Содержание к диссертации
СИНТЕЗ РЕАЛЬНЫХ ЗАЦЕПЛЕНИЙ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И
. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМ
1.1. Методы синтеза геометрических параметров цилиндрических передач
1.2. Характеристика способов формообразования бочкообразных, корсетообразных и арочных зубьев цилиндрических колес и методой исследования геометрии зацеплении
1.3. Анализ подходов к расчету параметров площадки контакта и закона распределения на ней нагрузок
в зацеплении зубьев колес цилиндрических передач 46
Ї.4. Характеристика методов и средств экспериментальной оценки распределения деформаций и напряжений в зубьях колес и погрешностей их взаимного положения в передаче S3
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАХОПЛЕНИЙ
ЦЙЛИВДРИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧ С ЛОКАЛИЗОВАННЫМ КОНТАКТОМ
2.1. Построение математических моделей процессов формообразования поверхностей зубьев , 58
2.2. Разработка математических моделей зацеплений цилиндрических передач с продольной локализацией контакта
2.3. Метод оценки и анализ плотности прилегания глазных поверхностей зубьев в цилиндрических передачах с локализованным контактом
2.4. Задача синтеза параметров процессов формообразования зубьев цилиндрических колес и способов из
готовления зубьев
2.5. Выводы по разделу
3. РАСЧЕТ НАГРУЖЕННОСТИ КОНТАКТА РЕАЛЬНЫХ ЗАЦЕПЛЕНИЙ.
ЦШЩЦРИЧЕСКИХ ПЕРЕЩАЧ
3.1. Постановка задачи о распределении нагрузки в цилиндрических передачах с локализованным контактом и построение расчетной модели /3
3.2. Определение закона распределения нагрузки и размеров площадки контакта в зацеплении цилиндрических колес
3.3. Вывод зависимостей для решения задачи оценки нагруженности зацеплений и основные этапы алгоритма расчета /so
3.4. Сопоставление результатов расчета нагруженности зацеплений с известными решениями и экспериментальными данными /59
3.5. Выводы по разделу j?sr
4. МЕТОД СИНТЕЗА ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РЕАЛЬНЫХ
ЗАЦЕПЛЕНИЙ ІЩЖЩРИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧ іП
4.1. Разработка метода оценки контактной выносливости
поверхностей зубьев колес цилиндрических передач,
учитывающего особенности их работы в условиях слу
чайного нагружения и изменения взаимного расположения зубьев , f&4
4.2. Программный комплекс для решения задач синтеза реальных зацеплений и сопоставительной оценки контактной выносливости цилиндрических передач J92
4.3. Примеры компьютерного моделирования долговечности цилиндрических передач с прямыми, бочкообразными и арочными зубьями при различных условиях работы 01 4.4, Выводы но разделу
%. РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ И МЕТОДОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕНИЙ В ЗУБЬЯХ КОЛЕС И ПОГРЕШНОСТЕЙ ИХ ВЗАИМНОГО
ПОЛОЖЕНИЯ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГОТСЕНИИ 25S
5.1. Характеристика датчиков деформаций интегрального
типа
5.2. Изготовление датчиков деформаций интегрального типа
5.3. Построение для датчиков деформаций интегрального типа тарировочных зависимостей и их математическое описание
5.4. Разработка методов оценки концентрации напряжений в основании зубьев колес с помощью датчиков деформаций интегрального типа 285
5.5. Измерение углон перекоса зубьев колес в зацеплении с использованием датчиков деформаций интегрального типа
5.6. Выводы по разделу 506
6. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ 308
6.1. Сопоставительный анализ нагруженноети цилиндрических передач с прямыми, бочкообразными и арочными. зубъям 508
6.2. Определение рациональных геометрических параметров передач на основе разработанных методов экспериментального и теоретического исследования 336
6.3. Использование датчиков деформаций интегрального типа для прогнозирования остаточного ресурса конструкций машин 5S/
7. ОСШВШЕ РЕЗУЛЬТАТА РАБОТЫ СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕШХ ИСТОЧНИКОВ за ПРИЛШЕШЕ
Введение к работе
Анализ причин выхода из строя автомобилей, тракторов, угольных комбайнов, локомотивов и других энергонасыщенных машин показывает, что их надежность в целом, в большинстве случаев, определяется качеством трансмиссии, а более конкретно - входящими в нее зубчатыми передачами. Вследствие ограниченного ресурса зубчатых передач, народное хозяйство страны ежегодно несет многомиллионные убытки, связанные с простоями агрегатов, организацией производства запасных частей, служб ремонта и т.д.
