Технологические особенности повышения изгибной вынослиновсти конических и гипоидных передач
Автор:
А. С. Калашников, д. т.н., профессор, Московский государственный Машиностроительный университет, e‑mail: [email protected]
В условиях возрастающих нагрузок и повышенных скоростей особое внимание при разработке и производстве конических и гипоидных передач для машиностроительной продукции уделяется повышению изгибной выносливости, определяющей в числе других факторов эксплуатационную надежность изделий.
Конические и гипоидные передачи с криволинейными зубьями применяют для передачи механической энергии между пересекающимися и перекрещивающимися осями валов. Широкому распространению этих передач в промышленность способствовали: высокий коэффициент полезного действия (50–95%), возможность передавать вращающие моменты под межосевым углом Σ = 0…180°, большой диапазон передаточных чисел u = 1,0…100,0 и окружные скорости до 125 м/с и выше (рис.
1).
Рис. 1. Гипоидная передача с криволинейными зубьями: ведомое колесо 1; ведущая шестерня 2.
К коническим и гипоидным передачам, работающим в высоконагруженных трансмиссиях авиационных турбореактивных двигателей и вертолетов, носовых рулевых устройств кораблей, ведущих мостов автобусов, грузовых и легковых автомобилей и др., предъявляют высокие требования не только по точности и шероховатости поверхности зубьев, но и к надежности их работы в процессе эксплуатации.
Основными критериями оценки эксплуатационной надежности конических и гипоидных передач являются:
а) изгибная выносливость зубьев;
б) контактная выносливость зубьев;
в) виброакустическая активность зубчатой передачи.
Изгибная выносливость зубьев характеризуется сопротивлением зубчатого зацепления усталостным поломкам в основании зуба. На рис. 2 показано действие нормальной силы Fn на поверхность головки зуба.
Рис. 2. Схема определения изгибных напряжений в основании зуба
Если изгибающие нагрузки превышают допустимые границы изгибных напряжений, то в основании зуба возникают первые трещины, ведущие в дальнейшем к усталостным поломкам зубьев. Усталостная поломка — наиболее часто встречающийся вид разрушения высоконагруженных конических и гипоидных передач. Эти разрушения возникают в результате повторяющихся действий напряжений изгиба, которые превосходят предел прочности материала. Они порождают трещины на ведущей стороне зуба в области радиуса закругления rf, обеспечивающего сопряжение боковой поверхности и впадины зуба [1].
Как правило, на возникновение предельных изгибных напряжений влияют геометрические параметры зубчатой передачи (продольная кривизна зубьев, радиус закругления в основании зуба rf, толщина ножки зуба по хорд Sf, плечо изгиба hf и др.
), форма и расположения пятна контакта и его чувствительность к смещением базовых расстояний под воздействием высоких нагрузок, ошибочно выбранный материал для зубчатой передачи, дефекты, возникающие при химико-термической обработке и др.
Из геометрических параметров — продольная кривизна зубьев в сочетании с радиусом закругления в основании зуба rf имеют доминирующее влияние на изгибную прочность зубчатой передачи.
Контактная прочность зубьев характеризуется способностью материала противостоять типовым отказам боковых поверхностей зубьев, накоплению повреждений и последующему разрушению поверхностных слоев зубьев — питингу, микропитингу, заеданию, износу под действием высоких и переменных контактных напряжений. Она зависит от точности изготовления, формы и расположения пятна контакта на сопряженных зубьях, твердости их поверхностей, наличии качественной смазки, высоты и структуры расположения микронеровностей на боковых поверхностях зубьев, а также уровня контактных напряжений [1, 2].
Для обеспечения высоких эксплуатационных свойств зубчатые колеса из стали подвергают термической и химико-термической обработке (ХТО). В таблице 1 приведены наиболее часто применяемые в промышленности процессы упрочнения зубчатых колес, достигаемые пределы изгибной и контактной выносливости, а также твердость поверхности зубьев по Роквеллу (HRC) и Виккерсу (HV).
| Вид обработки | Предел выносливости при изгибе зубьев, МПа | Предел контактной выносливости зубьев, МПа | Твердость HRC (HV) зубьев |
|---|---|---|---|
| Улучшение (легированные стали) | 200–350 | 570–920 | 18…41 (200…400) |
| Газовое азотирование (азотируемые стали) | 520–690 | 1150–1450 | 57…63 (700-850) |
| Цементация, нитроцементация (легированные стали) | 400–700 | 1250–1650 | 55…63 (650…850) |
В современных условиях развития машиностроительной продукции требования к коническим и гипоидным передачам с криволинейными зубьями по точности изготовления, модификации формы зуба, надежности и долговечности их эксплуатации постоянно повышаются.
