Актуальность проблемы. Конические передачи с круговыми зубьями широко применяются в современном машиностроении. Такой вид передач является одним из наиболее ответственных узлов прокатного, горнообогатительного, авиационного, автомобильного, сельскохозяйственного и другого оборудования. Должный технический уровень передач определяет саму возможность изготовления таких машин.
В реальных производственных условиях проектирование конических передач с круговыми зубьями распадается на два этапа.
Проектируя машину в целом или её узел, включающий коническую передачу, конструктор, исходя из требований к габаритам, нагрузочной способности, условиям работы подшипников и т. д., выбирает параметры и, руководствуясь нормативными документами, выполняет чертежи передачи.
Технолог, основываясь на полученных чертежах, рассчитывает наладки зуборезных станков, обеспечивая форму и расположение мгновенных и суммарного пятен контакта активных поверхностей, и такие показатели качества зацепления, как суммарный коэффициент перекрытия и кривая неравномерности вращения ведомого звена (кривая Бакстера).
Такой подход целесообразно изменить с тем, чтобы, с одной стороны, на выбор параметров передачи не накладывались технологически неоправданные ограничения, а с другой — требования удобства технологии нарезания зубьев учитывались ещё на этапе проектирования передачи.
Наиболее частой причиной выхода передачи из строя является выкрашивание поверхностей зубьев, вызванное переменными контактными напряжениями. Одним из резервов снижения контактных напряжений является оптимизация параметров исходного контура, которые включают в себя угол профиля, коэффициенты делительной толщины зуба, высоты головки зуба, граничной высоты и радиального зазора.
Понятие исходного контура заимствовано из геометрического расчёта цилиндрических передач, где имеет прямой технический смысл, как контур осевого сечения производящей поверхности стандартных червячных фрез. В конических передачах с круговыми зубьями, нарезаемыми методом единичного деления, этот контур не воплощается в конструкцию режущего инструмента, и используется только для удобства расчёта.
Помимо этого, существующими нормативными документами предусматривается использование трех основных форм зубьев, которые в свою очередь накладывают определенные ограничения на выбор среднего угла наклона зубьев и параметров резцовой головки. Такой подход к проектированию имеет смысл в серийном и массовом производстве, где для каждой передачи изготавливают специальный инструмент, но он не оправдан в индивидуальном производстве. Использование имеющегося инструмента существенно осложняет, проектирование передачи. Конструкторам неизбежно приходится изменять либо осевую форму, либо угол наклона зубьев, обеспечивая, прежде всего, нормальное сужение зубьев, и в меньшей степени учитывая влияние этих факторов на прочностные характеристики передачи.
Актуальным представляется разработка нового подхода к проектированию конических передач с круговыми зубьями на основе оптимизации параметров исходного контура и выбора осевой формы зубьев с целью улучшения прочностных характеристик передачи и с учётом имеющегося на, производстве инструмента. Этому и посвящена данная работа. .
Цель работы состоит в повышении нагрузочной, способности конических передач с круговыми зубьями путём разработки методов и программного обеспечения для конструкторско-технологического синтеза, учитывающего возможность их реализации на машиностроительных предприятиях с индивидуальным типом производства.
Методы исследования основаны на математическом, анализе, аналитической и дифференциальной геометрии, сопротивлении материалов и теории упругости, вариационном исчислении, численных методах и теории зубчатых зацеплений.: ,, .
Научная новизна работы заключается:
1. в целевой функции, максимум которой обеспечивает минимизацию расчетных контактных напряжений в полюсе зацепления с учетом выравнивания удельных скольжений на ножках зубьев и ограничений по заострению и подрезанию зубьев;
2. в установлении закономерностей влияния угла наклона спирали зуба на суммарный коэффициент перекрытия и его составляющие, на величину радиальных и осевых усилий,. определяющих условия работы подшипниковых узлов, на прочностные характеристики передачи и плавность ее работы;
3. в установлении характера совместного влияния угла наклона спирали зуба и суммы углов ножек зубьев шестерни и колеса на сужение зубьев колес на делительных конусах и на технологию зубонарезания при условии минимизации подналадок для обработки двух разных сторон зубьев шестерни односторонним методом;
4. в математической модели пространства станочного зацепления, выявлении на её основе условий, обеспечивающих совпадение нормалей и кривизн обеих боковых поверхностей в дифференциальной окрестности расчётной точки, и обосновании принципиальной возможности получения конических передач с близкими характеристиками зацеплеиия при существенно различных наборах универсальных наладок зуборезного станка.
