Изготовление зубчатых колёс и шестерён:
типы зацепления и работа по чертежу

Изготовление зубчатых колёс начинается не со станка, а с трёх цифр: модуль, число зубьев, степень точности. Если заказчик их знает, расчёт занимает полчаса.

• Виды зубчатых передач: прямозубая, косозубая, шевронная, коническая
• Модуль зубчатого колеса и как определить его по образцу
• Прямозубые цилиндрические колёса
• Косозубые и шевронные колёса: особенности нарезки
• Конические шестерни с прямым и круговым зубом

Изготовление зубчатых колёс: что мы спрашиваем перед расчётом

Половина заявок приходит в виде фотографии детали и вопроса «сколько стоит». По фотографии не считается ничего. Минимальный набор, с которым разговор становится предметным:

• модуль или, если он неизвестен, наружный диаметр и число зубьев;
• ширина зубчатого венца;
• тип зацепления: прямой зуб, косой (и угол наклона), шеврон, конус;
• посадочное отверстие: диаметр, шпоночный паз или шлицы, допуск;
• материал и требуемая твёрдость зуба;
• степень точности по ГОСТ 1643-81 для цилиндрических передач или ГОСТ 1758-81 для конических;
• куда деталь встаёт: редуктор, коробка, привод конвейера, станок.

Если чертежа нет совсем, присылайте образец или его остатки. Обломанный зуб не мешает: венец обмеряется по целым участкам, а профиль восстанавливается расчётом.

Виды зубчатых передач: прямозубая, косозубая, шевронная, коническая

Тип зацепления определяется тем, как расположены валы и какую нагрузку передаёт пара.

Червячные пары мы выделяем в отдельную работу: там своя геометрия витка, свой подбор бронзы и обязательная обкатка пары. Подробности на странице изготовление червячных пар.

Модуль зубчатого колеса и как определить его по образцу

Модуль это шаг зуба, делённый на число пи, выраженный в миллиметрах. Ряд модулей стандартизован по ГОСТ 9563-60, исходный контур с углом профиля 20 градусов по ГОСТ 13755-2015. Практически модуль определяется так.

Для наружного прямозубого колеса без смещения:

m = Da / (z + 2),

где Da это наружный диаметр венца, z это число зубьев. Считаете, округляете к ближайшему стандартному значению из ряда 1; 1,25; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10 и далее.

Для колеса с внутренним зацеплением берут диаметр впадин:

m = Df / (z + 2).

Для косозубого колеса формула даёт не модуль, а нормальный модуль через угол наклона: m_n = Da cos(beta) / (z + 2 cos(beta)), и угол beta ещё нужно измерить. Здесь без обмера на плите и без замера длины общей нормали мы точного ответа не даём: посчитанный «на коленке» косозубый венец почти всегда промахивается по углу.

Порядок обмера у нас: считаем зубья и меряем наружный диаметр и ширину венца, затем меряем длину общей нормали нормалемером по нескольким зубьям (это даёт и модуль, и смещение исходного контура), проверяем толщину зуба по постоянной хорде, сверяем результат с рядом стандарта и отдельно меряем посадочное отверстие, паз, шлицы и биение венца относительно посадки.

Дюймовые шестерни в импортной технике встречаются регулярно. Признак простой: посчитанный модуль не ложится в стандартный ряд, зато питч даёт целое число. Такие детали делаем, но об этом надо сказать заранее.

Прямозубые цилиндрические колёса

Самый массовый заказ. Здесь важнее не сама нарезка, а база: посадочное отверстие и торцы. Если венец нарезан идеально, а отверстие сделано с биением 0,1 мм, передача будет шуметь и есть зуб неравномерно.

Порядок такой: токарная обработка заготовки с припуском, нарезка венца, термообработка, затем шлифовка посадочных поверхностей в окончательный размер. Последовательность «сначала в размер, потом калить» это классическая причина того, что деталь после печи не лезет на вал.

Коммерческие условия, сроки и типовые позиции по цилиндрическим шестерням собраны на странице изготовление шестерён на заказ.

