Перспектива стандартизации параметров точности зубчатых колес и передач. К разработке нового отечественного стандарта, учитывающего рекомендации ISO

СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ КАЧЕСТВА

УДК 621.833.15

Перспектива стандартизации параметров точности зубчатых колес и передач. К разработке нового отечественного стандарта, учитывающего рекомендации ^

М. В. Абрамчук, Б. П. Тимофеев

В статье описываются положения стандартов ISO 1328 и ГОСТ 1643-81, которые следует включить в новый отечественный стандарт, нормирующий зубчатые колеса и передачи, для производства конкурентоспособной на международном рынке продукции.

Ключевые слова: зубчатые колеса, зубчатые передачи, точность, стандарты.

Введение

В августе 2012 г. Россия присоединилась к ВТО. Поэтому актуальнейшей является задача соответствия отечественных стандартов рекомендациям ISO. Когда дело касается точности зубчатых колес и передач, положение осложняется наличием и там и тут примерно одинакового количества степеней точности, которые, однако, представляют собой во многих степенях существенно различный уровень точности. Последнее обстоятельство может вносить большую путаницу в случае международного сотрудничества и даже просто торговли техническими устройствами. Таким образом, необходим пересмотр отечественных стандартов ГОСТ 1643-81 и ГОСТ 21098-82 с учетом положений рекомендаций ISO 1328.

Вместе с тем главным положительным свойством отечественных стандартов было и остается предложение вполне определенных комплексных показателей и комплексов показателей параметров точности для зубчатых колес и передач определенных степеней точности. Другим важнейшим свойством отечественных стандартов, в частности ГОСТ 1643-81 [1], является наличие подробнейших таблиц, из которых конструктор непосредственно выбирал показатели согласно выбранному комплексу. Конечно, существует противоречие между требованием ЕСКД о простановке па-

раметров точности колеса относительно имеющейся на чертеже базовой оси и указанием ГОСТа, согласно которому все нормы приведены относительно рабочих осей [1, с. 30, п. 2.9], которое на практике обычно игнорируется. Таким образом, практически нормы, установленные в ГОСТе для рабочих осей, записываются в чертежах зубчатых колес относительно базовых. И эта практика привычна и повсеместна. При этом следует указать, что пожелание о совмещении конструкторских, технологических и метрологических баз при изготовлении зубчатых колес является при сегодняшнем уровне производства трудновыполнимым.

В дальнейшем тезисно будут приведены аргументы о необходимости использования положений и рекомендаций ISO и желательности сохранения некоторых из положений стандарта ГОСТ 1643-81 в будущем стандарте.

1. Положения рекомендаций ISO

Ввиду того что перевод рекомендаций ISO осуществлен авторами данной статьи и малознаком нашим читателям, поскольку на официальном уровне весь стандарт ISO 1328 не переводился, кратко рассмотрим основные положения, прежде чем перейти к сравнению в табличном виде.

№ 1 (73)/2013

33]

МЕШПООБМБОТК|»

Прежде всего следует отметить во многом существенное расширение диапазона геометрических параметров зубчатых колес, на которые распространяется деятельность стандарта ISO 1328 [2, 3]:

• делительный диаметр d: до 10 000 мм (до 6300 мм в ГОСТ 1643-81);

• модуль зубьев m: до 70 мм (до 55 мм в ГОСТ 1643-81);

• ширина венца b: до 1 000 мм (до 1 250 мм в ГОСТ 1643-81).

Вместе с тем в отдельных положениях стандарта рассматриваются зубчатые колеса с модулем зубьев до 0,2 мм (в ISO 1328-2 [3]: для колебаний измерительного межосевого расстояния). Данные положения, отражающие существующую практику изготовления зубчатых колес и передач, оспаривать или как-то изменять не имеет смысла. Таким образом, существующее до настоящего времени положение о мелкомодульных зубчатых колесах авторам представляется бессмысленным, и стандарт ГОСТ 9178-81 [4], нормирующий зубчатые колеса с модулем зубьев меньше 1 мм, в дальнейшем рассматриваться не будет. Вместе с тем не ставится под сомнение необходимость в стандартизации зубчатых колес с модулем зубьев менее 0,5 мм, однако параметры точности таких колес должны устанавливаться в соответствии с их назначением стандартами предприятий (СТП). Разработка СТП является важнейшей задачей специализированных предприятий. При этом, отражая специфику производства и использования таких передач, СТП не должны противоречить ни государственным стандартам, ни рекомендациям ISO.