В технологическом процессе зубонарезание является одной из первых и наиболее сложных операций, при которой формируются криволинейные зубья. В зависимости от метода зубонарезания, применяемого оборудования и режущего инструмента конические и гипоидные передачи с углом наклона зубьев β ≤ 50°, внешним окружным модулем mte ≤ 30 мм, внешним диаметром вершин зубьев de2 ≤ 1600 мм могут быть изготовлены с зубьями, продольная кривизна которых близка к эвольвенте, архимедовой и логарифмической спиралям.
При этом основные свойства каждой продольной кривизны зубьев, заложенные на зуборезных операциях, при последующей финишной обработке зубьев (зубопритирке, зубохонинговании, зубошлифовании, нарезании закаленных зубьев) практически не изменяются.
Зубья с продольной кривизной, близкой к эвольвенте, нарезают методом непрерывного деления.
В качестве режущего инструмента применяют конические червячные фрезы с затылованными зубьями или многозаходные резцовые головки. Зацепление зубьев — теоретически точное, высота зубьев — постоянная по всей ширине зубчатого венца. Эвольвентная продольная кривизна зубьев характеризуется наименьшим радиусом режущего инструмента rи = РО1 из всех инструментов, применяемых для образования продольной кривизны зубьев конических и гипоидных передач ( рис. 3). При этом продольную кривизну эвольвентных зубьев определяют по формуле
ρэв. = Rm sinβm,
где Rm — среднее конусное расстояние; βm — средний угол наклона линии зуба.
Благодаря значительной изогнутости эвольвентных зубьев в продольном направлении, а также теоретически точному зацеплению конические и гипоидные передачи имеют минимальную чувствительность к смещениям базовых расстояний в процессе эксплуатации под действием высоких нагрузок [3].
Рис. 3. Схема зацепления зубьев конических и гипоидных колес с плоским производящим колесом: О — центр производящего колеса; О1, О2, О3 — центры резцовых головок; Р — середина зубчатого венца; rи — радиус резцовой головки.
Незначительная чувствительность передач с эвольвентной продольной кривизной к смещениям базовых расстояний позволяет успешно применять их в условиях экстремально высоких нагрузок, например, в трансмиссиях танков и вездеходов. Однако низкая производительность при зубонарезании, а также отсутствие промышленных методов финишной обработки закаленных зубьев с эвольвентной продольной кривизной существенно ограничили применение этих передач.
С увеличением радиуса резцовой головки rи = РО2 продольная кривизна зубьев приближается к спирали Архимеда (рис. 3), радиус которой в середине зубчатого венца равняется
ρа.
с = Rm ctgβm ( (tgβ2m + 1)1,5 / ( tgβ2 m + 2 )) .
Зубчатые колеса с продольной кривизной, близкой к спирали Архимеда, могут быть нарезаны непрерывным методом многозаходными резцовыми головками или методом прерывистого деления однозаходными резцовыми головками. На рис. 4 показана продольная кривизна зубьев, выполненная по спирали Архимеда. Особенностью зубьев конических и гипоидных колес с такой кривизной по сравнению с эвольвентной является уменьшение разности в углах наклона линии зуба на внешнем и внутреннем его концах, что повышает чувствительность передач к смещениям базовых расстояний:
∆β = βe — βi ,
где βe и βi — соответственно внешний и внутренний углы наклона линии зуба.
Рис. 4. Продольная кривизна, выполненная по спирали Архимеда: θi, θm, θe — соответственно внутренний, средний, внешний углы поворота спирали; R
При дальнейшем увеличении диаметра резцовой головки rи = РО3 продольная линия зубьев будет иметь кривизну, близкую к логарифмической спирали (рис. 3):
ρл. с. = Rm / sinβm.
Большинство конических и гипоидных передач с продольной, кривизной близкой к логарифмической спирали, нарезают станочным методом прерывистого деления однозаходными резцовыми головками. Криволинейные зубья таких передач имеют переменную высоту, пропорционально увеличивающуюся от внутреннего к внешнему торцу.
Диаметр резцовой головки для зубонарезания выбирают из стандартного номинального ряда в зависимости от внешнего конусного расстояния Re зубчатого колеса (таблица 2).
| Внешнее конусное расстояние Rе, мм | 25–38 | 38–70 | 70–89 | 89–102 | 102–133 | 133–190 | 190–381 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Номинальный диаметр резцовой головки, дюймы (мм) | 2,0 (50,8) | 3,5 (88,9) | 6,0 (152,4) | 7,5 (190,5 | 9,0 (228,6) | 12 (304,8) | 18 (457,2) |
Стандартный ряд резцовых головок определен из условия получения продольной кривизны зубьев в виде логарифмической спирали, которая обеспечивает постоянство угла наклона по всей ширине зубчатого венца и минимальную погрешность угла нормального профиля αn на выпуклой и вогнутой сторонах зубьев у шестерни и колеса.
