автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Разработка и исследование нового зубчатого механизма с эвольвентными цилиндрическими колёсами

Введение.

1 Постановка задач исследования.

1.1 Обзор и анализ существующих видов цилиндрических зубчатых передач внешнего зацепления.

1.2 Требования, предъявляемые к дифференциалам транспортных средств. Обзор и анализ существующих конструкций дифференциалов

1.3 Цель работы и задачи исследования.

2 Синтез новой зубчатой передачи.

2.1 Синтез новой зубчатой передачи, её достоинства и недостатки

2.2 Возможные области применения передачи.

2.3 Выводы.

3 Геометрический расчёт новой передачи с эвольвентным профилем зубьев.

3.1 Соотношения геометрических параметров эвольвентной передачи с положительным передаточным отношением.

3.2 Выбор значений коэффициента положения середины активной части линии зацепления и торцового угла профиля.

3.3 Геометрический расчёт передачи с положительным передаточным отношением.

3.4 Синтез сопряжённого колеса для образования передачи с отрицательным передаточным отношением.

-33.5 Отличительные особенности геометрического расчёта новой передачи от установленного ГОСТ 16532

3.6 Выводы.

4 Силовой анализ зубчатого механизма.

4.1 Определение сил взаимодействия зубчатых колёс передачи с положительным передаточным отношением.

4.2 Оценка КПД новой передачи.

4.3 Оценка нагрузочной способности новой передачи.

4.4 Определение коэффициента блокировки дифференциала.

4.5 Выводы.

5 Экспериментальное исследование зубчатого механизма.

5.1 Выбор конструктивных параметров экспериментального дифференциала и определение размеров зубчатых колёс.

5.2 Нарезание зубьев зубчатых колёс.

5.3 Результаты экспериментальных исследований механизма и их анализ.

5.4 Выводы.

Заключительные выводы.

В настоящее время наиболее распространёнными видами механических передач являются передачи зацеплением. С помощью зубчатых передач можно осуществить передачу вращательного движения между параллельными, пересекающимися и скрещивающимися осями. Кроме того передачи зацеплением позволяют преобразовать вращательное движение в поступательное и наоборот, а также поступательное движение в одном направлении преобразовать в поступательное движение в другом направлении. Широкое распространение таких передач объясняется не только их возможностями преобразования различных видов движения, но и их надёжностью в работе и высокой несущей способностью при небольших габаритных размерах.

Благодаря многочисленным работам, посвящённым теоретическим и экспериментальным исследованиям зубчатых зацеплений, а также технологии их производства, нашли своё применение цилиндрические, конические, гипоидные, червячные, глобоидные, винтовые и волновые передачи [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7].

Использование различных поверхностей для описания рабочих элементов зубчатых зацеплений говорит о необычайном многообразии последних. Так, для осуществления передачи вращательного движения между параллельными валами могут быть использованы эвольвентные, циклоидальные и другие всевозможные виды цилиндрических зубчатых колёс. Кроме того существует возможность применения любой из двух сторон поверхностей (речь идёт о двусторонних поверхностях). К примеру, боковые поверхности зубьев эвольвентных зубчатых колёс внешнего зацепления [8] образованы выпуклой стороной эвольвентной поверхности, а боковые поверхности зубьев колёс внутреннего зацепления [9] - вогнутой стороной.

Стремление создать более совершенные передачи заставляет рассматривать синтез новых разновидностей зацеплений во взаимосвязи с технологией их производства. Поэтому, выбор той или иной поверхности для описания рабочих элементов зацеплений зависит не только от качественных показателей получаемой передачи, но и от возможной технологии изготовления зубчатых венцов [10, 11, 12]. Именно благодаря простоте инструмента [13, 14] и простоте технологического процесса изготовления [10] получили широкое применение передачи с эвольвентными зубчатыми колёсами.

Данная работа посвящена разработке и исследованию новой эволь-вентной зубчатой передачи внешнего зацепления, позволяющей передать вращательное движение между параллельными осями в одинаковом направлении.

