Как сделать коническую шестерню
Как изготовить шестерню по образцу своими руками
Одной из самых сложных и, тем не менее, распространенных механических систем является зубчатая передача. Это отличный способ передачи механической энергии из одного места в другое и способ увеличения или уменьшения мощности (крутящего момента), а также увеличения или уменьшения скорости чего-либо.
Как сделать шестеренку своими руками? Проблема всегда заключаются в том, что для создания эффективных зубчатых колес требуется достаточно много навыков рисования и знание математики, а также умение создавать сложные детали.
Для любительского нет необходимости иметь максимальную эффективность, поэтому мы можем получить намного более легкую в изготовлении систему, даже с подручными инструментами.
Шестерня — это ряд зубьев на колесе. (Обратите внимание на диаграмму выше, они пометили неправильное количество зубьев на шестернях — извините)
Шаг 1: Формулы и расчеты
Формулы для рисования и изготовления зубьев зубчатых колес в избытке можно найти в интернете, но для новичка они кажутся очень сложными.
Я решил упростить задачу, и решение очень хорошо работает как в больших, так и в малых масштабах. В небольших масштабах это лучше всего подходит для машинной резки с помощью лазерных резаков, например, очень маленькие зубчатые колеса могут быть успешно изготовлены таким образом.
Шаг 2: Простой способ
Итак, форма зубца, если говорить просто, может представлять собой полукруг.
Шаг 3: Определяем размеры
Теперь мы можем определить параметры, чтобы сделать шестерню:
Давайте начнем с зубьев размером 10 мм.
Я хочу шестерню с 5 зубьями, чтобы круг был 10х10 мм (в окружности) = 100 мм.
Чтобы нарисовать этот круг, мне нужно найти диаметр, поэтому я использую математику и калькулятор и делю окружность (100 мм) на Pi = 3,142.
Это дает мне диаметр 31,8 мм, и я могу нарисовать этот круг с помощью циркуля, а затем нарисовать с помощью циркуля на его окружности ровно 10 кругов диаметром 10 мм.
Если у вас есть такая возможность, то проще сделать все с помощью программного обеспечения для рисования. Если вы используете программное обеспечение, вы должны иметь возможность вращать круги зубьев вокруг основного круга, и вам нужно будет знать, как далеко повернуть каждый зуб. Это легко рассчитать: делите 360 градусов на количество кругов. Таким образом, для наших 10 кругов 360/10 = 36 градусов для каждого зуба.
Шаг 4: Делаем зубчатую форму
Удалите верхнюю часть одного круга и нижнюю часть следующего круга. Чтобы сделать это, у вас должно быть четное количество зубьев
У нас есть первая шестерня. Она может быть вырезана из дерева или металла с помощью базовых подручных инструментов, пил и напильников.
Этот процесс легко повторить для любого количества шестеренок, которое вам нужно. Держите размер круга по образцу, и они будут соответствовать друг другу.
Шаг 5: Получите шестерёнку
Поскольку такие полукруглые шестеренки легко вырезать, вы можете сделать их с помощью подручного инструмента и лобзика или пилы.
Раньше я делал шаблон из 9 или 10 зубьев на фанере и использовал его в качестве ориентира для моего ручного фрезера и без проблем вырезал шестерни.
Если у вас есть доступ к лазерному резцу, они могут быть вырезаны из акрила 3 или 5 мм толщины и быть очень маленьких размеров.
Рассказываю как сделать какую-либо вещь с пошаговыми фото и видео инструкциями.
FreeCAD – моделируем конические шестерни
Подпишитесь на автора
Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.
Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.
Когда я писал статью про моделирование шестеренок, то спросил today-сообщество: какие известны программы для проектирования эвольвентного профиля? Как ни странно, среди названных программ не был назван FreeCAD. А между тем, эта программа позволяет быстро и точно создать контур любой не корригированной шестерни! В этой статье я хочу рассказать, как за несколько секунд можно построить коническую шестерню в программе FreeCAD.
Официальный сайт программы:http://freecadweb.org/ Здесь вы можете бесплатно и абсолютно законно скачать дистрибутив и установить на свой компьютер.
Прежде чем строить коническую шестерню, разберемся с обычной, цилиндрической прямозубой. Она во FreeCAD строится в несколько движений пальцем 🙂 : 2 клика и 2 enter-a, если не менять параметров.
Построение прямозубой цилиндрической шестерни
Запускаем FreeCAD. Выбираем: «Проектирование деталей»
Думаю, что хорошему «геймеру» понадобится меньше секунды, чтобы построить цилиндрическую прямозубую шестерню во FreeCAD. Попробуйте, сколько времени это займет у вас. 🙂 Далее, немного о точности построения. Раздел для скептиков. Как известно, обсуждая построение шестеренок возникает вопрос: «На сколько та, или иная программа точна в построении.» Те, кто не сомневаются в точности FreeCAD, могут не читать.
Точность построения эвольвентного профиля во FreeCAD
Методику построения эвольвентного зуба я уже описывал. Поэтому я взял свою ранее построенную шестерню и сравнил ее с той, которую построил FreeCAD:
Результат говорит о высокой точности построения эвольвентного профиля во FreeCAD! Я строил свой профиль в AutoCAD по точкам с малым шагом, переконвертировал в CATIA, где построил шестеренку. Погрешность в 0,001-0,003 мм – это программная точность (точность интерполяции). Думаю, программисты FreeCAD использовали точные формулы построения эвольвенты, иначе контуры никогда не совпали, погрешность была бы больше.
Построение конической шестерни
Для чего нужны конические шестерни? Может кому-нибудь понадобится для новой компоновки 3D принтера: если ось моторчика нужно будет под углом поставить? Или захочется создать игрушечный автомобиль на «резиновом» двигателе, как в авиамоделизме, но чтобы привод шел от продольной оси на колеса. Если кто захочет спроектировать межколесный дифференциал, то тоже можно. Но там возникает проблема с большим передаточным отношением, о которой я расскажу ниже…
Начну сразу же с построения. Теория будет в конце. Обычно, западные разработчики Help-ов пишут сначала «Getting Started» (приступая к работе), где в стиле: «делай раз!», «делай два!», «делай три!» объясняют, как сразу получить результат. Я поступлю так же.
В интернете есть ролики, как построить коническую шестерню во FreeCAD. Но там не показано, как построить пару шестерен, которая сможет взаимодействовать друг с другом. Угол наклона не может быть любым, а должен быть определенным, в зависимости от угла между валами и передаточным отношением.
Мы будем строить шестеренку с количеством зубьев 20, которая предназначена для передачи вращения под углом в 90 градусов и передаточным отношением 1:1, т.е. она сможет находится в зацеплении только с такой же шестеренкой.
Доработка «под ключ»
Возвращаемся в Part Design. Команда «Эскиз»:
Как это сделать наилучшим образом, пусть каждый решает сам. Может участники портала 3DToday, кто пользуются FreeCAD-ом давно, подскажут хороший совет?
Выйдя из скетча, выбираем построение тела вращения:
FreeCAD анонсировал выход модуля сборки, но пока его нет. Пришлось собрать в Кате и проверить на вращение. Все крутится без заеданий!
Как спроектировать шестерни с другим передаточным отношением? Или (и) с другим углом между валами?
На рисунке индекс 1 относится к первой шестерне, индекс 2 – ко второй. f – впадины зуба, а – вершины зуба, если нет индекса f и нет индекса – а, значит это относится к делительной окружности. Индексом н (нижний) я обозначил размеры со стороны основания конуса, индексом в (верхний) обозначил размеры со стороны вершины конуса.
Порядок расчета параметров:
Определяем диаметры делительных окружностей «низа» и «верха» первой шестерни. d н1= mниза х z1. Любые из этих двух параметров выбираем исходя из компоновки и необходимого передаточного отношения. Например: m=3, z1=20, тогда d н1= 3х20= 60. Теперь нам нужно узнать угол первого конуса ф1. Он считается по формуле:
tg ф1= z1:z2, если угол d = 90 градусов (валы перпендикулярны).
Если валы не перпендикулярны, то формула другая:
tg ф1 = (z1*sin(d))/ (z2+z1*cos(d))
Узнав угол делительного конуса, мы можем рассчитать модуль «верха» шестерни графически или аналитически. Графически проще. Определившись с первой шестерней, несложно определить параметры второй.
Если z1=20, z2=30, то при b1=10, b2=6.666, m1= от 3 до 2.333; m2= от3 до 2.333. Где b – ширина венца. Как рассчитать диаметры вершин и впадин зубьев написано в моей статье. Начертив обе шестерни в зацеплении на плоскости на виде сбоку, мы сможем определить, какой материал нужно будет убрать:
Как доработать зуб, чтобы ликвидировать внедрение, я знаю. Лучше это делать в тех программах, где есть модуль «Кинематика», или «Сборка». Во FreeCAD-е пока это сделать сложно. Будем ждать выхода модуля сборки. Здесь я не буду описывать методику. Если будет интересно, могу оформить отдельный пост. Может быть, кто-нибудь из знатоков FreeCAD предложит свой вариант решения проблемы? Еще вопрос знатокам: FreeCAD нормально строит цилиндрические шестерни с косым зубом, если угол наклона зуба небольшой. При увеличении наклона, программа начинает путаться, какие точки верхнего контура соответствуют точкам нижнего контура. В Кате такая проблема (если возникает) решается ручным указанием двух точек. Как это решить во FreeCAD-е?
В целом программа FreeCAD оставила хорошее впечатление: полноценная CAD программа, действительно свободная (бесплатная). В интернете много обучающих роликов.
Подпишитесь на автора
Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.
Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.
Изготовление зубчатых шестерен
При создании самых различных механизмов могут применяться шестерни и зубчатые колеса. Их геометрические особенности определяют возможность обеспечения надежного зацепления для передачи усилия. Технология изготовления зубчатых колес характеризуется достаточно большим количеством особенностей, среди которых отметим использование специального оборудования. Если изготовление шестерен проводится без учета особенностей геометрических особенностей, то существенно снижается качество получаемого соединения для передачи вращения.
Конструкция зубчатого колеса
Встречается просто огромное количество разновидностей шестерен, все они характеризуются своими определенными особенностями. Среди конструкционных особенностей отметим следующие моменты:
Наибольшее распространение получили зубчатые колеса цилиндрического типа.
Конструктивными особенностями подобного варианта исполнения можно назвать:
Изготовление цилиндрических зубчатых колес проводится при применении специального оборудования. Примером можно назвать зубонарезные станки, которые работают по методу обкатки. Стоит учитывать, что процесс изготовления конических зубчатых колес существенно отличается.
Основные способы изготовления
Заготовки для рассматриваемых изделий получаются методом ковки или литьем, в некоторых случаях при применении технологии резания. Технологический процесс изготовления зубчатого колеса довольно сложен, так как нужно получить рабочую поверхность сложной формы с определенными геометрическими параметрами. Проводится нарезание косозубых колес и других изделий при использовании двух основных технологий:
Довольно большое распространение получили червячные фрезы. Подобный инструмент представлен рейкой, на момент работы заготовка вращается вокруг своей оси. Применяется инструмент для изготовления исключительно шестерен с внешним расположением зубьев.
Гребенки используются для нарезания прямых и косых зубьев с большим модулем зацепления. Стоит учитывать, что поверхность инструмента может быстро изнашиваться.
Технология накатывания используется для получения больших зубчатых колес, а также крупных партий. В подобном случае проводится горячее накатывание, за счет нагрева степень обрабатываемости материала повышается. Венец получается методом выдавливания. Для существенного повышения точности может проводится механическая обработка.
Изготовление вал шестерней также должно проводится с учетом условий эксплуатации. На этот элемент оказывается высокая нагрузка, поэтому в качестве основы применяется заготовка из каленой стали высокой прочности. Шестерня зубчатая, изготовление которой проводится с учетом диаметра вала, насаживается методом прессования, фиксация обеспечивается шпонкой.
Подготовка чертежей
Процесс изготовления начинается с непосредственной подготовки чертежа. В этом случае производство существенно упрощается, существенно повышается точность получаемого изделия. При разработке чертежа указывается следующая информация:
Изготовление шестерен любых размеров возможно только при применении специальных станков, которые предназначены для решения поставленной задачи.
Технологические задачи при производстве рассматриваемого изделия могут существенно отличаться. Важными моментами можно назвать следующее:
Все основные параметры определяются на момент создания технологической карты. Самостоятельно создать карту достаточно сложно, так как для этого нужно обладать соответствующими навыками и знаниями.
Необходимые инструменты
Для проведения рассматриваемой процедуры требуется специальный режущий инструмент, которые позволяет проводить снятие требуемого количества материала. Довольно большое распространение получили следующие:
Также может устанавливаться пальцевая модульная фреза, которая устанавливается в специальном фрезеровальном оборудовании. Можно приобрести модульные фрезы для нарезания зубчатых колес, изготавливаемые при применении износостойких материалов.
Технологический процесс
Процесс изготовления шестерни на крупных производственных линиях максимально автоматизирован. Классический техпроцесс характеризуется следующими особенностями:
Стоит учитывать, что изготавливают пластиковые шестерни при применении только одного станка. Это связано с высокой степенью обрабатываемости пластика.
В заключение отметим, что процедура зубофрезервания достаточно сложна, предусматривает применение специального оборудования.
Подпишитесь на автора
Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.
Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.
Про моделирование и печать шестеренок здесь написано достаточно. Однако, большинство статей предполагают использование спец. программ. Но, у каждого пользователя есть своя «любимая» программа для моделирования. Кроме того, не все хотят устанавливать и изучать дополнительный софт. Как же моделировать профиль зуба шестерни в программе, где не предусмотрено вычерчивание эвольвентного профиля? Очень просто! Но муторно… 🙂
Определяем делительную окружность шестерни. Зачем это нужно? Чтобы определить межосевое расстояние. Т.е. где у вас будет располагаться одна шестерня, а где другая. Сложив диаметры делительных окружностей шестеренок и разделив сумму пополам, вы определите межосевое расстояние.
Чтобы определить диаметр делительной окружности нужно знать два параметра: модуль зуба и количество зубьев. Ну, с количеством зубьев – тут всем все понятно. Количеством зубьев на одной и другой шестерне определяется нужное нам передаточное отношение. Что такое модуль? Чтобы не связываться с числом «пи», инженеры придумали модуль. 🙂 Как вы знаете из курса школьной математики: D= 2 «Пи» R. Так вот, что касается шестеренок, там D = m* z, где D – это диаметр делительной окружности, m – модуль, z – количество зубьев. Модуль – величина, характеризующая размер зуба. Высота зуба равна 2,25 m. Модуль принято выбирать из стандартного ряда величин: 1; 1,25; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12; 16; 20; 25; 32 (ГОСТ-9563). Можно ли придумать «свой» модуль? Конечно! Но ваша шестеренка будет нестандартная! 😉
Строим основную окружность. Основная окружность – это окружность, по которой «перекатывается» прямая линия, своим концом вычерчивая эвольвенту. Формула для расчета диаметра основной окружности очень простая: Db = D * cos a, где а – угол рейки 20 градусов. Эта формула нам не нужна! Все гораздо проще. Строим прямую линию через любую точку делительной окружности. Удобнее взять самую высокую точку, на «12 часов». Тогда линия будет горизонтальная. Повернем эту линию на угол в 20 градусов против часовой стрелки. Можно ли повернуть на другой угол? Думаю, можно, но не нужно. 🙂 Кому интересно, ищем в литературе или интернете ответ на вопрос.
Прямую линию, которую мы получили, будем поворачивать вокруг центра шестерни маленькими угловыми шагами. Но, самое главное, при каждом повороте против часовой стрелки будем удлинять нашу линию на длину той дуги основной окружности, которую она прошла. А при повороте по часовой стрелки наша линия будет укорачиваться на ту же величину. Длину дуги или мерим в программе, или считаем по формуле: Длина дуги = (Пи * Db * угол поворота (в градусах)) / 360
«Прокатываем» прямую линию по основной окружности с нужным угловым шагом. Получаем точки эвольвентного профиля. Чем точнее хотим строить эвольвенту, тем меньший угловой шаг выбираем.
К сожалению, в большинстве программ автоматического проектирования (CAD) не предусмотрено построение эвольвенты. Поэтому эвольвенту строим по точкам либо прямыми, либо дугами, либо сплайнами. При построении эвольвента заканчивается на основной окружности. Оставшуюся часть зуба до впадины можно построить дугой того же радиуса, который получается на трех последних точках. Для 3D печати я рисовал эвольвенту сплайнами. Для лазерной резки металла мне пришлось рисовать эвольвенту дугами. Для лазера нужно создать файл в формате dwg или dxf (для некоторых, почему-то, только dxf). «Понимает» лазер только прямые, дуги и окружности, сплайны не понимает. На лазере можно сделать только прямозубые шестерни.
Делим окружность на такое количество частей, которое в 4 раза больше количества зубьев шестерни. Эвольвенту отзеркаливаем относительно оси зуба и копируем с поворотом нужное количество раз.
Чтобы получить шестерню в объеме, то задаем толщину и получаем прямозубую цилиндрическую шестерню:
Если нужна косозубая шестерня, то вводим наклон зубьев и получаем:
Для получения шевронной шестерни, нужно отзеркалить косозубую шестерню относительно нужной торцевой поверхности:
Как смоделировать коническую шестерню, придумайте сами. 🙂
К вопросу о точности шестеренок. Те шестеренки, которые я распечатал на 3D принтере, сначала вращались, издавая легкое поскрипывание. Прошло некоторое время, и звук прекратился. Шестеренки «притерлись». 🙂
После модернизации принтера, шестеренки не печатал. Возможно, сейчас они напечатаются более точно, и не будут скрипеть.
Для вакуумной машины смоделировал пару – «шестерня-рейка». Их вырезали на лазере:
Подпишитесь на автора
Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.
Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.