Рекомендации ISO в некоторых случаях вместо таблицы допустимых значений параметра точности приводят формулу для его вычисления. Например: в ISO 1328-1 местная кинематическая погрешность f определяется по формуле: f = K(4,3 + fpt + Fa), где fpt — погрешность шага; Fa — погрешность профиля зуба общая, а коэффициент K зависит от общего коэффициента перекрытия еу, т. е. местная кинематическая погрешность зависит от общего коэффициента перекрытия [2, с. 17]. Вместо таблицы допустимых значений местной кинематической погрешности приведена таблица значений f'/ K [2, с. 18-19]. Отсутствует таблица допустимых значений накопленной погрешности шага Fpk. Эта величина рассчитывается по формуле.

Стандарт ISO 1328 содержит определение термина «зубчатое колесо механизма» и неко-

торые требования к измерительному зубчатому колесу. Последнее, безусловно, нуждается в доработке и уточнении в связи с тем, что условия зацепления при одно- и двухпрофиль-ном контакте неодинаковые. Критика методов контроля при применении двухпрофиль-ного контакта содержится в целом ряде работ. Например, данный метод контроля был раскритикован еще в 1975 году Б. А. Тайцем [5]. Поэтому разработка требований к измерительным колесам при проведении метрологических операций остается важной задачей стандартизации.

В техническом отчете ISO/TR 10064-4 [6] содержатся рекомендации, относящиеся к структуре поверхности и контролю пятна контакта зуба. Пятна контакта используют в качестве количественной и качественной меры поверхности зубьев колеса. Пятна контакта наиболее часто применяют при контроле больших деталей, которые невозможно поставить на измерительную машину. Эти рекомендации должны быть дополнены разработкой подробных требований к применяемым установкам (разность метрологических и конструкторских баз), применяемым краскам и усилиям (моментам сил) при измерении.

Рекомендации ISO не устанавливают норм кинематической точности, плавности работы и контакта зубьев, а также виды сопряжений зубчатых колес передачи, виды допуска на боковой зазор и классы отклонений межосевого расстояния. Естественно, отсутствует понятие о комбинировании норм точности, несоответствии вида сопряжения зубчатых колес в передаче виду допуска на боковой зазор и т. д.

Конечно, данные положения ГОСТ 1643-81 чрезвычайно усложняют вопрос о нормировании точности зубчатых колес и передач. Более того, нормы кинематической точности, плавности работы, контакта зубьев и бокового зазора не являются независимыми и их введение противоречит не только основным понятиям стандартизации, но и основам идентификации объектов.

В отечественной литературе неоднократно указывалось, что речь идет всего лишь о преимущественном влиянии того или иного показателя точности на кинематику, плавность и т. д. Аналогично мы можем говорить о преимущественном значении того или иного показателя для кинематических, силовых и скоростных передач, да и вообще о разбивке передач на упомянутые категории.

Представляется целесообразным вести речь о гармонических составляющих кинематической погрешности: «оборотной», зубцовой и более высокой частоты. Однако введение этих понятий в рекомендации ISO — дело отдаленного будущего при условии участия наших специалистов в работе соответствующего комитета ISO.

Стандарт ISO 1328 состоит из следующих частей (ISO 1328-1: 1995 [2], ISO 1328-2: 1997 [3]), имеющих общий заголовок Передачи зубчатые цилиндрические. Система точности по ISO. Часть 1: Определения и допустимые значения отклонений соответствующих боковых поверхностей зацепляющихся зубьев. Часть 2: Определения и допустимые значения отклонений, относящихся к радиальным составным отклонениям (колебаниям измерительного межосевого расстояния), и информация по износу (радиальному биению). Каждая часть имеет свою систему точности:

• ISO 1328-1 включает в себя 13 степеней точности (0 — самая высокая, а 12 — самая низкая);

• ISO 1328-2: 9 степеней точности (с 4 по 12-ю).

По этому поводу дается уточнение: «...положения в документах относительно требуемой точности должны включать ссылку на соответствующий стандарт: ISO 1328-1 или ISO 1328-2» [3, c. 3].

Дополняют положения ISO технические отчеты, среди которых упомянутый выше ISO/TR 10064-4: Передачи зубчатые цилиндрические. Практическое руководство по приемке. Часть 4. Рекомендации, относящиеся к структуре поверхности и контролю пятна контакта зуба [6] и, например, ISO/TR 10064-2: 1996. Передачи зубчатые цилиндрические. Практическое руководство по приемке. Часть 2. Контроль суммарных радиальных отклонений, биения, толщины зуба и зазора [7].

В отличие от ISO 1328, ГОСТ 1643-81 — это один документ. Одним документом удобнее пользоваться.

В заключение первого пункта стоит отметить, что перечисленные замечания касаются возможного совершенствования стандарта ISO. При составлении нового отечественного стандарта в него могут быть включены положения, развивающие рекомендации ISO, но не противоречащие им.