Это позволяет получать у зубьев с переменной высотой теоретически точное зацепление зубьев с высоким качеством пятна контакта и избежать диагонального его расположения.
С целью исследования влияния продольной кривизны зубьев на их изгибную выносливость были изготовлены две партии конических передач (z1 = 11, z2 = 19, mte = 9 мм, b = 33 мм, Re = 98,75 мм, βm = 41°35′) редуктора грузового автомобиля. При изготовлении использовали следующие операции обработки зубьев: нарезание, химико-термическая обработка, шлифование [4]. Ведущая коническая шестерня приведена на рис. 5.
Рис. 5. Ведущая шестерня конической передачи
Нарезание криволинейных зубьев осуществляли посредством воспроизведения станочного зацепления зубьев воображаемого производящего колеса 1 с зубьями обрабатываемой заготовки 2 при их взаимном обкате (рис. 6). При нарезании зубьев шестерни и колеса прямолинейные режущие кромки затылованных резцов 3 резцовой головки 4 производят зубья воображаемого производящего колеса 1.
Вращение заготовки 2 согласовано с обкатным движением люльки станка 5, на которой установлена резцовая головка 4.
Рис. 6. Схема нарезания зубьев обкатных конических передач
Первая партия была изготовлена резцовыми головками с номинальным диаметром 9” (228,6 мм) из стандартного ряда с учетом приближения продольной кривизны линии зуба к логарифмической спирали, при которой образуется теоретически точное сопряжение зубьев.
Радиус продольной кривизны зубьев в середине зубчатого венца ρл. с. = 123,98 мм; Rm = Re – 0,5b = 82,29 мм.
Основным геометрическим свойством логарифмической спирали является постоянный угол между ее касательной и полярным радиусом. Поэтому приближение линии зуба к логарифмической спирали способствовало получению угла наклона линии зуба практически постоянного по всей ширине зубчатого венца. Разница углов наклона линии зуба в крайних точках ширины зубчатого венца — на внешнем βe и внутреннем βi торцах равнялась
∆β = βe — βi ≈ b / 2rи cosβm (1 – rи sinβm / Rm) ≈ 58′.
Незначительное изменение угла наклона линии зуба по всей ширине зубчатого венца позволило получить минимальную погрешность нормального угла профиля ∆αn на выпуклой и вогнутой сторонах зубьев шестерни и колеса, обусловленную переменной высотой зубьев [4].
Погрешность угла профиля на внешнем и внутреннем концах зубьев по линии делительного конуса определяли с помощью уравнения
∆αn = (θf1 + θf2)) 0,5b / rи [1 – rи sinβm / Rm] ≈ 0°7′,
где θf1 и θf2 — соответственно углы ножки зуба шестерни и колеса, рад.
Разница в углах профиля сопряженных зубьев шестерни и колеса на внешнем и внутреннем концах была настолько мала, что практически не представляло трудностей получить пятно контакта высокого качества и избежать диагонального его расположения на зубьях.
Известно, что радиус закругления в основании зуба rf (рис.
2), который осуществляет сопряжение боковой поверхности и дна впадины зуба, оказывает существенное влияние на изгибную выносливость и стойкость режущего инструмента. Поэтому его величина должна быть максимально возможной, она в значительной степени зависит от радиуса при вершине инструмента Rр (рис. 7). Этот радиус лимитируется шириной вершины Wр и минимальной шириной впадины зуба
Rр = (Wр – ∆) cosα / (1 – sinα),
где ∆ ≥ 0,4 мм — площадка для установки калибра при контроле радиуса закругления при вершине инструмента; α — угол профиля зуба.
Рис. 7. Схема определения радиуса закругления на вершине инструмента
С целью обеспечения качественного шлифования зубьев при предварительной обработке производили подрезания ножки зуба с помощью резцов с топремом (утолщением) высотой h (рис. 7). При чистовой обработке зубошлифованием снимали припуск 2 величиной 0,2–0,25 мм со стороны зуба (рис.
8). Траектория движения чашечного шлифовального круга 3 плавно вписалась в поверхность в области ножки зуба, возникшую после зубонарезания 1, без образования острых выступов, являющихся концентраторами изгибных напряжений. Шлифовали только боковую поверхность, не касаясь дна впадины зубьев и сохраняя зазор 4.
Рис. 8. Траектория движения резцов и шлифовального круга
В целях снижения опасности возникновения прижогов и микротрещин, а также возможности получения в поверхностном слое зубьев деформационного упрочнения шлифование производили чашечными цилиндрическими шлифовальными кругами с высокой пористостью и открытой структурой (рис. 9а).
