ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЗУБЧАТОЙ ПЕРЕДАЧИ И ЗУБОРЕЗНОГО ИНСТРУМЕНТА
а — угол профиля исходного контура;
т - модуль;
z - число зубьев зубчатого колеса;
b — ширина зубчатого венца;
d — диаметр делительной окружности колеса;
da — диаметр вершин зубьев;
df- диаметр впадин;
dw - диаметр начальной окружности колеса;
So — часть делительной толщины зуба производящей рейки;
х — коэффициент смещения исходного контура;
с — коэффициент радиального зазора;
h* - коэффициент высоты головки зуба; h*j- - коэффициент высоты ножки зуба; aw - межосевое расстояние передачи; U — передаточное число; At — приведённый зазор в передаче;
Ro — номинальный радиус кривизны зуба производящей рейки; а0 — угол профиля исходного производящего контура; d0 - номинальный диаметр зуборезной резцовой головки; W— развод резцов двусторонней зуборезной головки.
Индексы обозначений относятся:
О - к инструменту, производящей рейке (производящей поверхности), станочному зацеплению; / - к шестерне;
7 2 — к большему колесу;
п - к нормальному сечению;
/ — к торцовому сечению;
е — к наружным резцам инструмента, к вогнутой стороне зуба колеса;
/ - к внутренним резцам инструмента, к выпуклой стороне зуба колеса;
а - к окружности вершины зубьев;
/— к окружности впадин;
Ъ — к основной окружности;
w — к начальной окружности.
8 ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. В ряде случаев существенное улучшение экс-плутационных характеристик цилиндрических зубчатых передач может быть достигнуто за счёт применения колес с арочными, в частности с круговыми, зубьями. По сравнению с прямозубыми и косозубыми колёсами они имеют следующие преимущества.
1. В передаче сравнительно легко достигается продольная локализация контакта боковых поверхностей зубьев.
2. Отсутствует кромочный контакт зубьев, вызываемый погрешностями изготовления передачи и её деформацией под нагрузкой.
3. Увеличивается изгибная и контактная прочность зубьев.
4. Возрастает плавность работы передачи, улучшаются ее виброшумовые характеристики.
Одними из наиболее перспективных объектов, в которых могут быть использованы цилиндрические колёса с круговыми зубьями, являются шестеренные насосы большой производительности и низкого давления, получившие значительное распространение в различных отраслях машиностроения и превосходящие другие типы насосов по простоте, весовым характеристикам, себестоимости и надёжности. Обладая вышеперечисленными достоинствами, они имеют, однако, существенный недостаток - значительные вибрацию и шум при работе. Применение в шестеренных насосах роторов с круговыми зубьями позволяет существенно улучшить их виброшумовые характеристики.
Другой весьма перспективной областью применения цилиндрических колёс с круговыми зубьями является производство грузовых автомобилей. Так, в главной передаче заднего моста автомобиля КамАЗ имеются цилиндрические косозубые колёса с модулем 6 мм. В связи с возникающими при их работе значительными осевыми нагрузками соответствующие валы устанав-
9
ливают в радиально-упорные роликовые подшипники. Осевой зазор в подшипниках должен тщательно регулироваться при сборке мостов и в процессе эксплуатации машины, поскольку уменьшение или увеличение зазора приводит к нарушению нормальной работы и преждевременному выходу из строя подшипников и зубчатых колёс. Использование цилиндрических колёс с круговыми зубьями позволяет устранить осевые нагрузки, упростить конструкцию, изготовление и эксплуатацию заднего моста. В частности, отпадает необходимость в регулировании осевого зазора в подшипниках, в регулировочных гайках, нарезании резьбы большого диаметра в корпусе и т.д.
Примером из другой области, где целесообразно применение колёс с круговыми зубьями, является секторная пара с передаточным числом U—10^ используемая в механизме вертикального наведения ствола автоматического артиллерийского комплекса. Поскольку передача работает в неблагоприятных условиях - повышенные нагрузки ударного характера в сочетании с консольным креплением колес - к ней предъявляются весьма жёсткие требования по точности, в частности по форме и расположению пятна контакта. Однако расчёт величин отклонения от параллельности и перекоса осей в секторной передаче показал, что для обеспечения нормального функционирования передачи необходимо прибегать к пригоночно-регулировочным работам или ужесточать допуски на составляющие звенья до величин практически неприемлемых. В результате анализа ряда работ было установлено, что переход к цилиндрической передаче с круговыми зубьями наряду с другими преимуществами позволит избежать выполнение пригоночно-регулировочных операций, поскольку такие передачи имеют значительно меньшую чувствительность к погрешностям изготовления и монтажа.
