Projekt okładki i stron tytułowych: Ireneusz Gawliński

Ilustracja na okładce: Shutterstock/Gregory Gerber

Wydawca: Karol Zawadzki

Koordynator ds. redakcji: Renata Ziółkowska

Redaktor: Irena Puchalska

Produkcja: Mariola Grzywacka

Dział reklamy: Agnieszka Borzęcka (agnieszka.borzecka@pwn.com.pl)

Opiniodawca: dr inż. Jakub Gajewski, Politechnika Lubelska

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa WNT: mobisfera.pl

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

ISBN 978-83-01–19160-3

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2017 r., (wyd. I)
Warszawa 2017

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Prezentowane dane nie są i nie mogą być traktowane jako kopia jakichkolwiek norm, dlatego też mogą być stosowane wyłącznie w celach dydaktycznych. Przy projektowaniu rzeczywistych urządzeń technicznych konieczne jest uwzględnienie aktualnych norm polskich i europejskich. Wszystkie dane zawarte w tej książce były kilkukrotnie sprawdzane. Błędy, jakie mogą się zdarzyć, są związane z występującymi nieraz rozbieżnościami informacyjnymi w materiałach, z których autor korzystał.

Spis treści

1. Okładka

2. Strona tytułowa

3. Strona redakcyjna

4. Spis treści

5. Wstęp

1. Cel opracowania

2. Podstawowe informacje o programie

3. Formaty plików używane przez program

6. Skróty klawiszowe

7. 1. Przekładnie zębate

1. 1.1. Historia i rozwój

2. 1.2. Zwięzła definicja przekładni mechanicznej

3. 1.3. Zwięzła definicja przekładni zębatych oraz ich zastosowanie

4. 1.4. Podział przekładni zębatych

5. 1.5. Zalety i wady przekładni zębatych

6. 1.6. Rozwiązania konstrukcyjne oraz praktyczne zastosowanie przekładni zębatych

8. 2. Projektowanie i obliczenia przekładni reduktora jednostopniowego

1. 2.1. Wstęp

2. 2.2. Wybór liczby stopni redukcji i ich przełożeń

3. 2.3. Dane wejściowe do obliczeń

4. 2.4. Obliczenia przekładni zębatej o zębach skośnych

5. 2.5. Zmniejszenie wagi koła zębatego nr 2

9. 3. Projektowanie i obliczenia wałów, łożysk i wpustów reduktora jednostopniowego

1. 3.1. Definicje i klasyfikacje wałów maszynowych

2. 3.2. Ogólne zasady konstruowania wałów

3. 3.3. Zagadnienie sztywności

4. 3.4. Materiały stosowane na wały maszynowe

5. 3.5. Współczynniki bezpieczeństwa

6. 3.6. Kształtowanie geometryczne wałów

7. 3.7. Kształtowanie czopów wałów

8. 3.8. Projektowanie i obliczenia wału nr 1 reduktora jednostopniowego

9. 3.9. Projektowanie tulei dystansowej wału nr 1 reduktora jednostopniowego

10. 3.10. Osadzenie przekładni zębatej i tulei dystansowej na wale nr 1

11. 3.11. Projektowanie i obliczenia wału nr 2 reduktora jednostopniowego

12. 3.12. Projektowanie tulei dystansowej wału nr 2 reduktora jednostopniowego

13. 3.13. Osadzenie przekładni zębatej i tulei dystansowej na wale nr 2

14. 3.14. Charakterystyka łożysk tocznych

15. 3.15. Ustalenie osiowe łożysk tocznych

16. 3.16. Obliczenia i dobór łożysk reduktora jednostopniowego

17. 3.17. Zabezpieczenie pierścieni wewnętrznych łożysk przed przesuwem osiowym

18. 3.18. Projektowanie i obliczenia połączeń wpustowych reduktora jednostopniowego

19. 3.19. Wstępne ustalenie wewnętrznych wymiarów gabarytowych korpusu

10. 4. Projektowanie i obliczenia przekładni reduktora dwustopniowego

1. 4.1. Wstęp

2. 4.2. Dane wejściowe do obliczeń

3. 4.3. Obliczenia pierwszego stopnia przekładni zębatej o zębach skośnych

4. 4.4. Obniżenie wagi koła zębatego nr 2 pierwszego stopnia przekładni

5. 4.5. Obliczenia drugiego stopnia przekładni zębatej o zębach skośnych

6. 4.6. Obniżenie wagi koła zębatego nr 2 drugiego stopnia przekładni

11. 5. Projektowanie i obliczenia wałów, łożysk i wpustów reduktora dwustopniowego

