Koła zębate
W dzisiejszych czasach jesteśmy otoczeni zewsząd przeróżnymi maszynami oraz urządzeniami. Większość z nich wyposażona jest w różne mechanizmy, przekładnie i jednostki napędowe. Głównym elementem układów tego typu jest koło zębate. Koła zębate to elementy, które wykonują ruch obrotowy i współpracują ze sobą za sprawą regularnie rozmieszczonych zębów. Zazębiające się koła zębate umożliwiają przeniesienie napędu w przekładni zębatej, mogą być stosowane w przekładniach każdego typu, w pojazdach, maszynach oraz urządzeniach.
Mogą służyć do przenoszenia momentu obrotowego wielkiej mocy jak i do przekazywania ruchu obrotowego. Mogą także przekazywać siły liniowe w przekładni poprzez zmianę ruchu obrotowego w posuwisty z określonym kierunkiem, który uzależniony jest od kierunku obrotu koła zębatego.
Budowa kół zębatych
Koło zębate składa się z wieńca zębatego, piasty, a także łącznika.
Wieniec zębaty zbudowany jest z zębów i wieńca, z którego zęby wystają. Przestrzenie pomiędzy zębami nazywane są wrębami.
Piasta to część koła zębatego montowana na wale lub osi i bezpośrednio je obejmująca. Koło zębate jest osadzone na wale za pomocą połączenia wpustowego, wielowypustowego albo rzadziej stosowanego połączenia klinowego.
Łącznik - jego zadaniem jest połączyć piastę z wieńcem.
Niektóre modele kół zębatych, które mają małą liczbę zębów oraz niewielką średnicę, nie posiadają łącznika. Wieniec spełnia tu bowiem jednocześnie rolę piasty, a całe koło wykonane jest z jednego kawałka materiału. Takie koła zębate nazywane są zębnikami. Zwykle zębnik jest osadzony na wale przy użyciu połączenia wciskowego. Średnica otworu dobierana jest do wałka.
Jak działa koło zębate?
Najczęściej koło zębate współpracuje z przynajmniej jednym innym kołem. Przez koło zębate wspólnie zazębiające się z innym kołem tworzona jest przekładnia. Koło zębate może pracować także z tarczą i listwą zębatą. W niewielkich obciążeniach radzą sobie równie dobrze.
Kształt zęba dobrany jest tak że w trakcie obrotu kół, dwa pracujące ze sobą zęby otaczają się i jednocześnie ślizgają po sobie. Najczęściej stosowany jest zarys ewolwentowy zęba, bo przy współpracy zębów o takim zarysie geometryczna linia przyporu jest linią prostą, nie ma zmienności sił wiec przekładnia nie powoduje drgań i hałasu, a koło wiruje ze stałą prędkością. Ponadto gdy mamy zadany moment obrotowy, siła międzyzębna rośnie gdy kąt przyporu rośnie.
Zjawisko poślizgu nie jest korzystne, ale można je łatwo wyeliminować, wystarczy odpowiednio dobierać koło zębate do warunków pracy.
Parametry określające geometrię koła zębatego
Jest wiele parametrów jakie należy wziąć pod uwagę przy wyborze kół zębatych, podstawowe parametry określające geometrię kół zębatych to:
Liczba zębów rozmieszczonych na obwodzie koła zębatego.
Szerokość wieńca
Średnica podziałowa - średnica okręgu, na którym szerokość wrębu jest równa grubości zęba, przechodzi przez środki odległości między zębami na obwodzie.
Średnica wierzchołkowa (średnica zewnętrzna) - średnica okręgu przechodzącego przez wierzchołki zębów rozłożonych naprzeciw siebie na okręgu bazowym koła zębatego.
Moduł zęba - parametr charakteryzujący wielkość zębów. Moduły kół współpracujących muszą być takie same. Dostępne moduły zęba są wielkościami znormalizowanymi przez Polską Normę PN/M-88502.
