автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Комплексное повышение качества зубчатых передач на основе конструкторских и технологических методов

Актуальность теми. Зубчатые передачи является и будут оставаться в обозримом будущем одним из основных элементов трансмиссий прак-тячвски большинства известиях типов иаиитшх агрегатов. Диапазон их применения чрезвычайно широк: от детской игрушки до космического корабля. Во многих случаях надевнаа и безопасная работа иаиитшх агрегатов существенно зависит от технического состояния трансииссий с зубчатыми передачами.

Основной потребитель здбчатих передач - автомобилестроение. Как продукт производства - это наукоемкая, матерналоемкая и трудоемкая продукция. Как продукт потребления зубчатке передачи отличаится большим разнообразием типов и условий эксплуатации. Относятся к категории бистроизнаииваемих деталей и дополнительно изготавливается в качестве запасних частей. Характеризуется значительной виброактивностьи и яв-ляятся одним из основних источников шума в приводах машин. Производятся на специализированных и общеиаииностроителышх предприятиях. В С1А только изготовлением здбчатих колес занимается более 300 фирм.

По данним журнала "Деловой визит", ЯН, 1997, объемм продаж здбчатих передач в С1Й в 1995 г. составили 18,9 млрд. долларов и в зависимости от конечна потребителей распределились следдищии образом: автомобилестроение - 69,62, машиностроение - 23,8% и прочие отрасли - 6,62. Согласно прогнозу, в 2000 г. спрос на зубчатие передачи только для автомобильной промышленности составит 1?,5 млрд. долларов.

Зубчатие передачи как составная часть изделия в значительной мере определяет основняе технико-экономические показатели изделий: массу, габариты, надежность, шумность, стоимость и т.д. Повииенне качества и эффективности производства зубчатих передач является, таких образом, одной из ваиних задач для всего машиностроительного комплекса.

Решение данной проблеме монет осуществляться как в райках традиционных технологий, так и путем пояска принципиально новях технологий. В настоящее время повииеиие качества здбчатих передач производится в »радйционнний методами: путем увеличения иасси, га-барит]о1;^^ен!ёМя високопрочних и дорогостоящих материалов, дпроч-нявщих тЗШМёГв*^повышения точности изготовления и т.п.

Вместе с тем на отдельних этапах традиционних технологий имеется здачительние и неиспользованние резервы для улучшения качества изготовления передач. Ввиду этого работы по повышения качества и эффективности производства зубчатых передач в обоих указаниях направлениях икеет важное научное и прикладное значение.

Цель работы. Повышение качества зубчатых передач путем использования более эффективных методов их проектирования и изготовления и применения новях видов зацеплений.

Методика исследований. Результаты работы получены на основе теоретических и экспериментальных исследования. Методика исследований ос извивалась на научных положениях теории зубчатых зацеплений, техноло-гиии маииностроения» теория резания металлов, теория мании и механизмов, сопротивления материалов и САПР. Экспериментальная часть работм выполнялась частично в РМЦ ЙХО ЗИЛ и частично в лаборатории центра ис питаний автомобилей НКЗР 060 ГАЗ и НТЦ ЙО "КЙМЙЗ".Теоретические иссле дованяя и обработка результатов работи осуществлялись с использованием методов математического анализа, математической статистики к теории графов. Все теоретические расчетн производились на ЭВМ.

Личная новизна. Заклячается в разработке новнх методов проектирования и изготовления здбчатих передач, обеспечиванию повниение несшей способности, износостойкости, КПД и диеньиеняе габаритов и иди-ности передач.

Оолдчени следупие научние рездльтати с элементами новизни:

1. Экспериментально обоснована возмоиность интенсификация процесса здбоилифования за счет повяиеняя реидцих свойств инструмента.

2. Разработан метод динамического анализа систеи с здбчатаии передачами на основе применения теория полясннх и сигнальних графов, по-зволявиий формализовать я значительно дпростнть процесс составления и поиска ренений уравнений систем. В частности, разработав дп-рощенннй метод внвода дравнений систем пдтем преобразования неходких полясннх дравнений компонент в итоговые дравнения системы.

3. Разработан метод определения точности Функционирования кинематичес кой цепи на основе ее иатематической модели, учитывавшей погреянос ти изготовления и упругув податливость звеньев.

4. Разработана методология расчета геоиетрии цилиндрических зубчатях передач с многопарным контактом, в том числе с учетом допусков на исполнительные разиеря.

3. Разработаны вопроси теория и методика для анализа распределения на грузки меидд здбьями в многопарной передаче, а такие расчёта контактных я изгибннх напряяений в произвольных точках профиля зубьев с нестандартными параметрами исходного контура. 8. Разработаны способя изготовления зубчатых передач, обеСаечиваящие иногопарное зацепление здбьев в реальной передаче.

Практическая ценность работи заклячается в следуящем:

1. Методы повияения качества здбчатих передач представляет собой еди ний комплексный процесс и распространятся на весь проязводствен-няй цикл от проектирования до изготовления передач.

2, Разработает рекомендациям и методики по динаиическоиу расчету при водних систем (ПС) с здбчатнми передачами на основе адекватних ма тематических моделей ПС я» определения рабочих нагрузок передач.

3. Разработана программно-методические комплексы по расчету геометрия и прочности зубчатых передач с «четом допусков на их изготовление и параметров зуборезного инструмента, позволяющие в режиме диалога с ПЭВМ проектировать реальняе зубчатые передачи как с однопарннм. так и многопарник зацеплением.

4. Разработана технологии изготовления многопарнвх зубчатых передач, гарантируемая получение многопарного контакта зубьев в реальной передаче.

Реализация результатов работм.

1. Метадн динамического расчета ПС с зубчатыми передачами прнменяат-ся при проектировании приводов технологического оборудования, например, били использованы в НИЯТавтопроме при проектировании зубча-то-рнчажного привода манипулятора для штамповочных линий, привода с зубчато-ричажним механизмом для карусельной формовочной мамины иод. 4030 и других ПС.

2. Программно-методические комплекс! для параметрического расчета и расшифровки зубчатих передач на ПЭВМ используется в повседневной конструкторской практике при проектировании и ремонте технологического оборудования на AMO ЗИЛ (Шиех), ГПЗ-1, ЛИАЗ; при проектировании автомобильных зубчатих передач в НАМИ, на АЗЛК и КАМАЗ.