1. 5.1. Projektowanie i obliczenia wału nr 1 reduktora dwustopniowego

2. 5.2. Projektowanie tulei dystansowej wału nr 1 reduktora dwustopniowego

3. 5.3. Osadzenie przekładni zębatej i tulei dystansowej na wale nr 1

4. 5.4. Projektowanie i obliczenia wału nr 2 reduktora dwustopniowego

5. 5.5. Projektowanie tulei dystansowej wału nr 2 reduktora dwustopniowego

6. 5.6. Osadzenie przekładni zębatej drugiego stopnia i tulei dystansowych nr 1 i 2 na wale nr 2

7. 5.7. Projektowanie i obliczenia wału nr 3 reduktora dwustopniowego

8. 5.8. Projektowanie tulei dystansowej wału nr 3 reduktora dwustopniowego

9. 5.9. Osadzenie wału nr 3 oraz tulei dystansowej projektowanego reduktora dwustopniowego

10. 5.10. Obliczenia i dobór łożysk reduktora dwustopniowego

11. 5.11. Zabezpieczenie pierścieni wewnętrznych łożysk przed przesuwem osiowym

12. 5.12. Projektowanie i obliczenia połączeń wpustowych reduktora dwustopniowego

13. 5.13. Wstępne ustalenie wewnętrznych wymiarów gabarytowych korpusu

12. 6. Przykłady zapisu konstrukcji reduktora jednostopniowego i dwustopniowego

1. 6.1. Rysunek izometryczny 3D reduktora jednostopniowego

2. 6.2. Rysunki izometryczne 3D reduktora dwustopniowego

13. Bibliografia

Wstęp

Cel opracowania

Nauka poprawnego konstruowania elementów maszyn jest znaczącym ogniwem w procesie kształcenia inżynierskiej kadry konstruktorów. Po opanowaniu nauk podstawowych (matematyki, fizyki, mechaniki, metrologii, wytrzymałości materiałów) wraz z podstawowymi metodami wytwarzania (odlewnictwo, spawalnictwo, obróbka skrawaniem) przyszły inżynier konstruktor poznaje właściwości i zasady prawidłowego konstruowania oraz nabywa umiejętności konstruowania typowych elementów i zespołów maszynowych.

Poznawaniu zasad konstruowania, jednocześnie z samodzielnym studiowaniem, służą wykłady, ćwiczenia i laboratoria, w tym również zajęcia komputerowe prowadzone w formie zajęć projektowych. Na ogół są to prace twórcze, a ich oryginalność zależy od indywidualnych predyspozycji, umiejętności i wiedzy konstruktora oraz wiedzy praktyczno-teoretycznej prowadzącego zajęcia. Dużym ułatwieniem w studiowaniu jest korzystanie z bogatej literatury, do której zalicza się pracę Projektowanie elementów maszyn z wykorzystaniem programu Autodesk Inventor (P. Płuciennik, WN PWN, Warszawa 2013 i 2015), jak również uważane przez wielu inżynierów konstruktorów za najlepsze takie opracowania, jak Projektowanie węzłów i części maszyn (L.W. Kurmaz, O.L. Kurmaz, PWN, Warszawa 1999) i Podstawy konstrukcji maszyn (J. Dietrich, S. Kocańda, W. Korewa, WNT, Warszawa 1995).

Inspiracją wydania kolejnej, trzeciej części, jest ułatwienie żmudnych, ręcznych obliczeń projektowych oraz brak publikacji zawierającej aplikacje metod obliczeniowych, które ze względu na w miarę prosty i czytelny sposób ich przedstawienia, jak i zamieszczone przykłady obliczeń będą dla studentów i konstruktorów znaczącą pomocą w realizacji stawianych celów projektowych. Szybki rozwój przemysłu komputerowego przyczynił się do powstawania coraz to szybszych i wydajniejszych komputerów. Teraz bez problemu można wykonywać obliczenia numeryczne wspomagające obliczenia inżynierskie, jak również wykorzystywać silne karty graficzne do wspomagania procesów projektowania, modelowania, konstruowania części maszyn i mechanizmów oraz wykonywania technicznej dokumentacji rysunkowej.