Наличие между абразивными зернами 1, скрепленными керамической связкой 3, крупных пор 2 обеспечивает достаточное пространство для удаления микростружек, а также подвод большого количества СОЖ непосредственно в зону резания через поровое пространство круга (рис.
9б).
а)б)
По сравнению с кругами нормальной структуры у высокопористых кругов увеличивается в 2–3,5 раза расстояние между зернами, уменьшается поверхность трения с заготовкой и снижается температура нагрева в зоне шлифования на 300…400°С [5].
При кривизне зуба, выполненной по логарифмической спирали, ширина дна впадины зубьев шестерни имела значительное сужение от пятки к носку зуба, что не позволило получить большой радиус закругления вершины резца Rр = 0,8 мм.
Нарезание зубьев второй партии производили резцовыми головками с номинальным диаметром 7,5” (190,5 мм). В результате линия зубьев приблизилась к архимедовой спирали, радиус кривизны которой в средней точке ширины зубчатого венца соответствовал
ρа. с. = 79,5 мм.
С уменьшением кривизны зубьев возросла разница в углах наклона линии зуба на внешнем и внутреннем его концах до ∆β = 3°28′. Увеличилась также погрешность угла профиля в крайних по длине точках зуба на делительном конусе ∆αn = 0°26′.
Ширина впадины зубьев шестерни стала более равномерной, что позволило увеличить радиус закругления резца до Rр = 1,5 мм.
Для сравнения изгибной выносливости конических зубчатых передач с различной продольной кривизной зубьев были проведены испытания на стенде с силовым замкнутым контуром. Вращение ведущего вала испытываемого редуктора соответствовало переднему ходу движения автомобиля. Продолжительность испытания каждой конической пары определялось временем работы стенда до поломки шестерни или колеса. С целью выравнивания окружных скоростей полуосей дифференциал вспомогательного редуктора был заблокирован. Температура масла в картере моста и испытываемом редукторе поддерживалась с помощью искусственного водяного охлаждения в пределах 80–90°С.
Прочностные испытания производили на следующих режимах:
— обкатка в течение 60 мин при частоте вращения полуосей n = 40 об/мин и нагрузке 5 кНм;
— обкатка в течение 60 мин при n = 40 об/мин и нагрузке 10 кНм;
— испытание до поломки конических колес при 60 об/мин и нагрузке 14 кНм.
Сравнительные стендовые испытания показали, что у конических передач с зубьями, продольная кривизна которых ρа. с. = 79,5 мм, изгибная выносливость на 30–35% выше, чем у передач с продольной кривизной ρл. с. = 123,92 мм. Средняя продолжительность работы конических передач на стенде соответственно была равна 124 мин и 91 мин (рис. 10).
Рис. 10. Результаты сравнительных стендовых испытаний
Средний пробег грузового автомобиля с коническими передачами, зубья которых имели продольную кривизну по архимедовой спирали, значительно повысился и составил 153800 км по сравнению с передачами с продольной кривизной зубьев, выполненной по логарифмической спирали, — 95700 км.
Повышение изгибной выносливости конических зубчатых передач с продольной кривизной ρа. с. = 79,5 мм объясняется тем, что в результате уменьшения радиуса кривизны зубьев и увеличения разницы угла наклона линии зуба на внешнем и внутреннем его концах пятно контакта под действием рабочих нагрузок в картере редуктора перемещается в границах зуба менее интенсивно, т.
е. имеет меньшую чувствительность к смещению базовых монтажных установок.
Среди современных универсальных станков с ЧПУ следует отметить вертикальный зуборезный станок обкатного типа Oerlikon C29 фирмы Klingelnberg, на котором можно нарезать конические и гипоидные передачи с криволинейными зубьями по эвольвенте, архимедовой и логарифмической спирали (рис. 11).
Рис. 11. Вертикальный зуборезный станок Oerlikon C 29
Заключение
Проведенные теоретические исследования, стендовые и дорожные испытания конических и гипоидных передач с криволинейными зубьями позволили сделать следующие выводы:
1. Передачи с эвольвентной продольной кривизной зубьев обладают наибольшей изгибной выносливостью. Однако отсутствие высокопроизводительных промышленных методов финишной обработки закаленных зубьев этих передач, как правило, не позволяет получать точность зубьев выше 7‑й степени по ГОСТ 1758–81, что значительно снижает область их применения.
2. Для высоконагруженных передач преимущественно применяют зубчатые колеса с продольной кривизной, выполненной по архимедовой спирали. Такие передачи имеют изгибную выносливость несколько меньшую, чем у передач с эвольвентной кривизной зубьев, но значительно большую по сравнению с передачами с кривизной зубьев, выполненной по логарифмической спирали. Современные методы финишной обработки закаленных зубьев (шлифование и нарезание) обеспечивают высокую производительность и точность 4–6 степени.