Wysokość zęba - zsumowana wysokość głowy i wysokość stopy zęba.
Współczynnik wysokości zęba - wysokość głowy zęba wyrażona w krotności modułu.
Luz wierzchołkowy - zwykle 0,2–0,25 modułu
Rodzaje kół zębatych
Ze względu na kształt geometryczny bryły na której nacięto zęby rozróżniamy:
Koła zębate walcowe - zęby nacięte na tworzącej walca.
Koła zębate stożkowe - zęby nacięte na tworzącej stożka.
Specjalnym przypadkiem tych ostatnich są koła płaskie nazywane zębatkami pierścieniowymi lub koronowymi. Charakteryzują się tym, że kąt stożka podziałowego wynosi 90°.
Ze względu na rodzaj zębów możemy sklasyfikować koła zębate na:
Koła o zębach prostych - zęby są nacięte równolegle do osi walca lub tworzącej stożka.
Koła o zębach skośnych - zęby są nacięte skośnie do osi walca lub tworzącej stożka.
Koła o zębach daszkowych - uzębienie składa się z odcinków z zębami skośnymi lewymi i prawymi na całej szerokości walca. Zęby wykonywane tylko dla kół walcowych.
Koła o zębach łukowych - zęby nie są liniami prostymi, wykonywane na walcach i stożkach.
Można mówić także o kołach zębatych zewnętrznych: zęby są nacięte na obwodzie zewnętrznym koła i wewnętrznych o zębach naciętych wewnątrz pierścieniowego wieńca.
Przekładnie zębate
Dobór przekładni jest scharakteryzowany przez jej parametry robocze, wybiera się prędkość kół, przełożenia, moc układu kół zębatych, sprawność itp.
Prędkość obrotowa zespołu kół zębatych określa ilość obrotów wykonywanych w danym czasie przez koło wyjściowe układu. Układ przekładni może służyć do zmian prędkości obrotowej. W momencie gdy koło o większej średnicy napędza koło o mniejszej średnicy, dla jednego obrotu większego koła, mniejsze koło wykona większą ilość obrotów w tym samym czasie. Jest to przykład przekładni zwiększającej prędkość obrotową czyli multiplikator. Z kolei, gdy mniejsze koło napędza większe koło, jest to układ przekładni zmniejszającej obroty czyli reduktor, który pozwala na redukcję prędkości obrotowej.
Stosowanie przełożeń różnych od jedności, wymaga dobrania odpowiednich wymiarów kół. Wartość przełożenia może być wyrażona stosunkiem średnic podziałowych lub proporcją liczby zębów (dzielimy przez siebie ilości zębów na obu kołach). W przypadku przekładni wielostopniowych, złożonych z kilku przekładni pojedynczych ustawionych szeregowo, przełożenie całkowite jest iloczynem przełożeń na kolejnych stopniach. Dla przekładni z kołami o dużych zębach łatwo jest ręcznie obliczyć ich przełożenie, z uwagi na małą ilość zębów. Dla małych zębów, gdy ilość zębów jest duża bazujemy na specyfikacji producenta.
Moment obrotowy obrazuje siłę przyłożoną na ramię o określonej długości. W przypadku kół zębatych moment obrotowy zależy od średnicy kół, między którymi jest on przekazywany.
Natomiast moc przekładni wskazuje, jaka jest maksymalna ilość energii dostarczana przez układ w czasie jednostkowym. Moc to iloczyn prędkości obrotowej i przenoszonego momentu obrotowego. Na wartość mocy przekładni wpływa moc na wyjściu układu napędzającego przekładnię - moc silnika.
Podczas doboru kół zębatych do przekładni koniecznie należy wziąć pod uwagę ich średnicę podziałową, jak i średnicę zewnętrzną, a także ilość zębów, intensywność pracy, rodzaj smarowania. Parametry te związane są empirycznymi formułami i w ostateczności pozwalają na obliczenie minimalnego wymaganego modułu zęba.
