автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Геометрия изменяющегося контакта и оптимизация параметров червячных передач ZT

п ~ г Л 1 На правах рукописи

Л О >

! -з ••! 1 " •

ЧЕРЕПКОВА Светлана Валентиновна

ГЕОМЕТРИЯ ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ КОНТАКТА И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЧЕРВЯЧНЫХ ПЕРЕДАЧ 2Г

Специальность 05.02.02 - Машиноведение и детали машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степснн кандидата технических наук.

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете (СПбГМТУ).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор КРИВЕНКО Игорь Семенович.

Офншюпьные оппоненты: член-корреспондент Инженерной

академии РФ, доктор технических наук, профессор ШУЛЫД Всеволод Витальевич;

кандидат технических наук, доцеит ПАВЛОВ Арсений Михайлович.

Ведущая организация - АООТ "Подъемтрансмаш", Санкт-Петербург.

Защита состоится " /1" и&их. 1996 г. в /У часов на заседании диссертационного совета Д 063.38.07 Санкт-Петербургского государственного технического университета по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью предприятия, просим направлять в адрес диссертационного

совета.

Автореферат разослан

1996 г.

Учг 'шй секретарь диссертационного совета К- т. н„ доцент

В. И. ЛЕБЕДЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С вступлением в рынок и реальную конкуротгуто борьбу перед отечественной промышленностью летала сложная научно-техипесхая задача соэдагам мани« и мехагаимов, по технико-эконо.чическим показателям не уступающих лучшим зару-Gtnnw образцам.

Успеишов решение этой задачи в немалой степей! зависит от эксплуатационных показателей червячных передач и редукторов, широко используемых во многих отраслях промышленности. В середине 80-х годоп на заводах бывшего СССР ежегодно изготавливалось свыше 400 тысяч червячных редукторов общего назначения, свыше 50 тысяч специальных червячных редукторов и несколько десятков тысяч специализированных червячных передач. В когте 80-х годов потребность в червячных редукторах, в том числе комбинированных и мотор-редукторах, повысилась до 490 - 520 тысяч штук, что составило около 30% от общего объема производства всех шщов редукторов.

При столь широком их применении технико-экономические характеристики редукторов и червячных передач остаются сравнительно невысокими. По дашгым, приведенным lia совещашш в ПШТ (1987 г.), посвященном вопросам редукторостроення. 23 типоразмера шш 589 тысяч выпускаемых в то время редукторов не соответствовали техническому уровню одноименной продукции одной из ведущих зарубежных фирм - фирмы "Флендер".

В сформулнроваючых в начале 90-грдов требованиях к черня'пгым редукторам предполагалось доя обеспечения их конкурентоспособности повысить уровень передаваемых н.ирузок в 1,5—2 раза. Найти удовлетворительное решение поставленной задачи я случае применешта в машинах и механизмах традиционных червячных передач 7J, ТА, ZN и 2К пока не удалось из-за их пониженной контактной выносливости.

Следует отметить, что проблема низкого качества червячных редукторов неоднократно рассматривалась в работах И. С. Кривенхо, В. В. ЦГульца, Л. С. Боровича, А. В. Вер-ховского, А. К. Георгнева, Б. К. Герасимова, П. С. Зака, Г. А. Лагутина, В. II. ПаруСца, В. И. Подройко и др.

Анализ многолетних отечественных и зарубежных исследований показывает, что для создания экономичного привода с высоким уровнем эксплуатационных показателей необходимо перейти на производство более прогрессивных видов червячных передач, наиболее перспективными из которых являются достаточно технологически освоенные передачи ZT. Эти передачи по контактной выносливости и износостойкости существенно превосходя1 традиционные виды.

Внедрению передач ZT в отечественную промышленность препятствует их недостаточная изученность, проявляющаяся в противоречипости результатов экспериментов, связанной. в тем числе, с неоднозначностью рекемщцаций по выбору основных параметров таких передач. Это определяет необходимость проведения более глубоких исследований.

Целью лиесертапнокной работы является исследование измен;. лцегося при аксплуа-

таадш контакта поверхностей червячной передачи 2Г и геометрическая оптимизация параметров этих передач, обеспечивающая повышенные эксплуатационные показатели.

Поставленная цель определила основные задачи работы.

1. Разработка расчетного алгоритма для исследования геометрии и кинематики передач 2Т с изменяющимся в результате эксплуатации контактом.

2. Определение области допустимых сочетаний параметров, в пределах которой может быть реализована передача 2Т.