3. Наиболее благоприятные условия для достижения максимального значения радиуса закругления Rр вершины зубообрабатывающего инструмента и, следовательно, радиуса закругления в основании зуба rf возникают при прерывистом методе обработки двусторонним режущим инструментом. Чтобы ширина дна впадины зубьев у шестерни и колеса была постоянной по всей ширине зубчатого венца, их выполняют с двойной конусностью.
4. При непрерывном методе двухстороннего зубонарезания, а также при раздельной обработке каждой стороны зуба прерывистым методом ширина впадины имеет переменный характер, и величину радиуса закругления Rр режущего инструмента определяют по узкой части впадины, что снижает радиус закругления в основании зуба rf.
Литература
1. Jan Klingenberg. Kegelrader. Springer — Verlag Berlin, Hei-denberg, 2008. 379 p.
2. Айрапетов Э. Л. Совершенствование нагруженности и прочности передач зацеплением. М.: Техника машиностроения, 2001. № 2. С. 8–33.
3. Калашников А. С., Моргунов Ю. А., Калашников П. А. Современные методы обработки зубчатых колес. М.: Издательский дом «Спектр», 2012. 238 с.
4. Зинченко В. М. Инженерия поверхности зубчатых колес методами химико-термической обработки. М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. 302 с.
5. Старков В. К. Шлифование высокопористыми кругами. М.: Машиностроение, 2007. 668 с.
Источник журнал «РИТМ машиностроения» № 3-2020
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЧИСТОВОЙ ОБРАБОТКИ ЗУБЬЕВ КОНИЧЕСКИХ И ГИПОИДНЫХ ПЕРЕДАЧ
Автор:
А. С. Калашников, доктор технических наук, профессор, Московский политехнический университет, e-mail: [email protected]
ПРОВЕДЁННЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОКАЗАЛИ, ЧТО В КАЧЕСТВЕ ОПЕРАЦИИ ЧИСТОВОЙ ОБРАБОТКИ КОНИЧЕСКИХ И ГИПОИДНЫХ ПЕРЕДАЧ ЗУБОШЛИФОВАНИЕ ИМЕЕТ СУЩЕСТВЕННЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА.
В машиностроении широко применяют конические и гипоидные передачи из легированных сталей со средним содержанием углерода 0,10…0,25%. В целях поверхностного упрочнения такие стали подвергают диффузионному насыщению поверхностей углеродом (цементация) или углеродом и азотом (нитроцементация) с последующей закалкой.
После термообработки содержание углерода в поверхностном слое достигает 0,8…1,0%, и твердость поверхности составляет 58…63 HRC при сохранении вязкой сердцевины 36…43 HRC. Это позволяет значительно повысить изгибную и контактную прочность зубьев. Однако в процессе нагрева и последующего охлаждения зубья конических и гипоидных передач подвергаются деформации, и их точность в зависимости от технологии химико-термической обработки (ХТО) и применяемого оборудования снижается на 1–2 степени и более по ГОСТ 1758-81.
Вследствие низкой точности конические и гипоидные передачи после ХТО без чистовой обработки применяются редко, главным образом в неответственных механизмах с незначительной нагрузкой и низкой скоростью вращения [1].
В промышленности для чистовой обработки зубьев конических и гипоидных передач после ХТО наиболее часто применяют притирку и шлифование.
Притирку закаленных зубьев конических и гипоидных передач производят для уменьшения параметров шероховатости и незначительных исправлений формы и расположения пятна контакта с целью достижения плавного и бесшумного зацепления зубьев. Притиркой может быть получена шероховатость поверхности зубьев Ra 1,0–2,1 мкм и значительно снижена виброактивность конических и гипоидных зубчатых передач. Отдельные параметры кинематической точности, плавности работы, контакта зубьев и бокового зазора исправляются незначительно. Припуск под притирку зубьев не оставляют. Однако максимальный съём металла с наиболее деформированных участков поверхности зуба может достигать 0,03 мм. В целях обеспечения качественной притирки нарезание зубьев шестерни (меньшей из пары) конических и гипоидных пар с передаточным отношением i ≥ 2 необходимо производить с подрезанием основания зуба резцами с утолщением (усиком) на вершине резца [2].
Чтобы избежать чрезмерного подрезания основания зуба, уменьшающего его изгибную выносливость, которая характеризуется сопротивлением зубчатого зацепления усталостным поломкам под действием напряжений в основании зуба, необходимо тщательно рассчитать утолщение 3 на вершине резца 2 (рис. 1). Расчётом определяют высоту утолщения h и радиус закругления r при угле профиля резца α.