3. На основе программно-методического обеспечения для ПЭВМ по расчету миогопарннх зубчатих передач на ОАО ГАЗ спроектирована, изготовлена и испытана с поломительними результатами опытная партия миогопарннх зубчатих передач для коробок передач автомобилей "Газель".

4. Теоретические подоиення и результата работм испольвованн в методических указаниях, руководящих технических материалах и документах, рекомендациях и отраслевик стандартах: " Методика динамического расчета технологического оборудования", 1981 г.; "Математическое обеспечение автоматизированного проектирования на основе граф-аналитических методов", 1982 г.; "Математическое обеспечение автоматизированиях расчетов динамических характеристик технологического оборудования", 1982 г.; "Математическое обеспечение автоматизированиях расчетов технологического оборудования. Основнме положения", 1983 г.; "Методика динамического расчета приводов технологического оборудования", 1985 г.; "Проектирование кинематических цепей технологического оборудования", 1987 г.; "Расчет и проектирование кинематических схем технологического оборудования", 1988 г.

Апробация работв и публикации. В период с 19?0 по 1999 годн основнме результаты работм били долояенк на 13 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе на международник конференциях в г.

Пловдив (Болгария, 1988) и г. Лодзь (Польма. 1998). За виполненние работе автор бал отмечен серебреной к бронзовой медалями ВДНХ.

По теме &ясс»ртащга опубликовано 40 печатнмх работ, в ток числе 20 справочно-норматнвних и методических пособий и 20 надчно-технкчес-тх статей.

Содерааняе работы

1. Состояние вопроса и задачи исследования

Больше масятаба производства и применения здбчатах передач при постоянной тенденций реличеняя мощностей современник приводов маиин делает проблему повнаения качества передач очень актуальной я ванной задачей. Трддаии отечественннх дченах Х.й. Гохмана, А.Н. Грдбина, Н.й Колчмна. Ф.Я. Литвина, В.й. Гавриленко, Й.Н. Петрдсевича, В.Н. Кддряв цева, Н.й. Калашникова, 1.Д. Новикова, М.Д. Генкнна, З.Б. Вулгакова и многих других бяля залоиенк фдндаментальняе основя теории здбчатих за цеплвний и здбообработки, составляющей надчнди и иетодическдя базд со временного производства здбчатих передач.

Качество продукции, как известно, формируется при проектировании я обеспечивается при изготовлении. В соответствии с зтим традиционнам направлением работ по повнмениа качества здбчатих передач является разработка более аффективнях методов их проектирования я изготовления

Оря сдществуащем техническом дровне здбчатих передач набладается определенная тенденция непропорционального роста показателей качества здбчатнх передач и стоимости затрат на достиаение этого результата. Из этого следует, что для повияения качества здбчатих передач я эффективности зтого процесса необходимо дменьмать затрата на проектирование и изготовление передач или использовать новне типа передач с длдчяенннмя свойствами, либо осуществлять и то и другое.

Сняяеняе затрат при проектирований и изготовлении здбчатих переда производится в основном за счет рсличения производительности данннх процессов при дсловии обеспечения требуемого уровня качества передач, Йовяиение производительности проектирования при внсокоя качестве достигается путем применения автоматизированного проектирования на основе САПР. Повняеняе эффективности операций здбообработки возмоино глав нам образом за счет интенсификации процессов резания, что особенно ва яно на финиянах операциях. Вместе с тем возмояности значительного рос та показателей качества зубчатах передач в рамках традиционнах технологий весьма ограничена, что инициирует поиск новах орнгинальннх реяе ни* на всех этапах форяирования качества передач.

К числу наиболее перспективна направлений в данной области можно отнести разработку методов проектирования я изготовления зубчатах передач с кодифицированной геометрией зацепления, в частности, передач с многопарнни контактом здбьев. Многопарнме передачи вследствие одновременного зацепления нескольких пар здбьев имеют значительно более вмсокив показатели по прочности, износостойкости, КПД, мдмности, массе и габаритам [12-201. Перевод здбчатнх передач с традиционно одно-парного на многопарное зацепление осуществляется пдтем изменения параметров геометрии зацепления и возможен при определенних их сочетаниях. Основной задачей параметрического расчета многопарнмх передач является определение параметров передач, ддовлетворявщих условиям многопарного контакта здбьев в реальном зацеплении, что требует разработки аффективних методов их расчета, проектирования и изготовления.

В связи с изложением основными направлениями работ являптся:

1. Разработка математического и программного обеспечения для автоматизации параметрического расчета здбчатнх передач.

2. Разработка методов расчета и проектирования здбчатнх передач с мно-гооарнни зацеплением.

3. Разработка аффективной технологии изготовления многопарннх здбчатнх передач в зависимости от условий производства.

2. Разработка математического и программного обеспечения для автоматизации параметрического расчета здбчатнх передач

Математическое обеспечение (МО) автоматизированного расчета здбчатнх передач представляет собой совокдпность математических методов, моделей и алгоритмов, испольадеммх при параметрическом расчете передач. Цельв параметрического расчета является определение характеристик передач, удовлетворявших требованиям их фдякциояального назначения, изготовления и надежности. Основной задачей длдчжения качества здбчатнх передач на атом этапе является повкиенме точности определения параметров передач. 6 общем случае параметрический расчет передач производится по двум основннм направлениям: синтез геометрии зацепления и анализ несдщей способности передач.

Анализ причин отказов здбчатнх передач показнвает, что во многих случаях причиной отказа является неточное определение нагрдзочной характеристики передач. Поэтому начальной задачей расчета является определение нагрузки, действувщей на здбчатув передача, которая зависит как от внежних воздействий, так и от внутренней динамики зубчатой передачи и всей ПС в целом. Значительное влияние на внутренним динамику ПС оказнвавт погреиности изготовления и дпрдгая податливость звеньев [1, 21, а также неравномерность движения звеньев, обдсловленная как погремностями и деформациями звеньев, так и кинематикой ПС.