2. Положения стандарта ГОСТ 1643-81

Как уже не раз было сказано в научно-технической литературе [8-10], базовый ГОСТ 1643-81 «Передачи зубчатые цилиндрические. Допуски» обладает рядом преимуществ и недостатков по сравнению с рекомендациями ISO. Главные недостатки проистекают из чрезвычайной устарелости документа. Действительно, со времени его введения в действие прошло 28 лет. Кроме того, ГОСТ полностью соответствует стандартам СТ СЭВ 641-77, СТ СЭВ 6437-77 и СТ СЭВ 644-77, т. е. еще более древним документам (СЭВ — Совет экономической взаимопомощи).

Вместе с тем в СССР изменения ГОСТ 1643 происходили в 1946, 1956, 1972 и 1981 гг. Т. е. минимальный срок действия стандарта не превышал 10-15 лет. Этим в огромной степени объясняются недостатки стандарта: развитие документа не поспевало за нуждами и практикой производства.

Главным преимуществом стандарта является подробная разработка таблиц, следуя которым, даже относительно малоквалифицированный специалист может для заданных степени точности и вида сопряжения выбрать необходимый контрольный комплекс и показатели точности. Не будем повторять все сказанное об отнесении показателей на рабочих осях к базовым осям, поскольку такая практика была повсеместной.

Положения стандарта, к сожалению, привязаны к технологии зубонарезания методом обкатки, что неприемлемо как в принципиальном плане — показатели точности не должны зависеть от метода изготовления, так и в плане сложностей с введением передовых методов изготовления — горячая и холодная прокатка, прессование из порошка, литье под давлением и т. д.

Введение обязательного нормирования кинематической точности, плавности работы и контакта зубьев, с одной стороны, существенно расширяет возможности конструктора, но с другой — не учитывает того важнейшего обстоятельства, что все эти качества формируются в едином технологическом процессе, и потому производственные возможности комбинирования норм точности ничтожны. Недаром классы отклонения межосевого расстояния и несовпадение видов сопряжения с видом допуска на боковой зазор используются на практике чрезвычайно редко.

№ 1(73)/2013

35

Установление многочисленных показателей для норм кинематической точности, плавности работы, контакта зубьев и бокового зазора является для нашей страны чрезвычайно важным. Для примера можно взять показатели точности, обеспечивающие гарантированный боковой зазор или допуск на него в передаче. Наличие на предприятиях различного измерительного оборудования и отсутствие комплексных измерительных лабораторий, позволявших во времена СССР измерить любую комплексную и поэлементную погрешность, объясняют необходимость наличия в ГОСТ 1643-81 различных показателей. В периоды кризисов, как правило, выручают старые механические приборы контроля, имеющиеся на предприятиях в достаточном количестве. При условии недостатка современных измерительных машин и почти полного отсутствия приборов, использующих бесконтактное измерение параметров зубьев, такое построение стандарта надо считать оправданным. Ситуация осложняется тем, что современные приборы должны обслуживаться грамотными специалистами-электронщиками, что неприемлемо в период кризиса.

Нормы стандарта устанавливаются для зубчатых передач, зубчатых пар и зубчатых колес, причем в таблицах стандарта четко указано, какая норма относится к колесам, какая — к передачам, какая — к парам.

В ISO 1328 понятие о зубчатой паре отсутствует. Однако уровень производства в нашей стране не позволяет производить отдельные колеса, не подобранные в пары. Более того, специалисты не рекомендуют производство отдельно взятого колеса. Дело в том, что в редукторе ввиду наибольшего числа циклов на-гружения быстрее всего из строя выходит шестерня быстроходной передачи. Вместе с тем заменить только шестерню не представляется возможным, так как парное колесо также находится в определенной стадии износа. Поэтому понятие о зубчатой паре, безусловно, следует сохранить.

Пересчет таблиц ГОСТ 1643-81 в соответствие с рекомендациями ISO не приведет к кардинальной ломке технологии и метрологии в производстве зубчатых колес и передач. Приведем сравнительные табличные значения параметров точности для 5-й степе-

Таблица

ISO 1328 ГОСТ 1643-81

m = 1 мм m = 3 мм m = 5 мм m = 1 мм m = 3 мм m = 5 мм

1) погрешность шага ± fpt 1) отклонение шага ±fpt

5,5 6 6,5 6 6 8

2) полная накопленная погрешность шага колеса Fp 2) допуск на накопленную погрешность шага Fp