Рис. 1. Условия предварительной обработки криволинейных зубьев
При притирке, которая производится на зубопритирочных станках, между зубьями сопряженных вращающихся зубчатых колес вводится абразивная жидкость, состоящая из абразива 1 (рис. 2а) и несущего масла 3. Твердые и хрупкие абразивные зерна 1 снимают мелкую стружку 4 с поверхности зубьев шестерни 5 и колеса 2 при их вращении и взаимном перемещении.
Для повышения режущих свойств абразивных зёрен создают давление путём торможения ведомого шпинделя станка.
Рис. 2. Притирка зубьев конических и гипоидных передач
В течение автоматического цикла работы для обеспечения качественной притирки всей боковой поверхности на выпуклой и вогнутой сторонах зуба два шпинделя станка периодически меняют направление вращения, осуществляя то привод, то торможение.
При этом выполняются три взаимосогласованных движения:
1. Вертикальное движение 2 (рис. 2б) которое обычно выполняет шестерня 4, перемещает пятно контакта по всей длине зуба. В отдельных конструкциях зубопритирочных станков продольное перемещение пятна контакта производят с помощью поворота 3 шестерни 4 вокруг оси А–А.
2. Горизонтальное движение 6 в направлении оси ведущей шестерни способствует удержанию пятна контакта в среднем положении по высоте профиля при его перемещении по длине зуба.
3. Осевое движение 5, которое обычно выполняет ведомое колесо 1 в сочетании с вертикальным и горизонтальным движениями, позволяет поддерживать постоянный боковой зазор в течение всего цикла притирки.
Чтобы избежать интерференции верхней кромки зуба при работе конической и гипоидной передач в собранном механизме, боковой зазор во время притирки должен быть на 0,05…0,07 мм меньше минимального значения чертежа.
Для достижения высокого качества поверхности зубьев шестерня должна совершить во время притирки 2000…4000 оборотов.
Так как исправляющие способности притирки зубьев незначительны, после ХТО необходимо произвести подбор в пары, т. е. выявить два сопряжённых элемента — ведущую шестерню и ведомое колесо, качество зацепления которых близко к требованиям чертежа.
Подбор в пары производят на контрольно-обкатном станке путём изменения в допустимых пределах базовых расстояний и бокового зазора с целью достижения благоприятной формы и расположения пятна контакта и плавности зацепления.
У притёртых и подобранных в пару зубчатых передач при окончательном контроле на контрольно-обкатном станке маркируют номер комплекта — 113, боковой зазор — Б.З. 0,25 мм между зубьями шестерни и колеса, отмеченных знаком «Х», и базовое расстояние ведущей шестерни — Б.Р. 128,1 мм, при которых получены наилучшие результаты по форме и расположению пятна контакта и плавности зацепления (рис. 3). При сборке в редукторе этих зубчатых пар должны быть точно выдержаны указанные параметры.
Рис. 3. Маркировка конической и гипоидной зубчатой передачи
Для достижения требуемого базового расстояния ведущей шестерни 128,1 мм сборку производят с помощью точного ступенчатого компенсатора. Необходимый боковой зазор устанавливают перемещением ведомого колеса вдоль его оси. Такая сборка является трудоёмкой и, как правило, не обеспечивает высокую точность сопряжения конических и гипоидных передач.
Так как на поверхности зубьев 1 у конических передач имеется только профильное скольжение (скорость VP), прогрессивно увеличивающееся от делительной линии 3 к головке и ножке зуба, то пятно контакта располагается по середине высоты зуба и имеет тенденцию к сужению (рис.
4).
У гипоидных передач на поверхности зубьев 2 наряду с профильным (скорость VP) имеется и продольное скольжение (скорость VL). Поэтому при их притирке пятно контакта под действием результирующего скольжения (скорость VR) имеет склонность к расширению по высоте зуба.
Рис. 4. Схема расположения профильного, продольного и результирующего скольжения на зубьях
В последнее время для передач с криволинейными (круговыми) зубьями, особенно для работающих с высокими окружными скоростями, в качестве отделочной операции в большинстве случаев предпочитают зубошлифование вместо зубопритирки. Объясняется это главным образом невысокой производительностью притирки и достигаемой точностью зубьев, отсутствием полной взаимозаменяемости и необходимостью выполнения дополнительных операций (подбор в пары перед притиркой и сборкой, сборка с компенсаторами и регулировкой бокового зазора).
Значительная зависимость от деформаций, полученных зубчатыми колесами при ХТО, делает воспроизводимость процесса притирки нестабильной.
Зубошлифование — процесс скоростного микрорезания твердых слоёв зубьев колёс 2 большим числом хаотично или упорядоченно расположенных режущих элементов 1 шлифовального инструмента (рис. 5).
