Создание рациональной конструкции силовой одновалковой зубчатой передачи Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2003р. Вип. №13

УДК 621.833

Суханов Д. В1., Маргулис М. В2.

СОЗДАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ СИЛОВОЙ ОДНОВОЛНОВОЙ ЗУБЧАТОЙ ПЕРЕДАЧИ

Приводится рациональное конструктивное решение созданной силовой одноволно-вой зубчатой передачи (СОВЗП), в которой обеспечиваются благоприятные условия волнового зацепления гибкого и жесткого колес в работе под нагрузкой. Представлены результаты экспериментальных исследований СОВЗП при эксплуатационных режимах работы.

В современных условиях требования потребителей к создаваемым машинам и механизмам сводятся в основном к повышению надежности, долговечности, КПД, ремонтопригодности, нагрузочной способности и кинематической точности при одновременном снижении их массы и габаритов. Одним из путей повышения качественных показателей является использование прогрессивных типов механических передач. К таким типам передач относятся волновые зубчатые передачи (ВЗП) [1, 2, 3].

В настоящее время создано большое количество разнообразных конструкций ВЗП [1, 2, 3, 4]. Установлено, что одним из звеньев, лимитирующих нагрузочную способность передачи, является гибкое зубчатое колесо (ГЗК), воспринимающее при работе основной силовой поток. В большинстве конструкций из-за различия радиальных деформаций по длине гибкого колеса его зубья перекашиваются по отношению к зубьям жесткого колеса [1,2] Это может приводить к кромочному контакту или взаимодействию зубьев по небольшой площадке на боковой поверхности зуба. Конструктивные особенности двухволновых и трехволновых передач не дают в полной мере использовать возможности самоустановки звеньев[1, 5].

В силовом волновом зубчатом зацеплении действуют достаточно большие силы, которые могут изгибать ведущее и ведомое звенья в противоположных направлениях. Поэтому важно при перекосах этих звеньев обеспечить равномерную нагрузку по длине зубьев. Зубья ГЗК, воспринимая нагрузку в каждой конкретной конструкции привода, имеют свои мгновенные площадки контакта зубьев. Это связано с конструктивными особенностями ВЗП, а именно: возможностью самоустановки взаимодействующих зубчатых колес передачи. Установлено, что более благоприятным вариантом взаимодействия зубьев в зацеплении является линейчатый контакт П2 [5]. В условиях силового нагружения звеньев, имеющих линейчатый контакт, площадка контакта значительно больше и нагрузка по площадке распределена равномернее [5, 6]. Если теоретически обеспечивается взаимодействие зубьев в волновом зацеплении при помощи пары П2, то рационально значительное (в 2 и более раз) увеличение длины зубьев Ь ГЗК и ЖЗК и зоны К рис. 1. Увеличение длины К зоны взаимодействия рис. 2 позволяет увеличить номинальный вращающий момент передачи без увеличения контактных напряжений на площадках контакта зубьев передачи.

Одноволновые зубчатые передачи, как и традиционные неволновые зубчатые передачи, позволяют обеспечить взаимодействие звеньев по линии за счет рационального конструктивного решения без дополнительных экономических затрат

Цель данной статьи - создание конструкции ОВЗП в которой возможно было бы реализовать более благоприятное условия взаимодействие зубьев одноволнового зацепления.

1 ГТГТУ, аспирант.

2 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.

к

х

ш

\2

\

/ ч0 У

Б)

Рис. 1 - Площадка контакта на зубе гибкого зубчатого колеса (ГЗК) при номинальной нагрузке, по которой в данный момент соприкасаются взаимодействующие зубья

а) торец зуба ГЗК;

б) площадка контакта при точечном контакте Г;

в) площадка контакта при взаимодействии пары зубьев по линии - линейчатый контакт ТТо' S1 — ТТГГПТ1ТЯ ГТКЯ К'ПНТЯ кта зуба

1 /

Рациональная схема СОВЗП, обеспечивающая контакт по линии взаимодействующих зубьев ГЗК и ЖЗК в одноволновом зубчатом зацеплении, представлена на рис. 2.

Рассмотрим схему взаимодействия ГЗК и ЖЗК. Для создания благоприятных условий взаимодействия в силовом одноволновом зубчатом зацеплении необходимо обеспечить линейчатый контакт между взаимодействующими зубьями и обеспечить постоянство заданного межосевого расстояния ГЗК и ЖЗК. Для обеспечения равномерной нагрузки по длине зубьев необходимо, чтобы одно из колес имело дополнительную угловую подвижность, обеспечивающую поворот вокруг оси ОZ (ось OZ проходит вдоль вертикальной оси симметрии зубчатого венца ЖЗК в плоскости рисунка 2). Следовательно, взаимодействующие зубья силового одноволнового зубчатого зацепления необходимо рассматривать как пару второго класса II - (Qx, Mz)3. Подвижность самоустанавливающегося зубчатого колеса ГЗК равна W=2 и складывается из вращения вокруг оси ОУ и поворота вокруг оси OZ (см. рис. 2).

Эти подвижности в разработанной СОВЗП обеспечиваются созданным кинематическим соединением рис. 3.

Рассмотрим это кинематическое соединение, позволяющее обеспечить благоприятные условия взаимодействия зубчатых венцов ГЗК и ЖЗК. Вал 1 имеет возможность вращаться лишь вокруг оси ОУ. Втулка 4 и диск генератора волн 5 установлены на шаровом шарнире 6. Шаровой шарнир дает возможность ГЗК базирующемуся на диске генератора волн вращаться вокруг осей ОХ, ОУ, OZ. Угловая подвижность - вращение вокруг оси ОХ является вредной см. рис. 3, так как может привести к выходу из зацепления ГЗК и ЖЗК.