Niniejszy podręcznik stanowi kontynuację publikacji wydanych przez WN PWN ([10], [11]). Dotyczyły one głównie podstaw działania oprogramowania, zawierały również opis podstawowych funkcji programu. Szczególną uwagę zwrócono w nich na obliczenia przekładni pasowej, przekładni pasowo-łańcuchowej, przekładni zębatej wraz z obliczeniem korekcji zazębienia oraz na dobór i obliczanie połączeń wpustowych i wielowypustowych. Dużą uwagę poświęcono również wskazaniu miejsc przyłożenia sił i momentów na wałach oraz na ich określeniach. Cel osiągnięto w wyniku szczegółowego opisu przykładów projektowania podstawowych części maszyn i mechanizmów wraz z utworzeniem zespołu napędowego przekładni pasowej. Opisano również sposób tworzenia płaskiej dokumentacji technicznej projektowanych elementów. Publikacje te obejmują niezbędny zasób wiedzy potrzebny do projektowania. Zawierają również cenne zrzuty ekranu pozwalające na bieżąco śledzić poszczególne etapy pracy oraz, w miarę potrzeby, podpowiadające kolejne kroki pracy.

W niniejszej książce, uwzględniając zalety obu poprzednich oraz cenne uwagi od ich czytelników, szczególną uwagę zwrócono, zakładając opanowanie materiału z poprzednich części, na obliczenia i zaprojektowanie reduktora jedno- i dwustopniowego z przekładnią zębatą o zębach skośnych. Skoncentrowano się głównie na praktycznym doborze średnic końcowych czopów wałów, analizie wymiarowej wałów reduktorów, wskazaniu miejsc przyłożenia sił i momentów na wałach, doborze i obliczeniach łożysk oraz połączeń wpustowych. Skupiono się również na metodyce wejściowej do prawidłowego skonstruowania korpusów reduktorów. Książka stanowi rozszerzenie i uszczegółowienie rozdziału trzeciego publikacji [10] w zakresie dotyczącym projektowania i obliczania przekładni zębatych o zębach skośnych.

Zawarte w opracowaniu przykłady projektowania i obliczeń przekładni opracowano na podstawie rzeczywistych elementów przekładni najczęściej występujących w budowie maszyn. Książka jest swoistym przewodnikiem służącym przede wszystkim do poznania możliwości programu pomocnych przy skomplikowanych obliczeniach części maszyn i mechanizmów w połączeniu z praktycznymi wskazówkami projektowania reduktorów.

Założono, że przed przystąpieniem do studiowania niniejszego opracowania czytelnicy zapoznali się już z zasadami projektowania i obliczania podstawowych elementów maszyn i mechanizmów wykładanych na zajęciach z Podstaw konstrukcji maszyn. W związku z tym nie podano w podręczniku żadnych teoretycznych wyjaśnień. Uwzględniono tylko wskazówki konstrukcyjno-technologiczne wskazywane w normach oraz informacje zaczerpnięte z bogatych doświadczeń w konstruowaniu maszyn.

Zajęcia projektowe z Podstaw konstrukcji maszyn stanowią ważny etap w nauczaniu i przygotowaniu studentów do samodzielnej pracy w zakresie konstruowania elementów i zespołów powszechnie stosowanych w budowie maszyn. Opracowanie projektu przekładni zębatej (reduktora) na studiach inżynierskich oraz fragmentu układu napędowego na studiach magisterskich wymaga nie tylko wiadomości, jakie studenci nabyli na przedmiocie Podstawy konstrukcji maszyn. Obowiązująca do tej pory międzynarodowa norma [N1] zawiera głównie empiryczne modele obliczeniowe.

Przedstawiona w niniejszym opracowaniu metoda obliczania (sprawdzania) wytrzymałości projektowanego zespołu kół zębatych, wałów, łożysk, połączeń wpustowo-wielowypustowych oparta jest głównie na metodach zawartych w programie Autodesk Inventor oraz została sprawdzona w praktycznych obliczeniach przy zastosowaniu tych metod w konstruowaniu elementów maszyn.

Ze względu na poradnikowy charakter opracowania tekst został zilustrowany licznymi tablicami stanowiącymi wyciągi z norm, zawiera również obszerny, bogato zilustrowany materiał pomocny przy projektowaniu i obliczeniach urządzeń mających praktyczne zastosowanie. Bardzo cenne są liczne zrzuty ekranu pozwalające na bieżąco śledzić poszczególne etapy projektowania oraz, w miarę potrzeby, podpowiadające kolejne kroki pracy.

Opracowanie przeznaczone jest dla studentów uczelni technicznych przystępujących do projektowania i obliczeń reduktorów przy użyciu programu Autodesk Inventor. Oprócz podstawowego przeznaczenia książka może być również przydatna dla doktorantów oraz pracowników naukowych, którzy nie znają programu Autodesk Inventor, oraz do wykonywania prac projektowych na uczelniach technicznych i w przemyśle.

