше не нужно сильно прижимать его к поверхности стола – волчок должен вращаться свободно.

Запрограммировали модель, программа включает мотор. Энергия передается от компьютера на мотор, вращается коронное зубчатое колесо. Это зубчатое колесо приводит в движение маленькое зубчатое колесо, установленное на одной оси с большим зубчатым колесом, которое поэтому тоже вращается. Волчок вставляют верхней части в вертушку. На верхушке волчка закреплено маленькое зубчатое колесо, через которое волчку передается крутящий момент, и когда волчок освобождается, он продолжает крутиться.

Можно отметить, что по применению и распространению в различных областях народного хозяйства зубчатые передачи по праву занимают первое место. В любой отрасли машиностроения, приборостроения, на транспорте и т.д. зубчатые передачи находят широкое применение. В наше время зубчатые колёса являются важнейшей частью машиностроения. Поэтому в своей работе мы постарались дать описание некоторых видов зубчатых колёс, которые дают возможность оценить целесообразность того или иного вида передачи движения и дают начальное представление об оптимальных вариантах использования тех или иных зубчатых колёс.

3. Заключение

В моей исследовательской работе я использовал зубчатый вид передачи. Что же такое зубчатая передача? Зубчатая передача – это механизм или часть механизма, в состав которого входят зубчатые колеса или другими словами шестеренки. Современная область применения зубчатой передачи — от часов и приборов до самых тяжелых машин.

Зубчатые передачи представляют собой наиболее распространенный вид передач в современном машиностроении. Они очень надежны в работе, обеспечивают постоянство передаточного числа, компактны, имеют высокий КПД, просты в эксплуатации, долговечны и могут передавать любую мощность (до 36 тыс. кВт).

На основании анализа литературы пришли к выводу, что в большинстве случаев для передачи вращения используются механические передачи, в основном зубчатые, основным элементом которых является шестерня. Кроме того, анализ подтвердил, что размеры шестерней и порядок их расположения напрямую влияют на силу передаваемой энергии вращения и ее направление. Зубчатая передача является основным элементом конструкции в робототехнике.

В ходе выполнения задач данной работы были собраны модели зубчатой передачи. Было проведено четыре опыта, в ходе которых были сделаны выводы.

В заключении можно сделать следующий вывод:

Зубчатая передача может передавать движение вращательное и не только, например, в автомобиле преобразуется вращательное движение руля, через зубатку в прямолинейное движение на ось колеса.

Зубчатая передача позволяет передавать движение с большей скоростью при меньшем усилии или увеличить силу за счет уменьшения скорости.

Моя гипотеза о том, что зубчатое колесо или шестерня существует давно, но и в современном мире применяется очень часто, подтвердилась.

Большая книга экспериментов для школьников, 2006г. Под редакцией Антолнелы Мейеми.

Передачи зубчатые; общие термины, определения и обозначения.— официальное.— Москва: ИПК Издательство стандартов, 1983.— 51с.

Колеса зубчатые; модули.— официальное.— Москва: ИПК Издательство стандартов, 1960.— 4с.

Атлас по технике. - Пер. с исп. - М.: ОЛМА-ПРЕСС Экслибрис, 2003. - 96 с. (Иллюстрированный энциклопедический атлас)

Энциклопедия для детей. Том 14. Техника., глав. Ред. М. Д. Аксёнова. - М.: Аванта+, 2000. - 688 с: ил.

Энциклопедический словарь юного техника/ сост. Б. В. Зубков, С. В. Чумаков - М.: Педагогика, 1980. - 512 с, ил.

Редукторы – это устройства, входящие в приводы машин и оборудования и служащие для повышения крутящих моментов путем снижения угловых скоростей ведомого вала. Они стары почти так же, как и прочие механизмы, созданные человечеством. Единственная известная более ранняя “машина” - это гончарный круг. Редукторы прошли долгий путь развития, разработано множество их разновидностей: червячный, цилиндрический, конический, планетарный и др., а также мотор-редуктор - более сложная конструкция, объединяющая редуктор и двигатель.