Рис. 5. Схема шлифования зубьев конических и гипоидных передач
При зубошлифовании снимают припуск 0,1…0,25 мм на сторону зуба, что позволяет не только устранить все погрешности зубьев конических и гипоидных передач, возникшие при ХТО, но и достичь высокой точности (4–6 степень по ГОСТ 1758–81) и снизить шероховатость боковых поверхностей зубьев до Ra 0,4…1,6 мкм. Обеспечивается полная взаимозаменяемость сопряжённых передач.
Обработку чаще всего проводят чашечно-цилиндрическими шлифовальными кругами 3 (рис. 6), осевое сечение которых подобно резцам резцовых головок. При обработке заготовки 1 рабочая поверхность шлифовального круга 3 воспроизводит зуб воображаемого производящего колеса 2.
Рис. 6. Схема зацепления чашечно-цилиндрического шлифовального круга с воображаемым производящим колесом
При двустороннем способе зубошлифования одновременно шлифуют две стороны зуба — выпуклую и вогнутую, при одностороннем — сначала выпуклую, а затем вогнутую сторону.
Шлифование зубьев можно производить абразивными и металлическими кругами с однослойным или многослойным покрытием кубическим нитридом бора (CBN). Металлические круги с покрытием CBN изготавливают для конкретной геометрии зубьев заготовки, и параметры их режущей части не могут быть изменены.
Поэтому такие круги применяют исключительно в условиях массового и крупносерийного производства.
В мелко- и среднесерийном производстве широко используют абразивные правящие круги, которые имеют возможность при правке целенаправленно изменять рабочий профиль в зависимости от геометрии зубьев.
Так как процесс шлифования зубьев конических и гипоидных передач является теплонапряжённым, то целесообразно применять высокопористые абразивные круги на керамической связке. Большой объём пористости (пористость более 50%) служит для размещения в круге срезаемых микростружек и подвода СОЖ в зону резания, снижает опасность возникновения шлифовочных прижогов и термических микротрещин, а также изменения структуры поверхностного слоя зубьев [3, 4]. В качестве абразивного материала чаще всего применяют электрокорунд хромистый рубиновый или смесь микрокристаллического корунда (SG-корунд) с электрокорундом белым.
Большим преимуществом абразивных кругов является возможность профильной правки непосредственно на станке с достижением высокой точности профиля [5].
На рис. 7 показан профиль чашечно-цилиндрического шлифовального круга с точно выраженными при правке: углом профиля α, высотой h, радиусами закругления r1, r2, r3, радиусами выпуклого R1 и вогнутого R2 рабочего профиля.
Рис. 7. Геометрические параметры шлифовального круга
С целью оценки технологических возможностей методов чистовой обработки зубьев притиркой и шлифованием была обработана партия гипоидных передач: число зубьев ведущей шестерни (рис. 8) — z1 = 11, число зубьев ведомого колеса — z2 = 33, средний угол наклона линии зуба — βm = 45°23′, окружной зазор — с = 0,15–0,25 мм, внешняя высота зуба — he = 16,0 мм, гипоидное смещение — Е = 36,0 мм, внешний окружной модуль — mte = 7,37 мм.
Рис. 8. Гипоидная ведущая шестерня
Результаты испытаний сведены в таблицу 1.
| Технические паметры | Зубопритирка | Зубошлифование |
|---|---|---|
| Модуль обрабатываемых колёс, мм | ≤ 16 | 0,7…18 |
| Производительность | +/– | + |
| Степень точности по ГОСТ 1758-81 | 6…8 | 4…6 |
| Шероховатость боковых поверхностей зубьев по Ra, мкм | 1,0…2,1 | 0,4…1,6 |
| Необходимость подрезания основания зуба | – | + |
| Возможность профильной и продольной модификации | – | + |
| Необходимость подбора в пары | – | + |
| Возможность обработки дна впадины зуба | – | + |
| Воспроизводимость процесса | +/– | + |
| Технологичность сборки | – | + |
| Условное обозначение: (+) — положительный результат; (–) — отрицательный результат; (+/–) — возможность положительного или отрицательного результата.  | ||
Проведённые экспериментальные исследования и опыт эксплуатации позволили определить, что зубошлифование конических и гипоидных передач по сравнению с притиркой зубьев имеет ряд существенных преимуществ:
1. Не требуется подрезание основания зуба перед обработкой и подбор в пары перед сборкой.
2. Возможность профильной и продольной модификации, а также обработки дна впадины зубьев.
3. Высокая воспроизводимость и стабильность процесса обеспечивают технологичность сборки.