Во многих слдчаях зубчатне передачи являмтся элементом ПС со сложг шш i неравномерней дваяенмеи звеньев во время рабочего цикла. В подобай DC нагрузки на звенья существенно зависят от законов их двииения* что делает необходимяи проведение динамического анализа системн. Исследования динамики QC, в частности, с здбчато-рнчажнями механизмами показали [7, ill, что работа таких »стен характеризуется значительннии знакопеременниии нагрузками на звенья, что следдет дчитивать при прочностном расчете зубчатих передач с целы более точного определения величиям я характера нагрузки на зубья.

Анализ нагрдиенности здбчатнх передач на основе динамического расчета ПС является, таким образом, необходпшм условием для заполнения общего расчета зубчатой передачи. Динамический анализ ПС условно разделяется при этом на два основннх этапа, випояняеких последовательно и имаищйх свои локалънне цели и задачи: составление математической модели ПС в виде дравнений движения и поиск их аналитического или численного реяения. В целях унификации я стандартизации иетодов динамического расчета б ели разработанн специальняе методические материала по динамическое анализд ПС [21, 23, 24, 26, 27, 39, 40]. В отличие от дрдгих работ в этой области в даннях работах основное внимание било сосредоточено ка задачах адекватного математического описания ПС, так как оииб-т в расчетах очень часто возникая? не столько из-за ояибок при реиении равнений системн, сколько как результат неточности самих уравнений.

В качестве альтернативы традвционннм методам била разработана методика динамического анализа ПС на основе матрнчно-толологяческих методов с использованием полисних и сигнальних графов [3, S, 21, 22, 26, 27, 40]. Применение данной методики позволяет в значительно больней степени формализовать и упростить процесс динамического расчета, искличнв, в частности, многие трудоемкие и неформальнее процедуре: схематизации систем, вибор обобщениях координат и т.п. Дрдгое достоинство этого метода - его неэависисмость от сложности и физической однородности ПС, а такие адекватное отобраиение параметров ПС в ее иатематической модели, построенной на основе изоморфизма меидд переиенннми систем и их топологическим аналогом в виде двдхвериияяого ориентированного графа.

Матрично-топологические методн классифицирдится на одноиаговне и иного1аговне. Последние применяится при описании слоиннх и физичесхи неоднородних систем по частям. При одноиаговои способе вявод дравнений ПС замечается в следдищеи. Система разделяется на компоненте с известняки характеристиками в виде полисного графа, определявшего состав пере иешвд кокшшенти, и полисних дравнений, отобраиаащих ее свойства и свя зи иевду переменними. Все переменние согласно способу их измерения условно разделяатся на две группе: параллельнне переменние (X) и последовательнее (Y). Полисние характеристики компонент в общей виде приведенм в таблице 1 [40]. Полисние графя компонент совместно с полисниии графаш внешних воздействий (силового и кинематического) при их объединении образрт граф системы. Для получения независиикх уравнений системи внби-рается дерево графа, т.е. связгай подграф с вериинами графа, но без контуров. Дерево графа делит дуги графа на ветви (входят в дерево) и хордн. На основе графа, его дерева и постулатов для вериин и контуров графа за-писнваатся равнения связи компонент в форме уравнений отсечений и фундаментальна контуров. Математическое описание системи строится путей объединения полвсних уравнений к уравнений связи компонент. Для этой цели поляснне уравнения записивавтся в виде:

1Хс1. г*\ ! (1) матрицы коэффициентов полясннх уравнений: параллельные и последовательнне переменнее, соответствующие ветвям графа системи; Хс1, ¥с! - параллельнме и последовательнне перенешше, соответствуищие хордам графа. Уравнения связи компонент имевт вид: уравнения фундаментальных контуров: хм : = в»: ;

ХЬ2!,

-В11 -В12.

В11, В12 - подматрице матрицн коэффициентов, состоящие из чисел 1, -1 и 0;

ХЫ - заданные параллельные переменнне, соответствувщие ветвям графа: уравнения отсечений:

1 Ш 1 ! ¥с1 1 ! I = й#! ; ! Ус1! !Лс21,

-Й21 -№ й = ! 10!;

Й21, 622 - подматрица матрицн коэффициентов, состоящие из чисел

1, -1 и 0; с2 - заданние последовательнее переменнее, соответствующие хордам гра$а.

На последуещех этапе уравнения (2) и (3) подставляется в (1) я про изводятся матричнме преобразования. Полученные в итоге уравнения состо яния системм имеет вид:

И«В*ХЬ = г#А*¥с» (4) где - - - хм ; ! ¥с1 : » 1 1 Ус = ! ! хь2;, «¥с2*.

9равнения С4) представляет собой систеки интегро-дифферевциальвих или алгебро-диффереяцнальнях уравнений, содержат все параметре в явном виде и реиается извествиии способами. Число итогових уравнений ПС равно числу полесннх уравнений. При больиои числе переменных определение двух тройных матричных произведений с сииволышии переменнимм является очень трудоемкой процедурой и комет привести к ошибке.

Для упрощения подобной задачи бил разработан новяй топологический метод (без матричных операций) вивода уравнений ПС [41. При данном спо собе уравнения системм записивавтся сразу путем подстановки в полесние уравнения (1) вместо переменних ¥Ь2, Хс1 их значений, получениях на ос козе вярамений:

Ъ2 = -А21«¥с1 - Й22*¥с2; (5)

Хс1 = -ВИ*ХЬ1 - В12*ХЬ2. (8)

Ззловые уравнения (3) и контурняе уравнения (б) является часть® со ответственно уравнений (2) и (3) и составляется на основе отсечений и Фундаментальных контуров графа. Способ описания ПС топологическим методом универсален и позволяет описывать как линейные, так и нелинейные системе с лебмм числом компонент и видом нелинейности. При числовой форме параметров ПС целесообразнее использовать матрмчиме операции, пр символьной форме параметров - топологический метод [81.

Применение одномагового способа при больной числе компонент приводит к образование громоздких систем уравнений, что усложняет поиск их решений. Дня сокращения числа итогових уравнений описание ПС в подобиях случаях целесообразно производить многомаговим методом. ПС при это разделяется на отдельние подсистема (блоки), состоящие из нескольких компонент. Одноиаговим методом определяется уравнения блоков, которие затем преобразуется в нолшснне уравнения блоков. Далее ваятся как новые компоненты ПС и на основе получениях полвся^^шряНК теркстик блоков одномаговям способом формируется уравнения всей ПС.