3. Исследования эволюции геометро-кинематических показателей (ГКП) и свойств сопряженных поверхностей передачи ХТ на этапах теоретического и полного контакта.

4. Обоснование критерия и оптимизация параметров передач ХГ-

5. Экспериментальные исследования червячных передач 2Т с целью сопоставления опытных данных с теоретическими результатами.

6. Разработка практических рекомендаций по рациональному выбору основных параметров червячных передач ТТ.

Научная ноанана работы заключается в следующем:

- усовершенствована математическая модель зацепления поверхностей червячной передачи 2Т на основе уточнения существующих представлений об эволюции их котакта;

- определены граничные состояния котакта Передачи ТТ и область допустимых сочетаний параметров, в пределах которой реализуется зацепление между главными поверхностями передачи с постоянным передакупмм отношением и отсутствует подрезание зубьев колеса;

- исследованы особенности теоретического и полного контакта передачи 2Т в рамках области допустимых сочетаний ее основных параметров.

ИдаетыеЕшииашияьлМеш состоит.- в возможности выбора основных геометрических параметров передач СТ в пределах найденной области рациональных сочетаний этих параметров;

- в возможности получения высоких и стабильных эксплуатационных показателей передач 2'Г в течение всего периода работы при учете результатов оптимизации и практических рекомендаций;

- п разработке методик и алгоритмов, позволяющих исследовать геометрию и кинематику передач 2Т на всех стадиях эволюции их котакта ц определять веткину шп'еградь-яых потерь в зацеплешш передач с червяками различных профилей.

Результаты диссертационной работы внедрены при корректировке ОСТ 2 1121-4-84 передачи червячные цилиндрические модифицированные. Основные, параметры", ОСТ 2 Н24-9-64 "Передачи червячные цилиндрические модифицированные. Расчет геометрии", ОСТ 1 1124-10-84 "Передачи червячные цилиндрические модифицированное. Исходный червяк и исходный производящий червях", ОСТ 2 Н91-5-84 "Передачи чераячные цигавдрические модифицированные. Общио технические требования".

Предложивм£ сочетания параметров и рекомендации по назначению ширины чер-

вячного колеса использованы при составлении таблиц основных параметров червячных передач для внедрения в перспективные конструкции редукторов НПО "ВШШредуктор".

Результаты работы по огггимтшки параметров передач '¿Т внедрены пи Moiwicbckom заводе Запасных частей ПО "Хасмволокло".

ДнрсСашИ-РйГады. Основные результата работы докладывались и обсуждались на конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного морского технического университета (1986 - 1995 гт.), на 1ГГС и не Кооряина-ционном совете по червячным передачам НПО "ВШШредуктор" (Кнен, 1986 - 1988 гг.), на конструкторской секшш комитета зубчатых передач и зацеплений им. Х.Ф. Кетова (Ленинград, 1987 г.), на 1ГГС завода "Редуктор" (Ленинград, 1989 г.), на Международной конференции "Научно-технические проблемы нротоицюпаты надежности н долговечности металлоконструкций и методы их решения" (С-Петербург, 1995 г.).

Щ&шкашш По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ (2 статьи приняты в печать), в том числе 4 работы - без соавторов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом в 286 страниц состоит из введения, пяти глав, основных результатов и рекомендаций, содержат« которых изложено на 177 страницах машинописного текста (через два интервала), не считая рисунков, списка литературы из 167 наименований на 18 страницах, трех приложений на 28 страницах. Работа содержит 85 рисунков на 63 страницах и 43 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Еа_ашшшн обосновывается актуальность темы диссертации, формугагруется цепь исследования, дается краткое содержание работы.

ПаВШЯЛШЯЛ посвящена анализу состояния исследуемого вопроса, обоснованию цели и задач исследоваш«.

В главе подчеркивается необходимость значительного повышения качества червячных редукторов и передач. Проанализированы данные литератур/ых источников об эксплуатационных свойствах червячных передач XT и показано, что внедрение этих передач явпяег-ся эффективным техническим решением, которое может обеспечить повышение технического уровня отечественных червячных редукторов до уровня лучших мировых образцов.

В результате сравнительного анализа обнаружена противоречивость имеющихся рекомендаций по выбору основных геометрических параметров червячных передач ZT.

Необходимость уточнения рекомендаций по выбору параметров передач ZT становится актуальной задачей еще и в связи с анализом накопленных экспериментальных данных, имеющих плохую воспроизводимость, существенный разброс в значениях и нестабильность во времени. Например, в работах В. И. Парубца было показано, что при одних и тех же основных параметрах уровень эксплуатационных показателей передач ZT может быть существенно различным в зависимости от расположения начадьного пятна контакта на поверхности зуба колеса и условий его формирования.