Впервые одна из разновидностей такой передачи была получена Б.В.Шитиковым и Н.А.Баязитовым в Казанском химико-технологическом институте им. С.М.Кирова в 1959 году. Косозубые колёса в этой передаче имеют одинаковое направление зубьев, а боковая поверхность зуба одного колеса образована винтовым движением участка винтовой линии вершины зуба другого колеса [15, 16, 17]. В процессе изучения таких колёс Н.А.Баязитовым были найдены несколько их разновидностей. Так, появилась возможность получить как передачу внешнего, так и внутреннего зацепления и в обоих случаях передаточное отношение колёс может быть как положительным, так и отрицательным. Из способа образования боковых поверхностей зубьев следует вывод о неблагоприятных условиях контакта: зуб одного колеса своей вершиной (кромкой) контактирует с боковой поверхностью зуба другого колеса, что увеличивает вероятность их разрушения при больших нагрузках.

Дальнейшее развитие передача получила благодаря работе А.В.Сачкова. Кроме исследования нового вида зацепления, отличающегося точечным контактом зубьев [18, 19], была реализована первая попытка практического использования передач внешнего зацепления с положительным передаточным отношением в составе дифференциала повышенного трения автомобиля ГАЗ-66 [19]. В синтезированном новом зубчатом зацеплении точка контакта перемещается от одного торца зубчатых колёс к другому, подобно точке контакта в зацеплении Новикова [20, 21] (линия зацепления в передаче располагается параллельно осям зубчатых колёс). После приработки, зубья контактируют уже по некоторой площадке. Таким образом, изменением профиля зубьев, удалось избежать кромочного контакта и, тем самым, несколько улучшить условия зацепления.

В.В.Панюхин, исследуя эвольвентные косозубые самотормозящиеся передачи, также отметил возможность получения передач внешнего зацепления не только с отрицательным, но и с положительным передаточным отношением, а передач внутреннего зацепления не только с положительным, но и с отрицательным передаточным отношением [22].

Для осуществления передачи вращения в одинаковом направлении между двумя параллельными валами в настоящее время используются либо ремённые, либо цепные передачи, однако высокая нагрузочная способность в этих передачах реализуется лишь при больших габаритных размерах. При использовании для этих целей зубчатых механизмов внешнего зацепления с отрицательным передаточным отношением приходится вводить дополнительное (паразитное) зубчатое колесо, либо использовать передачу с колесом внутреннего зацепления.

Применение зубчатой передачи внешнего зацепления с положительным передаточным отношением в подобных случаях позволило бы существенно упростить конструкцию механизма, что в свою очередь привело бы к снижению его производственных и эксплуатационных затрат.

Таким образом, синтез, а также всестороннее исследование зубчатых передач внешнего зацепления с положительным передаточным отношением является одной из актуальных задач.

На защиту выносятся:

- разработанный метод синтеза нового зубчатого зацепления;

- разработанная методика геометрического расчёта эвольвентной зубчатой передачи внешнего зацепления с положительным передаточным отношением;

- силовой анализ, оценка КПД и оценка нагрузочной способности предлагаемой передачи;

- обоснование областей применения передачи;

- принципы изготовления зубчатых колёс новой передачи;

- результаты экспериментального исследования передачи и автомобильного дифференциального механизма, в котором она используется.

- 1045.4 Выводы

Таким образом, на основании результатов экспериментального исследования новой зубчатой передачи в составе дифференциального механизма установлено следующее:

- дифференциальный механизм обеспечивает возможность вращения ведущих колёс автомобиля с различными скоростями и обладает симметричными блокирующими свойствами;

- зубчатые передачи используемые в механизме обеспечивают необходимый закон движения выходных звеньев дифференциала, что подтверждает правильность их геометрического расчёта;

- в сравнении с ранее изученными дифференциальными механизмами [19], исследуемый обладает более высокими блокирующими свойствами;