Крутящий момент в редукторах преобразуется и передается с помощью механических передач. Применяются различные виды передач: цепные, червячные, кроме того, очень распространены передачи зубчатые. Основная деталь, применяемая в механизмах зубчатой передачи – это зубчатое колесо или шестерня. Представляет собой диск с конической или цилиндрической поверхностью и расположенными на равном расстоянии зубьями. Ее важнейшая функция - передача вращательных движений между валами при помощи зацепления с зубьями соседней шестерни.

Впервые простейшие шестерни были сцеплены друг с другом и передали вращательные движения около 3000 лет назад. В Древней Греции использовались деревянные и металлические шестерни с клинообразными зубьями. Позднее, в Римской Империи, деревянные шестерни нашли применение в работе зерновой мельницы, а металлические шестерни - во многих малогабаритных механизмах.

В первой половине 20-го века появились быстро вращающиеся турбины. Для них потребовались намного более надежные зубчатые передачи, чем те, что использовались для медленно вращающихся паровых турбин поршневого типа. Но наибольший спрос на шестерни возник, когда в начале 20-го века появились автомобили и грузовики с моторами (шестерни вообще не требовались в двуколках на лошадиной тяге в 19-м веке). Вскоре крупные машиностроительные компании обнаружили, что в мире нет готовых производств, способных обеспечить их зубчатыми передачами нужного качества и в необходимом количестве. В итоге у них появился стимул создать собственные мощности для производства шестерней.

Около 100 лет назад начали появляться и независимые компании, занимающиеся производством шестерней или созданием приводов. А в целом развитие высокоэффективных, специализирующихся на производстве зубчатых передач предприятий произошло во второй половине 20 века. Хороший пример этого - Bonfiglioli Riduttori, компания, основанная в 1956 году. Можно сказать, что 90% технических решений в сфере зубчатых механизмов были получены в 20-м веке! А после 1970 года был сделан огромный шаг вперед, произошел такой технический рывок в машиностроении, что все технологии, развивавшиеся до этого времени, абсолютно устарели.

Сейчас шестерни производятся под автоматизированным и компьютерным контролем, используется автоматизированная система числового программного управления (CNC). Производительность существенно увеличилась, выросло и качество продукции. А развитие технологий в отношении состава используемых материалов дало возможность повысить износостойкость и достигнуть увеличения срока службы. Это недавнее достижение играет важную роль как для производства шестерней, так и для оборудования, с помощью которого они нарезаются и затачиваются.

Ранее номинальные характеристики принимали за основу безопасные изгибные напряжения и напряжения при контакте зубьев. Номинальные характеристики шестерней, подшипников и валов в настоящее время основываются на возможности поломки конкретной продукции, когда элемент шестерни подвергается самым разнообразным нагрузкам (например, начиная от ненагруженного состояния и до полной нагрузки, а также работе при различных температурах). Вязкость смазки, добавки и первичная молекулярная структура масла - все это влияет на то, как хорошо смазка противостоит износу и степени потери трения в зацепляющихся шестернях или роликовых подшипниках. Большая часть тех составов, что применяются сегодня, были неизвестны еще 25 лет назад.

В аэрокосмической сфере, например, сейчас используется нестандартное синтетическое масло, которое способно выдерживать температуры до 315’С (600’F). Для воздушных судов, работающих в вакууме космического пространства, успешно применяются очень необычные составы и покрытия, которые имеют свойство не терять вес при испарении. Если говорить о сфере промышленности, то сейчас возможно даже рассчитать толщину упругогидродинамической масляной пленки, отделяющей контакт двух шестерней или шариков в подшипнике от кольца, по которому они катятся.

Для передачи мощности в механических изделиях используются зубчатые колеса самых разнообразных размеров. Их можно увидеть где угодно – от наручных часов до энерготурбин. По мнению экспертов размер рынка зубчатых колес и редукторов во всем мире оценивается примерно в 200-300 миллиардов долларов и с развитием промышленности этот рынок будет только расти.