Далее и главе обоснована необходимость углубленного исследования и усовершенсчио-ваши математической модели зацепления поверхностей передачи 27', так как эта модель (разработанная более 40 лет назад и используемая в неизменном виде до настоящего времени) базируется на традиционных представлениях о контакте между главными поверхностями, сохраняющимся неизменным па протяжении всего периода работы передачи.

В результате анализа литературных данных выделены четыре характерных этапа эволюции контакта, которые наблюдаются в процессе изнашивания червячной передачи.

1. Этап начального локализованного контакта. На атом этапе независимо от того, сформированы сопряжешше поверхности с преднамеренным отводом от тацмоошбае-мых или нет, пятно контакта в червячной передаче меньше теоретического в силу Имеющихся деформаций и погрешностей изготоачения и сборки.

2. Этап теоретического контакта. Он наиболее изучен и, в основном, соответствует принятой модели зацепления червячной пары. Действительное пятно ко!гтакта на этом этапе достигает теоретических границ главной поверхности зуба колеса и соответствует теоретическим размерам поля зацепления.

3. Этап полного контакта. Для червячной передачи ТГ размеры переходной поверх -ности чуба колеса соизмеримы с размерами ее главной поверхности. Поэтому после достижения пределов главной поверхностг: в контакт с продольной притуплешой кромкой шп-ка червяка постепенно вступает переходная поверхность зуба колеса.

4. Этап изношенного контакта. В соответствии с разработанной В. В. Шульцем энергетической теорией оптимального геометрического синтеза изнашивающихся элементов машин в ходе длительной эксплуатации передач с выпуклым профилем витка червяка (профиль витка червяка 2Г вогнутый) происходит геометрическая оптимизация формы сопряженных поверхностей, которую называют устойчивой формой естественного износа.

В данной работе исследования геометрии н кинематики изменяющегося контакта сопряженных поверхностей передач 7Т ограничены первыми тремя этапами, так как форма вошугого профиля витка червяка далека от устойчивой формы естественного износа, и последняя, таким образом, не воспроизводится в период реального ресурса »тих передач.

В конце глаш сформулированы задачи диссертационного исследования.

Ко_Ю1СШЙ.Хгшаё приведен расчетный алгоритм для теоретического исследования геометрии изменяющеюся контакта; этот алгоритм в отличие от известных позволяет учитывать особенности зацепления на различных этапах эксплуатации червячной передачи. Разработанный алгоритм основывается на результатах предшествующих отечественных исследований и являем дальнейшим развитием. Речь идет о работах И. С. Кривенко, Ф. Л. Лш-шна, В. В. Шулгт И. 11 Бернацкого, Б. К. Герасимова, В. И. Парубца и др.

В гааае приведен)-! дополнительные окденкя об этапах эволюции контакта. Определяющая особенность заключается в том, что креме контакта между главными поверхностями X! и в процессе ъксатуатации черяячпой передачи появляется контакт между пос<?(ш«:етьк> нритуплегеи щюдольной кромки шегка червяка и переходной поверх-

носгыо зуба колеса Переходная поверхность E¡k зуба колеса при его нарезании по методу обкатки образуется производящей поверхностью притупления продольной кромки червячной фрезы. На рис. 1 поверхность Zók ограничена линиями 1 .и 3. В рабочем зацеплении из-за контактных деформаций, погрешностей изготовления и монтажа или вследствие износа зуба часть поверхности расположенная между линиями 2 и 3 на рис. 1, вступает в контакт с поверхностью С этой же поверхностью вступает в зацепление и часть глашой поверхности Л'2 зуба колеса, расположенная между линиями 3 и 4. На рис. 1 поверхность Х2 ограничена линией 4, а контактная переходная поверхность £2к зуба - линиями 2 и 4. Вступление в контакт переходной поверхности £21с зуба расширяет границы поля зацепления, сопровождается увеличением дни линий контакта п изменением геометро-кинематмеских и эксплуатационных свойств зацеплешш.

Далее обоснованы принятые допущения. При разработке математической модели этапов эволюцш контакта использовалось допущение об абсолютно жестком неизменяемом червяке, а все измекешы геометрии контакта условно били отнесены к боковой поверхности зуба колеса, скорость разрушения которой на тачальных этапах работа пе£«-дачн, характеризующихся интенсивным износом, в несколько раз больше, чем у червяка. Тахпм образом, било принято, что на первых трех этапах изменяющегося контакта характер зацепления поверхностей меняется вследствие преобладающего изменения формы поверхности зуба колеса, прирабатывающейся к поверхности шика червяка.