Как показывает опыт, разработка технологии формообразования зубьев нестандартных передач является весьма трудоемкой процедурой и требует, в частности, предварительного расчёта геометрии таких передач. Анализ известных методик геометрического расчёта обкатных и полуобкатных цилин-
10 дрических передач с круговыми зубьями показал, что они имеют общую
структуру, но отличаются геометрическими и кинематическими схемами станочного зацепления и некоторыми параметрами рабочего зацепления. С другой стороны, поскольку методики разрабатывались в разное время, с использованием ЭВМ различных поколений и для различных по конструкции и назначению зубчатых передач, они не обладают унифицированным подходом к решению задачи проектирования цилиндрических передач с круговыми зубьями и не являются «взаимозаменяемыми». Это обусловливает их существенный недостаток: при необходимости выбора того или иного вида передачи и, следовательно, того или иного метода изготовления зубчатых колёс приходится последовательно рассчитывать её параметры по каждой из методик и сравнивать результат. Это приводит к неоправданным затратам времени и не позволяет оперативно решать вопрос о том, какой из методов зубооб-работки является рациональным для данной передачи. К этому следует также добавить, что методика автоматизированного расчёта геометрических параметров полуобкатной передачи, шестерня которой сформирована на базе производящего колеса, до настоящего времени не была разработана.
С учётом изложенного разработка обобщённой методики автоматизированного расчёта геометрии обкатной и полуобкатных цилиндрических передач с круговыми зубьями представляется нам задачей, имеющей существенное значение и актуальной для современного машиностроения.
Работа выполнялась при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по гранту 00-15-99064.
Цель работы состоит в повышении эффективности подготовки производства цилиндрических колёс с круговыми зубьями.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
1. На основе анализа существующих способов формообразования круговых зубьев цилиндрических колёс и методик геометрического расчёта ци-
11
линдрических передач с круговыми зубьями разработать обобщённую методику расчёта геометрии таких передач.
2. Разработать оптимизационную модель станочного и рабочего зацепления цилиндрических колес с круговыми зубьями и соответствующее программное обеспечение, позволяющие обоснованно выбрать вид цилиндрической передачи с круговыми зубьями, выполнить расчёт её геометрических параметров и параметров зуборезного инструмента.
3. Установить взаимосвязь геометрических параметров передачи и параметров зуборезного инструмента с закономерностью изменения приведённого зазора в процессе зацепления.
Методы исследований. В работе использованы теория и геометрия зубчатых зацеплений, математический аппарат аналитической и дифференциальной геометрии. Компьютерное моделирование проводилось на персональной ЭВМ на основе численных методов математического анализа и теории компьютерного моделирования.
Научная новизна. Установлена закономерность изменения приведённого зазора в процессе зацепления в зависимости от геометрических параметров обкатной и полуобкатных цилиндрических передач с круговыми зубьями и параметров зуборезного инструмента.
Разработана обобщённая методика расчета геометрических параметров обкатной и полуобкатных цилиндрических передач с круговыми зубьями, позволяющая на основе компьютерного моделирования осуществлять обоснованный выбор вида передачи, её оптимизированное проектирование и определение параметров зуборезного инструмента.
Практическая ценность работы заключается в создании оптимизационной модели цилиндрической передачи с круговыми зубьями и программного обеспечения, использование которых позволяет:
- повысить эффективность подготовки производства цилиндрических колёс с круговыми зубьями;
12 - определить параметры зубчатых передач и зуборезного инструмента,
обеспечивающие благоприятный контакт боковых поверхностей зубьев в передаче.
Реализация результатов работы. Обобщенная методика расчёта геометрии цилиндрических передач с круговыми зубьями и соответствующее программное обеспечение приняты для использования при проектировании зубчатых передач новых перспективных изделий в ОАО «Щегловский вал» (г. Тула) (приложение Б) и АО «Алексинский завод тяжёлой промышленной арматуры» (приложение Г). Кроме этого результаты работы используются в учебном процессе на кафедре «Технология машиностроения» ТулГУ при выполнении дипломных проектов и магистерских диссертаций (приложение В).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на ежегодных НТК ТулГУ в 2002-2005 годах, на международной электронной НТК «Технологическая системотехника» (Тула, 2002 г.), на международной НТК, посвященной 100-летию со дня рождения С.С. Петрухина (Тула, 2003 г.), а также на международной научно-технической электронной интернет-конференции «Технология машиностроения 2004» [Электронный ресурс].
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 статей.
Автор выражает глубокую благодарность к. т. н., доценту В.А. Ковешникову за оказанную помощь в процессе выполнения работы, критические замечания и рекомендации.
13 1 ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС С АРОЧНЫМИ ЗУБЬЯМИ. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ АРОЧНЫХ ЗУБЬЕВ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС
Повышение качества продукции является важнейшей задачей современного машиностроения. Ужесточение в соответствии с этим требований к выпускаемым изделиям заставляет в ряде случаев искать новые, нетрадиционные конструкторские и технологические решения, поскольку применение известных решений и приемов либо не даёт требуемого эффекта, либо экономически нецелесообразно.