Косозубые и шевронные колёса: особенности нарезки

Косой зуб входит в зацепление постепенно, поэтому передача тише и держит большую нагрузку при том же модуле. Плата за это осевая сила, которую воспринимают подшипники. Угол наклона в приводах общего назначения обычно лежит в диапазоне 8-20 градусов, конкретное значение берём из чертежа заказчика: подбирать его самостоятельно вместо конструктора мы не будем, потому что от него зависит осевая нагрузка на весь узел.

Шевронное колесо это два косых венца с противоположным наклоном. Осевые силы взаимно уничтожаются, опоры разгружены. Изготовление сложнее: либо венец с канавкой для выхода инструмента посередине, либо сборная конструкция из двух колёс. Шеврон без канавки требует специального оборудования, и такой вариант согласуем отдельно.

При заказе косозубого или шевронного колеса обязательно указывайте направление наклона: правое или левое. Пара с одинаковым направлением не соберётся, а изготовленное «зеркально» колесо это брак, который виден только при сборке.

Конические шестерни с прямым и круговым зубом

Коническая пара передаёт вращение между пересекающимися валами, чаще всего под 90 градусов. Ключевая особенность: колесо и шестерня изготавливаются и проверяются только парой. Заказывать одну шестерню к старому колесу можно, но тогда старое колесо нужно прислать для подгонки пятна контакта.

Что нужно для расчёта конической пары: числа зубьев обоих элементов, внешний окружной модуль, межосевой угол, ширина венца, внешнее конусное расстояние и монтажные расстояния от базового торца до точки пересечения осей. Последний размер забывают чаще всего, а без него пару невозможно собрать в корпус.

Прямой зуб проще в изготовлении и регулировке. Круговой зуб даёт более плавную работу и выше нагрузочную способность, но нарезается на специализированном зуборезном оборудовании. Возможность нарезки кругового зуба и предельные размеры под него предельные размеры подтверждаем по вашей детали.

Гипоидная пара внешне похожа на коническую с круговым зубом, но оси у неё смещены. Пересчитывать гипоидную геометрию «по аналогии» нельзя, такие заказы берём только при наличии заводского чертежа или полного комплекта образцов.

Зубчатые рейки, звёздочки и вал-шестерни

Зубчатая рейка это колесо бесконечного радиуса: тот же модуль, тот же угол профиля, прямой или косой зуб. Для заказа нужны модуль, длина, сечение тела рейки, шаг и требования к торцам под стыковку. Составные рейки для длинных ходов стыкуются «зуб в зуб», торцы обрабатываются так, чтобы шаг через стык не сбивался.

Звёздочки под приводные роликовые цепи считаются по шагу цепи и диаметру ролика по ГОСТ 591-69, а не по модулю. Путаница «модуль звёздочки» встречается в заявках постоянно: у звёздочки профиль зуба определяется цепью. Типоразмеры и условия по этой позиции на странице изготовление звёздочек.

Вал-шестерня это деталь, где венец нарезан прямо на валу. Работа тяжелее обычной шестерни: нужно выдержать соосность венца, шеек под подшипники и посадок, а после термообработки шлифовать шейки, не трогая зуб. Шпоночные пазы и шлицы на валах под колёса делаются отдельной операцией, о них подробнее в материале про шпоночные пазы и шлицы.

Колёса с внутренним зацеплением и нестандартные конструкции

Внутреннее зацепление используют там, где нужна компактность: планетарные редукторы, поворотные механизмы, приводы столов. Колесо и шестерня вращаются в одну сторону, межосевое расстояние меньше. Нарезка идёт зубодолблением, а не червячной фрезой, поэтому нужен выход инструмента: канавка или сквозной венец. Если в чертеже венец упирается в глухую стенку, конструкцию придётся менять.

Отдельная группа вопросов это разрезные шестерни. Разрезная шестерня распредвала состоит из ступицы и венца, соединённых через овальные пазы, и позволяет повернуть венец относительно ступицы на несколько градусов, то есть сдвинуть фазы газораспределения без замены ремня или цепи. В промышленных редукторах разрезной делают шестерню для выборки бокового зазора: две половины венца расходятся пружиной и убирают люфт в реверсивных приводах. Такие детали требуют чертежа с указанием диапазона регулировки и способа фиксации.