Несущая способность и долговечность наиболее распространенных прямозубых цилиндрических передач существенным образом зависят от погрешностей взаимного расположения главных поверхностей контактирующих зубьев, причем доминирующей погрешностью является угол перекоса зубьев.
С ростом удельных мощностей и нагрузок энергонасыщенных машин составляющая угла перекоса jfp , вносимая деформациями деталей трансмиссий при передаче силового потока, может в несколько раз превышать случайную погрешность взаимного положения Л , определяемую неточностями изготовления и монтажа элементов передач. Ситуация углубляется еще и тем, что величина /ff связана нелинейной зависимостью с окружным усилием 1 ь в зацеплении, которое в условиях эксплуатации машины также является величиной случайной. Постоянное изменение условий контактирования зубьев в реальной передаче приводит к случайному характеру распределения нагрузки по поверхностям зубьев колес и, как следствие, к различной контактной выносливости участков этих поверхностей, однако современные расчетные методы указанные обстоятельства не учитывают и априори установить наиболее опасные участки, лимитирующие ресурс передачи, не позволяют.
Стремление конструкторов исключить опасную концентрацию нагрузки вблизи торцев зубьев привело к созданию передач с локализованным контактом, зубья колес которых имеют бочкообразную, ксрсетообразную, арочную форму Анализ накопленного к настоящему времени опыта применения в приводах энергонасыщенных машин передач с бочкообразными зубьями показывает, что их работоспособность повышается лишь в том случае, когда рекомендуемые параметры продольной модификации колес уточнены по результатам длительных ресурсных испытаний передач в условиях эксплуатации машин. При этом реализовать преимущества цилиндрических передач с бочкообразными и кореетообразными зубьями в полной мере удается далеко не всегда в связи с тем, что, с одной стороны, требуемая по условиям приближенного расчета величина продольной модификации часто оказывается соизмеримой с погрешностью направления линии зуба, а с другой стороны - распространенные способы формообразования поверхностей бочкообразных (корсетообразных) зубьев, включающие дополнительные движения инструмента, дают существенный разброс как по максимальной величине продольной модификации, так и по ее форме. В этом отношении способы изготовления арочных зубьев цилиндрических колес оказываются более эффективными, а повышенная изгибная прочность зуба и возможность определенной компенсации угла перекоса зубьев путем самоустановки одного из колес свидетельствуют о широких перспективах применения данного вида передач с локализованным контактом в высоконагруженных приводах трансмиссий машин.
Цилиндрические прямозубые передачи являются с точки зрения геометрии, технологии и прочности частным случаем передач с локализованным контактом, поэтому практически все известные пути повышения нагрузочной способности и долговечности прямозубых ци a
линдрических передач: применение новых материалов и методов уяуъглент их физико-механических характеристик, совершенствование технологических процессов изготовления зубчатых колес, повышение точностных параметров передач и т.д. в равной степени распространяются и на передачи с локализованным контактом. В этой связи при оценке эффективности последних передач целесообразным является подход, основанный на сопоставлении критериев работоспособности передач с прямыми и модифицированными в продольном направлении зубьями, рассчитанными по единым алгоритмам. Е то же время переход от цилиндрических передач с плоским зацеплением (прямозубые) к передачам с пространственным зацеплением (с бочкообразными, корсетообразными» арочными зубьями) поставил ряд новых проблем, связанных, в первую очередь, с особенностями выбора геометрических параметров поверхностей зубьев колес, обеспечивающих повышение эксплуатационного ресурса передач.