Литература
1. Калашников А. С., Моргунов Ю. С., Калашников П. А. Современные методы обработки зубчатых колёс. М.: Издательский дом «Спектр», 2012. 238 с.
2. Bausch Tomas. Innovative Zahnradfertigung. Expert Verlag GmbH, D‑71262, Renningen, Germany, 2006. 778 p.
3. Старков В. К. Шлифование высокопористыми кругами. М.: Машиностроение, 2007. 668 с.
4.
Краткий справочник металлиста / под общей редакцией А. Е. Древаля и Е. А. Скороходова. М.: Машиностроение, 205. 910 с.
5. Вальтер Граф. Шлифование и полирование зубчатых колес // Журнал «РИТМ машиностроения». 2016. № 6. С. 27–28.
Источник журнал «РИТМ машиностроения» № 2-2021
Трехмерный анализ гипоидных передач | Дж. Мануф. науч. англ.
Пропустить пункт назначения навигацииНаучно-исследовательские работы
И. М. ДаниэльИнформация об авторе и статье
Дж. Инж. Инд . ноябрь 1971 г., 93(4): 1275-1279
https://doi.org/10.1115/1.3428074
Опубликовано в Интернете: 1 ноября 1971 г.
История статьиПолучено:
16 октября 1970 г.
Онлайн:
15 июля 2010 г.
- Взгляды
- Содержание артикула
- Рисунки и таблицы
- Видео
- Аудио
- Дополнительные данные
- Экспертная оценка
- Делиться
- Фейсбук
- Твиттер
- Электронная почта
Иконка Цитировать Цитировать
Разрешения
- Поиск по сайту
Цитирование
Дэниел, И.
М. (1 ноября 1971 г.). «Трехмерный анализ гипоидных передач». КАК Я. Дж. Инж. Инд . ноябрь 1971 г .; 93(4): 1275–1279. https://doi.org/10.1115/1.3428074
Скачать файл цитаты:
- Рис (Зотеро)
- Менеджер ссылок
- EasyBib
- Подставки для книг
- Менделей
- Бумаги
- КонецПримечание
- РефВоркс
- Бибтекс
- Процит
- Медларс
Расширенный поиск
Трехмерный фотоупругий анализ с использованием методов замораживания напряжений и срезов был проведен для получения распределения напряжений и нагрузок в гипоидной зубчатой паре. Изготовлены точные натурные пластмассовые модели шестерни и шестерни. Специальное монтажное приспособление было разработано и изготовлено из того же фотоэластичного пластика, что и модель.
Также был разработан и изготовлен калибр для настройки зубчатого колеса и шестерни. Точная регулировка производилась с помощью регулировочных шайб. Желаемый контакт, рассчитанный для создания максимальных напряжений на галтели, был проверен с помощью маркировочного состава и калиброван с помощью калибра для разделения заготовки. Нагрузочное устройство использовалось для приложения чистого крутящего момента к шестерне. Собранную модель загружали и подвергали циклу стресс-замораживание. Затем зубья, находящиеся в зацеплении, были разрезаны и проанализированы для получения распределения напряжения контакта и галтели.
Раздел выпуска:
ИсследованияТемы:
Спирально-конические зубчатые колеса, стресс, Гейджес, Замораживание, Шестерни, Циклы, Крутящий моментЭтот контент доступен только в формате PDF.
В настоящее время у вас нет доступа к этому содержимому.
25,00 $
Покупка
Товар добавлен в корзину.
Проверить Продолжить просмотр Закрыть модальный режимСпециальная прямая трансляция: конические и гипоидные шестерни
| Дата | 06–09 ноября 2023 г. 14:00–18:00 |
| Местоположение | Онлайн |
| Язык | Английский |
| Уровень | Специальный |
| Процесс | Программное обеспечение для проектирования |
| Провайдер | KISSsoft AG |
| Продолжительность класса | 4 занятия по 4 часа вкл. ломается |
Конические и гипоидные зубчатые колеса
Это специальное обучение охватывает теорию, расчет, контактный анализ и оптимизацию конических и гипоидных зубчатых колес, дополненные практическими упражнениями.
Целевой группой являются инженеры, знакомые с KISSsoft и работающие с коническими зубчатыми колесами при проектировании и производстве.
Даты и время
Обучение будет проходить в виде 4 сеансов прямой трансляции в течение 4 дней подряд.
Для участников в Европа :
6–9 ноября 2023 г.: центральноевропейское время с 14:00 до 18:00 (Брюссель)
Для участников в некоторых частях Америки:
ноября 6-9, 2023 : EST 8:00–12:00 (Нью-Йорк)
Темы
Во время обучения демонстрируются несколько традиционных методов нарезания, которые используются для прямых, косозубых и спирально-конических зубчатых колес.