CC BY
12Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 6 (2011 4) 670-673
УДК 629.78:621.8
Обоснования выбора способов упрочнения мелкомодульных зубчатых колёс приводов устройств исполнительной автоматики космических аппаратов
П.Н. Сильченкоа*, Е.С. Новиков3, А.В. Лекановб
а Сибирский федеральный университет Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 б ОАО «Информационные спутниковые системы
им. ак. М.Ф. Решетнёва» Россия 662972, Железногорск, Ленина, 52 1
Received 2.12.2011, received in revised form 9.12.2011, accepted 16.12.2011
Приведен анализ причин, влияющих на обеспечение функциональных характеристик мелкомодульных зубчатых колёс для обоснования и выбора способов упрочнения при проектировании приводов устройств исполнительной автоматики космических аппаратов.
Ключевые слова: привод, зубчатая передача, материал, физико-механическая характеристика, твёрдость, поверхность, сердцевина.
Одной из важнейших задач создания качественных приводов устройств исполнительной автоматики (УИА) механических систем космических аппаратов (КА) является обеспечение функциональных характеристик с одновременным снижением массогабаритных показателей при повышенной нагрузочной способности, минимальных массогабаритных параметров и безотказности работы в экстремальных условиях космического пространства.
Основными элементами конструкций приводов УИА КА являются мелкомодульные зубчатые передачи, имеющие модуль 0,25-0,5 мм. Существующий ГОСТ 21354-87 [1] содержит информацию по проектированию для модуля, превышающего один мм, и руководящие отраслевые технические материалы (РТМ) созданы на этом же ГОСТе, где рекомендации по определению расчётных значений физико-механических характеристик материалов применимы только к зубчатым передачам [1] с модулем больше единицы. При проектировании УИА КА используются высоколегированные и высокоуглеродистые конструкционные стали.
Для обеспечения прочности, изгибной и контактной выносливости зубьев мелкомодульной зубчатой передачи [2] необходимо обеспечить твердость их рабочих поверхностей и сердцевин.
* Corresponding author E-mail address: [email protected]
1 © Siberian Federal University. All rights reserved
Ось симметрии зу5а
Упрочнённый слой подерхноа
/ Упрочнённый слой поверхности Ь
Рис. 1. Схема расположения поверхностных слоёв и сердцевины
При этом твёрдость рабочих поверхностей зубьев должна быть для обеспечения необходимой контактной прочности более высокой, чем твёрдость сердцевины зубьев.
Повышение твёрдости поверхности осуществляется различными методами поверхностного упрочнения и в результате образуются поверхностные слои, толщины которых Аа с одной стороны зуба и с другой Дь (рис. 1) в сумме могут быть равны или больше толщины зуба I. На рис. 1 изображены линии 1, 2 и 3, характеризующие возможные закономерности изменения твёрдости от поверхности зуба к его центру. В результате этих изменений в центре зуба (то есть его сердцевина) может оказаться такая же прочность (твёрдость), как и у поверхности, что не допустимо.
Серцевина зуба теряет свои свойства повышенной ударной вязкости, что приводит к хрупкому разрушению (рис 2) зуба у его основания. Следовательно, необходимо осуществить выбор способа упрочнения материала и режим термической обработки так, чтобы получить оптимальное сочетание твердостей сердцевины и рабочей поверхности зуба. Но при этом получить в результате минимально допустимую толщину упрочнённых слоёв Да и Д4, при которых для зубьев шестерни и колеса мелкомодульной передачи обеспечивается прочность сердцевины зуба (х = I - [Да + Д4]), а также его изгибная и контактная выносливость.
Наиболее распространёнными способами упрочнения мелкомодульных зубчатых колёс являются поверхностные химико-термическая обработка - цементация, азотирование и закалка ТВЧ, а также объемная закалка.
Толщина поверхностного слоя зубчатых колёс мелкомодульных зубчатых передач подвергнутых поверхностному упрочнению (цементация, азотирование и закалка ТВЧ)
Рис. 2. Разрушенные зубья (модуль m=0,5) шестерни привода раскрытия батарей солнечных КА.
достигает 100-250 мкм, при толщине зуба по делительной окружности 200 -500 мкм, в результате чего практически вся сердцевина (x = l - [Д + AJ) зуба оказывается также упрочнённой и она теряет свои свойства повышенной ударной вязкости, т. е. охрупчивается.
При объёмной закалке на поверхности и сердцевине зуба можно получить достаточно большую твёрдость и требуемую ударную вязкость, но величина поверхностной твёрдости зуба оказывается недостаточной для обеспечения изгибной и контактной выносливости зубьев мелкомодульной зубчатой передачи, а следовательно и обеспечения функциональных характеристик приводов с одновременным снижением их массогабаритных показателей при повышенной нагрузочной способности и безотказности работы в экстремальных условиях космического пространства в течение срока активного существования 10-15 и более лет.
При выборе способа и режима поверхностного и объемного упрочнения необходимо, чтобы величина х находилась в таких пределах, чтобы х < [х]. При этом [х] = I - 2(Да - Д), а Д = Дь < (0,12 -г 0,15)1. Выбор коэффициентов при проектировании мелкомодульных зубчатых передач необходимо производить строго индивидуально для каждого привода в отдельности с учётом особенностей и требований к его эксплуатации в составе космического аппарата.
[1] ГОСТ 21354-87. Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные внешнего зацепления. 125 с.
[2] Сильченко П.Н. Некоторые возможности управления на этапе проектирования функционально-эксплуатационными показателями зубчатых передач приводов исполнительной автоматики космических аппаратов/ П.Н.Сильченко, Е.С. Новиков, А.В. Леканов и др.- Ре-
Заключение
Список литературы
шетнёвские чтения: материалы XIII межд. науч. конф., посвящ. 50-летию Сиб.гос.аэрокосмич. ун-та имени акад. М.Ф. Решетнева Красноярск, 2009. С. 67.
Rationale for the Method of Hardening Fine-Grained Gears Drive Executive Automation Devices Spacecraft
Petr N. Silchenkoa,
Evgeny S. Novikova and Anatoly V. Lekanovb
a Siberian Federal University 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia b JSC "Information Satellite Systems" Reshetnev Company" 52 Lenin str., Jeleznogorsk, 662972 Russia
It is given the analysis of reasons, which influence on providing offunctional characteristics of small-module gear wheels for the basing and the choice of hardening methods at designing of drives of arrangements of executive automatics of space devices.
Keywords: drive, gearing, material, physical mechanical characteristic, hardness, surface, core.
