автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Разработка теоретических основ проектирования, изготовления и испытания цилиндро-конических зубчатых передач с малыми межосевыми углами

ф

л «а £. О Ч 99- //&е> ^

С

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Южно-Уральский государственный университет

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИСПЫТАНИЯ ЦИЛИНДРО-КОНИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ С МАЛЫМИ МЕЖОСЕВЫМИ УГЛАМИ

Специальности: 05.02.02 - «Машиноведение и детали машин» 05.02.08 - «Технология машиностроения»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

На правах рукописи

Лопатин Борис Александрович

2 / о/ ,дэ 2^/д

Челябинск 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................. 7

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЦИЛИНДРО-КОНИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧАХ С МАЛЫМ МЕЖОСЕВЫМ УГЛОМ. СПОСОБЫ ОБРАЗОВАНИЯ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЗУБЬЕВ.......................... 10

1.1. Понятие о цилиндро-конических передачах. Типы цилиндро-конических передач с малым межосевым углом................... 10

1.2. Преимущества цилиндро-конических передач. Цель и задачи исследования..................................................... 12

1.3. Способы образования рабочих поверхностей цилиндро-конических передач..................................................... 17

2. ГЕОМЕТРИЯ И КИНЕМАТИКА КОНТАКТА ЭВОЛЬВЕНТНЫХ ЦИЛИНДРО-КОНИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ С МАЛЫМ МЕЖОСЕВЫМ УГЛОМ....................................... 26

2.1. Геометрия эвольвентно-конического колеса....................... 26

2.2. Возможные схемы формирования эвольвентных цилиндро-конических передач........................................... 36

2.3. Геометрия цилиндро-конической передачи на скрещивающихся осях.. 38

2.4. Эвольвентные цилиндро-конические передачи на пересекающихся осях........................................................ 51

2.5. Эвольвентные передачи между параллельными осями, составленные

из эвольвентно-конических колес............................... 56

2.6. Номограммы геометрического расчета передач.................... 65

2.7. Алгоритм геометрического расчета эвольвентных цилиндро-конических передач........................................... 73

2.8. Кинематика контакта в эвольвентных цилиндро-конических передачах................................... ...................... 75

2.8.1. Определение кинематических характеристик контакта в цилиндро-конической передаче с точечным касанием рабочих поверхностей зубьев....................................................... 75

2.8.2. Определение кинематических характеристик контакта в цилиндро-конической передаче с линейным касанием рабочих поверхностей зубьев....................................................... 82

2.9. Пути улучшения кинематических характеристик контакта в передаче. 88

2.10. Блок-схема расчета кинематических характеристик контакта в эволь-вентной цилиндро-конической передаче.......................... 93

3. ГЕОМЕТРИЯ НЕЭВОЛЬВЕНШЫХ ЦИЛИНДРО-КОНИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ И КИНЕМАТИКА КОНТАКТА РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЗУБЬЕВ.................................... 94

3.1. Станочное зацепление производящего колеса и конической шестерни. 96

3.2. Приближенная рабочая поверхность неэвольвентной конической шестерни.................................................... 104

3.3. Область существования внутреннего цилиндро-конического зацепления на пересекающихся осях.................................... 108

3.4. Последовательность расчета профиля зубьев конической шестерни неэвольвентной цилиндро-конической передачи на пересекающихся осях........................................................ 117

3.5. Определение кинематических характеристик контакта в цилиндро-конической передаче внутреннего зацепления..................... 119

3.6. Исследование влияния геометрических параметров передач на кинематические характеристики контакта............................ 124

4. ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРУЖЕННОСТИ ЗАЦЕПЛЕНИЙ В ЦИЛИНДРО-КОНИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧАХ С МАЛЫМ МЕЖОСЕВЫМ УГЛОМ........................................................ 128

4.1. Силы, действующие в зацеплении эвольвентной цилиндро-

конической передачи.......................................... 128

4.2. Нагруженность контакта в эвольвентных цилиндро-конических передачах....................................................... 134

4.2.1. Нагруженность контакта в передаче с точечным касанием рабочих поверхностей зубьев.......................................... 134

4.2.2. Определение нагрузочных характеристик контакта в передаче с линейным касанием рабочих поверхностей......................... 138

