Geum.ru

Зубчатые передачи нового поколения

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
зубчатые передачи нового поколения


С развитием общего и специального машиностроения роль зубчатых передач, трансформирующих механическую энергию по частоте вращения и передаваемым нагрузкам, всё более и более возрастает. При этом особенно увеличивается потребность высокоскоростных (окружные скорости до 175...225 м/с) и тежелонагруженных (передаваемые мощности 60...110 МВт) передачах, характеризуемых снижением уровня вибрации и шума до 15 дБ (децибел).

Традиционные зубчатые передачи с линейным зацеплением эвольвентных зубьев действительно не могут в полном объеме соответствовать вышеуказанным требованиям, в связи с чем на них начали наклеивать ярлыки типа «исчерпаны резервы их дальнейшего развития»; «имеют неустранимые недостатки»; «они тормозят дальнейшее совершенствование и развитие современного редукторостроения» и т.п.

В свете указанных высказываний на протяжении всего XX века продолжались усиленные поиски новых конструкций зубчатых передач, новых видов зацепления и новых форм зубьев, которые по своим характеристикам должны были превзойти традиционные зубчатые передачи.

В связи с этим насаждались идеи и осуществлялись разработки зубчатых передач с арочными, эвольвентными, энкаитными и другими профилями зубьев. Более того, в середине XX века в СССР были зафиксированы в виде открытия передачи Новикова с выпукло – вогнутыми зубьями. Однако указанные зубчатые передачи остались в стороне в силу того, что они не в состоянии были удовлетворить требованиям, предъявляемым к зубчатым передачам.

Следует отметить, что приведенные выше негативные оценки классических зубчатых передач уместны лишь в том случае, если они подразумевают традиционный линейный, но не точечный контакт зубьев. Переход от плоской линейной к пространственной точечной системе зацепления зубьев коренным образом изменяет существующие представления о традиционных зубчатых передачах, о чем более подробно будет сказано далее.

Может возникнуть вопрос: почему точеный контакт зубьев не принимался ранее во внимание? Ответ прост: исходя из классической теории контактной прочности упруго сжатых тел с начальным касанием в точке, разработанной Герцем, максимальные контактные напряжения применительно к точечному взаимодействию тел достигали очень больших величин, которые намного превышали таковые при линейном контакте тел. И этого легло в основу голословных заявлений по поводу того, что точечный контакт зубьев хуже линейного контакта.

Однако в результате создания новой теории контактной прочности упруго сжатых тел, разработанной проф. А.П. Поповым, стало очевидным, что точечный контакт зубьев по всем показателям предпочтительнее линейного контакта (высокая нагрузочная способность вследствие снижения максимальных контактных напряжений; существенное уменьшение весогабаритных показателей передач; уменьшение напряжений изгиба в зубьях за счет рассеивания нагрузки по большим площадкам деформаций; снижение уровня вибрации и шума до 20...25 дБ и т.д.). Более того, допускаемые величины напряжений при точечном контакте в 1,5...2 раза выше таковых, характерных для традиционных передач с линейным контактом зубьев.

В результате созданной новой теории контактной прочности установлено, что в классической теории Герца отсутствуют два основополагающих момента. Во – первых, в ней не проглядывается установленная взаимосвязь между полуосями эллиптической площадки деформации и приведенными радиусами кривизны в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Во – вторых, в классической теории отсутствуют причинно – следственная часть между функцией контактных деформаций и функцией контактных напряжений. Установлено, что функция контактных деформаций (причина) отображает функцию контактных напряжений (следствие). Отсутствие указанных положений в классической теории влияет на определяемые величины контактных напряжений которые по своей величине «зашкаливают» за пределы величин напряжений в реальных конструкциях.

Для подтверждения достоверности новой теории контактной прочности были проведены экспериментальные исследования в статических условиях на моделях, имитирующих реальные условия взаимодействия зубьев с пространственной точечной системой зацепления. При этом расчетные и опытные данные практически совпали.

Однако основное внимание заслуживают экспериментальные исследования двухступенчатого прямозубого редуктора с зубьями внешнего зацепления и распределением нагрузки по трем потокам характеризуемого мощностью N = 7140 л.с и частотой вращения n = 12840 об/мин, проведенные ГП НПКГ «Заря» – «Машпроект». В указанном штатном редукторе размеры зубьев шестерни в осевом направлении были уменьшены в 1,75 раза, исходя из замены линейного контакта зубьев шестерни точечным.

Для изготовления зубьев с точечным контактом используются очень дорогие и высокоточные зубошлифовальные станки немецкого производства типа Хоффлер или Пфаутер. Такие станки имеются в г.г. Запорожье и Новокраматорске. Указанная шестерня была изготовлена ЗАО «Мотор – Сич» (г. Запорожье).

В процессе испытаний опытного редуктора наработка составила 110·106 циклов. При этом пространственная точечная система зацепления зубьев показала отменные качества, которые несвойственны традиционным зубчатым передачам, а именно:

1. Подтверждена необходимая нагрузочная способность по контактным напряжениям при уменьшении длины зубьев в 1,75 раза, что неприемлемо для зубьев с линейным контактом.

2. Опытный редуктор, несмотря на уменьшение длины зубьев в 1,75 раза, показал достаточный запас прочности на выносливость при изгибе зубьев, который обеспечен за счет рассеивания нагрузки по большей площадке контакта.

3. И, наконец, опытный редуктор, в отличие от штатного редуктора, имел примерно на 12 дБ меньший уровень вибрации и шума.

Следует отметить, что проф. А.П. Попов разработал принципиально новое зацепление, не имеющие аналогов, в котором точечный контакт обеспечивается за счёт поворота образующих боковых поверхностей зубьев шестерни на угол θ = (7...25)·10-3 рад относительно образующих боковых поверхностей зубьев колеса. При изготовлении указанных зубьев шестерни достаточно режущий инструмент установить под углом θ относительно заготовки шестерни, в связи с чем отпадает надобность в очень дорогих высокоточных зубошлифовальных станках.

Основные выводы

1. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования на примере опытного редуктора с пространственной точечной системой зацепления зубьев не имеют аналогов в мировой практике. Данные исследования следует рассматривать как очень серьезный прорыв в области современного машиностроения.

2. Нагрузочная способность предлагаемых зубчатых передач по контактным напряжениям в 1,8...2,5 раза, а по изгибным напряжениям в 1,5...1,7 раза превышают таковую в существующих в настоящее время зубчатых передачах.

3. Указанные передачи по сравнению с традиционными передачами характеризуются снижением диаметральных размеров в 1,45...1,55 раза либо осевых размеров в 1,8...1,9 раза по сравнению с известными передачами.

4. Предлагаемые зубчатые передачи помимо увеличения срока службы характеризуются снижением уровня вибрации и шума на 15...25 децибел.


Доктор технических наук, профессор Попов А.П.