Усовершенствована математическая модель зацепления. Основой усовершенствования математической модели и расчетного алгоритма явилось:

- уточнение существующих представлений о границах пятна контакта и поля зацепления в связи с учетом новых конструктивных, теяюпсгических и эксплуатационных особенностей червячной передачи: притуплённой кромки витка, локализации начального пятна контахта, пэдвшгостп границ контакта в результате износа поверхности зуба колеса;

- уточнение условий и уравнений, определяющих подвижные границы пятна контакта и поля зацепления;

- определение зависимостей для расчета изменяющихся ГКП контакта.

В усовершенствованной модели в качестве дополнительного условия использовано уравнение огибающей контактных линий.

Разработанный алгоритм универсален, так как уравнения шиповой пое пностн червяка и показателей контакта записаны в общем виде и являются функциями от полярного радиуса г, торцового профиля витка. Дня червяков 277, ZT2, ZT3, ТТЛ и ZTN описана изменяемая часть алгоритма.

ашсый алгоритм реализован в претрамме расчета на ЭВМ, которая позволяет определять координаты точек контактных линий. в том числе точек, раеположеиккых на границах локализованного, теоретического и полного контакта, точек входа я выхода ш

Рис. 1. Поверхности и 2)2к на зубе колеса

Рис. 2. Червяк 272. Параметры производящего тора

зацепления; значения ГКП п расчетных точках; суммарные длину контактных линий, коэффициенты перекрытия для локализованного, теоретического и полного контакта; расчетные конструктивные параметры передачи, такие как длина червяка, ширина и толщина (в задашом сечении) зуба колеса, угол профиля в осевом сечении витка на заданном расстоянии от оси червяха.

Хигшшша посвящена определению области допустимых сочетаний основных параметров передач 2Т и анализу свойств изменяющегося контакта в пределах этой области.

В главе рассмотрены граничные состояния контакта передачи 2Т и сформулированы граничные условия.

Совокупность параметров, оказываюпют решающее влияние на показатели передачи ТТ, сведена к двум независимым параметрам; коэффициенту смещения х н радиусу р0 образующей дуги, окружности производящего тора червяка, и - к осевому углу аи профиля на вершине витка червяка. Величина аи зависит от параметров производящего тора (рис, 2): угла а0, безразмерного радиуса д, (р0 = ~р0 / т, где т - модуль черяяка), и - от параметров червяка: числа заходов г^ и коэффициента д = ¿¡¡/ т, гае -делительный диаметр червяка.

В результате определена область допустимых сочетаний параметров х, и аха передач ХГ (рис. 3), в пределах которой реализуется зацепление между главными поверхностями с постоянным передаточным отношением, отсутствует подрезание зубьев и выполняются технологические требования по обеспечению режущих свойств червячной фрезы.

Далее проанализированы свойства зацепления 2Т на границах и исследованы ГКП и особенности теоретического контакта внутри указшшой области.

В результате найдены условия, при которых ГКП контакта достигают экстремальных значений в средней плоскости передачи: скорость перемещения контактной точки по высоте зуба \>2 -> оо (рис. 4), т. е. осевой коэффициент перекрытия вх1 —> 0, приведенный радиус кривизны в том же сечении /?вр —> да (рис. 5). Экстремальные свойства контакта существуют в пределах угла поворота червяка в 20...300. В остальной период зацепления, по мере смещения контактных лилий от средней плоскости, экстремальность

свойств исчезает, величины Лпр стремительно уменьшаются и достигают нулевых значений вблизи торцов зуба колеса; скорость снижается до нуля, что соотоетс; ет граничному состоягапо контакта по подрезанию (рис. 5).

В области отрицательных значений коэффициента х, обнаружены передачи Т.Г без повторного контакта (область Б ПК на рис. 4), свойства этих передач близки к свойствам тралив мшш передач 1) (рис. 6).