- коэффициент блокировки дифференциала меняется в зависимости от режимов работы: при тяговом режиме движения автомобиля (эксперимент 1) коэффициент блокировки может достигать очень больших значений (до 18), что подтверждает вывод о невысоком КПД новой зубчатой передачи; при движении автомобиля в режиме торможения двигателем (эксперимент 2) коэффициент блокировки дифференциала снижается до 2.3 (передача с положительным передаточным отношением разгружается сопряжёнными действиями шестерни, образующей с сателлитами передачу с отрицательным передаточным отношением); при движении автомобиля накатом (эксперименты 3 и 4) отмечено самое низкое значение коэффициента блокировки (от 1,1 до

1,7);

- зубчатые передачи обладают невысокой нагрузочной способностью по контактным напряжениям; для предотвращения повышенного износа рабочих поверхностей зубьев необходимо обеспечить их высокую твёрдость и чистоту.

-105

Заключительные выводы

В результате работы выполнено следующее:

- найден новый тип зацепления, отличающийся более благоприятными условиями контакта рабочих поверхностей зубьев по сравнению с известными передачами внешнего зацепления с положительным передаточным отношением;

- обоснована возможность использования в качестве бокового профиля зубьев эвольвенты;

- разработана методика расчёта геометрических параметров эвольвентной передачи с положительным передаточным отношением;

- получены зависимости для определения сил взаимодействия зубьев в зацеплении и их составляющих;

- проведена оценка коэффициента полезного действия новой зубчатой передачи: для опытного образца он составляет 0,56;

- проведена оценка нагрузочной способности новой передачи в сравнении с нагрузочной способностью цилиндрической эвольвентной зубчатой передачи внешнего зацепления с параметрами, рассчитанными в соответствии с ГОСТ 16532-70: контактные напряжения, возникающие в зацеплении зубчатых колёс новой передачи, оказались несколько выше чем напряжения в зацеплении колёс рассчитанных по ГОСТ 16532-70;

- определены области применения новой передачи: она может быть весьма эффективна в дифференциалах и коробках передач (для получения заднего хода) автомобилей, тракторов, самоходных сельскохозяйственных и дорожно-строительных машин, в механизмах реверса обрабатывающих центров и металлорежущих станков и т.п.;

- продолжено исследование возможности применения передачи с положительным передаточным отношением в дифференциалах транспортных средств;

-106- сформулированы требования, предъявляемые к дифференциальным механизмам транспортных средств, проанализированы существующие конструкции;

- получены зависимости для определения коэффициента блокировки исследуемого дифференциала;

- сконструирован и изготовлен опытный образец дифференциального механизма для автомобиля КамАЭ-5320 и его модификаций;

- проведены экспериментальные исследования новой передачи в составе межколёсного дифференциала автомобиля КамАЭ-53205.

- проанализированы результаты экспериментов, сделаны соответствующие выводы: новая зубчатая передача обеспечивает необходимый закон движения выходных звеньев дифференциала, что подтверждает правильность её геометрического расчёта; передача обладает невысоким КПД и, вследствие этого, может быть использована в конструкции дифференциального механизма для повышения его внутреннего трения, а также в иных механизмах, где нет необходимости в высоком КПД; передача, как и предполагалось, обладает невысокой контактной прочностью; для обеспечения высокой нагрузочной способности передачи и повышения износостойкости рабочих поверхностей зубьев необходимо обеспечить их высокую твёрдость и чистоту.

Более благоприятные условия контакта по сравнению с изученными ранее зацеплениями с положительным передаточным отношением, возможность получения передачи с эвольвентным профилем зубьев, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований дают основание предполагать, что описанная в этой работе новая зубчатая передача сможет найти применение в некоторых областях машиностроения.

1. Ф.J1.Литвин. Теория зубчатых зацеплений. М., 1968г., 584 стр. с илл.

2. Л.Д.Часовников. Передачи зацеплением (зубчатые и червячные). Изд. 2-е переработанное и дополненное. М., Машиностроение, 1969. 486 стр.