Для получения полвсннх уравнений блока уравнения блока типа (4) долхнн бать приведены к виду: УЫ ! : Dil Di2 ! ! ХЫ ! ! = 1 \*\ ! (7)

1Хс21 ;D2i D22! !Yc2!, где Ybi, Хс2 - внеиняе заданные последовательные переменнне ветвей и параллельные переменнне хорд;

Dil. D12. D21, D22 - подматрицы матрицы коэффициентов полисных уравнений блока.

Преобразование уравнений блока в форме (4) в полисные уравнения в виде (7) связано с определением обратной матрицы, что прк символьной форме переменных представляет собой слокнуи и трудоемкуя операция. Для упрощения этого процесса разработан метод получения полисных уравнений блоков на основе сигнальных графов (графов Мззона) [6]. Уравнения (4) преобразуится при этом в граф Мэзона, вермины которого представляет переменные блока, а дуги соответствует коэффициентам при переменных. На основе данного графа по известным правилам (б,] определяет коэффициенты передач прямого пути меяду поляснмяя переменными блока.

Граф Хззона используется такие для пояска реяений итоговых уравнений ПС [22], что возмояно в основном при алгебраической форме полисных уравнений компонент. Применение полисных и сигнальных графов позволяет в результате формализовать и упростить процесс динамического анализа ПС на всех его этапах: от составления уравнений до их реяеняя, что способствует повышения уровня автоматизации динамического расчета, а такие точности определения характеристик ПС.

Параметрический расчет зубчатых передач представляет собой в общем случае многоуровневуе систему МО [25]. Верхний уровень МО составляет методы анализа нагруиенности зубчатых передач. Следувщяй уровень МО вклечает методы и алгоритмы геометрического и прочностного расчета передач. Разработка данного МО имеет свои отличительные цели и задачи. При геометрическом расчете определяется исполнительные и контрольные размеры зубчатых передач, а такие показатели качества зацепления. Основной задачей прочностного расчета является определение несущей способности передач для заданных условиях эксплуатации.

При разработке МО геометрического расчета передач в качестве основных условий ставились следуещие общие задачи125, 281: - универсальность расчета, т.е. возмояность осуществлять в рамках одного вида расчета несколько его вариантов: проверочный, проектный, с расаифрокой параметров, с обращенной к базе данных и т.д.; ^^йнэаркантность по отноменим к исходняи данным, т.е. независимость от состава и значений исходных параметров;

- адаптируемость к разним условиям задачи, т.е. иноговариантность задания исходных данних в райках одного варианта расчета;

- возможность построения рекурсивных алгоритмов с малой погреиностьв я устойчивостья внчислнтельннх процедур.

К числу специальних требований к МО относились:

- возиоиность расинрення перечня определяемих параметров;

- определение параметров передачи с учетои типа зуборезного инструмента и допусков на исяолнительнне и контрольные размер»;

- определение хордальннх размеров зубьев во всех точках профиля, вкля-чая переходнуя кривую.

На основе установленных требований к МО били разработаны соответствующие методики и алгоритмы для расчета геометрии цилиндрических передач с внеиниии и внутренниии зубьяии, конических передач с прямыми и круговыми зубьяии, реечних и червячных передач [29-33, 35-38]. йлго-рити расчета в виде определенной последовательности вичислительннх и логических процедур является исходнии документом для разработки соот-ветствушщей прикладной лрограимн для ЭВМ и долиен обеспечивать:

- результативность виполнения расчета;

- иноговариантность и многократность виполнения расчета;

- возможность контроля и модификации вводииой и выводимой инфориацяя;

- независимость выполнения расчета от типа производства и технических средств внчислительной техники.

Программное обеспечение геометрических расчетов в виде прикладних программ (ЯП) било разработано в двух исполнениях: для ЕС ЭВМ и ПЗВМ типа IBM PC и поддерживало два реиима обработки данних: пакетний и диалог овий. Выбор режимов определялся пользователем в завясииости от условий задачи: при проектном расчете - пакетний рехии, при проверочной

- диалоговый. ПП обеспечивает результативность, иноговариантность и многократность выполнения расчета, контроль к модификации вводимой и выводимой информации, блокировку несанкционированного ввода данних и обращения к ПП, а такие инфориационнуя поддержку пользователя в виде обращения к инструкциям и базаи данних (в частности, по инструиенту) и тиражирование результатов расчета.

При проверочном расчете ПП (121 позволяет определять основние геометрические и кинематические параиетри передач - диаиетральняе, угловив и хордальнне разиери зубьев, наги, длинн нормалей, размеры для контроля по яарику или ролику, профили зубьев и скорости их скольиения, площадь и объем зубьев, коэффициенты торцевого и осевого перекрытия и т.д. По ходу расчета осуществляется визуальный контроль за качеством ацепления с выводок на экран величины и типа ошибки. Исходные данные ри этом расчете - числа здбьев колес, коэффициенты смещения, модуль угол наклона зубьев, ширина зубчатого венца и параметры исходного онтура. В пректном режиме ПП определяет все параметры передач в соот-етствим с заданным мехосевым расстоянием и(или) коэффициентом перекрн-ия. Ограничительные условия при этой - отсутствие зон подреза и интер-еренции, допустимые величины заострения и скоростей скольжения зубьев т.д. Исходные данные в этом случае - только числа зубьев колес, шшри-зубчатого венца, угол профиля исходного контура, коэффициент перек-ытия и (или) иехосевое расстояние.

КО для прочностного расчета зубчатых передач разрабатывалось в двух ариантах. Первый вариант расчета с некоторыми отличиями соответствует ОСТ 21354-8?. К числу основных недостатков данного ГОСТ следует отнеси его хесткув привязанность к стандартным параметрам исходного контура одиопарноиу зацеплении, а также интегральную оценку прочности пере-ач на основе контактных и изгибннх напряжений в полнее зацепления.

Для более точного анализа прочности передач была разработана спе-иальная методика расчета, позволянцих определять контактные и изгиб-не напряжения ва всех точках профиля зубьев, в том числе жзгибние наряжения в зоне переходной кривой. В основу методики положены класси-ескне схемы прочностного расчета зубьев, а также условия инвариант-ости в отношении параметров исходного контура и парности зацепления. |угим отличием данной методики является исключение потребности в использования коэффициент формы зуба YF, определение которого представляет значительные трудности и связано с неадекватными переходами от реального зуба к его расчетной модели и обратно.

