Таблицы степеней точности зубчатых колес

Таблица 1: Степени точности зубчатых колес по стандартам

Таблица 2: Допуски на параметры зубчатых колес

Таблица 3: Рекомендуемые степени точности для различных механизмов

Полное оглавление статьи

1. Введение в степени точности зубчатых колес

Степень точности зубчатых колес является одним из ключевых параметров, определяющих качество и эксплуатационные характеристики зубчатых передач. От выбранной степени точности зависят такие показатели как плавность работы, уровень шума, вибрации, КПД передачи, и, что наиболее важно, надежность и долговечность механизма.

Точность изготовления зубчатых колес характеризуется комплексом показателей, которые нормируются соответствующими стандартами. Степени точности зубчатых колес в большинстве стандартов обозначаются цифрами от 1 до 12, где 1 соответствует наивысшей точности, а 12 — наименьшей.

Важно понимать, что степень точности — это не просто один параметр, а совокупность различных показателей, которые могут нормироваться по-разному в зависимости от конкретных требований к передаче. Эти показатели обычно разделяют на три основные группы: кинематическая точность, плавность работы и контакт зубьев.

2. Стандарты и нормы точности зубчатых колес

2.1. Стандарты ГОСТ

В России и странах СНГ основным стандартом, регламентирующим точность цилиндрических зубчатых колес, является ГОСТ 1643-81 «Передачи зубчатые цилиндрические. Допуски». Этот стандарт устанавливает 12 степеней точности зубчатых колес и передач с прямыми, косыми и шевронными зубьями.

ГОСТ 1643-81 предусматривает нормирование точности по трем группам показателей:

• Кинематическая точность (степени 3-12)
• Плавность работы (степени 1-12)
• Контакт зубьев (степени 1-12)

Для каждой группы показателей стандарт устанавливает допустимые отклонения соответствующих параметров зубчатых колес.

Для конических зубчатых колес применяется ГОСТ 1758-81, а для червячных передач — ГОСТ 3675-81, которые имеют аналогичную структуру и также предусматривают 12 степеней точности.

2.2. Международные стандарты

На международном уровне основным стандартом является ISO 1328, состоящий из нескольких частей. Наиболее важная часть — ISO 1328-1, которая определяет допуски на радиальное биение, отклонение шага и профиля зуба. ISO 1328-2 устанавливает допуски на отклонения направления зуба.

В Германии широко применяется стандарт DIN 3962, который также предусматривает 12 степеней точности и во многом гармонизирован с ISO 1328.

Следует отметить, что между различными стандартами существует определенная взаимосвязь, однако прямое сопоставление степеней точности по разным стандартам не всегда корректно из-за различий в методиках измерений и нормируемых параметрах.

3. Основные параметры точности зубчатых колес

3.1. Кинематическая точность

Кинематическая точность характеризует величину ошибки передаточного отношения, возникающую при вращении колес. Эта группа показателей особенно важна для кинематических цепей, где требуется высокая точность воспроизведения движения.

Основными параметрами кинематической точности являются:

• Накопленная погрешность шага (Fp) — максимальная разность между действительным и номинальным угловым положением зуба относительно исходного.
• Радиальное биение зубчатого венца (Fr) — разность между наибольшим и наименьшим расстоянием от рабочей оси колеса до постоянной хорды зуба.
• Колебание длины общей нормали (Fvw) — разность между наибольшим и наименьшим значениями длины общей нормали в пределах зубчатого колеса.

Погрешности кинематической точности проявляются за один оборот колеса и вызывают периодические колебания скорости, что приводит к возникновению вибраций на низких частотах.

3.2. Плавность работы

Плавность работы характеризует высокочастотные составляющие ошибок, происходящие при пересопряжении зубьев. Эта группа показателей особенно важна для высокоскоростных передач и механизмов, где требуется низкий уровень шума и вибраций.