Согласно мнению специалистов, история зубчатых колес началась более 2000 лет назад и антикитерский механизм, являющийся частью некой древнегреческой машины, считается одним из древнейших существующих зубчатых механизмов в мире. С технической точки зрения самый большой вклад в развитие зубчатых колес внес Леонардо да Винчи. Его учения наглядно показывают заметную эволюцию зубчатых колес конца XV века, а разработка и формирование основных форм используется и по сей день. Во времена Промышленной революции в конце XVIII века развитие высокопроизводительных станков сделало возможным массовый выпуск зубчатых колес, что способствовало всемирному распространению их использования во всех отраслях промышленности. Являясь неотъемлемым спутником прогресса в сфере производства, зубчатые колеса считаются символом промышленного развития, что нашло свое отражение на изображениях банкнот и национальных элементов разных стран мира. В то время как современный типовой механизм передачи мощности включает в себя преобразователь числа оборотов, ремни и цепную систему, а также зубчатые колеса, ни для кого не секрет, что именно зубчатые колеса являются ведущим элементом, влияющим на КПД передачи, допустимую нагрузку и долговечность. Исследования и разработки в области зубчатых колес активно поддерживаются промышленной и научной сферами, а также правительством. В Японии эвольвентное плоское коническое зубчатое колесо - это коническая зубчатая шестерня новой формы, которая производится в 10 раз быстрее обычной. Эта форма была разработана в 2016 году и привлекла большое внимание специалистов во всем мире. В то же самое время ведется активное исследование в области массового производства зубчатых колес из углепластика, и ожидается, что его ждет большое будущее.

Зубчатые колеса постоянно совершенствуются как неотъемлемый элемент в развитии производства.

В дополнение к передаче вращательного движения в параллельном направлении, зубчатые колеса также могут трансформировать вращательное движение в линейное, изменять направление вращения путем совмещения колес с разными осями вращения и изменять скорость вращения при совмещении колес различных диаметров. Для таких функций было разработано огромное количество различных типов зубчатых колес, в том числе цилиндрическое прямозубое колесо, шестерня реечной передачи, червячное колесо и ведущее коническое зубчатое колесо. Типы зубьев продольного направления также могут различаться, например, есть прямые зубья, косые зубья и спиральные. Число типов зубчатых колес, если их классифицировать в отношении профиля зуба, больше десяти. В настоящее время превалирующими являются эвольвентный и трохоидный профили. В частности, эвольвентный профиль получил широкое распространение в различных отраслях промышленности, т.к. он обеспечивает плавное вращение, а также есть различные способы зубонарезания.

Стандартные материалы для зубчатых колес - это черная и нержавеющая сталь. Также используются и другие материалы, например, инженерный пластик, который способствует сокращению веса колеса, освинцованный чугун для снижения уровня шума при сцеплении колес и закаленная сталь, которая усиливает прочность.

Колеса бывают различных видов, форм, из разных материалов и могут использоваться в самых разнообразных промышленных изделиях.

Одни из известных нам изделий, содержащих зубчатые колеса – это часы и фотоаппараты: маленькие шестерни, шириной менее 1 мм, используются в механизме вращения стрелок часов и линз масштабирования в фотоаппаратах. Сейчас также разрабатываются микро-колеса, и ожидается, что они внесут немалый вклад в развитие наномикроскопических машин.

В оборудовании, используемом в железнодорожном транспорте, кораблестроении, строительной технике, сталелитейной, энергетической и других тяжелых промышленностях, используется множество коробок передач, состоящих из колес различного диаметра. Коробка передач – это общее обозначение механизмов для передачи мощности, которые уменьшают скорость вращения, чтобы достичь высокого крутящего момента или наоборот - повышают скорость вращения. Например, они используются в системах колес железнодорожного транспорта и турбинных генераторах в ветро- и теплоэнергетике.

С недавних пор в аэрокосмической отрасли начали применять турбовентиляторные авиадвигатели с редуктором, которые также оборудованы коробкой передач. Турбовентиляторный авиадвигатель с редуктором – это двигатель, в котором работа зубчатых колес оптимизирует вращение турбовентилятора и, в то же время, позволяет компрессору и турбине вращаться на пике своей производительности. Сначала их применяли на самолетах малых и средних размеров, но также началось внедрение и на крупногабаритных авиалайнерах. По мнению специалистов, такое применение будет только расширяться.