Алгоритмы и ПП [341 для прочностного расчета зубчатых передач разрабатывались на тех же общих принципах, что и для геометрического расчета, и также обеспечивает многовариантный режим работы, вывод па печать и тиражирование результатов, возможности обращения к базам данных и инструктивным материалам, например, для выбора материалов зубчатых колес, кинематических схем передач и т.д. При проверочном расчете по заданным значениям нагрузки, вида схемы передачи, материала, точности и срока службы колес определяется расчетные и допускаемые напряжения по условиям контактной и изгибной выносливости, коэффициенты безопасности и долговечности и т.д. При проектном расчете по заданным допускаемым напряжениям определяется нагрузка на передачу. Все ПП для параметрического расчета имеет модульное построение и организованы в еди-нуе технологическую цепочку для передачи, получения и модификации данных при переходе от одного этапа расчета к другому, что повышает мобильность и точность расчета. Все ПП выполнена в виде модулей типа "ехе" и работает с операционными системами XS ВВС и Hindous.

Эффективность автоматизации параметрического расчета зубчатых передач заключается не только в повнхении производительности и точности рас чета, но и возможности оптимизации параметров передач по разним критери ям, в частности, по условиям прочности при минимальных габаритах. Ревете данной задачи возможно в основном, если нагрузка в передаче будет распределяться междд несколькими парами контактирующих зубьев, т.е. при условии многопарного зацепления зубьев.

3. Разработка методов расчета и проектирования зубчатых передач с многопарным зацеплением

Отдельные типы передач с многопарным контактом зубьев известны давн и широко применяются в ПС. Это, в частности, червячные глобойдные и вол новые передачи и т.п. В указанных передачах многопарное зацепление зубь ев является следствием конструктивных особенностей передач, основанных на принципе их действия. Для цилиндрических и конических зубчатих передач многопарный контакт зубьев следует рассматривать как частный случай зацепления, возможный при определенных сочетаниях параметров передач. Регулярное проектирование многопарных передач возможно только при условии изучения общих закономерностей образования многопарного зацепления.

Задача геометрического синтеза зубчатой передачи с многопарным контактом зубьев в общих чертах замечается в определении допустимых значе ний параметров передачи, удовлетворямщих условиям многопарного зацепления. Показателем непрерывности зацепления зубьев в передаче является величина коэффициента торцового перекрытия характеризуемая число пар зубцов, находящихся одновременно в зацеплении. При < 1 зацепление зубьев однопарное и прерывистое. Если i 2, то зацепление непрерывное с зонами как однопарного, так и двухпарного контакта. Период устойчивого многопарного зацепления зубьев наступает при значениях£<* > 2,05.

Коэффициент перекрытия определяет отномение длины рабочего участка линии зацепления к магу зацепления: LI2 / То , (8) где L12 - длина активной линии зацепления сопряженных колес: То - маг зацепления.

Выражение (8) можно представить в известном виде [151: о<= Z2-tgoGg~ (Zl+Z2)'tgO^ ]/(2 jT >, (9) где И, 12 - числа зубьев колес,

- угля давления в точках профиля на окружностях вермин.

Ыь, - угод зацепления зубьев;- 3,14. Качественный анализ вяраиения (9) показывает, что величина коэффцн-ента перекрнтия зависит от значений всех основних параметров передачи, кроме модуля/?? и миринн здбаД,. В общем слдчае для увеличения коэффициента перекрнтия передачи с числами зубьев 21 и 12 необходимо, чтоби углы давления и возрастали, а угол зацеплениядменьмался. Подобнее условия являются противоречивими, так как зависят от одной и той ме группм параметров. Поиск реиеняя в данном случае вазмоиен на основе численного анализа уравнения (9). В такой постановке геометрический синтез многопарной передачи представляет собой задачу многопараметрической оптимизации по заданному критерии оптимальности. В качестве критерия оптимальности передачи принимается величина коэффициента перекрнтия

Ремение данной задачи производилось с помощьа специально разработанной оптимизационннй ПП в следующей последовательности:

- выбиралась целевая функция, отобраиаищая зависимость критерия оптимальности от варьируеммх параметров;

- определялись способ и условия получения ремения;

- составлялся алгоритм поиска ремения в виде последовательности логических и вычислительных операций над вибранннми параметрами;

- устанавливались граннчнне условия и осуществлялись численное ремение задачи и анализ получениях результатов.

В качестве целевой фднкцки использовалось внрамение (9). Варьмрдемн-ии параметрамн являлись независимее переменные: коэффициенты смещений XI и Х2, коэффициент высоты головки /?л и угол наклона зубьев >3 . Целевая Функция при этом имела вид:

В качестве способа оптимизации применялся метод численной итерации • с помаговмм изменением варьируемых параметров. Граничными условиями при этом являлись показатели качества зацепления, т.е. нормы подреза, интерференции и допустимого заострения зубьев: где ги1, 1ж2 - наименьмие значения чисел зубьев колес, нарезаемых без подреза;

Хм1, Хя2 - наименьяне значения коэффициентов смещения для колес, нарезаемнх без подреза; Кр1, Ер2, ЯП, К12 - радиусы кривизны соответственно в нижней и граничной точках активного профиля зубьев; и > г*1; и > гиг: XI > хм1; Х2 > хм2 йрЬ ЙН; Йр2> Ш; 5па1> 0; 5па2>

11) (12)

5па1, 5па2 - нормальная толщина зубьев на поверхности вершин; Компьютерное моделирование условий образования многопарного зацепле яиа позволило установить, что многопарнне передачи могут быть реализова ны в мироком диапазоне чисел зубьев и передаточннх отномений колес. Вероятность получения многопарного контакта зубьев возрастает с реличени ем передаточного отноиения передачи, граничной высоты зубьев и отрицательных смещений колес. Многопарное зацепление колес можно получить как при 20-градусном зацеплении, так и с увеличенным или уменьменным углом профиля в зависимости от соотношения чисел зубьев колес и высоты зуба. Увеличение угла наклона зуба приводит к уменьшение коэффициента перекрн тия, из чего следует, что многопарное зацепление легче осуществить на прямозубых колесах чем на косоэубнх [137.