Podstawowe informacje o programie

Autodesk Inventor jest programem komputerowym typu CAD utworzonym w 1999 r. i rozpowszechnianym przez firmę AUTODESK[1], przeznaczonym do wspomagania procesu projektowania trójwymiarowego. Umożliwia, na podstawie zaprojektowanego modelu, wykonanie rysunków wykonawczych, złożeniowych, poglądowych, jak również wykonanie analizy naprężeń i odkształceń dla pojedynczych części oraz analizy kinematycznej i dynamicznej zespołu współpracujących komponentów. Wbudowane funkcje pozwalają również na tworzenie prezentacji, animacji montażowej oraz ruchu poszczególnych elementów składowych. Powstał jako oprogramowanie konkurencyjne dla takich programów, jak SolidWorks, ProENGINEER oraz Solid Edge.

Obszerne informacje o programie dotyczące sposobu tworzenia projektów wraz z używanymi przez program definicjami, opisem działania przeglądarki struktury projektów, formatów plików używanych przez program, opisem menu nawigacji podano w [11].

Zakładając, że czytelnicy niniejszej książki opanowali już materiał dotyczący podstawowych informacji o programie zaprezentowany w poprzednich publikacjach ([10, 11]), nie powtórzono już informacji tam zawartych.

Formaty plików używane przez program

Program używa specyficznych formatów plików dla części, złożeń oraz dokumentacji rysunkowej. Odczytuje i zapisuje pliki również w formatach dwg. dwf. igs. Jest kompatybilny z programem AutoCAD (ma możliwość eksportowania widoków). Dostępne formaty plików (rys. 1) służą do:

- tworzenia konstrukcji blachowych – Konstrukcja blachowa ipt.;

- tworzenia konstrukcji spawanych – Konstrukcja spawana iam.;

- tworzenia złożeń, wstawiania komponentów oraz elementów znormalizowanych – Standard iam.;

- tworzenia rysunków wykonawczych oraz złożeń – Standard idw.;

- tworzenia prezentacji – Standard ipn.;

- szkicowania i tworzenia części – Standard ipt.;

- tworzenia dokumentów inżynierskich 2D zawierających widoki komponentów i szczegóły – Standard dwg.

Rys. 1. Formaty plików używane w programie

Skróty klawiszowe

W programie Autodesk Inventor istnieje wiele, wstępnie zdefiniowanych klawiszy skrótów, z których chętnie korzystają niektórzy doświadczeni projektanci, posługując się klawiaturą czy myszką, nie używając funkcji zawartych w menu programu. Uważają, że dobre ich opanowanie przyspiesza pracę w programie. Poniżej zaprezentowano podstawowe klawisze skrótów. Osobiście uważam, że początkujący powinien najpierw bardzo dobrze poznać funkcje zawarte w menu kontekstowym programu, a po jego opanowaniu korzystać z udogodnień w postaci klawiszy skrótów.

Należy pamiętać, że niektóre klawisze programu są zarezerwowane do zadań specjalnych. Na przykład klawisz F1 otwiera system pomocy we wszystkich aplikacjach środowiska Microsoft Windows. W programie Autodesk Inventor wszystkie klawisze typu F (klawisze funkcyjne) są zarezerwowane dla operacji globalnych. Ponadto niektóre klawisze nie mogą być używane jako niestandardowe skróty. Opis grupy klawiszy skrótowych wraz z objaśnieniem i kategorią zastosowania zawarto w tabeli 1.

Oprócz klawiszy funkcyjnych jest jeszcze kilka innych klawiszy, które nie mogą być użyte w skrótach użytkownika, takich jak: Enter, Num Lock, klawisz Windows, Scroll Lock, klawisz Menu, Backspace, Print Screen, Spacja, Caps Lock, Pause/Break, Esc, Delete, Strzałki w prawo/w lewo, Num Enter, Tab, Insert, Ctrl + C, Ctrl + V, Ctrl + X.

Nie można również stosować niestandardowych klawiszy, takich jak klawisze multimediów lub Internetu, oraz używać klawisza Alt z klawiszami A-Z lub 1-0, ponieważ koliduje to ze standardowymi klawiszami Microsoft Windows stosowanymi w dostępie do poleceń menu. Zalecane jest stosowanie klawisza Alt razem z innymi klawiszami, takimi jak Shift lub Ctrl.