Во-первых, если геометрия поверхностей прямых зубьев практически не зависит от способов их изготовления, то процессы формообразования бочкообразных, корсетообразных и арочных зубьев, соответствующие различным способам их обработки, существенно влияют как на величину, так и на характер изменения геометрических параметров активных поверхностей зубьев.
Во-вторых, в цилиндрических прямозубых передачах, опять-таки независимо от способа формообразования их зубьев, при наличии угла перекоса осей зубчатых колес, точка касания перемещается на торец зуба. Иная ситуация имеет место в передачах с локализованным контактом. Здесь каждому способу формообразования зубьев колес соответствуют свои геометрические характеристики зацепления, определяющие как положение точки касания зубьев колес в передаче, так и распределение зазоров между поверхностями зубьев в конечной окрестности этой точки.
Третьей проблемой передач с локализованным контактом является расчет нагрузки, распределенной по площадке контакта.Здесь необходимо иметь такие методы расчета,которые наряду с изгибно-сдвиговыми и контактными деформациями зубьев учитывали бы положение точки начального касания поверхностей зубьев и фактическую плотность их прилегания, а также эффект "выхода" площадки контакта на один или оба торца зуба.
Наконец,вариация условий контактирования зубьев колес в цилиндрических передачах с локализованным контактом, определяемая случайным характером внешних факторов (передаваемой нагрузки, погрешностей взаимного положения зубьев), ставит проблему интегральной оценки накопления усталостных контактных повреждений на различных участках поверхностей зубьев для выделения среди них тех, которые лимитируют контактную выносливость.
Решение поставленных проблем позволит впервые рассмотреть зацепление зубьев колес цилиндрических передач в комплексе взаимосвязанных как внутренних (влияние способов формообразования на положение точек касания и величины зазоров в их конечной окрестности,характер распределения нагрузки по площадке контакта и т.д.),так и внешних геометрических и силовых факторов. Зацепление, при исследовании которого перечисленные выше факторы учитываются дальнейшем будем называть реальным зацеплением.
В передачах с локализованным контактом возможности варьирования плотностью прилегания контактирующих поверхностей зубьев и, тем самым, законом распределения нагрузки в зацеплении, весьма широки. Кроме того,пространственный характер зацепления бочкообразных,корсетообразных,арочных зубьев этих передач позволяет зависимости от геометрических характеристик поверхно JO
стей зубьев, управлять положением точки касания при погрешностях относительного положения зубьев в зацеплении. В то же время отсутствие теории синтеза геометрических параметров поверхностей зубьев, обеспечивающих в условиях эксплуатации передач их максимальную долговечность, не позволяет вскрывать потенциальные возможности передач с локализованным контактом и оценивать эффективность замены ими передач с прямыми зубьями.
Синтез зацеплений должен обеспечивать адаптацию их геометрических характеристик к заданным условиям работы передач,определяемым, главным образом,величиной и законом изменения крутящего момента и угла перекоса зубьев. Анализ известных расчетных методов определения угла перекоса зубьев показывает, что обилие случайных факторов,влияющих на результат расчета, гарантировать его достоверность не позволяют. Решение этий же задачи экспериментальными метидами также затруднено, поскольку современные средства измерения не обладают достаточной точностью и информативностью, а возможности получения с их помощью данных в процессе эксплуатации машин ограничены. Сказанное определяет необходимость создания новых средств и методов экспериментального исследования зубчатых передач, обеспечивающих получение требуемой исходной информации для синтеза зацеплений и позволяющих оценить работоспособность передач в условиях эксплуатации.
Принимая во внимание широкие перспективы использования цилиндрических передач с бочкообразными, корсетообраэными и арочными зубьями в высоконагруженных приводах машин, целью настоящей диссертации является разработка теории синтеза геометрии зацеплений передач с локализованным контактом, позволяющей максимально реализовать потенциальные возможности передач по контактной выносливости при работе их в условиях случайного нагру-жения и нежестких корпусов трансмиссий энергонасыщенных машин.