Важное значение при проектировании многопарной передачи имеет определение нагрузки, действувщей на зубья. Точное решение данной задачи во можно при учете переменной жесткости зубьев на основе положений теории упругости. Вместе с тек с достаточной для практических целей точность» можно считать зубья неупругими и решение искать на основе геометрически зависимостей. При этом условии крутящий момент буде? распределятся поро ну между контактнрувщимн парами зубьев. Сила нормального давления на зу в точке контакта будет при этом определятся выражением (рис. 5):

Г =. Хк /2 ЛЯу*Со5(0(£ /2)). (13) где Хк - крутящий момент; Иу - радиус точки контакта; Ыу - угол, соот-ветствувщий толщине зуба в точке контакта.

Для точки контакта на окружности вершин зависимость (13) имеет вид:

Мк /2 /Ша*Со$(Ыа/2)), (14) где^а - сила давления в точке профиля на окружности вершин; йа - радиус окружности вержин; с<а - угол толщины зуба на окружности вершин. Для произвольной точки профиля Ку определение величины силы Ру возможно только численным способом. Для этой цели била разработана специаль ная подпрограмма для расчета сил давления в контактных точках. Результаты расчета позволяет сделать вывод, что неравномерность нагрузки на зубь зависит от угла зацепления. Чем меньше угол зацепления тем меньие разниц между силами давления в точках парного контакта.

Результаты моделирования многопарного зацепления были проверены экспериментально. На ОАО "ГАЗ" по рекомендациям автора была изготовлена и испытана опытная партия многопарных передач для коробок передач автоиоби лей "Газель". Опытные передачи в отличие от серийных имели номинальное значение коэффициента торцового перекрытия более двух, что достигалось путем изменения чисел зубьев колес, коэффициентов смещения я углов наклона зубьев. Остальные параметры передач - катериали, исходный контур, модуль и межосевое расстояние - не изменялись. Изготовление опытных пере дач производилось по действующей заводской технологии с использованием того же инструмента, что и для серийных передач. Перед испытаниями прово дились измерения геометрических параметров опытных передач. По ряду пара метров были зафиксированы отклонения, превыиаищие допустимые. Погрешност изготовления в значительной степени повлияли на результаты испытаний передач на статическув прочность (табл. 2) 11?,181.

Таблица

Результаты стендовых испытаний зубчатых передач на статическув прочность

Передача Крутящий момент (кН#м) до поломки зубьев в передаче серийная ! опытная *

2-я 1 - 1.2 1-1.

3-я 1,5 - 1,7 ; 1.4 - 1,?

5-я 1,8 - 1,85 ! Не менее 2,

Как видно из таблицы статическая прочность опытной 5-ой передачи уве личена почти в 1,5 раза. Разрушение зубьев при крутящем моменте 2,7 кН*к произошло только в одном случае. 6 остальных случаях при нагрузке 1,8 -2,7 кй#м разрушались другие детали КПП. Выло зафиксировано такие уменьши ние шумности опытной 5-й передачи на 1.5-2,5 дБ. На других передачах, г? вследствие погрешностей изготовления многопарность зацепления не была обеспечена, статическая прочность опытных и серийных передач практмчесю одинакова. Таким образом, достижение высокой прочности зубчатых передач за счет многопарного зацепления существенно зависит от качества их изго товления. Один из способов уменьшения этой зависимости - обспечение возможно большего перекрытия зубьев путем оптимизации параметров контакта 1 минимизации погрешностей изготовления,

3. Разработка эффективной технологии изготовления многопарных зубчатых передач

Опыт изготовления многопарных передач по технологии массового произ водства с применением зубошевингования показывает, что данная технолог» не позволяет стабильно обеспечивать многопарный контакт зубьев в реальsoft передаче. К числу недостатков такой технологии относится использование ряда вспоиогательннх операций, приводящих в итоге к дрезании активной линии зацепления. Ори однопарнои зацеплении такие действаия малозна-чямя, а для иногопарной передачи является недопдстимммн, так как резко дменьиавт возиоиности полрения многопарного контакта здбьев. Такими не-иедательннми операциями является искдственное диеньиеине внеинего дна-метра здбьев для компенсации его двеличения после териообработки и технологический подрез ноики здба для вяполнения здбоиевиигования. Давние операции основнваится на эмпирических зависимостях, не дправляеми к не контролирдится, что и приводит к дказанним последствиям [191.

Как показнвает анализ внражениа, характериздищего длину активной линии зацепления:

112=0,5>(/Dal2- Dbl2 + Vuai2- Db2S - 2• OljSift US) где Dal,Da2,Dbl,Db2 - соответственно диаиетрн веряин здбьев и основнях окрдикостей колес: иеяосевое расстояние передачи, длина линии зацепления непосредственно зависит от величиям внеяних диаметров колес, что дказавает на необходииость их контроля после термообработки. Такие недопдстииой является фаска на головке здба, что фактически приводит к дополнительномд занияешш внеинего диаметра колес. всходя из данного анализа разработани новие вариантн технологии изготовления здбчатях колес иногопарних передач, вкличаащие:

1. Ори использовании здбояевингования - искличение технологического подреза ноики здба

2. Мскличение иевингования здбьев и применение в качестве финииной опе-раци здбохонингования ханами из эльбора

3. При мелкосерийном производстве, наприиер, при випдске автомобилей мелями серияии - использование на финииной операции вместо хонингования здбьев эдбоилифования крдгаии из эльбора.

При всех вариантах не допдскается технологический подрез ноики здба и снятие фаски на головке здба, а такие вводятся как обязательная операция ялифованяе внеинего диаметра колес после термообработки с цельи его контроля. Червячние фрезн, яспольздемне на предварятельнях операциях, долхнн бить без модификации профиля на головке я ноике и ииеть реличен-ное число стрдиечних канавок для дменьиения огранки профиля здбьев при обработке по второид варианту. Для правки эльборового инстрдиента приие-няется: при втором варианте - здбояляфоваяие хонов абразивнями крдгами на станках типа 5841, работакщих коническим крдгом с единичная делением: при третьем варианте - плоское илифованяе конической поверхности эльборового крдга периферией абразивного крдга в специальном приспособлении.

