Разработка и исследование торцовых зубчатых муфт, образованных долбяком по методу обкатки

В принятых ХХУ1 съездом КПСС «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 — 1985 годы и на период до 1990 года» отмечается необходимость опережающих темпов прироста продукции машиностроения и значительного улучшения качества выпускаемых машин и оборудования. В качестве одной из первоочередных задач планируется «повышение технического уровня продукции машиностроения, подъем экономичности и производительности выпускаемой техники» [i].

Неотъемлемой частью выпускаемых машин, оборудования и многих приборов являются зубчатые соединения. Их применение обусловлено такими преимуществами, как высокая несущая способность, надежность, удобство монтажа. В ряде конструкций современных машин число зубчатых соединений превышает, например, число зубчатых колес [17], годовое производство которых в СССР составляет сотни миллионов штук [29]. В то же время, зубчатые соединения относятся к числу наиболее ответственных элементов машин [57], от качества которых существенно зависят эксплуатационные показатели установок.

Кроме того, к отдельным узлам соединения валов и передачи вращающего момента часто предъявляются повышенные требования в отношении центрирующей способности, обеспечения взаимозаменяемости деталей, а также, минимизации габаритных размеров. Это касается, в частности, высокооборотных сборных роторов двигателей летательных аппаратов, различного рода устройств компенсации ошибок углового положения валов, а также, многочисленных узлов соединений современных манипуляционных роботов [13, 25, Зб] .

Среди существующих типов соединений указанным требованиям в наиболее полной мере удовлетворяют торцовые зубчатые муфты с треугольным профилем зуба [58], некоторые варианты использования которых приведены на рис. I — 3. На рис. I представлена схема соединения секций ротора авиационного газотурбинного агрегата [35]. Здесь I — секции ротора с лопатками, 2 — болт, стягивающий секции в осевом направлении, 3 — торцовые зубчатые венцы. На рис. 2 показана схема устройства компенсатора для поглощения ошибок угловых размеров [25]. Здесь 1,2 — валы, относительное угловое расположение которых требуется обеспечить с заданной точностью, 3 — промежуточная зубчатая шайба, 4 и 5 -зубчатые венцы с числами зубьев, незначительно отличающимися друг от друга (обычно — на единицу). На рис. 3. приведен внешний вид манипулятора современного универсального промышленного ро-бота[бб]. I — основание, 2,3 — подвижные звенья «руки», 4 -места расположения соединительных устройств.

Как следует из представленных примеров, указанные соединения отличаются компактностью, удобством монтажа, способны передавать значительные нагрузки. Однако, несмотря на широкое распространение, и они не лишены недостатков. В частности, для изготовления торцовых зубчатых венцов с треугольным профилем зуба часто используется дорогостоящее специальное оборудование, а при нарезании зубьев, как правило, присутствует метод деления [l7], в результате чего ухудшаются показатели точности центрирования и несущей способности. В условиях мелкосерийного производства при изготовлении элементов соединения с помощью.

Рис Л. Схема соединения секций ротора авиационного газотурбинного ¦irporvra с помощью торцовых зубчатых венцов.

Рис. 2. Схема устройства компенсатора для поглощения ошибок угловых размеров.

Рис. 3. Внешний вид манипулятора современного промышленного робота: I — основание- 2, 3 — подвижные звенья- 4 — места расположения соединительных устройств. универсального оборудования из-за высокого процента вспомогательного времени резко снижается производительность.

В то же время, известно существование конических зубчатых колес, профиль зубьев которых выполняется эвольвентным долбя-ком по методу обкатки, при этом оси инструмента и заготовки при зубонарезании не являются параллельными (так называемые «неэвольвентные», или «эвольвентно-конические» зубчатые колеса). Они не требуют для своего изготовления какого-либо специального оборудования и могут быть обработаны существующим стандартным инструментом. На рис. 4 приведена схема нарезания зубьев такого колеса. Здесь I — зуборезный долбяк, 2 — заготовка, vPскорость движения резания, (Oq и ^ - угловые скорости поворота соответственно инструмента и заготовки, 2 — межосевой угол станочного зацепления. При выполнении этих зубчатых колес с углом? , близким к 90°, они могут быть использованы в качестве элементов торцовой зубчатой муфты, отличающейся высокой центрирующей способностью [22]. Однако применение муфт подобного типа сдерживается в настоящее время отсутствием методики их исследования и проектирования.