3. К.М.Писманик. Гипоидные передачи. Машиностроение, 1964.

4. Зубчатые передачи: Справочник. / Е.Г.Гинзбург, Н.Ф.Голованов, Н.Б.Фирун, Н.Т.Халебский; Под общ. Ред. Е.Г.Гинзбурга. -2-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1980.- 416 е.,ил.

5. Е.Г.Гинзбург. Волновые зубчатые передачи. Л., Машиностроение, 1969.

6. Авиационные зубчатые передачи и редукторы: Справочник / В.Н. Алексеев, В.М. Ананьев, М.М.Булыгин и др.; Под ред. Э.Б.Булгакова. М.: Машиностроение, 1981. 374 с.

7. Левитан Ю.В., Обморнов В.П. Васильев В.И. Червячные редукторы: Справочник. Л.: Машиностроение, 1985. С. 168.

8. И.А.Болотовский, Б.И.Гурьев, В.Э.Смирнов и др. Цилиндрические эвольвентные зубчатые передачи внешнего зацепления. Расчёт геометрии. Справочное пособие. М., Машиностроение, 1974. 160 с.

9. И.А.Болотовский, Б.И.Гурьев, В.Э.Смирнов и др. Цилиндрические эвольвентные зубчатые передачи внутреннего зацепления. Расчёт геометрических параметров. Справочное пособие. М., Машиностроение, 1977. 192 с.

10. Производство зубчатых колёс: Справочник / С.Н.Калашников, А.С.Калашников, Г.И.Коган и др.; Под общ. ред. Б.А.Тайца. 3-е изд., перераб. И допол. - М., Машиностроение, 1990. - 464 е.: ил.

11. Калашников С.Н., Калашников A.C. Изготовление зубчатых колёс. Изд. 2-е, переработ. И доп. М.: Высшая школа, 1986. 287 с.

12. Хлебалин Н.Ф. Нарезание конических зубчатых колёс. Л.: Машиностроение, 1978. 160 с.

13. Грубин А.Н., Лихциер М.Б., Полоцкий М.С. Зуборезный инструмент: В 2 ч. Ч. 1. М.: Машгиз, 1947. 291 е.; Ч. 2. М.: Машгиз, 1946. 232 с.

14. Романов В.Ф. Расчёты зуборезных инструментов. М.: Машиностроение, 1969. 255 с.

15. Н.А.Баязитов. Косозубые колёса с новым зацеплением, / Сборник трудов КХТИ. Выпуск 31., Казань. 1963.

16. Н.А.Баязитов. Некоторые вопросы теории и изготовления косозубых колёс с новым зацеплением, / Сборник трудов КХТИ. Выпуск 31., Казань. 1963.

17. Н.А.Баязитов. Косозубые колёса с новым зацеплением. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук, Казань, 1964.

18. Н.А.Баязитов, А.В.Сачков. Способ получения точечного касания зубьев колёс косозубой передачи, / Сборник трудов Казанского Авиационного института. Выпуск 127. Прикладная механика: Казань: КАИ, 1970.

19. А.В.Сачков. Новый автомобильный дифференциальный механизм. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук, Казань, 1971.

20. Биргер И.А. и др. Расчёт на прочность деталей машин: Справочник / И.А.Биргер, Б.Ф.Шорр, Г.Б.Иосилевич. 4-е изд., перераб. И доп. - М.: Машиностроение, 1993. - 640 е.: ил.

21. И.Н.Френкель. Передачи с зацеплением Новикова. «Краткий справочник машиностроителя». М., Машиностроение, 1966.

22. В.В.Панюхин. Геометрический расчёт эвольвентных косозубых самотормозящихся передач. «Известия вузов. Машиностроение», 1983, №5.

23. Павленко А.Б., Федякин Р.В., Чесноков В.А. Зубчатые передачи с зацеплением Новикова. Киев: Техника, 1978. 144 с.