В настоящее время осуществляется апробация первого варианта технологии. Образование уступа на новке зуба после зубоиевингования не приведет, как показнваят предварительние расчеты, к существенной концентрации напряиений в зоне переходной кривой и к снияення изгибной виносливости зубьев как вследствие малой величины уступа, так и по причине диеньмения нагрузки при многопарном контакте зубьев. Вместе с тем на основе ранее проведениях исследований [161 апробируется также вазиояяость более мирового применения зубоялифования как процесса, стабильно обеспечиваемого вясокуя точность обработки на финяинях операциях. Повниение производительности зубоялифования достигается при атои путем интенсификация режимов резание, в частности, за счет увеличения количества резов при увеличении числа двойнях ходов яляфовальной каретки.

Общие вяводя

1. Разработаня методи, алгоритма и ПП для автоматизации параметрического расчета зубчатых передач, что сокращает сроки я повяяает качество проектирования передач. В том числе разработаня:

- теория и методи динамического расчета ПС с зубчатыми передачами с использованием моделей на графах;

- программно-методические комплексы по расчету геометрии я прочностной выносливости зубчатах передач с произвольный исходник контуром.

2. Разработаня теория и метода расчета геометрии и прочности зубчатых пе редач с многопарная зацеплением, в том числе:

- численный метод анализа распределения нагрузки между зубьями при многопарном контакте и расчета контактных и язгибннх напряиений по профиля зубьев;

- численный метод определения допусков на исполнительные размеры многопарной передачи;

3. Разработаня способы изготовления многопарных передач, обеспечяваящяе получение эффекта ииогопарности в реальной передаче, в той чясле:

- с использованием зубоиевингования и неходифяцнрованних червячнях фрез при здбофрезеровании;

- с использованием здбохонянгованяя хонаяи из зльбора и правкой хонов абразивными кругами на здбоиляфовальных станках;

- с использованием здбоялифованяя кругами из зльбора и провкой зльбо-i ровях кругов абразявняия кругами при плоской яляфовке.

4; Преведеяя стендовые испытания на статическдя прочность опятной партия* многопарных передач для КПП автомобилей "Газель", показавяяе хорояие резельтати по повияеняя прочности я дяеньяення ядмности передач и под твердивмие теория и методы расчета многопарнях передач. список печатных работ по теме диссертации Научно-технические статьи

1. Гайдай С.Й., Мельников В.З., Соловьев А.Б. Расчет погреиности многозвенного зубчатого механизмаприменением теории линейных графов. Исследование и расчет механизмов текстильных мамин. Тематическийорник научных трудов. Выпуск 1(5), I., МТЙ, 1974, 210-222.

2. Мельников В.З. Влияние упругой податливости звеньев на кинематичес-кув точность цепей подач. Деревообрабатнвавцее оборудование. Научно-тех-нач. реферат,., Вып. 3, М., НИИМЙМ, 1975, 10-14.

3. Мельников В.З. Составление уравнений для исследования динамическихстеи деревообрабатнвавмиханков. Деревообрабатывавцее оборудование. Научио-технич. реферат,., Вып. 5, I., НИИМЙМ, 1975, 6-10.

4. Мельников В.З. Нпрощеннвй метод математического описания электромеханическихстемсосредоточенными параметрами. Электричество, N 11, 1976, 69-70.

5. Мельников В.З. Построение математических моделей динамическихстем деревообрабатывавщиханков. Деревообрабативаящее оборудование. Экспресс-информация. Вып. И, НИИМЙ1, М., 1976, 11-14.

6. Мельников В.З. Полвсное представление блоков электроиеханических систем с использованием графов распространения сигнала. Электричество, М ?,

1977, 76-79.

7. Мельников В.З., Розен Г.М., Розанов В.М. Особенности применения и рас чет манипулятора для втамповочных линий. Технология автомобилестроения. На учно-техническ. реферативн.орн. К 11, НМИНйВТОПРОМ, М., 1980, 17-20.

8. Мельников В.З., Миленко В.И. Автоматизированныйнтез математических моделей объектов проектированияиспользованием граф-аналитических мето- ; дов. Сб. "Автоматизация проектирования. Материалыминара". МДНТП им. Дзержинского. М., 1981, 122-124.

9. Мельников В.З. йлгоритинтеза кинематическихем мамин. Второй Всевзннйезд по теории иамин и механизмов. Одесса, 14-18нтября 1982 г. Тезисы докладов. Часть 2. Киев, "Наукова дуика", 1982, 72-73.

10. Мельников В.З. Проектирование кинематических цепей каминных агрегатовиспользованием граф-аналитических методов. Сб. "Автоматизация поискового конструирования и подготовка инженерных кадров". Тезисы докладов 4-ой Всесовзной научной конференции. Том 1. Волгоград, 1987, 99-100.

11. Мельников В.З. Моделирование кинематики и динаиики приводазубчато-рычажным механизмом. Сборник научных трудов "Исследования в области рас чета и обработки зубчатых колес". М., ШШТавтопром, 1987, 35-39.

12. Мельников В.З. Автоматизированное проектирование высокопрочных зубix передач. Информатика - машиностроение. 1995. Я 7-6, 9-11. 3. Мельников 8.3., Тарамикин В.П. Программа для проектирования передач югопарннм зацеплением зубьев. Автомобильная проиниленность, 1995, HI2. 25-26.

14. Мельников В.З. Проектирование зубчатых передачмногопарным контак-. Тракторы ильскохозяйственные машины, 1996, Я 7, 37-38.

15. Мельников В.З. Проектирование здбчатнх передачоптимальнами харак-,истинами для трансмиссий мания. "Автоматизация ивременные техноло-и\ 1996, К 9, 20-21.

16. У.Р. Taranykin, U.Z. Melnlkov, K.M. Ippolitov. The effect of increa-ng »earability based on the Bultipair linkage. 5th International Synpo-uh. Energy and Environnental Aspects of Tribology. "IMSYCOMT '98". Sep-Bber 16th-19th, 1998, Сгакон, Poland, c. 229-230.

17. Мельников В.З. Повышение несущейособности и износостойкости зуб-тих передач. Тракторм ильскохозяйственные иаяины, 1999, N 2, 37-38.