Основными параметрами плавности работы являются:

• Погрешность профиля зуба (ff) — отклонение действительного профиля зуба от теоретического эвольвентного.
• Отклонение шага зацепления (fpt) — разность между действительным и номинальным шагами зацепления.
• Циклическая погрешность зубцовой частоты (fzk) — локальная кинематическая погрешность, повторяющаяся с периодичностью зубцовой частоты.

Погрешности плавности работы проявляются при каждом пересопряжении зубьев и вызывают вибрации на более высоких частотах, что приводит к повышенному шуму и динамическим нагрузкам.

3.3. Контакт зубьев

Контакт зубьев характеризует степень прилегания рабочих поверхностей зубьев сопряженных колес. Эта группа показателей особенно важна для высоконагруженных передач, где требуется равномерное распределение нагрузки по поверхности зуба.

Основными параметрами контакта зубьев являются:

• Погрешность направления зуба (fβ) — отклонение действительного направления зуба от теоретического.
• Отклонение осевых шагов по нормали (fрn) — разность между действительным и номинальным значениями осевого шага.
• Суммарное пятно контакта (Е) — отношение площади прилегания зубьев к площади теоретического контакта, выраженное в процентах.

Погрешности контакта зубьев приводят к неравномерному распределению нагрузки по длине зуба и, как следствие, к локальным перегрузкам, повышенному износу и снижению несущей способности передачи.

4. Методы измерения и контроля точности

4.1. Измерительное оборудование

Для контроля точности зубчатых колес используются различные типы измерительного оборудования, выбор которого зависит от требуемой точности и контролируемых параметров:

• Эвольвентомеры — для измерения отклонений профиля зуба от теоретической эвольвенты.
• Зубомеры — для измерения толщины зуба по постоянной хорде или по дуге делительной окружности.
• Шагомеры — для измерения погрешностей шага зацепления и накопленной погрешности шага.
• Биениемеры — для измерения радиального и торцевого биения зубчатого венца.
• Нормалемеры — для измерения длины общей нормали.
• Координатно-измерительные машины (КИМ) — для комплексного измерения различных параметров.
• Специализированные зубоизмерительные станки — для полного контроля всех параметров зубчатых колес.

Для зубчатых колес высоких степеней точности (1-6) требуется применение прецизионного измерительного оборудования с соответствующей точностью. Для колес средней и низкой точности (7-12) могут использоваться более простые средства измерения.

4.2. Методики измерений

Существует несколько основных методов контроля точности зубчатых колес:

• Поэлементный контроль — измерение отдельных параметров точности (шаг, профиль, направление зуба и т.д.) с последующим сопоставлением полученных значений с допусками.
• Комплексный контроль — оценка сразу нескольких параметров точности при одном измерении (например, измерение радиального биения зубчатого венца).
• Двухпрофильный контроль — проверка сопряжения контролируемого колеса с эталонным в беззазорном зацеплении с измерением изменения межосевого расстояния.
• Однопрофильный контроль — проверка сопряжения с эталонным колесом с измерением ошибки передаточного отношения.

5. Выбор степени точности при проектировании

5.1. Факторы, влияющие на выбор

При выборе степени точности зубчатых колес следует учитывать следующие факторы:

• Назначение механизма — для прецизионных механизмов требуются более высокие степени точности, для общепромышленных — средние, для вспомогательных — низкие.
• Скорость вращения — чем выше окружная скорость, тем выше должна быть степень точности.
• Передаваемая мощность — высоконагруженные передачи требуют более высокой точности по показателям контакта зубьев.
• Требования к шуму и вибрации — для снижения шума требуется повышенная точность по плавности работы.
• Требования к долговечности — для увеличения ресурса требуется более высокая точность по всем показателям.
• Технологические возможности производства — возможность обеспечения требуемой точности имеющимся оборудованием.