Tabela 1. Opis klawiszy skrótowych

Skrót

Polecenie

Kategoria zastosowania

F1

wyświetl pomoc dla aktywnego polecenia lub okna dialogowego

globalna

F2

ustaw nowy fragment okna graficznego

globalna

F3

pomniejsz/powiększ widok w oknie graficznym

globalna

F4

obróć obiekty w oknie graficznym

globalna

F5

powróć do widoku poprzedniego

globalna

F6

przełącz na widok izometryczny

globalna

F7

pokaż przekrój grafiki (częściowo odcina model w celu odsłonięcia płaszczyzny szkicu)

szkic

F8

pokaż wszystkie wiązania

szkic

F9

ukryj wszystkie wiązania

szkic

F10

pokaż widoczność szkicu

szkic

Esc

zakończ polecenie

globalna

Delete

usuń wybrane obiekty z rysunku

globalna

B

pokaż numer pozycji

rysunek

BDA

zestaw wymiary od bazy

rysunek

C

zaznacz punkt środkowy okręgu

szkic

C

uruchom polecenie „Wiązanie”

zespół

CH

utwórz fazowanie

część/zespół

CP

utwórz szyk kołowy geometrii szkicu

szkic 2D

D

uruchom polecenie „Wymiar ogólny”

szkic/rysunek

D

utwórz pochylenie ściany

część

E

uruchom polecenie „Wyciągnięcie proste”

część

F

utwórz zaokrąglenie

część/zespół

FC

uruchom polecenie „Tolerancja kształtu i położenia”

rysunek

H

uruchom polecenie „Otwór”

część/zespół

L

uruchom polecenie „Linia”

szkic

LE

utwórz tekst z linią odniesienia

rysunek

LO

utwórz wyciągnięcie złożone

rysunek

M

uruchom polecenie „Przesuń komponent”

zespół

MI

utwórz lustrzane odbicie

część/zespół

N

uruchom polecenie „Utwórz komponent”

zespół

ODS

uruchom polecenie „Zestaw wymiarów współrzędnościowych”

szkic

P

uruchom polecenie „Wstaw komponent”

zespół

Q

uruchom polecenie „Utwórz wiązanie iMate”

zespół

R

uruchom polecenie „Obrót”

część/zespół

RO

uruchom polecenie „Obróć komponent”

zespół

RP

utwórz szyk prostokątny elementu geometrii szkicu

część/szkic 2D

S

uruchom polecenie „Szkic 2D”

szkic 2D/część/zespół

S3

uruchom polecenie „Szkic 3D”

część

SW

utwórz element przemieszczenie

część/zespół

T

uruchom polecenie „Tekst”

szkic/rysunek

T

uruchom polecenie „Rozsuń komponenty”

prezentacja

TR

uruchom polecenie „Utnij”

szkic

]

utwórz płaszczyznę konstrukcyjną

globalna

/

utwórz oś konstrukcyjną

globalna

.

utwórz punkt konstrukcyjny

globalna

;

utwórz unieruchomiony punkt konstrukcyjny

globalna

Alt + przeciągnięcie myszy

w zespołach używa wiązań zestawiających, w szkicu przesuwa punkty kontrolne splajnu

zespół

Ctrl + Y

uruchom polecenie „Odtwórz” (anuluje ostatnie polecenie „Cofaj”)

globalna

Carl + Z

usuń ostatnio naszkicowany segment linii w aktywnym poleceniu „Linia”

globalna

Shift + kliknięcie prawym przyciskiem myszy

uruchom menu polecenia wyboru

globalna

Alt + F8

włącz makra

globalna

Shift + F3

pokaż okno powiększania

globalna

Shift + F5

pokaż następny

globalna

Shift + Tab

przejdź na wyższy poziom

globalna

Alt + F11

przejdź do edytora Visual Basic

globalna

1Przekładnie zębate

1.1. Historia i rozwój[2]

Koła i przekładnie zębate stosowano już w starożytności (przed kilkoma tysiącami lat), jakkolwiek w prymitywnej postaci. Późniejsze wieki przyniosły tylko nieznaczny postęp w rozwoju kół i przekładni zębatych związany głównie z zegarmistrzostwem. Dopiero na przełomie XVIII i XIX w. przekładnie zębate nabrały większego znaczenia, gdy wynaleziono maszynę parową. Dalszy rozwój przypadający na drugą połowę XIX stulecia wiąże się ściśle z wynalezieniem szybkoobrotowego silnika elektrycznego, turbiny parowej i samochodu.