18 19 19 20 20 20

3) погрешность профиля зуба общая Fa 3) допуск на погрешность профиля зуба ff

6 8 9,5 6 6 7

4) погрешность направления зуба общая Fp 4) допуск на погрешность направления зуба Fp

6,5 b = 10 мм 8,5 b = 30 мм 10 b = 45 мм 7 b = 10 мм 7 b = 30 мм 10 b = 45 мм

5) местная кинематическая погрешность f' 5) допуск на местную кинематическую погрешность зубчатого колеса f'

12 13,5 15 12 12 16

6) допуск на полное колебание измерительного межосевого расстояния за оборот зубчатого колеса 6) допуск на колебание измерительного межосевого расстояния за оборот зубчатого колеса

18 25 31 22 22 25

7) допуск на колебание измерительного межосевого расстояния на одном зубе /" 7) допуск на колебание измерительного межосевого расстояния на одном зубе

3,5 10 15 10 10 13

8) допуск на радиальное биение Fr 8) допуск на радиальное биение Fr

15 15 16 16 16 18

ни точности в обоих стандартах. Величины погрешностей приведены в микрометрах.

Значения модуля m = 1, 3, 5 мм, делительный диаметр d = 100 мм, ширина венца b = 30 мм (для пункта 4 — 10, 30, 45 мм), коэффициент осевого перекрытия £р = 1,5.

В других степенях точности при внедрении рекомендаций ISO может произойти сдвижка на 1-2 степени в ту или другую сторону. При этом будет достигнуто взаимопонимание между нашими и зарубежными производителями и пользователями зубчатых колес и передач без какого-то ни было ущерба для производства.

Выводы

Таким образом, разработка нового отечественного стандарта, учитывающего рекомендации ISO при использовании положительных сторон наших стандартов, представляется делом абсолютно необходимым для нашей интеграции в мировую систему производства и торговли. Это может быть достигнуто без коренной ломки как системы производства и контроля зубчатых колес и передач, так и без существенного изменения достигнутой квалификации занимающегося этим производством научно-технического персонала. Вопрос соответствия стандартов важен не только производителям зубчатых колес и передач, но и для заказчиков, чтобы учитывать погрешности при эксплуатации.

Литература

1. ГОСТ 1643—81. Передачи зубчатые цилиндрические. Допуски. М.: Издательство стандартов, 1989. 68 с.

2. ISO 1328-1: 1995, Cylindrical gears — ISO system of accuracy — Part 1: Definitions and allowable values of deviations relevant to corresponding flanks of gear teeth.

3. ISO 1328-2: 1997, Cylindrical gears — ISO system of accuracy — Part 2: Definitions and allowable values of deviations relevant to radial composite deviations and runout information.

4. ГОСТ 9178—81. Передачи зубчатые цилиндрические мелкомодульные. Допуски. М.: Издательство стандартов, 1981. 40 c.

5. Тайц Б. А. Точность и контроль зубчатых колес. М.: Машиностроение, 1972.

6. ISO/TR 10064-4: 1998, Cylindrical gears — Code of inspection practice — Part 4: Recommendations relative to surface roughness and tooth contact pattern checking.

7. ISO/TR 10064-2: 1996, Cylindrical gears. Code of inspection practice — Part 2. Inspection related to radial composite deviations, runout, tooth thickness and backlash.

8. Тимофеев Б. П., Абрамчук М. В. Рекомендации ISO 1328 в части установления параметров точности зубчатых колес и передач. II межвузовская конференция молодых ученых. Сб. научн. тр. Том 2. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2005. С. 127-131.

9. Тимофеев Б. П., Абрамчук М. В. Рекомендации по организации контроля бокового зазора в зубчатых передачах. Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 28. I сессия научной школы «Задачи механики и проблемы точности в приборостроении» / Главный редактор д. т. н. профессор В. Н. Васильев. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006. С. 206-210.

10. Тимофеев Б. П., Абрамчук М. В. Сравнение табличных значений параметров точности зубчатых колес и передач в стандартах: ISO 1328 и ГОСТ 1643-81. Теория механизмов и машин. № 1 (9). Том 5. СПб.: СПбГПУ, 2007. С. 60-70.

Редакция журнала предлагает открыть дискуссию по данной статье. Все присланные размышления, замечания читателей будут опубликованы

на страницах журнала. Электронный адрес для материалов: mo@polytechnics.ru

Сведения об авторах

Абрамчук Михаил Владимирович — старший преподаватель кафедры мехатроники Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики; тел. (812) 232-31-50, e-mail: amv76@list.ru

Тимофеев Борис Павлович — д-р техн. наук, профессор кафедры мехатроники Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики; тел. (812) 232-31-50, e-mail: mechatronic@mail.ifmo.ru