и
Опираясь на опыт расчета, проектирования и эксплуатации цилиндрических передач, разрабатываемая теория, в первую очередь, должна учитывать: случайный характер внешней нагрузки и погрешностей положения зубьев в зацеплении; законы распределения нагрузки в контакте, отражающие влияние геометрических особенностей процессов формообразования зубьев на положение точек их касания и плотность прилегания контактирующих поверхностей; процессы накопления усталостных контактных повреждений в различных участках поверхностей зубьев.
Необходимым условием достижения поставленной цели является решение следующих задач:
1. Разработка методов синтеза геометрии зацеплений, обеспечивающих повышение долговечности передач в условиях эксплуатации и позволяющих определить рациональный способ изготовления зубьев.
2. Развитие методов теории пространственных зацеплений в направлении получения количественных характеристик плотности прилегания контактирующих поверхностей зубьев колес в конечной окрестности точки касания при наличии погрешностей взаимного положения зубьев и учете способов формообразования зубьев колес.
3. Построение методики расчета величины площадки контакта и закона распределения на ней нагрузок с учетом функщт реальных зазоров в окрестности точки касания поверхностей зубьев, конечных размеров и изгибно-сдвиговых деформаций зубьев, краевых эффектов.
4. Разработка метода сопоставительной оценки контактной выносливости поверхностей зубьев колес цилиндрических передач, учитывающего случайную природу и характер распределения напряжений на активной поверхности зуба. 5. Создание средств измерения циклических напряжений (деформаций) и разработка методов их использования в задачах оценки погрешностей положения зубьев колес и распределения напряжений в зубьях, применимых для условий эксплуатации передач.
Работа выполнялась по планам госбюджетных работ Курганского машиностроительного института № 90 (I980-I9S5 гг.) и $ ЇІ6 (1986-1990 гг.) включенной в план УО АН СССР. Диссертация способствует и направлена на решение общесоюзной научно-технической программы "Надежность- на 1987-1990 гг. (этапы Нба, Нбб), утвержденной ГКНЇ СССР и Президиумом АН СССР.
Методы исследований. При построении моделей процессов формообразования зубьев и исследовании геометрических характеристик контакта использовался математический аппарат теории зацеплений, дополненный методами, разработанными автором. В процессе решения задачи оценки нагруженности контакта применялись методы теории упругости, краевых задач и интегральных уравнений. Разработанные методы расчета долговечности передач и синтеза зацеплений базируются на компьютерном моделировании случайных величин, использовании аппарата непараметрической статистики и численных методов оптимизации на оьражных функциях.
Научная новизна работы.
1. В современной теории машин и механизмов разработан новый раздел,- теория синтеза зацеплений цилиндрических передач с локализованным контактом, определяющая пути повышения несущей способности и ресурса передач по контактной выносливости.
2. Теория зубчатых зацеплений дополнена методом оценки плотности прилегания поверхностей зубьев в контакте для пространственных зубчатых передач.
3. Для цилиндрических передач с локализованным контактом зубьев в зацеплении разработан метод решения з-адачи опоепеления размеров площадки контакта и распределения на ней нагрузок.
4. Предложен метод и реализующий его алгоритм оценки долговечности зацеплений цилиндрических передач, учитывающий особенности процессов накопления усталостных повреждений на различных участках поверхности зубьев, вызываемые нестационарными режимами эксплуатации передач.
5. Созданы основы теории датчиков деформаций интегрального типа, - новых средств измерения циклических деформаций и напряжений, что позволило предложить новые способы изготовления датчиков, их тарирования, а также разработать методы применения датчиков для оценки погрешностей взаимного положения зубьев колес, определения коэффициента неравномерности распределения напряжений и прогнозирования ресурса, конструкций.
Практическая значимость работы.