Chodziło tu o znaczną redukcję obrotów oraz o skrzynki przekładniowe (prędkości) mające na celu zmianę obrotów w szerokim zakresie. Dopiero jednak powstanie odpowiednio dokładnych metod obróbki (na przełomie XIX i XX w.) oraz wynalezienie wysoko wydajnych materiałów narzędziowych (na początku XX w.) stało się punktem zwrotnym do gwałtownego rozwoju i zastosowania kół i przekładni zębatych. Bardzo pomocne były rozważania na temat odtwarzania wzajemnie sprzężonych zarysów zębów na podstawie linii zazębienia przedstawione przez Reuleaujta i oparte na nich dalsze dociekania innych uczonych. Stały się one podstawą do zrozumienia teorii zazębienia, zasad obróbki obwiedniowej i zagadnień pomiarowych.

Ten stały i ciągły rozwój oraz olbrzymią powszechność przekładnie zębate zawdzięczają przede wszystkim stałości (niezmienności) przełożenia. Drugim, równie ważnym czynnikiem jest to, że sprawność zazębienia dobrze wykonanej, właściwie zmontowanej i smarowanej przekładni jest bardzo duża, większa niż innych przekładni (mechanicznych, hydraulicznych czy też elektrycznych). Poza tym należy stwierdzić, że skrzynka przekładniowa z kołami zębatymi ma niewielkie wymiary w porównaniu z innymi przekładniami do przenoszenia tej samej mocy.

Wskutek tych zalet przekładnie zębate znalazły zastosowanie niemal w każdym mechanizmie. Spotyka się je więc nie tylko w pojazdach mechanicznych, okrętach, samolotach, silnikach spalinowych i parowych, turbinach parowych i wodnych, dźwignicach i przenośnikach, młynach, obrabiarkach itp., lecz również w maszynach rolniczych (młocarniach, kieratach, sieczkarniach, kombajnach żniwnych itp.), a nawet w sprzętach użytku domowego (maglach, wyżymaczkach, maszynkach do krajania chleba itp.).

Koła zębate znajdują również szerokie zastosowanie w zegarach i zegarkach, w aparaturze pomiarowej i automatycznej oraz wszelkiego rodzaju licznikach. Ta ostatnia grupa stanowi oddzielne zagadnienie związane z mechanizmami drobnymi (nieobjętymi w niniejszej książce). Odbiciem postępu i miarą zainteresowania zagadnieniem kół i przekładni zębatych jest niezliczona ilość artykułów w prasie technicznej całego świata, referatów na konferencjach specjalistycznych oraz książkach o różnym zakresie treści i różnym poziomie naukowym.

W nowoczesnej budowie przekładni przeznaczonej do przenoszenia dużych mocy i obciążeń istnieje dążność do jak najdalej posuniętej ekonomii konstrukcji. Wiąże się z tym zarówno oszczędność materiału użytego na przekładnię, jak i oszczędność miejsca przez nią zajętego. Te wymagania mogą być spełnione, gdy obok starannej obróbki i montażu oraz zastosowania odpowiedniego materiału zostaną wykorzystane najwłaściwsze warunki zazębienia (chodzi tutaj o poślizgi między bokami zębów kół współpracujących) przy odpowiedniej korekcji uzębienia i zazębienia oraz przy poprawnym obliczeniu wytrzymałości uzębienia.

Przy obliczaniu wytrzymałości uzębienia napotyka się na szczególnie duże trudności ustalenia odpowiedniego obciążenia, na które składają się siły statyczne i dynamiczne. Dotychczasowe doświadczenia umożliwiły bowiem jedynie utworzenie hipotez, które jednak nie uprawniają do stosowania ich w innych przypadkach, a więc do obliczania przekładni o innych wymiarach (masach) lub pracujących w innych warunkach niż przekładnie, dla których te hipotezy ustalono. Niezależnie od tego, obserwacje pracy kół (szczególnie cichobieżność) spowodowały zmianę kształtu zarysu boków zębów i linii zębów (skąd konieczność wprowadzenia modyfikacji zarysów i beczkowatości linii zęba), które z kolei wpłynęły na zmianę hipotez obliczeń wytrzymałości.

1.2. Zwięzła definicja przekładni mechanicznej

Przekładnia mechaniczna jest to napęd mechaniczny służący do przenoszenia ruchu obrotowego z wału czynnego (napędzającego) na wał bierny (napędzany). Podstawowym zadaniem przekładni mechanicznej jest przeniesienie energii z wału czynnego na wał bierny, a ponadto dokonanie zmiany wartości momentu obrotowego, prędkości i sił.

