Передачи с зацеплением новикова кратко
Обновлено: 05.07.2024
Процесс эволюции и совершенствования передаточных механизмов прошёл трудный и долгий путь от времён Античности до наших дней. Казалось, что всё возможное уже изобретено и нет никаких дальнейших путей в развитии…
Однако, в 1954 году советский конструктор и изобретатель Михаил Леонтьевич Новиков (кстати, лауреат Ленинской премии) представил широкому научному сообществу неожиданное, но весьма эффективное конструкторское решение классической зубчатой передачи в виде взаимодействующих между собой зубчатых колёс, имеющих профиль в виде вогнутых и выпуклых кривых.
Особенности.
За счёт особой формы зубьев в передаче с зацеплением Новикова достигается увеличение площади соприкосновения вращающихся деталей. Это позволяет увеличить передачу мощности примерно в 1,5-1,7 раза относительно аналогичного эвольвентного профиля. При этом толщина масляной плёнки между зубьями увеличивается, a высота зуба – снижается. Такое решение повышает КПД изделия и увеличивает общий срок службы механизма в результате возникновения повышенной прочности зуба на изгиб.
РИС.1. Сопряжения зубчатых колес с зацеплением Новикова
Кроме этого есть возможность использовать различные профили зубчатых колёс: выпуклые и вогнутые, что позволяет расширить спектр решаемых редуктором задач. Передача также может быть, как цилиндрической, так и конической. B настоящее время зацепление Новикова используется большей частью в цилиндрических редукторах.
Зацепление по Эйлеру и его особенности.
Такой тип передачи получил самое широкое распространение и является одним из самых популярных до сих пор. Можно отметить целый ряд плюсов этой передачи:
- сохранение постоянного передаточного числа вне зависимости от расстояния между ведомым и ведущим валами;
- простота технологии изготовления;
- надёжность в эксплуатации;
- взаимозаменяемость зубчатых колёс вне зависимости от механизма, где они установлены.
Недостатком эвольвентной передачи можно назвать некоторое ограничение по передаваемой мощности, поэтому передача Новикова стала удачным и своевременным дополнением, решившим много потребностей промышленности.
Преимущества передачи Новикова.
Цель разработки передачи Новикова как раз и состояла в устранении главного недостатка эвольвентной передачи – ограничения передачи мощности. Как мы уже говорили выше, зацепление Новикова позволило увеличить передаваемую мощность в 1,5-1,7 (в особых случаях даже до 2-x) раз. Это отвечало требованиям развивающейся промышленности и нашло применение в промышленных редукторах различного назначения.
К остальным плюсам передачи Новикова можно отнести: использование более высоких передаточных отношений, повышенная прочность элементов за счёт их особой формы, снижение трения и повышение КПД, меньшие тепловыделения при работе механизма, повышенная износостойкость изделия за счёт улучшения системы смазки, снижение массы и габаритов зубчатых колёс, возможность использования вала большего диаметра и увеличения нагрузки на вал.
При использовании зацепления Новикова оси валов расположены параллельно. Это позволяет использовать профиль зуба со сниженной высотой, что повышает его надежность при воздействии изгибающей нагрузки.
Недостатки передачи Новикова.
Отрицательные стороны механизмов, собранных на передаче Новикова, также связаны с её конструктивными особенностями.
К основному минусу можно отнести общую сложность конструкции, для изготовления которой требуется увеличение количества производственных операций, применение различных станков и инструментов, a также привлечение квалифицированного рабочего персонала. Это относится не только к производству, но и к проведению ремонта и технического обслуживания.
Кроме этого присутствует ограничение по скоростям вращения (не более 1,8 тыс. об/мин), повышенные требования к качеству сборки и притирке зубчатых колёс, повышенные нагрузки на группу подшипников.
Несмотря на все перечисленные недостатки, редукторы с зацеплением Новикова начали применяться в СССР, успешно прошли сертификацию в современной России и странах СНГ и нашли своё заслуженное признание во многих отраслях промышленности.
Применение в редукторах.
На эту тему периодически поднимается активная полемика в специализированных изданиях, но есть консолидированное мнение авторитетных специалистов в области механики, с которым трудно не согласиться.
РИС.2. Применение зубчатых колес с зацеплением Новикова в редукторах серии ЦУ
Смысл этого вывода весьма печален: предприятия готовы пожертвовать увеличением производительности и энергоэффективности ради снижения общих капитальных затрат на модернизацию производства.