Практическая, ценность работы заключается:
1.в повышении нагрузочной способности по критерию контактной выносливости зубьев для передач с оптимизированным исходным контуром на 10% - 30% по сравнению со стандартными передачами;
2. в определении оптимальных интервалов угла наклона спирали зуба для трех основных групп механизмов с коническими передачами, различающихся по конструкции подшипниковых узлов, по требованиям к нагрузочной способности передачи и к виброактивности ее работы;
3. в методике расчета наладок, позволяющей обрабатывать стандартным инструментом оптимизированные передачи с углом зацепления, отличным от угла профиля этого инструмента, а также выполнять обработку зубьев «длинноконусных» и крупногабаритных шестерен на станках, не позволяющих реализовать требуемую радиальную установку инструмента.
4. в разработке алгоритмов и программных блоков для расчета карт наладок наиболее крупного в России зубофрезерного станка модели 5А284 и зубошлифовального станка модели 5А872 В.
Реализация работы. Результаты работы использованы на ОАО ЭЗТМ для проектирования и подготовки производства более чем 30 конических передач с круговыми зубьями для приводов прокатного и горно-шахтного оборудования.
Апробация работы. Основные положения и наиболее важные разделы диссертационной работы докладывались на II и III конференциях молодых специалистов «Металлургия XXI века», проводимых при участии ГНЦ РФ «ВНИИМЕТМАШ им. А.И. Целикова», МГТУ им. Н. Э. Баумана, МИСИС, МГВМИ, и Международного Союза «Металлургмаш" — на международной конференции «10th International ASME Power Transmission and Gearing Conference. ASME PTG 2007» (Las Vegas, USA) — на международной конференции «POWER TRANSMISSION 2006» (Novi Sad, Serbia) — на научно-технической конференции с международным участием «Теория и практика зубчатых передач и редукторостроения» (г. Ижевск), а также на конференции «Машиностроение — традиции и инновации» (МТИ — 08), на заседаниях кафедр «Инструментальная техника и технология формообразования» и «Теоретическая механика» ГОУ ВПО МГТУ «Станкин».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов. Работа изложена на 185 странице машинописного текста, содержит 144 рисунка, 21 таблицу.
Список литературы
включает 127 наименований. Общий объем работы составляет 185 страниц.
Основные выводы.
1. Оптимизация параметров нормального исходного контура (угла профиля ап, коэффициента высоты головки зуба ha* и коэффициента хп нормального смещения) с одновременным учётом влияния угла наклона линии зуба позволило снизить контактные напряжения в конических передачах с круговыми зубьями на 10−30%, что свидетельствует о повышении их нагрузочной способности.
2. Выбор оптимальных параметров исходного контура выполнен на основе целевой функции, максимум которой обеспечивает минимизацию расчетных контактных напряжений в полюсе зацепления с учетом выравнивания удельных скольжений на ножках зубьев и ограничений по заострению и подрезанию зубьев. С её помощью исследована вся гамма ортогональных конических передач с круговыми зубьями с передаточными числами 11=1.6.3. Предложенная целевая функция может быть использована и для угловых конических передач.
3. Установленные закономерности влияния угла наклона спирали зуба на суммарный коэффициент перекрытия и его составляющие, на величину радиальных и осевых усилий, определяющих условия работы подшипниковых узлов, на прочностные характеристики передачи и плавность ее работы позволили выделить 3 основные группы механизмов с коническими передачами с круговыми зубьями и оптимальные для них пределы изменения угла наклона спирали.