1.3. Zwięzła definicja przekładni zębatych oraz ich zastosowanie

Przekładnia zębata jest przekładnią mechaniczną, w której ruch obrotowy jednego wału jest przenoszony na drugi, w wyniku zazębienia się koła zębatego czynnego z kołem biernym.

Zasadniczym elementem przekładni zębatej jest para kół zębatych, zwanych przekładnią zębatą prostą. W dużym uproszczeniu, charakterystyki przekładni prostych zależą od średnic współpracujących kół zębatych – ich wzajemnego usytuowania oraz wielkości i kształtu zębów.

Przekładnie zębate są najpowszechniej stosowanymi przekładniami w budowie maszyn. W głównej mierze użycie przekładni jest podyktowane potrzebą dużych momentów obrotowych, co przy określonej mocy wymaga stosowania małych prędkości obrotowych. Wykorzystanie silników o małej prędkości obrotowej wiązałoby się z ich dużymi gabarytami, wagą i kosztem. Przekładnie zębate znajdują zastosowanie we wszystkich dziedzinach techniki i stanowią obecnie najliczniejszą i najbardziej rozpowszechnioną grupę przekładni mechanicznych. Szeroki zakres przenoszenia mocy (do kilkudziesięciu megawatów), jak i przekazywanie ruchu obrotowego w mechanizmach precyzyjnych (np. w przekaźnikach mechanicznych, przyrządach o różnym przeznaczeniu, w układach automatyki), gdzie wartość przenoszonych momentów jest często pomijalnie mała, stanowi główną zaletę tych przekładni.

1.4. Podział przekładni zębatych

Przekładnie zębate można podzielić ze względu na różne kryteria. Wyróżnia się przekładnie:

- – proste (przekładnie jednostopniowe), przenoszące moc z jednego wału na drugi bez jakichkolwiek wałów pośrednich; należą do nich przekładnie o:

- zębach prostych,

- zębach skośnych,

- zębach daszkowych;

- – wielokrotne (złożone, przekładnie wielostopniowe) przenoszące moc z wału czynnego na wał bierny, przez jeden lub więcej wałów pośrednich.

Kolejnym kryterium podziału przekładni zębatych jest podział ze względu na umiejscowienie zazębienia.

Wyróżniamy przekładnie o zazębieniu: zewnętrznym oraz wewnętrznym. Ze względu na rodzaj przenoszonego ruchu przekładnie dzielimy na:

- – obrotowe – uczestniczą w niej dwa koła zębate;

- – liniowe – koło zębate współpracuje z listwą zębatą, tzw. zębatką; ruch obrotowy zamieniany jest na posuwisty lub na odwrót.

Z kolei ze względu na wzajemne usytuowanie osi obrotu rozróżniamy:

- – przekładnie czołowe – obie osie obrotu leżą w jednej płaszczyźnie; takie przekładnie występują w dwóch odmianach: walcowej oraz stożkowej;

- – przekładnie śrubowe (zębate) – osie obrotu leżą w dwóch różnych płaszczyznach; takie przekładnie występują również w dwóch odmianach: ślimakowej (o osiach prostopadłych) oraz hiperboloidalnej (o osiach zwichrowanych).

1.5. Zalety i wady przekładni zębatych

Zalety i wady przekładni zębatych w porównaniu z innymi przekładniami mechanicznymi ujęto w tabeli 1.1.

Tabela 1.1. Zalety i wady przekładni zębatych

Zalety

Wady

- stałość przełożenia (tę zaletę ma jeszcze tylko przekładnia łańcuchowa) – inne przekładnie mają poślizgi zmieniające przełożenie przekładni

- bardzo wysoka sprawność – najwyższa wśród wszystkich typów przekładni (ok. 99% dla jednego stopnia przełożenia)

- możliwość przenoszenia dużych mocy, do 50 000 kW (dla porównania: napęd łańcuchowy może przenosić ok. 5000 kW)

- praca przy bardzo dużych prędkościach obwodowych (prawie 50 m/s)

- zwartość budowy (stosunkowo małe gabaryty)

- duża równomierność pracy

- niska awaryjność przy zalecanej przez producenta eksploatacji

- cicha praca przy odpowiednim smarowaniu

- wysoki koszt ze względu na dużą dokładność wykonania

- stosunkowo niskie przełożenie dla pojedynczego stopnia

- mniejsza odporność na przeciążenia (brak naturalnego zabezpieczenia przed przeciążeniem)

- sztywna geometria

- przenoszenie napędu na stosunkowo niewielką odległość

1.6. Rozwiązania konstrukcyjne oraz praktyczne zastosowanie[3] przekładni zębatych

Przekładnie zębate pracują zasadniczo jako reduktory. Oznacza to, że na wale wyjściowym prędkość obrotowa jest mniejsza niż prędkość wału wejściowego przekładni. Reduktory mają szerokie zastosowanie do napędu górniczych i energetycznych urządzeń mechanicznych o poziomej osi elementu roboczego, jednak mogą być także stosowane w innych gałęziach przemysłu, m.in. metalowym, chemicznym, a także w hutnictwie.