Затем в пределах области допустимых сочетаний параметров х, р^ и ам проаингапи-рованы особенности зацепления поверхностей и Х?^. Подтверждено, что контакт на

Рис. 4, Область допустимых сочетаний параметров и х передач 7.Т. — для гг - 83; — для г2 = 30; 1 - область рациональных сочетаний параметров

(Асрл = л); б • распределение Rnp, мм

5

Рис. б. Передача ZT без повторного контакта; т = 4,6 мм, zt = 2, h = 50, х = -1,5, аха = 21,6" (ро - 154,3): а - контактные лигеш на

рк- 0,2. Поле зацепления и контактные линии при полном контакте поверхностей Lj, Г2 и Ец, 1 - Ф, * 0°; 2 - ср! = 180°; 3 - <р, = 360°; 4 - (ft = 540°; 5 ■ (pt = 720°

переходной поверхности Егцзуба колеса характеризуется плохими ГКП (рис.7, 8).

Установлено, чк> в результате вступления в зацепление переходной поверхности зуба колеса возрастает протяженность контакта (увеличиваются суммарные длины контактных линий, причем при х > 1 в 3,0...3,3 раза).

Показано, что в зависимости от сочетаний параметров увеличивается длительность контакта (увеличивается коэффициент перекрытия за счет контакта поверхностей и 2гк) либо появляются замкнутые контактные лнтш. Причем с ростом коэффициента смещения и с уменьшением угла <ХШ протяженность и длительность контакта поверхностей 1ц и ¿¿-¿к возрастают.

Отдельно исследованы особенности зацепления многозаходных червячных передач ТТ. Уточнено, что по схеме шлифования червяка Zí2yron в 22° (угол а0) задается в расчетной точке осевого сечеиия производящего тора ( см. рис. 2), а не в осеаом или нормальном сечении исходного червяка (как это устанавливает ОСТ 2 Н24-10-84). В атом случав величина уша профиля <Хх завилгг от параметров производящего тора а0, ftj и от параметров червяка q, Z\.

__ Выявлено несоответствие между действительным значением осевого угла <Хх профиля витка многозаходаого червяка и расчетным. Причина этого несоответствия состоит в том, что с ростом заходности осевой угол уменьшается и становится существенно меньше оптимального значения 0.х = 22°, которое принимается за расчетное в существующих методиках.

Показано, что с ростом заходности червяка переходная поверхность зуба колеса увеличивается п становится соизмеримой с главной поверхностью, а контакт тайных поверхностей смещается от средней плоскости в сторону входа в зацепление (рис. 9).

Даны рекомендации по выбору параметров производящего тора и исходного червяка с целью уменьшений негативных последствий, вызванных увеличением заходности.

Получена точная формула для расчета осевого угла СЦ исходного червяка Z72 в зависимости от параметров а0, р0, г,, а и /и, a также эмпирическая формула для расчета ширины веша червячного колеса передачи ZT2.

Обнаружен граничный эффект зацепления, заключающийся в перепаде значений ГКП по линии, являющейся храяицей между главной и переходной поверхностями зуба колеса.

Описан двойственный характер полного контакта передач 7.7, причина которого заключается в значите"' ной неравномерности распределения ГКП зацепления поверхностей £|, 1-2 и Хц, Хц. Лазашш двойственность и негативные последствия этого свойства проявляются тем сильнее, чем баньте величина коэффициента х, меньше значение радиуса Д), зыше злходность червяка c¡ н жгстче условия ввода передачи в зксачуатацшо.

Результаты исследований свидетельствуют о том, что в силу двойственности характера контакта перес ч 7J ГК1! » "чистом и иле" не могут быть выбраны в качестве критерия

ео

Рис. 8. Передача 7Т2. ПШ полного контакта. Распределение: а - К, мм; б - угла между касательной к контактной лишш й направлением относительной скорости, град; в - угла давления, град; г - суммарной скорости перемещения точки когпакта, м/с

Рис. 9. Передача /ГГЗ; т * 4 мм, ? = 8,5. г, = 4, г2 - 30, * =■ 0,75, ■ 5, <Хц - 22°, а% = 19,6°: а - кстггактнме линии на поверхности (Д(р,-н тс/4); б - распределение Д„р, мм

оптимизации параметров этих передач. Иллюстрацией к этому положению является рас-смотрешш ранее передача 2Т с экстремальными свойствами только в средней плоскости

(Лвр -> со), которая синтезирована по критерию минимума приведенной кривизны.

С позиций указанной двойственности предложено объяснение имеющимся противоречивым результатам теоретических и экспериментальных исследований передач ТТ.

На основе уточнения существующих представлений о характере и свойствах контакта поверхностей передачи ХТ выделена область рациональных сочетаний параметров (см. рис. 4). Применительно к этой области проанализированы известные рекомендации по выбору основных параметров передач ХГ.

Установлено, что сочетания параметров передач ХГ, рекомендуемые в ГОСТ 2144-76 и ОСТ 21121-4-84, включают в себя параметры передач со свойствами, аналогичными свойствам традиционных передач 21 и 2А.