1. Разработан программный комплекс для решения задач: расчета нагруженноети, сопоставительной оценки долговечности и синтеза зацеплений цилиндрических передач с прямыми, бочкообразными, корсетообразными и арочными зубьями.
2. Создан банк математических моделей процессов.формообразования бочкообразных, корсетсобразных и арочных зубьев, позволяющий осуществлять внбор рационального способа их изготовления, обеспечивающего требуемые геометрические характеристики контакта в зацеплении зубьев.
3. Разработаны конструкции инструментов для нарезания арочных и бочкообразных зубьев высокопроизводительным методом, средства и устройства для контроля инструментов и арочных зубьев. Новизна решений защищена десятью авторскими свидетельствами.
4. Алгоритм расчета полей приведенных зазоров и реализующий его пакет программ использовался, наряду с исследованиями, выполненными в диссертации, для получения исходной информации при оценке нагруяенности червячных передач, глобоидных передач
с линейчатым и шлифованным червяком, зубчатых муфт с бочкообраз ними зубьями, плоско-конических передач с двояковыпукло-вогнуты ми зубьями, передач с зацеплением Новикова.
5. Применение разработанных датчиков деформаций интегрального типа (ДЦИТ) позволяет получить экспериментальные данные о работе зубьев в условиях эксплуатации передач, в том числе в та ких конструкциях, где использование традиционных эксперименталь ных средств затруднено,например, для зубьев сателлитов планетар ных передач. Особенно эффективно применение ДДЙТ при сопоставительном анализе работоспособности передач, отличающихся конструктивными или технологически .™ характеристиками. В этом случае
УДаеТСЯ Существенно СОКраТИТЬ Объем И ІірОДОЛЖЙТеЛЬНОСТЬ ДОВОДОЧ ных испытаний передач. Способы изготовления ДЦИТ и методы их ИС пользования защищены десятью авторскими свидетельствами. Реализация результатов работы.
1. Выполненный комплекс исследований геометрии и нагруженное ти зацеплений арочных зубьев положен в основу методических рекомендаций "Методы расчета на прочность цилиндрических зубчатых передач с арочными зубьями", разработанных в соответствии с программой Госстандарта СССР.
2. Созданный автором программный комплекс в течение ряда лет использовался при анализе работоспособности и определении областей рационального применения передач с прямыми, бочкообраз ными и арочными зубьями в трансмиссиях промышленных тракторов Т-І30, Т-330, Ї-25.0І, в приводах механизированных комплексов К-103, РКУ-10, в коробках передач автомобилей, выпускаемых ПО ГАЗ. Программный комплекс является частью САПР "Промышленный трактор", разрабатываемой Чебоксарским заводом промышленных тракторов.
JS
3. Методика определения коэффициента неравномерности распределения напряжений по длине зуба с помощью ДДИТ рекомендована НАЇИ в качестве уточненного способа получения информации для передач трансмиссий промышленных тракторов.
4. Разработанные программы по расчету передач на прочность и долговечность используются при обучении студентов в КМИ.
Основным научным вкладом автора в решение проблемы повышения работоспособности цилиндрических зубчатых передач энергонасыщенных машин является разработка методов определения геометрических параметров зубьев колес, обеспечивающих увеличение ресурса передач по контактной выносливости в условиях эксплуатации, для оценки которых предложены новые средства и методы экспериментального исследования.
На защиту выносятся:
1. Методы синтеза геометрических параметров зацеплений цилиндрических передач с локализованным контактом, целевая функция которых строится с учетом закономерностей накопления усталостных контактных повреждений на различных участках по верхности зуба, определяемых:
- условиями эксплуатации передач;
- характером распределения нагрузки ъ зацеплении зубьев;
- геометрическими особенностями контакта зубьев, соответствующими конкретным процессам их формообразования.
2. Средства и методы экспериментального исследования зубчатых передач, обеспечивающие получение требуемой исходной информации для синтеза зацеплений и позволяющие оценить эффективность предлагаемых конструктивных и технологических решений в реальных условиях эксплуатации передач.