18. Мельников В.З. Повышение несущейособности зубчатых передач на ос-ве аффекта многопарного зацепления. Автомобильная промышленность, 1999, 4 2.

19. Мельников В.З. Повышение прочностной выносливости и износостойкости бчатых передач для проыыыленного оборудования. "Автоматизация ивреиен-е технологии". 1999, Я 4, 2.

20. Мельников В.З. Повышение прочности и износостойкости зубчатых пере-ч на основе эффекта многопарности зацепления. Машиностроитель. 1999, Я

Справочные и методические пособия

21. Мельников В.З., Каплан Л.М. Методика динамического расчета техноло-ческого оборудования. Руководящий технический материал. РТМ 37.002.03450, НИИТавтопрои, М., 1981, 94.

22. Мельников В.З. Матеиатическое обеспечение автоматизированного проецирования на основе граф-аналитических методов. Методические указания. М9 7.002.019-81, НИИТавтопрои, М., 1982, 50.

23. Мельников В.З., Мирер Н.Я. Математическое обеспечение автоматизиро-анных расчетов динамических характеристик технологического оборудования. CT 37.002.0942-82. Министерство автоиобильной проиншлеиности СССР. М., ИНТавтопром, 1982, 38.

24. Мельников В.3., Мирер Н.Я. Математическое обеспечение автоматизиро-анных расчетов технологического оборудования. Основные положения. ОСТ 37. 02.0983-82. Министерство автомобильной промышленности СССР. М., НМЯТавто-роы, 1983, 11»

25. Мельников В.З. Автоиатизация проектирования приводных устройств техконогнческого оборудования. Обзорная информация. Серия XI "Технология авт мобилестроенмя", НИЙНАВТОПРОМ, М., 1984, 52.

26. Мельников В.З. Методика динамического расчета приводов технологичес кого оборудования. Руководящий документ. РД 37.002.0425-84, НИИТавтопром, М., 1985, 63.

27. Мельников В.З. Проектирование кинематических цепей технологического оборудования. Руководящий документ. РД 37.002.0491-86, НИИТавтопром, М., 198?, 25.

28. Мельников В.З., Миленко В.И. Пакет прикладных программ по расчету д талей технологического оборудования. "Системы автоматизации проектировани в автомобилестроении. САПР". Листок-каталог, ЛК-13-4, ЦНИМТЗИавтопрои, М.

198?, 2.

29. Мельников В.З. Алгоритм прикладных программ по расчету цилиндрической зубчатой передачи внешнего зацепления. "Системы автоматизации проекти рования в автомобилестроении. САПР. Математическое обеспечение". Листок-к талог, ЯК-13-5, ЦНШЗМавтопром. М., 1987, И.

30. Мельников В.З. Алгоритм расчета геометрии червячной цилиндрической передачи. "Системы автоматизации проектирования в автомобилестроении. САП Математическое обеспечение". Листок-каталог, ЛК-13-6, ЦНИМТЗИавтопрои, М. 1987, 8.

31. Мельников В.З. Алгоритм расчета геометрии реечной зубчатой передачи "Система автоматизации проектирования в автомобилестроеняи. САПР. Математическое обеспечение". Листок-каталог, ЛК-13-7, ЦНИИТЭИавтопром, М., с. 8.

32. Мельников В.З. Алгоритм расчета геометрии цилиндрической зубчатой редачя внутреннего зацепления. "Системы автоматизации проектирования в а томобилестроения. САПР. Математическое обеспечение". Листок-каталог, ЛК-1 8, ЦНИМТЗИавтопрои, М., 1987, 15.

33. Мельников В.З. Алгоритм расчета геометрии прямозубой конической пе дачи. "Системы автоматизации проектирования в автомобилестроении. САПР, тематическое обеспечение". Листок-каталог, ЛК-13-9, ЦНИМТЗИавтопрои, М., 1987, 12.

34. Мельников В.З. Алгоритм расчета прочности цилиндрической зубчатой редачи внешнего зацепления. "Системы автоматизации проектирования в авто билестроенки. САПР. Математическое обеспечение". Листок-каталог, ЛК-13-1 ЦНМИТЗИавтопром, И., 1987, 14.

35. Мельников В.З. Алгоритм расчета конических прямозубых передач на к тактнув и изгибнув прочность. "Системы автоматизации проектирования в ав мобилестроении. САПР. Математическое обеспечение". Листок-каталог, ЛК-13 И, ЦНИИТЗИавтопром, М., 1987, 15.

38. Мельников В.З. Алгоритм расчета геометрии конической передачи с кр говями зубьями. "Системн автоматизации проектирования в автомобилестроен

САПР. Математическое обеспечение". Листок-каталог, ЛК-13-12, ЦНИМТЭНавто-прои, М., 1987, 15.

37. Мельников В.З. Алгоритм расшифровки геометрии цилиндрической зубчатой передачи внемнего зацепления. "Системе автоматизации проектирования в автомобилестроении. САПР. Математическое обеспечение". Листок-каталог, ЛК-13-13, ЦНИИТЭИавтопром, М., 1987, 12.

38. Мельников В.З. Алгоритм расшифровки геометрии червячннх цилиндрических передач. "Системи автоматизации проектирования в автомобилестроении. САПР. Математическое обеспечение". Листок-каталог, ЛК-13-14, ЦНИИТЭИавтопром, М., 1987, 10.

39. Мельников В.З., Снетков В.А., Тараммкин Ю.П. Расчет и проектирование кинематическихеи технологического оборудования. Рекомендации. Часть I, НИИТавтопрои, М., 1987, 20.

40. Мельников В.З. Расчет и проектирование кинематическихем технологического оборудования. Часть II. НИИТавтопрои, М,. 1988, 24.

Мельников В.З.

Комплексное повышение качества зубчатых передач на основе конструкторских и технологических методов

АВТОРЕФЕРАТ

ЛР № 020407 от 12.02.97. Подписано в печать 12.05.99 Сдано в производство 12.05.

Формат бумаги 60 х 90/16 Бум. множит.

Усл. печ. л. 1,4 Уч.-изд. л. 1,

Тираж 100Заказ № ф)

Ротапринт МГИУ, 109280, Москва, Автозаводская,