Тем не менее редукторы, основанные на передаче Новикова, успешно применяются в таких ответственных сферах, как буровые и подъёмные механизмы, тяжёлом машиностроении, металлообработке, в шахтном оборудовании и т.п.
Где применяется зацепление Новикова.
Зацепление Новикова нашло широкое применение цилиндрических редукторах горизонтального типа ЦУ, 1Ц2У и 1Ц3У. Благодаря этому типу зацепления редукторы служат на порядок дольше при этом КПД достигает 0,9.
В современных устройствах, включая редуктор, применяют два типа зубчатых передач:
Особенности
Открытие зубчатой передачи с зацеплением Новикова в 50х годах прошлого столетия стало прорывом в машиностроительной индустрии. До нее эвольвентному зацеплению де-факто не было аналогов, а его нагрузочная способность во многом уступала требованиям технического прогресса. И хотя сегодня эвольвентная сборка по-прежнему является самой распространенной, в практике изготовления особо ответственных систем и редукторов, которым объективно нужен большой ресурс производительности, зубчатая передача Новикова пользуется более высоким спросом.
Суть идеи Михаила Леонтьевича – замена линии контакта зубчатых профилей точкой соприкосновения, что позволило:
- изменить форму профилей в торцевом сечении (вместо взаимоогибаемых кривых – зубья с окружностями радиусов, разность кривизны которых минимальна);
- уменьшить высоту зуба, повысив его изгибочную прочность.
Зацепление по Эйлеру и его особенности
Идея зубчатой передачи с зацеплением Новикова оказалась очень своевременной: потребность в ней к моменту появления уже назрела, и не только в классических системах – цилиндрических или конических, но и в более сложных планетарных и волновых. Однако отрицать плюсов эвольвентного зацепления, важных и на сегодняшний день, нельзя. Среди них:
- возможность применения в сменных колесах;
- стабильное передаточное отношение вне зависимости от изменения расстояния между осями валов (то же касается правильности зацепления, оно константно при изменении межосевого отрезка);
- технологичность изготовления;
- эксплуатационная надежность (впрочем, по данному качеству передача Новикова эвольвентой системе не уступает).
К минусам же зацепления по Эйлеру относятся чувствительность к перекосам, потери на трение при вращении элементов, напряжения в шестернях и рабочем колесе из-за большей площади контакта. Все это делает эвольвентное зацепление малоэффективным в системах и редукторах, где требуется большой момент силы при вращении.
Преимущества передачи Новикова
Передача Новикова разрабатывалась как альтернатива эвольвентной, способная принимать более высокие нагрузки. Именно эта ее способность и сейчас является главным ее преимуществом. Новая форма профилей позволила использовать более высокие передаточные отношения. Трение при вращении валов снижено примерно вдвое за счет смазочной пленки, которая отлично удерживается между элементами контакта, что определяет более высокую производительность (коэффициент полезного действия) редукторов с передачей Новикова.
Плюсы зацепления Новикова по сравнению с эвольвентным:
- увеличенная нагрузочная способность (в сравнительных тестах с применением косозубой передачи по Эйлеру тех же размеров, что и новиковская, последняя показала способность к нагрузкам в 1,5–2 раза выше);
- контактная прочность элементов благодаря применению выпуклых и вогнутых торцевых профилей;
- 5-подвижная кинематическая пара с точечным соприкосновением обеспечивает сниженную уязвимость к погрешностям установки зубчатой передачи в редукторе.
В передаче Новикова перекрытие достигается только за счет параллельности расположения осей валов. Это позволяет использовать зубья меньшей высоты, что снижает вероятность их изгиба под нагрузкой.
Недостатки передачи Новикова
Минусы у передачи с зацеплением Новикова тоже есть. К ним относят:
- зависимость от параллельности осей и межосевого расстояния (из-за нарушения контакта высокие нагрузки сосредотачиваются на одном участке/зубе, быстро его разрушая, что приводит к остановке работы редуктора);
- требовательность к расположению валов, шестерни;
- ограничения скорости вращения шестерен (до 1,8 тыс. оборотов в минуту);
- осевые напряжения в подшипниковой системе при повышении передаточного числа (решается использованием более сложных технически конических узлов);
- сложная конструкция, которая требует привлечения различного инструмента для изготовления элементов зубчатой передачи (выпуклых зубьев шестерни и вогнутых колеса, или наоборот).
Хотя список недостатков выглядит объемным, все они незначительны в свете главных достоинств зацепления Новикова. Поэтому последнее стандартизовано в РФ, странах СНГ (ГОСТ 15023–76) и нашло большое распространение в крупном машиностроении и производстве мощных редукторов, где требуется работы в большом диапазоне передаточных чисел.