В работе рассматриваются вопросы станочного зацепления применительно к изготовлению торцовых зубчатых муфт, образованных долбяком по методу обкатки, проводится анализ рабочего зацепления элементов соединения, исследуется влияние основных технологических погрешностей на эксплуатационные показатели. Оценивается нагрузочная способность и крутильная жесткость муфт.

Для подтверждения теоретических результатов были проведены экспериментальные исследования.

Работа выполнена на кафедре «Теория механизмов и машин» МВТУ им. Н. Э. Баумана.

Рис. 4. Схема нарезания зубьев цилиндро-конического колеса долбяком при пересекающихся осях инструмента и заготовки: I — зуборезный долбяк- 2 — заготовка нарезаемого колесаVp — скорость движения резанияСОо и 6J4 — угловые скорости поворота соответственно инструмента и заготовкиI — межосевой угол станочного зацепления.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

Как уже отмечалось в предьщущем разделе, в ряде отраслей современной техники имеется потребность в высокоточных технологичных соединительных устройствах. При этом номенклатура изделий весьма разнообразна, а диапазон их размеров достаточно широк и составляет от нескольких десятков до нескольких сотен миллиметров. Применение в этих конструкциях существующих в настоящее время торцовых зубчатых муфт с треугольным профилем зуба не всегда дает удовлетворительные результаты главным образом вследствие использования метода деления при их изготовлении и потребности в специальном технологическом оборудовании и инструменте.

В этом случае представляет интерес применение в качестве элементов торцового соединения конических зубчатых колес, образованных в пространственном зацеплении с эвольвентным долбяком по методу обкатки.

Наука о пространственных зацеплениях не нова. Одним из ее основоположников является русский ученый Х. И. Гохман [20]. Дальнейшее развитие теории пространственных зацеплений стало возможным благодаря труду большого коллектива ученых. К их числу следует отнести Н. И. Колчина [30, 32 — 34], В.А.Гаври-ленко [14 — 1б], Ф. Л. Литвина [48, 49], В. А. Шишкова [б7 —, Л. В. Коростелева [37 — 40], Н. Н. Крылова |41 — 43], Е.П.Солдат-кина [59 — 62], И. И. Дусева [26, 27], В. М. Васильева [18], Я. С. Давьщова [22 — 24] , — и многих других.

Что касается непосредственно цилиндро-конических'зубчатых колес, нарезаемых долбяком, то их исследование наиболее полно представлено в монографии Я. С. Давыдова «Неэвольвентное зацепление» [22], где с помощью графоаналитических методов проводится анализ составленных на их основе пространственных передач. Рассмотрению аналогичных передач, составленных из зубчатых колес, образованных прямозубым долбяком посвящен ряд работ Л. Я. Либуркина [45 — 47]. Наличие преимуществ и возможность успешного применения таких колес в современной практике подтверждается появлением ряда работ последних лет [4, 6, 36.]. Некоторый зарубежный опыт проектирования и эксплуатации цилинд-ро-конических передач отражен в работах [70,7l] .

Анализ литературных источников показывает, что практически все исследования в области применения конических зубчатых колес, образованных эвольвентным долбяком по методу обкатки, проводимые до настоящего времени, касались в основном передач, составленных из этих колес. Упоминание о возможности построения зубчатой муфты на основе так называемых «неэвольвентных» зубчатых колес имеется лишь в работе [22], однако какие-либо сведения, касающиеся методов анализа и проектирования подобных муфт здесь полностью отсутствуют.

Таким образом, в настоящее время оказываются практически не изученными вопросы, связанные с применением указанных зубчатых колес в качестве элементов муфт.

Между тем, в исследовании такого зацепления имеется целый ряд специфических особенностей. Достаточно отметить тот факт, что два конических зубчатых колеса, образованных долбяком по методу обкатки, будучи зацепленными в передаче, образуют пару с точечным контактом, в то время, как контакт зубьев в муфте, составленной из этих же колес — линейный.

В связи с новым характером рабочего зацепления возникают также проблемы исследования влияния погрешностей обработки на эксплуатационные показатели муфт.