24. Детали машин. Павлов Я.М., изд-во «Машиностроение», 1969 г., 448 стр. Табл. 55. Илл. 250. Библ. 31 назв.

25. М.С.Высоцкий, А.Г.Выгонный. Автомобили: Основы проектирования: Учеб. Пособие для вузов. -Мн.: Выш. Шк., 1987. 152 е.: ил.

26. А.Ф.Андреев, В.В.Ванцевич, А.Х.Лефаров. Дифференциалы колёсных машин; Под общ. ред. А.Х.Лефарова.-М. Машиностроение, 1987.-176 с.:ил.

27. Данные фирмы ZF. ZF-Selbstsperr-Differential: der Baureihe DL. Zahnradfabrik Fridrichshafen AG.

28. Е.А.Степанова, А.Х.Лефаров. Блокирующиеся дифференциалы грузовых автомобилей; Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, Москва 1960.

29. Булгаков Э.Б. Соосные зубчатые передачи: Справочник. М.: Машиностроение, 1987. - 256 е.: ил. - (Б-ка конструктора).

30. Кудрявцев В.Н. Планетарные передачи. М. JL, Машиностроение, 1966. 308 с.

31. Ю.В.Коровин, Е.Г.Макаров. Патент Р.Ф. №2109187. Зубчатая передача / Бюллетень изобретений 1998. - №11.

32. Макаров Е.Г., Коровин Ю.В. Зубчатая передача с положительным передаточным отношением / Механика машиностроения. Тезисы докладов Международной научно-технической конференции. Набережные Челны: Камский политехнический институт, 1997.

33. Ю.В.Коровин, В.Л.Галеев, Я.А.Фардеев. A.c. №1449367 СССР. Коробка передач транспортного средства / Бюллетень изобретений -1989.-№1.-с. 74.

34. В.И.Панюхин. A.c. №804953 СССР. Цилиндрическая зубчатая передача / Бюллетень изобретений 1981. - №6.

35. В.В.Панюхин. A.c. №1083015 СССР. Зубчатая передача / Бюллетень изобретений 1984. - №12.

36. В.И.Панюхин. A.c. №1803645 СССР. Цилиндрическая зубчатая передача / Бюллетень изобретений 1993 .-№11.

37. В.В.Панюхин. A.c. №1479765 СССР. Цилиндрическая зубчатая передача / Бюллетень изобретений 1989. - №18.

38. В.Панюхин, О.Ерин. Только вперёд. Изобретатель и рационализатор, 1992, №3, с. 16.

39. В.П.Демин. Патент Р.Ф. №2091645. Дифференциальная противобуксующая передача / Бюллетень изобретений 1997. - №27. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам - М.: Машиностроение 1981. - 438 е., ил.

40. Рашевский П.К. Курс дифференциальной геометрии. 4-е изд., Москва, 1956.

41. Ю.В.Коровин. Балансировка роторов: Учебное пособие. Наб. Челны: изд-во КамПИ, 1994. 44 с.

42. Передачи зубчатые ГОСТ 16530-83 (CT СЭВ 3295-81), ГОСТ 16531-83 (CT СЭВ 3294-81), ГОСТ 16532-70. Издание официальное. Москва, 1983.

43. Машины и стенды для испытания деталей/ Под ред. Д.Н.Решетова.- М.: Машиностроение, 1979 343 с. Ил.

44. Тензометрия в машиностроении. Справочное пособие, под ред. Р.А.Макарова. М., Машиностроение, 1975, 287 с.

45. Справочник машиностроителя / под ред. Н.С.Ачеркана / в шести томах, том 1; Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, Москва 1963.

46. Технология металлов. Кнорозов Б.В., Усова Л.Ф., Третьяков A.B., Арутюнова И.А., Шабашов С.П., Ефремов В.К. М., «Металлургия», 1978. 880 с.

47. Фадеев JI.JL, Албагачиев А.Ю. Повышение надёжности деталей машин. М.: Машиностроение, 1993. - 96 е.: ил.