4.3. Длина контактных линий и коэффициент перекрытия в эвольвентной цилиндро-конической передаче................................. 139

4.4. Возможные пути снижения нагруженности контакта в эвольвентных цилиндро-конических передачах................................ 142

4.5. Особенности расчета на прочность зубьев в эвольвентной цилиндро-конической передаче.......................................... 146

4.6. Силы, действующие на зубья в неэвольвентной цилиндро-конической передаче внутреннего зацепления............................... 146

4.7. Коэффициент перекрытия и суммарная длина контактных линий в цилиндро-конической передаче внутреннего зацепления............ 150

4.8. К расчету на прочность зубьев колес цилиндро-конической передачи внутреннего зацепления....................................... 154

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ, КОНТРОЛЯ И ИСПЫТАНИЙ ЦИЛИНДРО-КОНИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ................................................... 158

5.1. Способы зубофрезерования конических колес эвольвентных цилиндро-конических передач........................................ 158

5.2. Практическая реализация способов фрезерования зубьев эвольвент-ного конического колеса....................................... 160

5.3. Особенности настройки зубофрезерного станка при нарезании эвольвентных конических колес..................................... 168

5.4. Окончательная обработка рабочих поверхностей зубьев колес эвольвентных цилиндро-конических передач.......................... 173

5.4.1. Шевингование зубьев колес.................................... 173

5.4.2. Шлифование зубьев колес..................................... 178

5.5. Обработка рабочих поверхностей зубьев конической шестерни в цилиндро-конической передаче внутреннего зацепления.............. 178

5.6. Контроль конических зубчатых колес цилиндро-конических зубчатых передач..,...................................... ............ 187

5.6.1. Контроль зубьев эвольвентных конических колес.................. 187

5.6.2. Контроль зубьев неэвольвентной шестерни цилиндро-конической передаче внутреннего зацепления................................. 190

5.7. Экспериментальное оборудование для исследования нагрузочной способности цилиндро-конических передач....................... 194

5.7.1. Анализ нагруженности испытуемых передач с учетом распределения нагрузки в замкнутом контуре.................................. 213

5.7.2. Подготовка стенда для испытаний передач........................ 216

6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИЛИНДРО-

КОНИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ И СОЗДАНИЕ НА ИХ БАЗЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИВОДОВ................ 218

6.1. Применение цилиндро-конических зубчатых передач с малым межосевым углом в судовых приводах................................ 218

6.1.1. Компоновочные преимущества цилиндро-конических передач в судовых приводах.............................................. 218

6.1.2. Экспериментальная оценка нагрузочной способности эвольвентных цилиндро-конических передач.................................. 220

6.1.3. Практическое применение результатов исследований при создании судовых редукторов с цилиндро-коническими передачами.......... 246

6.2. Применение внутреннего цилиндро-конического зацепления для пла-планетарных редукторов электромеханических приводов космической техники................................................. 254

6.2.1. Конструкции редукторов с наклонными сателлитами для приводов механизмов углового поворота...................................................260

6.2.2. Испытания редукторов механизмов углового поворота..................265

6.2.3. Сравнительная оценка надежности приводов............................................269

6.2.4. Применение планетарного редуктора с внутренним цилиндро-коническим зацеплением в имитаторе нагрузки испытательных стендов.................... .........................................................................276

6.3. Передачи на параллельных осях из эвольвентно-конических колес в

приводах систем управления........................................................................281

6.3.1. Требования к редукторам приводов систем управления.........................282

6.3.2. Анализ конструкции редуктора привода КДУ и ее совершенствование 282

6.3.3. Экспериментальное исследование редуктора привода КДУ.....______293

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................301

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................305

Приложение 1. Акты внедрения..................................................................314

Приложение 2. Программы расчета передач..............................................320

ВВЕДЕНИЕ

Зубчатые передачи являются составной частью большинства приводов машин и механизмов. Во многих случаях именно зубчатые передачи определяют технические характеристики, массу, габариты привода в целом, его стоимость. Поэтому совершенствование зубчатых зацеплений, разработка новых типов зубчатых передач, решение вопросов изготовления колес, контроля, испытания передач способствуют созданию машин и механизмов с улучшенными технико-экономическими характеристиками.

В области развития теории и практики зубчатых зацеплений можно выделить следующие основные направления:

1. Разработка геометрии новых видов зацеплений на основе применения классической геометро-кинематической теории зацеплений, созданной трудами Х.И.Гохмана, Н.И.Колчина, Ф.Л.Литвина, В.А.Гавриленко, Я.С.Давыдова, Л.В.Коростелева, Н.Н.Крылова, М.Л.Новикова, И.И.Дусева, И.А. Болотовско-го, К.М.Писманика, М.Л.Ерихова, Э.Б.Вулгакова и получившей дальнейшее развитие в работах В.И.Безрукова, А.Е.Беляева, М.Г.Сегаля, Г.И.Шевелевой, В.И.Гольдфарба, А.К.Георгиева, С.А.Лагутина и других ученых.

2. Исследование напряженного состояния зубьев передач с целью разработки наиболее достоверной методики прочностного расчета передач и выбора надежных размеров колес. Основы проведения таких расчетов заложены в трудах А.И.Петрусевича, Я.Г.Кистьяна, М.Б.Громана, В.Н.Кудрявцева, Л.Н.Решетова, Д.Н.Решетова, М.Д.Генкина, К.И.Заблонского, Г.Б.Иосилевича, Л.Д.Часовикова, Э.Л.Айрапетова, Ю.А.Державца, В.Л.Устиненко.

Работы этих ученых нашли свое отражение в стандартных методиках расчета определенных видов зубчатых передач. Развитие исследований в этом направлении идет путем распространения классических методов расчета на новые виды передач с учетом их геометрических особенностей и конкретных условий эксплуатации. Этому посвящены работы: М.Н.Иванова, Е.Г.Гинзбурга, В.И.Глаза, Г.А.Лопато, Г.А.Журавлева. Р.Б.Иофиса, В.М. Яст-пр^пяя и многих других исследователей.

деленных критериях, отражающих в себе требования к передаче в реальных условиях эксплуатации (максимальная износостойкость зубьев, максимальная контактная прочность, минимальные габариты передачи, устойчивая толщина масляной пленки между зубьями и т.п.). Такой подход к проектированию передач нашел свое отражение в работах Э.Б.Вулгакова, Д.С.Коднира, Г.А.Журавлева, Г.А.Лопато, Ю.Н.Дроздова, Д.Т.Бабичева и других исследователей. Проектирование передач по оптимизационным моделям позволяет максимально использовать геометро-кинематические возможности передачи при ее эксплуатации.

4. Разработка и совершенствование способов изготовления и контроля зубьев колес, применение современных материалов и различных видов химико-термической обработки колес, способствующих увеличению несущей способности передачи. Таким исследованиям посвящены работы А.М.Калашникова, Б.А.Тайца, Л.Л.Маркова, Р.Р.Гальпера, М.Г.Сегаля, А.К.Георгиева, М.Л.Ерихова, В.И.Голикова, А.А.Старосельского, В.Б.Старжинского, Е.И.Тескера и других ученых.

5. Экспериментальное исследование напряженного состояния зубьев и нагрузочной способности зубчатых передач с целью уточнения существующих методик их расчета, а, в некоторых случаях, и получения эмпирических зависимостей для оценки нагрузочной способности передач по определенному критерию отказа. Значительный вклад в области экспериментального исследования нагрузочной способности передач внесли работы Г.К.Трубина, М.Д.Генкина, Г.Нимана, Д.Н.Решетова, В.Н.Кудрявцева, Н.Е.Ремезовой, В.А.Белого, М.М.Хрущова, З.П.Павлова, В.Н.Борзова, Р.Н.Пратусевича, С.А.Шувалова, В.Ф.Рещикова, И.С.Кузьмина, В.Н.Сызранцева.

При внедрении новых типов зубчатых передач в реальные механизмы исследователю приходится решать, в той или иной мере, задачи связанные с перечисленными выше направлениями. Причем именно решение комплексной задачи, связанной как с проектированием новых зацеплений, их изготовлением, так и экспериментальной проверкой нагрузочной способности передач позволяет довести новые зацепления до практического применения их в промышленности.

В представленной работе приведено такое комплексное исследование цилинд-ро-конических передач с малыми межосевыми угломи. Проведенные в работе исследования геометрии передач, кинематики и нагруженности контакта, решение

вопросов изготовления, контроля колес, испытания передач позволили внедрить в практику оригинальные приводы различного назначения. Целесообразность применения цилиндро-конических передач с малым межосевым углом подтверждена улучшением технико-эксплуатационных характеристик приводов и опытом их эксплуатации.

Практическая направленность исследований обусловлена, главным образом, совместными работами, выполняемыми с предприятиями Hi 111 «Машпроект», ПО «Заря» (г. Николаев), ЦСКБ Российского космического агенства, заводом «Прогресс» (г. Самара) по созданию и внедрению в производство приводов с цилинд-ро-коническими передачами, а также творческими контактами с предприятиями «УралАЗ», НПО «Электромеханика» (г. Миасс), ПО «Машиностроительный завод», ПО «Булат» (г. Златоуст), заводом «Прибор» (г. Челябинск) и другими машиностроительными предприятиями.

Работы по тематике диссертации выполнялись в соответствии с инновационной программой Минобразования РФ «Прогрессивные зубчатые передачи», а также программ, выполняемых по единому заказ-наряду Минобразования РФ в 1995-98 годах. В ноябре 1998 года на заседании технического комитета по зубчатым передачам международной Федерации по ТММ (IFToMM), состоявшейся в рамках международной конференции «Теория и практика зубчатых передач», ра-5оты по тематике диссертации включены в качестве проекта в программу работы комитета.

Соискатель выражает глубокую благодарность и признательность своему учителю, научному консультанту, прекрасному человеку, кандидату технических на/к, профессору Виктору Ивановичу Безрукову, чьи советы во многом способствовали созданию настоящей работы. К сожалению, нет сейчас уже среди нас Виктора Ивановича, рано он ушел из жизни. Но дело его живет в нас, его учениках, и 1учшей памятью о Викторе Ивановиче будут служить наши работы в его столь гюбимой области техники - области зубчатых зацеплений.

I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЦИЛИНДРО-КОНИЧЕСКИХ ПЕРЕДА ЧАХ С МАЛЫМ МЕЖОСЕВЫМ УГЛОМ. СПОСОБЫ ОБРАЗОВАНИЯ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЗУБЬЕВ КОЛЕС

1.1. Понятие о цилиндро-конических передачах.

Типы цилиндро-конических передач с малым межосевым углом

К зубчатым передачам с малым межосевым углом можно отнести передачи, в которых угол между осями не превышает обычно 10 ... 15°. Такие передачи могут преобразовать вращательное движение между валами при произвольном расположении осей в пространстве.

Если классификацию передач вести по форме аксоидных поверхностей [ 1 ], то при скрещивающихся осях колес аксоидами являются гиперболоиды вращения и передачу называют гиперболоидной. При пересекающихся осях колес аксоидами являются конусы, и передача называется конической. В случае, когда межосевой угол равен нулю, аксоидами являются цилиндры, и передача называется цилиндрической. Такая классификация передач является широко распространенной, но не всегда является целесообразной. Как указывал в своих работах Я.С.Давыдов [ 38 ] при такой классификации одно и то же колесо (например, цилиндрическое) при формировании из него конической передачи следует называть коническим, а при формировании из него цилиндрической передачи - цилиндрическим. По терминологии Я.С.Давыдова передачи можно классифицировать по форме заготовок колес. В этом случае, если одно из колес зубчатой передачи является по форме заготовки цилиндрическим, а другое коническим, то передача называется цилиндро-конической. Если оси колес такой передачи скрещиваются, то передача называется гипоидной, а если пересекаются - негипоидной.

В настоящей работе используется в основном классификация Я.С.Давыдова, но термины гипоидная и негипоидная автором заменены соответственно на передачи между скрещивающимися осями и пересекающимися осями колес.

Зубчатые колеса передач с малым межосевым углом в общем случае могут иметь коническую форму. Однако, для упрощения технологии изготовления таких передач и выбора их рациональных параметров целесообразно одно из колес изготовлять цилиндрическим. При этом эксплуатационные характеристики передач сохраняются.

Рис. 1.1

. Схемы цилиндро-конических передач внешнего зацепления

В работе рассмотрены (следуя предложенной терминологии) цилиндро-конические зубчатые передачи с малым межосевым углом на скрещивающихся, пересекающихся осях и, как частный случай, передачи на параллельных осях, составленные из конических колес. На рис. 1.1. показа