5.2. Практические рекомендации

На основе анализа опыта эксплуатации различных механизмов можно дать следующие рекомендации по выбору степеней точности зубчатых колес:

• Степени 3-4 — для эталонных колес, прецизионных измерительных и делительных механизмов.
• Степени 5-6 — для высокоточных станков, авиационной техники, скоростных редукторов.
• Степени 7-8 — для автомобильных трансмиссий, станков общего назначения, промышленных редукторов.
• Степени 9-10 — для сельскохозяйственной техники, грузоподъемного оборудования, тихоходных механизмов.
• Степени 11-12 — для вспомогательных механизмов, малонагруженных тихоходных передач.

Для ответственных механизмов часто назначают разные степени точности по разным группам показателей. Например, для редуктора турбины можно назначить 6-ю степень по кинематической точности, 5-ю по плавности работы и 7-ю по контакту зубьев.

6. Технологические аспекты обеспечения точности

6.1. Методы изготовления

Точность зубчатых колес в значительной степени зависит от выбранного метода изготовления:

• Нарезание зубьев методом обкатки (червячными фрезами, долбяками, шеверами) позволяет обеспечить 6-9 степени точности.
• Нарезание зубьев методом копирования (дисковыми и пальцевыми модульными фрезами) обеспечивает 8-10 степени точности.
• Зубошлифование позволяет достичь 3-7 степеней точности.
• Зубохонингование обеспечивает повышение точности на 1-2 степени и улучшение шероховатости поверхности.
• Зубопритирка используется для финишной обработки и повышения плавности работы.

Для обеспечения высоких степеней точности (3-6) обычно применяют комбинированную обработку, включающую предварительное нарезание зубьев с последующей термической обработкой и финишным зубошлифованием или хонингованием.

6.2. Оборудование и инструменты

Для изготовления точных зубчатых колес требуется соответствующее оборудование и инструменты:

• Зубофрезерные станки с точностью позиционирования не хуже 0,005 мм для колес 6-8 степеней точности.
• Зубодолбежные станки с жесткой кинематической цепью для колес 6-8 степеней точности.
• Зубошлифовальные станки с ЧПУ для колес 3-6 степеней точности.
• Высокоточный режущий инструмент (фрезы, долбяки) класса точности AA или A для колес 6-7 степеней точности.
• Прецизионные шлифовальные круги для зубошлифования колес 3-5 степеней точности.
• Высокоточная оснастка для базирования и закрепления заготовок.

Важным аспектом является также контроль точности самого оборудования и инструмента. Для изготовления зубчатых колес определенной степени точности точность оборудования и инструмента должна быть как минимум на 1-2 класса выше.

7. Заключение

Степень точности зубчатых колес является комплексным показателем, определяющим эксплуатационные характеристики зубчатой передачи. Выбор оптимальной степени точности — важная инженерная задача, требующая учета множества факторов, от назначения механизма до технологических возможностей производства.

Современные стандарты предлагают гибкую систему нормирования точности зубчатых колес, позволяющую дифференцированно подходить к назначению требований по различным группам показателей. Это дает возможность оптимизировать конструкцию с точки зрения как технических, так и экономических критериев.

Обеспечение высокой точности зубчатых колес требует применения современного оборудования, инструментов и методов контроля, а также высокой квалификации персонала. Однако затраты на повышение точности обычно окупаются за счет улучшения эксплуатационных характеристик, увеличения ресурса и надежности механизма в целом.

Источники информации

• ГОСТ 1643-81 «Передачи зубчатые цилиндрические. Допуски»
• ГОСТ 1758-81 «Передачи зубчатые конические и гипоидные. Допуски»
• ISO 1328-1:2013 «Cylindrical gears — ISO system of flank tolerance classification»
• DIN 3962 «Tolerances for Cylindrical Gear Teeth»
• Тайц Б.А. «Точность и контроль зубчатых колес». М.: Машиностроение, 2010.
• Калашников А.С. «Технология изготовления зубчатых колес». М.: Машиностроение, 2015.
• Справочник «Допуски и посадки в машиностроении». Под ред. В.М. Кована. М.: Машиностроение, 2014.