Кинематическое соединение состоит из следующих кинематических пар:

- вращательной 1,2 V2 - (Qx, Qy, Qz, Mx, Mz);

- полосковой 3 ||j - (My, Qz);

- шаровой 6 III; - (Qx, Qy, Qz).

Рис. 2 - Схема взаимодействия жесткого и гибкого зубчатых колес:

1 - жесткое зубчатое колесо;

2 - диск генератора волн и зубчатый венец гибкого зубчатого колеса;

3 - точки теоретического контакта взаимодействующих зубьев при взаимодействии пары зубьев по линии

3 в скобках для каждой кинематической пары даны силы О и моменты М. передаваемые ею.

Рис. 3 - Кинематическое соединение в СОВЗП

1 - вал; 2 - опора; 3 - планка; 4 - втулка; 5 - диск генератора волн; 6 - опора шаровая

Для устранения вредной подвижности соединяем быстроходный вал 1 и втулку 4 полос-ковой кинематической парой, чтобы исключить возможность вращения ГЗК вокруг оси ОХ. Поворот втулки 4 вокруг оси 02 необходим для самоустановки ГЗК и обеспечивается зазорами Ь см. рис. 3 вид А.

Проверим разработанное кинематическое соединение на наличие избыточных связей по формуле А.П. Малышева:

ц=\¥-6 * п+5 * р ,+4 * р4+3 * рз+2* р 3+рь

где q - число избыточных связей; - подвижность механизма; п - число подвижных звеньев; Рз...Р1 - число кинематических пар 5 ... 1 классов.

Количество подвижных звеньев п=2 (вал 1, втулка 4 в сборе с диском 5 и ГЗК), подвижность кинематического соединения \У=2 (вращение втулки 4 в сборе с диском 5 вокруг осей ОУ, 02) р5=1,р.5=1,р2=1.

ч=2-6*2+5*1+3*1+2*1=0.

Из расчета следует, что кинематическое соединение не содержит избыточных связей, излишних подвижностей и является рациональным.

Разработанное кинематическое соединение реализовано в конструкции опытно -промышленного образца силовой одноволновой зубчатой передачи см. рис. 4 с вращающим моментом на тихоходном вале 15 кН*м [4], который прошел экспериментальные стендовые испытания. Исследования характера пятна контакта и изменение формы боковой поверхности зубьев в одноволновой силовой передаче дали следующие результаты рис. 5.

Рис. 4 - Силовая одноволновая зубчатая передача

Рис. 5 - Пятна контакта на боковых поверхностях зубьев гибкого зубчатого колеса (ГЗК) одновол-нового зацепления а) торец зуба ГЗК; б) пятно контакта при холостой обкатке передачи; в) пятно контакта при номинальном режиме работы передачи; 8 - пятно контакта зуба

Следы от взаимодействия зубьев волнового зацепления на боковых поверхностях зубьев ГЗК имели следующие особенности: площадь пятна контакта от зуба к зубу отличалась не более 3 %;- на площадках контакта после 10 циклов нагружения существенно уменьшилась высота неровностей =0.8. Изначально после чистовой обработки шероховатость боковых поверхностей зубьев составляла Яа=3.2 мкм для ЖЗК и Я;!=2.5 мкм для ГЗК.

Выводы

При испытаниях опытно - промышленного образца СОВЗП без нагрузки полной самоустановке звеньев (ГЗК и ЖЗК) препятствуют силы трения во взаимодействующих конструктивных элементах кинематического соединения, что подтверждается кромочным пятном контакта незначительной площади рис. 5 б.

При номинальном режиме работы созданной СОВЗП силы трения во взаимодействующих звеньях описанного кинематического соединения были существенно меньше сил, действующих в одноволновом зубчатом зацеплении ГЗК и ЖК, следствием чего являются полная самоустановка звеньев и соответственно большие по площади пятна контакта на боковых поверхностях зубьев. Следовательно, принятое конструктивное решение кинематического соединения в созданной СОВЗП рационально и может быть рекомендовано для использования в разрабатываемых приводах с ВЗП.

Актуальными будут исследования влияния площадей контакта зубьев в одноволновом зацеплении на долговечность работы СОВЗП.

Перечень ссылок

1. Волновые зубчатые передачи / Д.П.Волков, А. Ф.Крайнев, М.В.Маргулис и др. - Киев: Техника, 1976. - 221с.

2. Гинзбург Е. Г. Волновые зубчатые передачи. / Е.Г.Гинзбург. - Л., Машиностроение, 1969. 160 с.'

3. Маргулис М. В. Снижение материалоёмкости машин / М.В.Маргулис. - К.: О-во «Знание» УССР, 1985.-32 с.

4. Суханов Д.В. Разработка усовершенствованной силовой одноволновой зубчатой передачи для металлургических машин / Д.В.Суханов, М.В.Маргулис // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр.- Мариуполь, 1999,- Вып. № 8. - С.90-92.

5. Решетов Л.Н. Самоустанавливающиеся механизмы: Справочник / Л.Н. Решетов - М.: Машиностроение, 1991 - 288 е.: ил.

6. Соломин В. В. Новый метод выбора рациональных структурных схем механизмов / В.В. Соломин II Известия вузов. Машиностроение. 1967 -№8. - С. 17-21.

Статья поступила 17.02.2003