Wszystkie istotne elementy przekładni zębatych, takie jak łożyska, koła zębate, korpusy i wały, są konstruowane i wykonywane zgodnie z powszechnie uznanymi metodami obliczeniowymi, z uwzględnieniem zaleceń producentów i wymagań norm.

Z reduktorami mogą współpracować silniki elektryczne na łapach lub kołnierzowe przyłączone do korpusu reduktora za pomocą wejścia sprzęgłowego. We wszystkich wykonaniach przekładni zębatych istnieje możliwość zabudowy sprzęgieł jednokierunkowych oraz elementów chłodzących.

Korpusy do reduktorów poziomych są wykonywane z żeliwa szarego lub sferoidalnego z podziałem prostopadłym do osi wałów, mogą być także wykonane jako spawane. Korpusy obrabia się na sterowanych numerycznie centrach obróbczych, co pozwala na osiągnięcie dużej dokładności wykonania, zwłaszcza wymaganej równoległości i prostopadłości osi otworów względem powierzchni odniesienia.

Wszystkie koła zębate w przekładni mają uzębienie o zarysie ewolwentowym i wykonane są przede wszystkim z wysokogatunkowej stali stopowej, poddawane są obróbce cieplnej i cieplno-chemicznej oraz szlifowane. Uzębienia wykonane są zazwyczaj w 6. lub 7. klasie dokładności według normy [N2], a obliczenia geometrii i wytrzymałości – według normy [N1].

W reduktorach stosowane jest łożyskowanie zapewniające przeniesienie obciążeń określonych w katalogu (rys. 1.1). Trwałość godzinowa użytych łożysk odpowiada założonej trwałości elementów zębatych dla danych warunków obciążenia. W przekładniach stosuje się przede wszystkim łożyska uznanych producentów, takich jak FAG, SKF, TIMKEN.

Do smarowania elementów zębatych i łożysk stosuje się zasadniczo przekładniowe oleje mineralne w systemie rozbryzgowo-zanurzeniowym. Do smarowania łożysk wału szybkobieżnego stopnia stożkowego stosuje się system wymuszony z wykorzystaniem pompy wirnikowej. W wykonaniach niektórych reduktorów stożkowo-walcowych łożyska są smarowane smarem plastycznym. Wały, ze względu na duże obciążenia skręcające  i zginające, wykonuje się ze stali stopowej ulepszonej cieplnie. Wpusty na czopach końcowych wałów wykonuje się również jako ulepszone cieplnie. Do uszczelnienia wałów używa się pierścieni uszczelniających znanych firm, takich jak Goetze, Simmrit, SKF.

Rys. 1.1. Montaż kół zębatych w korpusach reduktorów (źródło: Patentus S.A.)

Dokładność wykonania przekładni zębatych jest każdorazowo sprawdzana przez zakładowy dział kontroli jakości. Do sprawdzania wykorzystuje się maszyny współrzędnościowe i specjalistyczne urządzenia pomiarowe. Końcowy odbiór reduktorów technicznych polega na badaniu pod obciążeniem, na stacji prób, z wykorzystaniem zaawansowanego sprzętu diagnostycznego oraz kamery termowizyjnej (rys. 1.2).

Rys. 1.2. Obraz termowizyjny korpusu przekładni (źródło: Patentus S.A.)

[1] Firma amerykańska zajmująca się tworzeniem oraz serwisem oprogramowania komputerowego przeznaczonego dla przemysłu, założona w 1982 r. przez Johna Walkera wraz z dwunastoma wspólnikami. Siedziba firmy znajduje się w San Rafale w Kalifornii. Pierwszym stworzonym produktem był program AutoCAD, który umożliwiał tworzenie prostych rysunków technicznych oraz małych projektów. Przedsiębiorstwo podzielone jest na sześć mniejszych specjalistycznych dywizji zajmujących się produkcją. Produkcją oprogramowania AutoDesk Inventor zajmuje się dywizja Manufacturing Solutions Division (MSD).

[2] reduktory.com WebSystem.

[3] Według danych producenta reduktorów firmy Patentus S.A. (www.patentus.eu/przekładnie).