Для изделий, содержащих цилиндрические зубчатые передачи, задачу повышения качества продукции в ряде случаев удаётся решить за счёт замены прямых зубьев арочными. Как показали работы, выполненные в Курганском машиностроительном институте, Краматорском индустриальном институте и Тульском политехническом институте (ныне Тульский государственный университет), переход к цилиндрическим передачам с арочными зубьями благодаря увеличению коэффициента перекрытия и локализации пятна контакта наряду с другими преимуществами позволяет увеличить плавность зацепления, снизить шум и вибрацию, повысить долговечность зубчатых колёс и т.д. [1-13].
1.1 Использование роторов с круговыми зубьями в шестеренных
насосах
Одним из наиболее перспективных объектов, в которых могут быть использованы цилиндрические зубчатые колёса с арочными зубьями, являются шестеренные насосы, получившие широкое распространение в различных отраслях машиностроения и превосходящие другие типы насосов по простоте, весовым характеристикам, себестоимости и надёжности.
14
Обладая всеми вышеперечисленными достоинствами, эти насосы имеют, однако, существенный недостаток — значительные вибрацию и шум в процессе работы [14]. При этом наибольший уровень вибрации наблюдается в области зубцовой частоты f z и её высших гармоник. Так, например, для
насоса ШФ8-25 (рисунок 1.1,а) эти частоты соответственно равны 250, 500, 1000, и 2000 Гц.
Попытки снижения уровня вибрации за счёт повышения точности зубчатых роторов с 8 - 9 степени до 6 степени по ГОСТ 1643-81 [15], улучшения геометрии корпуса насоса, применения различных схем отвода жидкости из защемлённого объёма и изменения бокового зазора в зацеплении не привели к ожидаемому результату и не оказали достаточного воздействия на виброшумовые характеристики (ВШХ) насосов, особенно на зубцовой частоте и её гармонике второго порядка.
Неудачные попытки улучшения ВШХ шестеренных насосов при использовании зубчатых колёс традиционных видов обусловили поиск нестандартного решения этой задачи. На основании работ, выполненных Э.Л.Айрапетовым, М.Д.Генкиным, И.И.Клюкиным, ЕЛ.Юдиным, а также анализа ВШХ шестеренных насосов, процесса зубонарезания и результатов контроля зубчатых роторов, проведённых ПО «Ливгидромаш» (г.Ливны) [16-19], был сделан вывод о том, что основные причины повышенной виброактивности роторов заключаются в следующем.
1. Малый коэффициент перекрытия зубьев (еа= 1,05 —1,1), связанный с необходимостью устранения заклинивания перекачиваемой жидкости в отсечённом пространстве впадины (рисунок 1.2), что весьма нежелательно у насосов большой производительности. При малом коэффициенте перекрытия в спектре вибраций преобладают зубцовая частота и её гармоники высших порядков.
2. Неблагоприятное расположение пятна контакта в зацеплении. При большой ширине зубчатого венца погрешность направления зуба в совокуп-
g
X О
а»
¦
о
тз о
8
•а
2 s
OS
3
о»
S
н
о
я о о н
го о о о о S
JOS . . . .
ее -------
«л
IV)
о Л» » . . _
1» лэ --------- ----« ,,
о «Л
О» ... - - у
в» . -. _ -\ J
!
о> - - - -«о» s \
*-. * « i-
*
••- ь с
о
§ ¦¦-• ff
о«
*о «о о )
8Л \
г
§м ...
ш
Ar ¦
Г1__
.с
8...
о
р
I
о о
Я
Е
2
?;
о
2 a
о» 3
3 о
2
/отсеченное пространство впадины
3 4
О\
Рисунок 1.2 - Шестеренный насос ШФ 8-25
17
ности с погрешностями корпуса и подшипников насоса приводит к смещению пятна контакта к одному из торцов ротора и выходу его на кромки зубьев.
3. Сравнительно невысокая точность зубчатого венца.
4. Пульсация жидкости, весьма существенная у насосов с прямозубыми роторами.
Улучшение ВШХ насосов возможно за счёт устранения любой из этих причин. Однако добиться серьёзного эффекта при таком подходе не удаётся. На рисунке 1.1,6 представлена вибрационная характеристика насоса ШФ8-25, оснащённого роторами со шлифованными зубьями 6 степени точности. Из графика видно, что снижение уровня вибрации на зубцовой частоте и гармонике второго порядка по сравнению с серийным комплектом роторов незначительно. Поэтому рассчитывать на улучшение ВШХ можно только за счёт комплексного решения вопроса и проведения взаимосвязанных конструкторских и технологических мероприятий. Такой комплексный подход возможен при использовании роторов с арочными зубьями. Эти роторы позволяют:
1)получить сравнительно большой суммарный коэффициент перекрытия зубьев;
2)обеспечить локализацию зоны касания зубьев, что компенсирует погрешности направления зубьев и относительного расположения осей роторов;
3)уменыпить пульсацию перекачиваемой жидкости.
Как показали изготовление и испытание первых опытных образцов роторов с арочными (круговыми) зубьями [1], они отвечают требованиям точности и производительности обработки зубьев и сборки шестеренных насосов в сочетании с малой виброактивностью. Это обстоятельство послужило основанием для проведения дальнейшей работы по совершенствованию методов их проектирования и изготовления. |