Применение в редукторах
- серию РМ на эвольвентном зацеплении (РМ-250, РМ-350 и РМ-400) и редукторы с передачей Новикова типа РЦД (РЦД-250, РЦД-350 и РЦД-400);
- режим работы – длительный с постоянными нагрузками;
- передаточное число – 31,5;
- скорость вращения быстроходного вала – 1500 оборотов в минуту.
Из таблицы видно, что при идентичных прочих характеристиках редукторы с зацеплением Новикова передают момент силы на 37,8–44,2% выше. Из практики производства редукторов в обоих вариантах добавим, что устройство на зацеплении по новиковской схеме 1,4–2 раза меньше в размерах.
Редукторы с передачей Новикова
В списке ниже приведены редукторы в которых используется передача Новикова:
В геометрии эвольвентой называют кривую, получаемую при перекатывании прямой линии по какой-либо окружности без проскальзывания. Тогда каждая точка прямой (называемой производящей прямой) описывает на плоскости спиралевидную траекторию, называемую эвольвентой и обладающей рядом уникальных свойств.
Как удалось установить Л. Эйлеру, эвольвента в качестве образующей профиля зубчатого зацепления обладает значительными преимуществами перед другими кривыми, применяемыми для этой цели. Она прекрасно удовлетворяет основному закону зацепления, обеспечивая постоянство передаточного отношения, нечувствительна к неточностям межосевого расстояния (что существенно упрощает и облегчает монтаж передачи), проста и технологична в изготовлении, легко поддается стандартизации (что особенно важно для такого широко распространенного типа передач, как зубчатые передачи).
Однако зубчатые передачи, имеющие эвольвентный профиль, обладают рядом существенных недостатков: высокими потерями на трение, заметной чувствительностью к взаимным перекосам зубчатых колес и значительными контактными напряжениями на поверхностях зубьев по линии их взаимодействия. Это ограничивает нагрузочную возможность передачи, т. е. ее способность передавать большие вращающие моменты.
По этой причине долгое время основной задачей, стоявшей перед конструкторами, работавшими над усовершенствованием зубчатых передач, было увеличение их несущей (нагрузочной) способности.
В 1954 году советский инженер Михаил Леонтьевич Новиков (1915—1957) предложил использовать для сопряжения пар зубчатых колес уникальный профиль зубьев, образованный дугами окружностей близкого радиуса. Торцевые профили зубчатых пар при этом представляли собой взаимоогибаемые кривые.
Идея Новикова заключалась в том, чтобы заменить линейный контакт поверхностей зубьев точечным. Такое решение позволило изменить и вид профилей зубьев, наблюдаемый в торцевом сечении: вместо взаимоогибаемых кривых эвольвентного зацепления Новиков использовал зубья, очерченные окружностями радиусов, имеющими минимальную разность кривизны. Один из профилей при этом обычно выполняют выпуклым, а второй, соответственно, вогнутым, хотя в отдельных случаях могут использоваться и одинаковая выпуклая форма зубьев колес.
Еще одно достоинство зацепления Новикова заключается в том, что профиль зубьев имеет менее выраженные участки концентрации напряжений, особенно в районе ножки зуба, поскольку переходы выполняются плавными, с равномерным утолщением (см. рисунок 1) . Все это позволяет зубьям выдерживать нагрузку, превышающую допустимую для эвольвентного зацепления таких же параметров.
Совмещение профилей зубьев позволяет добиться того, что площадка их контакта смещается в процессе работы вдоль профиля, а не располагается непосредственно по всей его линии. При этом неизменными остаются как скорость перемещения, так создаваемый угол давления.
Для зацепления Новикова характерно то, что оно обладает нулевым торцовым коэффициентом перекрытия, в связи с чем его работоспособность может обеспечить лишь косое или шевронное исполнение зубьев.
Главным преимуществом новиковского зацепления является значительно более высокая нагрузочная способность. Передача Новикова обеспечивает передачу нагрузки в два (и даже более) раза превышающую нагрузку, допускаемую для эвольвентной передачи аналогичных параметров. Благодаря этому, при равной передаваемой мощности передача Новикова в два раза компактнее эвольвентной.
Профили зубьев в зацеплении Новикова позволяют применять более высокие передаточные числа, а отлично удерживающаяся между контактирующими элементами смазочная пленка увеличивает срок службы зубьев и уменьшает потери на трение, которые в новиковском зацеплении примерно в 2 раза ниже, чем в передачах с эвольвентный профилем зубьев. Это благотворно сказывается на КПД передачи.