Четвсртиа глава посвящена оптимизации параметров передач 2Т по критерию минимальных потерь с учетом изменяющегося контакта.

В гл!Ше проведен анализ существующих критериев оценки свойств зацепления.

В качестве критерия оптимизации принят критерий минимума интегральных потерь в зацеплении. В соответствии с упомянутой энергетической теорией оптимального геометрического синтеза изнашивающихся элементов машин минимуму энергетических затрат в заданном относительном движении при установившемся процессе трения и изнашивания будет соответствовать устойчивая форма изнашивающейся поверхности контакта.

Характерной особенностью червячной передачи 2Т, имеющей вогнутый профиль витка червяка, является то, что форма реальных линий контакта достаточно близка к оптимальным по износу линиям. Задача минимизации интегральных потерь решалась в предположении, что форма поверхности витка червяка остается неизменной 8 рассматриваемый период эксплуатации передачи. Следовательно, использование критерия минимума интегральных потерь в зацеплении (при учете соответствующих закономерностей изнашивания) позволяет найти такие сочетания основных параметров передач 2Т, при которых контактные линии будут иметь форму, наиболее приближающуюся к оптимальной с точки зрения КПД и долговечности.

Проанализирова1<ы существующие гипотезы силового взаимодействия в передаче: гипотеза о равномерном распределетми удельной нагрузки вдоль контактных линий; гипотеза о вырав:шванни контактных напряжений вдоль контактных линий; гипотеза о пропорциональной зависим' гн между интенсивностью изнашивания и давлением на поверхности трения. Разработала методика нахождения закона распределения нагрузки вдоль контактной линии, в которой использованы указанные гипотезы. Сформулирована задач« минимизации потерь в зяцеплгшш. Составлены алгоритм и программа расчет« на ЭВМ.

Предложена эмпирическая формула дая расчета коэффициента трения в передачах 2Т в 2ввисш4хгп11: гелимин контшгных напряжений и суммарной скорости полученная

в результате математической обработки экспериментальных данных, приведенных в работах Г. Вшггера, Г. Вилькесмша, В. Предки.

Показана необходимость исключения из контакта переходной поверхности зуба колеса для получения высоких и стабильных эксплуатационных показателей передачи ZT на весь период работы, так как вступление в зацепление этой поверхности приводит к росту потерь »о всем рассматриваемом диапазоне параметров.

Установлены оптимальные, с точки зрения минимума интегральных потерь в зацеплении, сочетания основных параметров передач ZT в диапазонах:- х = 0,5—1,5, рд= 4,25...б, д = 8...16, Z\ = 1, 2, 4, г2 = 29—84. Для однозаходных передач ZT {Z\ - 1) в области значений х = 1,2...1,5, ро= 5,0—5,5, q = 8...12 результаты оптимизации хорошо согласуются с оптимальными параметрами, предложенными И. С. Кривенко.

В пятой глав» приведены основные результаты экспериментальных исследований червячных передач с вогнутым профилем витка, вылолнишых во ВГОШредуктор и в ЛКИ (ныне СПбГМТУ).

В главе сформулированы цели и задачи экспериментальных исследований. В цели входам опытная проверка справедливости теоретических выводов о неблагоприятном ялня-нш контакта поверхностей 1ц и Z¿k зуба колеса на потери и нагрузочную способность передачи и проверка обоснованности теоретических рекомендаций, изложенных в главах 3 и 4, по выбору сочетаний основных параметров х и р0 передач 2Г.

Даны описания испытательных стендов и методик испытаний. В ЛКИ, с целью подтверждения .неблагоприятного влияния контакта поверхностей и Хгь на нагрузочную способность и КЦЦ редуктора, в программе экспериментальных исследований (разработана на базе типовой программы и методики испытаний, в ней устанавливались последовательность н объем испытаний) были предусмотрены испытания передач с уменьшенной шириной венцов, т. е. с уменьшенной величиной переходной поверхности зуба холеса.

Испытания показали, что при высоких уровнях нагружеши червячной пары ZT (даже при тщательной приработке ее поверхностей) уже на начальном этапе эксплуатации, через 200-300 часов работы, происходят существенные изменения свойств контакта, приводящие к изменению эксплуатационных показателей.

Было подтверждено, что вступление в зацепление значительной по величине переходной поверхности зуба колеса, контакт на которой обладает плохими ГКП, сепр< »сдается уменьшением величины передаваемого момента и КПД. В описанных испытании* распространение контакта на поверхность Егк привело к увеличению потерь в среднем в 1,3...1,б раза по сравнению с величиной потерь при контакте главных поверхностей.