С внедрением зубчатых колес в разнообразные промышленные изделия мы можем видеть, как процветает современное общество, а сами зубчатые колеса являются ключевым элементом в эволюции машинных технологий.

Автомобильная промышленность является основным их потребителем зубчатых колес. По некоторым оценкам, более половины зубчатых колес производятся именно для автомобилестроения. Множество зубчатых колес применяются в АКПП, дифференциалах, рулевых системах и других основных узлах автомобиля. Автомобилестроители действуют в условиях высокой конкуренции, поэтому они уделяют большое внимание увеличению топливной эффективности и сокращению уровня шума, вибрации, низкочастотных звуков, что также требует более передовых методов обработки зубчатых колес. Например, так как необходимость в многоступенчатой АКПП для увеличения топливной эффективности наблюдается в основном у больших транспортных средств, их АКПП содержат больше зубчатых колес и создают больше шума. Необходимо улучшить точность обработки и гладкость поверхностей зубьев и, в то же время, сократить себестоимость обработки зубчатых колес. Сокращение уровня шума, вызываемого сцеплением шестерней, считается решающим, поскольку шум присущ не только транспортным средствам с бензиновым или дизельным двигателями, но также и напрямую влияет на гибридные и электрические транспортные средства, так как при их работе звук, производимый зубчатыми колесами, более заметен.

Производители также осознают необходимость производственной системы, которая смогла бы отвечать на условия постоянно меняющейся экономической обстановки, и выступают за внедрение гибких производственных линий для обработки зубчатых колес. Например, в случае с цилиндрическим прямозубым колесом обработка начинается с вращения заготовки на токарном станке, далее следует нарезание зубчатого колеса при помощи червячной фрезы, заточка зубьев и чистовая обработка происходят также на отдельных станках. Такая производственная линия со специализированными станками эффективна при массовом производстве, но неудобна для штучного выпуска различной номенклатуры деталей. Поэтому недавно тенденция сдвинулась в сторону производственных линий с многозадачными станками и другими станками общего назначения.

Обработка зубчатых колес может быть выполнена на многозадачном станке, который включает в себя функции как токарного станка с ЧПУ, так и обрабатывающего центра. За один установ можно провести все стадии обработки до термической, включая нарезание зубьев и чистовую обработку, которые ранее делались на многочисленных специализированных станках. Для мелкосерийного выпуска большой номенклатуры зубчатых колес этот метод поможет улучшить эффективность производства и снизить стоимость, благодаря таким действиям, как интеграция операций для сокращения времени обработки и количества задействованного оборудования, а также повышение точности по сравнению с традиционными методами производства. Очевидно, что потенциал обработки зубчатых колес на многозадачных станках будет и дальше развиваться, например, с использованием гибридных многозадачных станков с аддитивной технологией, которая позволяет производить колеса больших диаметров путем сварки их элементов.

Mazak предлагает широкую линейку многозадачных станков, а также три вида функций для высокоэффективной обработки зубчатых колес, разработанных на основе накопленного за долгие годы опыта, - SMOOTH Gear Milling, SMOOTH Gear Hobbing, SMOOTH Gear Skiving. Сочетание многозадачных станков и других станков Mazak с этими опциями позволяет за один установ совершать обработку от заготовки до чистовой стадии, и может значительно улучшить производство как колес малых, так и больших диаметров.

Эволюция как зубчатых колес различных диаметров, так и станков, на которых они производятся, изменит будущее производства и поспособствует развитию всех отраслей промышленности. Компания Mazak продолжит разрабатывать и совершенствовать станки и опции, которые способны отвечать Вашим требованиям, внося свой вклад в эволюцию производства.

Корпорация Yamazaki Mazak

Корпорация Yamazaki Mazak (Ямазаки Мазак) - основана в 1919 году в Японии и на протяжении нескольких десятилетий является признанным мировым лидером по производству металлообрабатывающего оборудования – многоцелевых станков, токарных центров с ЧПУ, вертикальных и горизонтальных обрабатывающих центров, станков лазерной резки, а также гибких производственных систем и программного обеспечения. Основной задачей компании является постоянная разработка новых станков, качество которых способно удовлетворять требования производителей по всему миру.

Читайте также: