Оценка влияния погрешности изготовления зубчатых передач на действительные контактные и изгибные напряжения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

privodov ustrojstv ispolnitel'noj avtomatiki mehanicheskih sistem kosmicheskih apparatov // Dinamicheskie i tehnologicheskie problemy mehaniki konstrukcij i sploshnyh sred : Materialy XVIII

mezhdunarodnogo simpoziuma im. A. G. Gorshkova. M., 2012. S. 127-129.

© Леканов А. В., Улыбушев Е. А., Масанов А. Г., Сильченко П. Н., Новиков Е. С., Кудрявцев И. В., 2013

УДК 629.78:621.8

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ НА ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ КОНТАКТНЫЕ И ИЗГИБНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ*

А. В. Леканов1, Е. А. Улыбушев\ А. Г. Масанов\ П. Н. Сильченко2, Е. С. Новиков2

1ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Россия, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52. E-mail: masanov.ag@gmail.com

2Сибирский федеральный университет Россия, 660074, Красноярск, ул. Киренского, 26. E-mail: novikov-es@mail.ru

Оценивается влияние погрешности изготовления мелкомодульных зубчатых передач на их прочностные показатели при создании редукторов приводов механических систем КА.

Ключевые слова: мелкомодульная зубчатая передача, контактные напряжения, напряжения изгиба, погрешность профиля зуба, редуктор.

ASSESSMENT OF THE IMPACT OF ERROR OF GEARS PRODUCTION ON ACTUAL CONTACT AND FLEXURAL STRESSES

A. V. Lekanov1, E. A. Ulibushev1, A. G. Masanov1, P. N. Silchenko2, E. S. Novikov2

1JSC "Academician M. F. Reshetnev "Information Satellite Systems" 52, Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russia. E-mail: masanov.ag@gmail.com

2Siberian Federal University 26 Kirenskii str., Krasnoiarsk, 660074, Russia. E-mail: novikov-es@mail.ru

The impact of the errors of manufacturing fine-module reduction gears on their strength properties when creating gearboxes for satellites mechanical systems is assessed.

Keywords: fine-grained gear, contact stresses, bending stresses, tooth profile error, reducer..

Существующие требования к созданию редукторов приводов механических систем космических аппаратов рекомендуют достигать условия максимальных прочности и работоспособности при минимальных массогабаритных характеристиках. На этапе расчета, проектирования, производства и испытаний редукторов и мелкомодульных передач для приводов механических систем необходимо учитывать все факторы, оказывающие влияние на прочностные и массо-габаритные параметры редукторов.

Основными элементами редукторов, определяющими их работоспособность и долговечность, являются мелкомодульные зубчатые передачи, имеющие модуль 0,1-0,5 мм. На прочностные характеристики мелкомодульных зубчатых передач оказывают влияние большое количество различных факторов. Рассмотрим один из факторов, точность изготовления, о котором в ГОСТ 21354-87 приводятся рекомендации, приводящие при проведении расчетов для проектно-конструкторских работ к получению ошибочных

результатов в определении действительных напряжений [1].

Показателями точности зубчатых передач являются: нормы кинематической точности, плавности работы и контакта зубьев. Для обеспечения максимальной нагрузочной способности рассмотрим влияние некоторых погрешностей норм контакта зубьев и норм плавности работы зубчатой передачи, которые являются основными при проектировании зубчатых передач редукторов механических систем космических аппаратов.

Покажем влияние погрешностей изготовления зубчатых передач на нагрузочную способность и мас-согабаритные показатели, анализируя изменение погрешности профиля зуба f в пределах поля допуска ff, и отклонение межосевого расстояния far в установленных предельных отклонениях ±f,.

Одним из факторов, оказывающим значительное влияние на расчетные напряжения в зубчатой передаче, является погрешность изготовления профиля зуба.

Работа выполнена при поддержке гранта ФЦП ГК № 14.513.11.0118, лот 4 «Разработка устройств исполнительной прецизионной автоматики авиакосмических аппаратов на основе нано- и микроэлектромеханических систем».

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

Под погрешностью профиля понимается «расстояние по нормали между двумя ближайшими друг к другу номинальными торцовыми профилями зуба, между которыми размещается действительный торцовый активный профиль зуба колеса или шестерни». При перемещении действительного профиля зуба между его номинальными положениями в пределах поля допуска происходит изменение угла профиля а от максимального до минимального [2]:

Í

max/ min

= arctg

ff

Л

b J

что приводит к изменению радиуса кривизны эвольвенты р:

Pmax/ п

_ db = tga max/min ^

Анализ показывает, что при перемещении эвольвенты в пределах поля допуска ff происходит изменение радиуса кривизны эвольвенты р, что вызывает изменение формы зуба и соответственно оказывает влияние на прочностные характеристики зубчатой передачи.

Погрешность профиля ffr оказывает влияние не только на угол профиля а, но и на величину угла зацепления а». Рассматривая совместное влияние погрешностей профиляи отклонения межосевого расстояния на угол зацепления а», определим максимальные и минимальные значения а»:

0,5m (zj + z2 )

atw max/min = arcc°S

_ _ / ч cos at 0,5m (zj + Z2 )-± fa,

cos

arctg

cos

ff tga ±~"

db J

W

Покажем на конкретном примере влияние изменения угла профиля а и угла зацепления а» на коэффициент перекрытия для зубчатой передачи (т = 0,5, г! = 17, z2 = 51), изготовленной с видом сопряжения Е, У-м классом отклонений межосевого расстояния и 6-й степенью точности по нормам плавности. При изменении угла зацепления а^ от минимального его значения к максимальному и уменьшении угла профиля а от максимума к минимуму коэффициент торцевого перекрытия изменился в пределах 1,49 < еа < 1,74. Коэффициент торцевого перекрытия в данном случае увеличился от минимума к максимуму на величину 0,26, что достаточно существенно для зубчатых передач редукторов приводов механических систем космических аппаратов.

Уменьшение коэффициента торцевого перекрытия в зубчатой передаче приводит не только к снижению плавности работы передачи, но и к увеличению контактных и изгибных напряжений, которые в полюсе зацепления зависят как от коэффициента торцевого перекрытия еа, так и от угла зацепления а». Увеличение угла зацепления приводит к снижению контактных напряжений в полюсе зацепления и одновремен-

ному уменьшению коэффициента торцевого перекрытия, что увеличивает контактное напряжение.

Для рассматриваемого конкретного примера в зубчатой передаче при уменьшении коэффициента торцевого перекрытия и одновременном увеличении угла зацепления увеличилось контактное напряжение в полюсе зацепления с 1871 МПа до 1948 МПа.

Изменение действующего номинального контактного напряжения в сторону увеличения приводит к уменьшению коэффициента запаса прочности по этому напряжению от расчетного значения 1,02 до 0,98, что является критичным обстоятельством для зубчатых передач редукторов приводов механических систем космических аппаратов.

Коэффициент перекрытия оказывает существенное влияние и на изгибную прочность зубьев колес мелкомодульной передачи. Согласно проведенным исследованиям напряжения изгиба зубьев у реально изготовленной передачи может увеличиться на 10 % и более, что может привести к превышению допускаемых напряжений, и ограничить ресурс зубчатой передачи для редуктора с минимальными массогаба-ритными показателями и коэффициент запаса прочности.

Проведенное нами исследование с вычислением конкретных значений угла зацепления а^ и угла профиля а для реально изготовленных зубчатых передач показало, что наихудшее сочетание как отклонения межосевого расстояния fa, так и погрешности профиля зуба f, в пределах полей допусков оказывает существенное влияние на прочностные показатели передачи.

Возникает большая вероятность получения критических значений, действительных контактных напряжений и напряжений изгиба, превышающих допускаемые значения, что приводит к выходу из строя как отдельных зубчатых передач, так и редуктора в целом.

Библиографические ссылки

1. Леканов А. В., Новиков Е. С., Сильченко П. Н. Обеспечение основных качественных показателей приводов устройств исполнительной автоматики механических систем космических аппаратов // Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред : материалы XVIII между-нар. симпозиума им. А. Г. Горшкова. М., 2012. С. 127-129.

2. Сильченко П. Н., Новиков Е. С., Леканов А. В. Особенности конструкторско-технологических решений проектирования мелкомодульных зубчатых передач приводов исполнительной автоматики космических аппаратов // XXXXVIII Гагаринские чтения : тр. Междунар. молодеж. науч. конф. : в 8 т. М., 2012. Т. 5. С. 31-33.

References

1. Lekanov A. V., Novikov E. S., Sil'chenko P. N. Obespechenie osnovnyh kachestvennyh pokazatelej privodov ustrojstv ispolnitel'noj avtomatiki

mehanicheskih sistem kosmicheskih apparatov // Dinamicheskie i tehnologicheskie problemy mehaniki konstrukcij i sploshnyh sred : Materialy XVIII mezhdunarodnogo simpoziuma im. A. G. Gorshkova, M., 2012. S. 127-129.

2. Sil'chenko P. N., Novikov E. S., Lekanov A. V. Osobennosti konstruktorsko-tehnologicheskih reshenij proektirovanija melkomodul'nyh zubchatyh peredach

privodov ispolnitel'noj avtomatiki kosmicheskih apparatov / XXXXVIII Gagarinskie chtenija : trudy Mezhdunarod. molodjozh. nauch. konf. : v 8 t. M., 2012, T. 5. S. 31-33.

© Леканов А. В., Улыбушев Е. А., Масанов А. Г., Сильченко П. Н., Новиков Е. С., 2013

УДК 658.51; 629.783; 629.7.012; 004.942

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ЦИФРОВОГО МАКЕТА ИЗДЕЛИЯ НА ЭТАПЕ ПРЕДКОНТРАКТНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

М. В. Лихачев, Е. А. Шангина

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Россия, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52. E-mail: lihachev@iss-reshetnev.ru

Рассмотрена возможность создания информационной системы, объединяющей функциональную структуру КА и его проектную 3D модель в рамках единой модели данных, и применения подобной системы для пред-контрактного проектирования КА.

Ключевые слова: САПР, цифровой макет, системный анализ, структура изделия.

FUNCTIONAL DIGITAL MOCKUP TECHNOLOGY APPLICATION FOR SPACECRAFT PRECONTRACT DEVELOPMENT

M. V. Likhachev, E. A. Shangina

JSC "Academician M. F. Reshetnev "Information Satellite Systems" 52, Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russia. E-mail: lihachev@iss-reshetnev.ru

The opportunity to develop the information system on the basis of a joint data model which combines spacecraft functional product structure and its digital mockup as well as its application for spacecraft precontract study were researched.

Keywords: CAD, digital mockup, systems analysis, product structure.

В настоящее время технология разработки изделий с помощью цифрового макета освоена всеми без исключения производителями космической техники, и ее применение перестало являться фактором, позволяющим получить конкурентные преимущества на рынке. По этой причине ведущие разработчики космической техники, совместно с компаниями-разработчиками программного обеспечения, ведут исследования, направленные на дальнейшее повышение эффективности бизнес-процессов разработки изделий в рамках информационных систем управления жизненным циклом изделий (Product Lifecycle Management - PLM) [1; 2]. Одним из перспективных направлений развития PLM-технологий является разработка моделей данных, объединяющих в набор различные представления структуры изделия. Наиболее известными подобными моделями данных являются модели RFLP и IVVQ.

Модель данных RFLP (Requirements-Functional-Logical-Physical) позволяет работать со структурами требований к изделию, функциональной, логической и физической структурами изделий. При этом структура требований формируется в системе управления

данными об изделии (PDM - Product Data Management), а остальные структуры в САПР. Основным преимуществом данного подхода является возможность формализации процессов разработки изделия на основе методологии системного инжиниринга (методики SADT, FAST), а также полная прослежи-ваемость исполнения требований к изделию на всех этапах его жизненного цикла. [3]

Модель данных IVVQ (Intégration-Validation-Verification-Quality) описывает стадии жизненного цикла изделия, следующие за проектированием и конструированием, и в настоящее время не вполне разработана.

Технология функционального цифрового макета -ФЦМИ (FDMU - Functional Digital MockUp) основана на модели данных RFLP и, по сути, позволяет связать функциональную структуру изделия и цифровой макет в единое целое. Такой подход позволяет выполнять быстрый анализ концепции космического аппарата на этапе предконтрактных исследований с целью выбора оптимальной конфигурации КА. Существует возможность подключения к ПО, содержащему подобную модель данных программы-оптимизатора, для поиска оптимальных параметров.