Оа »¡той результат состоял в том, что исключение из контакта переходной поверхности 3vva колеса уменьшает интегральные потери, позволяя стабилизировать эксплуатационные показатели передачи на уровне, присущем коотякту главных поверхностей.

В сравните;сьных испытаниях с различными сочетаниями параметров передач было

подтверждено, что теоретически необоснованный выбор основных параметров передачи 2Т может привести к проектированию зацепления, которое не обеспечивает повышения передаваемого момента и КПД по сравнению с традиционными передачами 21 и ТА. Напротив, согяние передач 27 с рациональными параметрами позволяет существенно повысить эксплуатационные показатели.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Выделено четыре характерных этапа изменения геометрии контакта, которые наблюдаются в процессе эксплуатации червячной передачи, и применительно к первым трем этапам усовершенствована математическая модель зацепления поверхностей передачи ТТ.

На основе усовершенствованной математической модели разработан расчетный алгоритм и составлены программы, которые позволяют исследовать геометрию и кинематику передач ТТ с изменяющимся при эксплуатации контактом: локализованным, теоретическим и полным.

2. Рассмотрены граничные состояния контакта поверхностей передачи ТТ и найдена область допустимых сочетаний параметров этих передач, в пределах которой реализуется зацепление между главными поверхностями с постоянным передаточным отношением и отсутствуем подрезание зубьев колеса.

В результате анализа свойств зацепления 2Т внутри указанной области установлены сочетания параметров, при которых:

- ПСИ контакта передач 7Т достигают экстремальных значений;

- в передачах 77 отсутствует повторный контакт;

- свойства передач ТТ аналогичны свойствам традиционных передач ТА. 21.

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований изменяющегося контакта передач 2Т выделена область рациональных сочетаний параметров, в пределах которой осуществлена оптимизация по критерию минимума интегральных потерь в зацеплении.

3. Указанная область рациональных параметров уточняет извеспсые рекомендации по выбору параметров передач ТТ. Установлено, что рекомендацш в ГОСТ 2144-76 и ОСТ 2 Н21-4-54 в части выбора основных параметров передач 73 требуют пересмотра с целью исключения значений параметров, ж отвечающих требованиям создания передач с высокими эксплуатационными показателями.

4. В результате исследования полного контакта установлено, что в процессе эксплуатации передач ТТ происходит значительное изменение свойств из-за вступления в зацепление переходной поверхности зуба колеса: возрастает протяженность контакта (увеличиваются суммарные лиины контактных линий), увеличивается его длительность (возрастает коэффициент перекрыли) либо появляются замкнутые контактные лишт.

Обнаружен граничный эффект зацепления, заключающийся в перепаде значений ПШ по линии зацепления, которая является грашецей между главной и переходной поверхное-

тдащ зуба колеса. Граничный эффект может быть использован при исследовании физических процессов (местного разрушения и износа), происходящих на зубе колеса.

Описан двойственный характер полного контакта передач Zl\ причина которого заключена в значительной неравномерности распределения ГКП контакта поверхностей El, Х2 и Xjt. ïîv. зависящей от сочетания параметров.

5. Теоретически обосновано и жспериметально подтверждено, что вступление в зацеггладще значительной по велич1ще переходной поверхности зуба колеса, контакт на которой обладает плохими ГКП, сопровождается уменьшением величины передаваемого момента и КПД, а исключите из контакта этой поверхности уменьшает величину Ш1те-гралышх потерь и позволяет получить высокие и стабильные эксплуатационные показатели передачи 7Т на уровне, присущем контакту главных поверхностей.

Даны практические рекомендации по выбору параметров производящего тора червяка и исходного червяха для уменьшения влияния переходной поверхности на эксплуатационные показатели одно- и многозаходных передач TV.

6. Проведен качественный анализ существующих критериев .оценки свойств зацепления. Показано, что ГКП контакта в "чистом виде" не могут быть использованы в качестве критерия оптимизации параметров передач ZT.

В качестве критерия оптимнзашш принят минимум интегральных потерь в зацеплении. Использование этого критерия (при учете соответствующих закономерностей изнашивания) позволяет найти такие сочетания основных параметров, при которых контактные линии передачи ZT будут иметь форму, наиболее приближающуюся к оптимальной с точхн зрешы КПД и долговечности.

Сформулирована задача минимизации потерь в зацеплении, разработан алгоритм и составлена программа расчета.