Благодаря точечному контакту зубьев передача Новикова не столь чувствительна к погрешностям при монтаже и перекосам, что тоже немаловажно для высоконагруженных передач.
Не лишено зацепление Новикова и недостатков:
- заметная чувствительность и зависимость от изменения межосевого расстояния;
- при возрастании нагрузки в косозубых передачах Новикова отмечается существенное увеличение осевой составляющей, а это приводит к усложнению конструкции узлов опорных подшипников;
- при изготовлении передачи с одной линией зацепления необходимо наличие двух специальных фрез (одна для нарезки зубьев колеса, а вторая - шестерни) .
В настоящее время передачи Новикова находят применение в тяжелонагруженных зубчатых редукторах, в частности, на многих металлургических предприятиях ими оснащены силовые приводы установок, предназначенных для глубокого бурения скважин, приводы станков-качалок типа ЦЗНК-450 и других, в механизмах передвижения и подъема грузоподъемных кранов, в мощных бетоносмесительных установках, а также в тяжелой военной технике.
Несмотря на ряд существенных преимуществ, зубчатая передача с зацеплением Новикова не смогла потеснить с лидерских позиций зубчатые передачи с эвольвентным профилем зубьев, предложенным Леонардом Эйлером. В настоящее время эвольвентный профиль зубьев в зубчатых передачах является наиболее распространенным. Тем не менее, многие инженеры, конструкторы и ученые считают, что зубчатые передачи с зацеплением Новикова в перспективе будут широко востребованы.
В 1954 году Михаил Леонтьевич Новиков разработал принципиально новую схему зубчатого зацепления, которая получила его имя и так называется до сих пор. Зацепление Новикова было реализовано в трёх вариантах: дополюсное, заполюсное и дозаполюсное. Последний вариант оказался особо ценным для машиностроения, поскольку позволял обрабатывать зубья сопряжённых шестерен одним и тем же инструментом.
Принципиальные различия эвольвентного зацепления и зацепления Новикова.
Несомненно, что появление зацепления Новикова стало одним из главных событий в промышленности, а в частности, в производстве цилиндрических редукторов. Что оно изменило:
- в данном зацеплении происходит точечный контакт сопряжённых зубьев, а не линейный, как в эвольвентном зацеплении, позволяет передавать увеличенную на 50-90% нагрузку. При особо тяжёлых нагрузках точечный контакт становится контактным пятном,
- особый закруглённый профиль зуба зацепления Новикова допускает перекосы при компоновке передачи,
- шестерни с зацеплением Новикова гораздо лучше прирабатываются, и редуктор при первоначальном пуске быстрее выходит на заданные параметры.
Однако все эти преимущества имеют место быть только при твёрдости колёс и шестерен до НВ 350. Из недостатков необходимо отметить следующее:
- необходимость наличия на предприятиях сложного технологического оборудования,
- высокие требования к точности межосевого расстояния при производстве редукторов.
- меньшая, по сравнению с эвольвентным зацеплением, прочность зуба на изгиб.
Реалии современного производства предъявляют всё более высокие требования к редукторам, что вынуждает конструкторов и инженеров искать новые решения определённых проблем. Предпринимаются определённые попытки по созданию смешанного зацепления, однако широкого практического применения они пока не получили.
Применение передач с зацеплением Новикова.
Несмотря на некоторые недостатки, зацепление Новикова повсеместно применяется на различном оборудовании, там, где требуется передача высокого крутящего момента. Это - буровые установки, крановое производство, шахтное оборудование и прочее. Для сравнения рассмотрим различия номинального крутящего момента для одинаковых по размерам редукторов из нашего каталога. С эвольвентным зацеплением: РМ-250, РМ-350 и РМ-400. С зацеплением Новикова: РЦД-250, РЦД-350 и РЦД-400. Характеристики рассмотрим для передаточного числа 31,5 при длительном режиме работы и оборотах входного вала равным 1500.
Сравнение крутящего момента для редукторов типа РМ и РЦД.
| Межосевое расстояние второй ступени, мм | Редукторы типа РМ | Редукторы типа РЦД |
| 250 | 271 | 457 |
| 350 | 602 | 1080 |
| 400 | 1244 | 2000 |
Разница, как говорится, налицо. Логичным будет утверждение, что при одинаковых характеристиках, редуктор с зацеплением Новикова будет по своим габаритам в 1,5-2 раза меньше редуктора с эвольвентным зацеплением.
Читайте также: