Зъбни колела

Предаването на въртеливо движение в механизмите се извършва с помощта на зъбни колела. Те са основен компонент в зъбните предавки. При предаването може да се променят оборотите, въртящият момент и посоката на въртене. Промяната в оборотите и въртящия момент се дължи на предавателното число на зъбната двойка.  При зацепване на колело със зъбна рейка въртеливото движение се трансформира в транслационно. За някои изчисления зъбната рейка може да се разглежда като зъбно колело с безкрайно голям радиус. При зъбните колела няма приплъзване.

Когато две зъбни колела с различни размери си взаимодействат, то изменението на въртящия момент и скоростта е пропорционално на разликата в диаметрите им.

Първите открити зъбни колела датират от 4-ти век пр.н.е. в Китай. В Европа първите зъбни механизми са използвани за изчисляване на положението на планенитите около 130 години преди новата ера. Първите зъбни колела са били дървени и не са били монолитни – зъбите са били поставяни допълнително. Формата им не е била достатъчно точна. Тогавашните механизми са притежавали много хлабини и други несъвършенства. Често за материал на изработка на зъби бил използван явор.

Видове зъбни колела

Според формата на ролката, жърху която са нарязани зъбите:

• Цилиндрични зъбни колела.
• Конусни зъбни колела.

Според това къде са нарязани зъбите:

• Външни зъби – масово зъбните колела са с външни зъби. Когато две такива колела са зацепени едно за друго, то тогава посоката на въртене се обръща.
• С вътрешни зъби – този тип колела могат да се зацепват само с колела с външни зъби. Две колела с вътрешни зъби е невъзможно да се зацепят едно за друго. Когато обаче са зацепени с друго колело с външни зъби посоката на въртене не се променя.

Според формата и раположението на зъбите:

• С прави зъби – това са най-простите зъбни колела. Техните зъби са нарязани успоредно на оста на въртене. Две зъбни колела от този вид могат да работят заедно, ако осите им на въртене са успоредни.
• С наклонени зъби – този вид колела са по сложни за изработка, но имат редица предимства. При тези колела зъбите са нарязани под ъгъл спрямо оста на въртене и де факто всеки отделен зъб представлява сектор от спирала. Това позволява две колела да могат да работят заедно без осите им да са успоредни. Имат по-голяма товароносимост и износоустойчивост, защото зъбите си взаимодействат на по-голяма площ. Това се дължи на факта, че при въртене отделните зъби се зацепват много по-плавно и генерират по-малко шум. Използват се за силно натоварени предавки, работещи с висока скорост, при които се изискват ниски нива на шум, като предавателните кутии на автомобилите. Недостатъкът им е, че при зацепване предизвикват големи аксиални усилия, които изискват и съответните лагери, за да поемат натоварването.
• Шевронни зъбни колела – профилът на зъбите е наклонен не само в едната посока, а и в двете. Зъбите са V-образна форма. Може да се разглеждат като две зъбни колела с наклонени зъби в противоположни посоки, допрени едно до друго. По този начин товароносимостта се запазва заедно с по-тихата работа, но се избягват аксиалните усилия. Емблемата на Ситроен представлява два зъба от шеврон. Причината за това е, че Андре Ситроен е произвеждал именно шевронни колела, преди да започне да произвежда автомобили.
• Зъбни колела със спираловидни зъби – осите на двойката зъбни колела могат да са под ъгъл една спрямо друга. Използват се за предаване на ниски скорости на въртене, защото триенето при тях е по-голямо и се намалява КПД.
• Конусни зъбни колела – при тях зъбите са нарязани върху конус и могат да предават въртенето под всеки ъгъл, различен от 0 или 180 градуса.
• Конусни зъбни колела с наклонени зъби – те имат същите предимства и недостатъци както цилиндричните зъбни колела с наклонени зъби.
• Хипоидни зъбни колела – този тип зъбни колела могат да се разглеждат като конусни зъбни колела с наклонени зъби, осите които не се пресичат, но са под ъгъл от 90 градуса.
• Коронни зъбни колела – зъбите са нарязани перпендикулярно на равнината на зъбното колело.
• Червяк – червякът представлява спирала, която се зацепва към червячно зъбно колело, което е изработено специално, но прилича на колело с наклонени зъби. При червяците движението може да се предава само от червяка към зъбното колело. Изключения се срещат само при червяци с определен ъгъл на спиралата.
• Некръгли зъбни колела – използват се в механизми, при които се търси неравномерност на хода. Често се използват в текстилни машини, потенциометри и т.н.

Според профила на зъбите:

• Еволвентен – по-прости за изработване и при малко нарушаване на разстоянието между осите не се нарушава зацепването. Те са и най-разпространени.
• Циклоиден – тези зъби имат по-голяма издръжливост и могат да предават по-големи усилия.

Зъбните колела се изработват от легирана стомана, чугун, пластмаса и д.р. При работата си зъбите са подложени на триене и огъване. Поради тази причина се подлагат на термична обработка, която да направи повърхностния им слой твърд и износоустойчив, а сърцевината да остане жилава. За допълнително облекчаване на работата им се използва и машинно масло.

Основни парамети на зъбното колело

• Външен диаметър.
• Вътрешен диаметър.
• Делителен диаметър – мислена окръжност, която преминава през зъбите. Тази, част от зъбите, която се намира между делителната и външната окръжност се нарича глава на зъба, другата – основа.
• Стъпка на зъбното колело – това е разстоянието между две едноименни страни на две съседни зъбни колела. За да могат да работят заедно стъпките на две зъбни колела трябва да съвпадат.
• Брой на зъбите – зависи най-вече от диаметъра, като минималният брой на зъбите е 7.
• Модул на зъбното колело – тази величина дава отношението между стъпката на зъбното колело и числото пи.

Съществуват и зъбни коледа за верижни и ремъчни предавки. Профилът на зъбите при тях обаче е съвсем различен и натовареността им има друг характер. Изработката им е значително по-проста и не изисква точности, каквито при зъбните колела, зацепени едно за друго.

Изработката на зъбните колела е скожен процес, при който освен механичната обработка са важни подборът на точния материал и подходящата термообработка. Още при проектирането се взема под внимание за какво ще се използва съответната зъбна предавка и на какви изисквания трябва да отговаря. Почти всички зъбни колела се произвеждат с така наречената корекция. Благодарение на нея профилът на зъбите се уеднаквява, да могат колела с различен брой зъби да работят съвместно.