7. Установлены оптимальные, с точки зрения минимума интегральных потерь в зацеплении главных поверхностей, сочетания основных параметров перздач ZT.

Показано, что минимизировать потери в рпмках полного контакта не удается, так как вступление п зацепление переходной поверхности jy6a колеса 2гк приводит к существенному росту потерь во всем рассматриваемом диапазоне основных параметров передач ZT.

Предложи» при выборе способа зубонарезания предусматршать технологические ме-1Ы, исключающие распространение контакта на переходную поверхность зубл колеса в гечение всего периода жсплуатацни.

Основные положевдя диссертации опу&шиковапы в р.- ботах:

1. Крипенко U.C., Пар}-бед В.И., Черепкова C.B. Об усовершенствовании методов глсп-f ' червячных передач // Совершенствование методов расчета, конструирования и •ехиол. гаи прошводства сгагроцдных, гипоидных и червячных передач и редукторов: Тез. юкл, респ. науч.-техн. конф. Устинов, 1986. С.62-63.

2. Кривенко U.C.,, Черенков» C.B. К расчету суммарной длины контактных :вший

червячной передачи // Изв. вузов. Машиностроение. 1987. N 10. С. 42- 46.

3. Кривенко И.С., Гагшченко Э.Н., Черепкова C.B., Парубец В.И. Область существо-Bai&w и выбор рациональных сочетаний геометрических параметров передач ZT // Перспекти ,сые направления создания новых и совершенствование существующих конструкций тяжслопагружениых редукторов и прогрессивная технология их изготовления: Тез. докл. науч.-техн. конф. Краматорск, 19S7. C.116-U7.

4. Крвденко И.С., Черепкова C.B., Галиченко Э.Н., Парубец В.И. Результаты и перспективы работы по моделированию на ЭВМ геометрического и силового контакта червячных передач Т.Г // Автоматизированное проектировать- элементов трансмиссий: Тез. докл. науч.-техн. семинара. Ижевск, 19S7. С.4-5.

5. Парубец В.И., Леонов В.М., Черемховский П.И., Черепкова C.B. Модаяироваше нормированного пятна контакта червячной передачи на ЭВМ // Совершенствование методов и средств метрологического обеспечения - важнейший фактор повышения качества зубчатых передач и редукторов: Тез. докл. науч.-техн. конф. Севастополь, 1987. С.30-31.

6. Кривенко И.С., Черепкова C.B. К расчету толщины зуба червячного колеса /Ле-ншпр. кораблестр. ин-т. Л., 1987. 11 с. - Деп. в БАУ: Судостроение, 24.02.88. N 4. Сер. 2-88- 2920 Деп.

7. Черепкова C.B. Математическое моделирование нагруженного контакта в червячной передаче типа 27' /Лектор. кораблестр. ин-т. Л., 1987. 14 с. - Деп. в БАУ: Судостроение, 24.02.88. N 4. Сер. 2-88-2921 Деп.

8. Кривенко И.С., Парубец В.И., Черенкова C.B. Геометрические и силовые особенности вменяющегося контакта в червячных передачах Z7" //Совершенствование конструкций и расчетных методов в судовом машиностроении: Сб.науч.трЛ1КИ. Л., 1988. С. 39-27.

9. Черенкова C.B. Область существования червячных передач 2ГГ // Совершенствование конструкций и расчетных методов в судовом машиностроении: Сб. науч. тр. / ЛКИ. Л., 1938. С.79-87.

10. Черепкова C.B., Кривенко И.С., Александров А.Р. Результаты экспериментальных исследований червячных редукторов с передачами 2Т // Судовая энергетика: Сб. науч. тр. / ЛКИ. Л., 1990. С.103-108.

11. Черенкова C.B. Оптимизация геометрических параметров червячных передач ZT // Научно-техшиеские проблемы прошозирования надежности и долговечности металлоконструкций и методы их решения: Тездокл. Межлуна р.конф. С-Пб. 1995. С. 236-238.

12. Кривенко И.С., Парубец В.И., Черенкова C.B. К вопросу о выборе параметров многозаходных червячных передач ZT // Вопросы расчета и конструирования деталей и узлов судовых машин: Сб. науч. тр. J СПбГМТУ. С-Пб. С.31-35 (принята в печать).

13. Черенкова C.B. К определению потерь в зацеплении червячных передач U Вопросы расчета и конструирован!« деталей и узлов судовых машин: Сб. науч. тр. / СПбГМТУ. С Пб. С.94-101 (нринягга s печать).