К первой группе относятся механизмы, лимитирующими факторами в которых являются габариты и несущая способность подшипниковых узлов. Для этой группы угол наклона спирали должен находиться в пределах от 12° до 21°, что обеспечивает наименьшую радиальную и осевую нагрузки на подшипниковые узлы и уменьшение габаритов механизма в целом.
Ко второй группе относятся механизмы, в которых основным требованием к передаче является её нагрузочная способность, и в меньшей степени плавность работы и уровень шума. Для этой группы передач угол наклона спирали должен находиться в пределах от 21 ° до 3 8°. Контактная и изгибная выносливости этой группы передач наиболее сбалансированы. Причём в термически улучшенных передачах при твердости меньше 300 НВ, целесообразно принимать угол наклона спирали в пределах от 30° до 38°. Для передач с поверхностной закалкой зубьев лимитирующим фактором становится изгибная выносливость, и угол наклона спирали следует принимать в диапазоне от 21° до 30°.
К третьей группе относятся механизмы, в которых повышены требования к плавности работы и вибро-акустическим характеристикам. В этом случае следует стремиться к суммарному коэффициенту перекрытия = 3.0.4.5. При этом угол наклона спирали должен быть не менее 38°.
4. Исследование совместного влияния угла наклона спирали и суммы углов ножек зубьев шестерни и колеса на геометро-технологические факторы, связанные с выбором резцовой головки и номера резцов, необходимого для устранения негативного влияния отклонения угла профиля внешних и внутренних резцов от угла зацепления, дало возможность установить, что:
— недопустимое сужение зубьев шестерни и колеса на делительных конусах может быть устранено варьированием как суммы углов ножек зубьев шестерни и колеса, так и, в меньшей степени, угла наклона спирали;
— с точки зрения технологии зубонарезания для получения оптимальной осевой формы зуба, т. е. такой, при которой подналадки для обработки двух разных сторон зуба шестерни будут минимальны, нет необходимости изменять угол наклона спирали, варьируя только суммой углов ножек.
5. В пространстве станочного зацепления, жестко связанного с осями производящего колеса (люльки станка) и инструмента (резцовой головки), построена математическая модель, связывающая взаимное положение и движение инструмента и заготовки. На основе этой модели выявлены необходимые и достаточные условия, обеспечивающие совпадение вектора нормали и кривизн обработанной поверхности в дифференциальной окрестности расчётной точки для двух различных наборов значений универсальных наладок. Эти условия представлены в виде системы векторных уравнений и раскрыты в виде скалярных зависимостей между угловыми скоростями люльки и нарезаемого колеса, углами профиля резцов инструмента и линейными величинами позиционных наладок (радиальная установка инструмента, осевое и гипоидное смещения заготовки и т. д.). Обоснована принципиальная возможность получения конических передач с близкими характеристиками зацепления при существенно различных наборах универсальных наладок зуборезного станка.
6. На основе полученной математической модели разработаны технологические методы, позволяющие обрабатывать стандартным инструментом оптимизированные передачи с углом зацепления, отличным от угла профиля этого инструмента, и выполнять обработку зубьев «длинноконусных» и крупногабаритных шестерен на станках, имеющих максимальную радиальную установку инструмента, меньшую требуемой. Вместе с этим были разработаны алгоритмы и программные блоки для пересчета универсальных наладочных параметров в карты конкретных наладок для наиболее крупного в России зубофрезерного станка модели 5А284 и зубошлифовального станка модели 5А872 В.
7. Внедрение результатов работы на ОАО ЭЗТМ, проведенное путем проектирования, расчёта наладок (с помощью ПК ЭКСПЕРТ версии ЭЗТМ) и изготовления более чем тридцати ортогональных и неортогональных конических пар с равнопонижающимися, понижающимися и равновысокими зубьями, с углами наклона зуба от 14° до 40°, передаточными числами от 1 до 7, внешним торцевым модулем до 20 мм и внешними диаметрами колес до 1400 мм для приводов прокатного и горно-шахтного оборудования, подтвердило возможность использования разработанного методического и программного обеспечения для подготовки производства конических зубчатых передач с круговыми зубьями в промышленности.