Пластиковые шестерни из полиамида применяются в маломощных механизмах: тихие, не требуют смазки, дешевле в мелкой серии. Ограничения два: низкая нагрузочная способность и изменение размеров при поглощении влаги. Печать шестерни на 3D-принтере годится как макет для проверки сборки, но не как рабочая деталь под нагрузкой: слоистая структура раскалывается по линии слоя. Наличие пластика у нас делаем сами либо через проверенную кооперацию, говорим об этом на расчёте.

Материалы: сталь, бронза, чугун, пластик

Материал выбирается по нагрузке, скорости и среде, а не по привычке.

По бронзовым венцам и другим деталям из бронзы у нас отдельная страница: детали из бронзы. Конкретные марки бронзы под ваш узел подбираем по скорости скольжения и нагрузке, а не по наличию на складе.

Термообработка зуба: улучшение, ТВЧ, цементация

Без термообработки зуб из сырой стали сминается и выкрашивается уже через несколько сотен часов под реальной нагрузкой. Термообработка и ТВЧ у нас свои, цементация тоже, поэтому деталь не уезжает на сторону и не теряет неделю на логистику.

Конкретные значения твёрдости и глубины слоя мы пишем в карту на деталь по вашему чертежу. Если в чертеже твёрдость не указана, назначаем её от применения, но обязательно согласуем: достижимые диапазоны HRC и глубина цементованного слоя на нашем оборудовании значения назначаем по документации на деталь.

Важный технологический момент: термообработка ведёт деталь. Колесо диаметром в несколько сот миллиметров после закалки меняет геометрию, поэтому посадочные места и торцы всегда идут в окончательный размер после печи, а не до неё. Что именно мы делаем с закалёнными деталями, собрано на странице детали с термообработкой.

Точность, степень и контроль пятна контакта

Степень точности по ГОСТ 1643-81 обозначается числом: чем оно меньше, тем точнее передача. В заявке степень указывают редко, и это нормально, если деталь ремонтная. Но от степени зависит и технология, и цена: шлифованный после закалки зуб стоит заметно дороже нарезанного «как есть».

Что мы контролируем на цилиндрическом колесе:

• число зубьев, модуль, длину общей нормали;
• радиальное биение венца относительно посадочного отверстия;
• торцевое биение базового торца;
• размеры и допуск посадочного отверстия, шпоночного паза, шлицев;
• твёрдость после термообработки.

Что контролируем на конической паре дополнительно: пятно контакта на краске при сборке пары на монтажных расстояниях. Пятно должно лежать ближе к малому торцу зуба и не выходить на кромки. Пара, у которой пятно упёрлось в край, гудит и разрушает зуб независимо от того, как аккуратно нарезан профиль.

Отдельно про допуск на посадку. «Под вал 30» это не размер. Нужен допуск: H7, H8 или посадка с натягом. Если он не указан, мы спросим: от него зависит, сядет колесо на вал от руки или его придётся запрессовывать с нагревом.

Изготовление по образцу, ремонт зуба, сроки и цены

По образцу работаем регулярно: деталь из снятого с производства редуктора, импортная позиция без документации, обломок с частью венца. Порядок такой. Обмер и восстановление геометрии, согласование с вами модуля, числа зубьев и материала, изготовление образца, при необходимости примерка в узле, затем серия. Если сохранилась ответная деталь, присылайте её вместе с образцом: проверка в паре надёжнее любого расчёта.

Ремонт зуба. Восстановить один выломанный зуб на крупном тихоходном колесе технически возможно: наплавка, механическая обработка профиля, контроль. Смысл в этом есть на больших колёсах, где новое изготовление сопоставимо по стоимости с покупкой редуктора. На колесе с модулем до 5 и диаметром в пару сотен миллиметров ремонт почти всегда дороже и хуже, чем новая деталь. Если выкрошено несколько зубьев или венец имеет трещины, ремонт не обсуждается: меняем колесо целиком.

Честно про цену: прайс-таблицы по зубчатым колёсам, которую можно опубликовать, у нас нет. Стоимость считается по чертежу или образцу: на неё влияют модуль, число зубьев, ширина венца, материал, термообработка, степень точности и тираж. Одна и та же по виду шестерня в сыром и в цементованном исполнении отличается по цене в разы.

Производство в Набережных Челнах, готовые детали отправляем по России. Для расчёта достаточно чертежа в любом читаемом виде или образца с описанием узла.

Вопросы и ответы