Непрерывность процесса обкатки при формировании зубьев элементов соединения дает основание предположить возможность закономерного распределения технологических погрешностей. В этом случае представляет интерес методика осуществления сборки муфты с целью получения наилучших точностных характеристик.

Целью работы явилась разработка торцовых зубчатых муфт, обладающих повышенной центрирующей способностью и изготавливаемых по методу обкатки, а также, создание методов их исследования и проектирования.

Задачи, поставленные в работе:

1. Анализ станочного зацепления нарезаемой полумуфты с эвольвентным прямозубым производящим колесом. Получение уравнений поверхности зацепления и нарезаемой поверхности, исследование вида и геометрических характеристик последних.

2. Разработка методов решения обратной задачи теории зацепления для случая зацепления полумуфт. Исследование характера контакта зубьев муфты и геометрических аспектов прочности.

3. Анализ нагрузок, действующих в зацеплении. Оценка прочностных характеристик и жесткости указанных муфт.

4.Анализ технологических погрешностей, возникающих в станочном зацеплении полумуфты с эвольвентным производящим колесом. Оценка влияния технологических погрешностей на характер контакта зубьев и распределение нагрузок.

5. Разработка методов контроля качества изготовления элементов муфт и методики осуществления сборки с целью достижения наилучшей центрирующей способности. б'. Изготовление образцов деталей и экспериментальное их исследование.

7. Практическое применение полученных результатов.

6. Результаты работы использованы в МВТУ им. Н. Э. Баумана при проектировании и изготовлении универсального электромеханического манипулятора, созданного в рамках выполнения работ по заданию ГКНТ СССР. Технологический процесс изготовления торцовых зубчатых соединений на зубодолбежном станке типа 5BI2 внедрен на Экспериментально-опытном заводе МВТУ им. Н. Э. Баумана.

Основное содержание диссертации изложено в работах [Ю.

13] .

Материалы работы доложены и обсуждены:

1. На Втором Всесоюзном съезде по теории машин и механизмов в г. Одессе в 1982 г.

2. На Конференции молодых ученых и специалистов в г. Костроме в 1980 г.

3. На заседании научного семинара кафедры «Теория механизмов и машин» Московского станкоинструментального института в 1982 г.

4. На заседании научного семинара кафедры «Теория механизмов и машин» МВТУ им. Н. Э. Баумана в 1980, 1981, 1982 гг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе проведено исследование нового типа соединений — торцовых зубчатых муфт, профиль зубьев которых образуется по методу обкатки с помощью стандартных эволь-вентных долбяков.

При решении поставленных задач использовались методы дифференциальной, аналитической и начертательной геометрии с широким применением средств вычислительной техники, без которых было бы невозможным рассмотрение многих вопросов.

На основе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты:

1. Впервые поставлена задача и предложены методы аналитического исследования торцовых зубчатых муфт, образованных стандартными зуборезными долбяками по методу огибания.

2. Проведенное исследование рабочих поверхностей зубьев на основе кинематики их образования доказало возможность использования цилиндро-конических зубчатых колес в качестве элементов муфт. При этом математически обосновано наличие правильного контакта зубьев в таких муфтах.

3. На основании решения обратной задачи теории зацеплений математически доказана и экспериментально подтверждена линейность контакта зубьев в исследуемых муфтах. Получены аналитические зависимости, позволяющие определить значения приведенной кривизны в произвольном нормальном сечении, а также соотношения для оценки других показателей нагрузочной способности.

4. Исследовано влияние технологических погрешностей на эксплуатационные показатели торцовых зубчатых муфт, образованных эвольвентным долбяком по методу обкатки. Предложена методика осуществления контроля качества изготовления элементов исследуемых соединений, разработана конструкция стенда для контроля, получены соотношения для определения контрольных размеров. Теоретически и экспериментально доказана возможность применения сборки соединения в определенном угловом положении (селективная сборка) с целью получения наилучших точностных характеристик.

5. Теоретически и экспериментально показана возможность применения существующего оборудования и инструмента для производства рассматриваемых торцовых зубчатых муфт. Разработана конструкция приспособления к зубодолбежному станку типа 5BI2 для нарезания торцовых зубчатых венцов с использованием стандартных зуборезных долбяков.