Конструктивно-технологические преимущества цилиндрических колес с арочными зубьями

Библиографический список

1. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов / Н.Н. Зорев. - М.: Машгиз, 1956. - 368 с.

2. Каллиопин В.В. Механика волны при резании (Исследование упругой поверхности технологической системы: станок - инструмент - де-таь) / В.В. Каллиопин. - Минск: Наука и техника, 1969. - 176 с.

3. Брокли С.А. Временна зависимость статического трения / С.А. Брокли,Н. Дейвис//Проблемы: трения и смаки.-1968.-№1. - С. 57-67.

4. Гуляев В.И. Прикладные задачи теории нелинейных колебаний механических систем /В.И. Гуляев. - М.: Высш. шк., 1989. - 383 с.

5. Фельдбаум А.А. Методы1 теории автоматического управления / А.А. Фельдбаум, А.Г. Бутковский. - М.: Наука, 1971. - 744 с.

Получено 17.01.08.

УДК 621.83

А.А. Маликов

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС С АРОЧНЫМИ ЗУБЬЯМИ

Даются сравнительные характеристики цилиндрических колес с круговыми и прямыми зубьями. Отмечается, что круговые зубья снижают шум в передаче и обладают технологическими преимуществами.

Статья написана в результате исследования, проведенного при финансовой поддержке гранта РФФИ № 08-08-99006 «Современная концепция создания технологических основ эффективного зубонауезания цилиндрических зубчатых колес».

Повышение качества продукции является важнейшей задачей современного машиностроения. Ужесточение в соответствии с этим требований к выпускаемым изделиям заставляет в ряде случаев искать новые, нетрадиционные конструкторские и технологические решения, поскольку применение известных решений и приемов либо не даёт требуемого эффекта, либо экономически нецелесообразно.

Для изделий, содержащих цилиндрические зубчатые передачи, задачу повышения качества продукции в раде случаев удаётся решить за счёт замены1 прямых зубьев арочными. Как показали работы1, выполненные в Курганском машиностроительном институте, Краматорском индустриальном институте и Тульском гocyдaлcтвeннoм университете, пеееход к цилиндрическим передачам с ааочными зубьями благодаря увеличению коэффициента перекрытия и локализации пятна контакта наряд с другими преимуществами позволяет увеличить плавность зацепления, снизить шум и вибрацию, повысить долговечность зубчатых колёс и т.д. [1 - 6].

Одним из наиболее перспективных объектов, в которых могут быть использованы цилиндрические зубчатые колёса с арочными зубьями, являются шестерённые насосы, получившие широкое распространение в различных отраслях машиностроения и превосходящие другие типы насосов по простоте, весовым xaрaктeристикaм, себестоимости и надёжности.

Обладая всеми вышеперечисленными достоинствами, эти насосы имеют, однако, существенный недостаток - значительные вибрацию и шум в процессе работы [5]. При этом наибольший уровень вибрации наблюдается в области зубцовой частоты f z и её высших гармоник. Так, например, для насоса ШФ8-25 (рис.1,а) эти частоты соответственно равны 250, 500, 1000 и 2000 Гц.

а

б

Рис. 1. Уровень вибрации в области зубцовой частоты f z шестеренных насосов: а- с серийным комплектом роторов; б - с роторами 6-й степени точности

Попытки снижения уровня вибрации за счёт повышения точности зубчатых роторов с 8 - 9-й до 6-й по ГОСТ 1643-81 [8], улучшения геометрии корпуса насоса, применения различных схем отвода жидкости из защемлённого объёма и изменения бокового зазора в зацеплении не привели к ожидаемому результату и не оказали достаточного воздействия на виб-рошумовые характеристики (ВШХ) насосов, особенно на зубцовой частоте и её гармонике втoчого порядка (рис.1,б).

Основные причины повышенной виброактивности роторов заключаются в следующем.

1. Маый коэффициент переккытия зубьев (єа= 1,05 ... 1,1), связанный с необходимостью устранения заклинивания перекачиваемой жидкости в отсечённом пространстве впадины (рис. 2), что весьма нежелательно у насосов большой производительности.

Рис. 2. Схема шестеренного насоса

2. Неблагоприятное расположение пятна контакта в зацеплении. При большой ширине зубчатого венца погрешность направления зуба в совокупности с погрешностями корпуса и подшипников насоса приодет к смещению пятна контакта к одному из торцов ротора и выход его на

кромки зубьев.

3. Сравнительно невысока точноть зубчатого венца.

4. Пульсация жидкости, весьма существенна у насосов с прямозз-быми роторами.

Улучшение ВШХ насосов возможно за счёт устранения любой из этих причин. Однако добиться серьёзного эффекта при таком подходе не удаётся. На рис.1,б представлена вибрационная xaрaктeриcтикa насоса ШФ8-25, оснащённого роторами со шлифованными зубьями 6 степени точности. Из графика видно, что снижение уровня вибрации на зубцовой частоте и гармонике второго порядка по сравнению с серийным комплектом роторов незначительно. Поэтому рассчитывать на улучшение ВШХ можно только за счёт комплексною решения вопроса и проведения взаимосвязанных кoнcтрyктoрcклx и технологических мероприяий. Такой комплексный подход возможен при использовании ротооов с арочными зубьями. Эти роторы позволяют:

1) получить сравнительно большой суммарный коэффициент перекрытия ззбьев;

2) беспечить локализацию зоны касания зубьев, что компенсирует погрешности направления зубьев и относительного расположения осей роторов;

3) уменьшить пульсацию перекачиваемой жидкости.

Как показали изготовление и испытание первых опытных образцов роторов с арочными (круговыми) зубьями [1 - 6], они отвечают требованиям точности и производительности обработки зубьев и сборки шестерён-ных насосов в сочетании с малой виброактивностью. При обкате с единичным делением возможны раличные способы зубообработки [7], аналогичные тем, которые используются для конических колёс с круговыми зубьями. Это во многом облегчает задачу проектирования и осуществления процессов зубонарезания, поскольку многочисленные исследования и опыт изготовления конических колёс, накопленный на протяжении дест-тилетий, в значительной мере могут быть использованы и для цилиндрических колёс с круговыми зубььми.

При одностороннем способе Чернова обработка шестерни и колеса осуществляетст двусторонней зуборезной резцовой головкой, а чистовая обработка выпуклых и вогнутых сторон зубьев сопряжённых колёс произ-водитст радельно односторонними головками. Наряду с достоинствами -высокой точностью обработки, простотой управления длиной пятна контакта - способ имеет существенный недостаток: сравнительно низкую производительность, т.к. каждое из колёс нарезается в три установа.

При двусторонне-одностороннем (простом двустоооннем) способе чистовое нарезание шестерни осуществляется последовательно двумя односторонними головками, а черновое тарание колеса - дву сторожей головкой за один установ. Данный способ более производителен, чем односторонний. Однако в этом случае не всегда удаётся получить заданную длину пятна контакта.

Рис. 3. Схема обработки колеса с круговыми зубьями: Бг- вращение головки; Б^- линейная составляющая движения обката заготовки; ю - окружная составляющая движения обката заготовки

Метод обработки с периодическим делением обладает рядом существенных преимуществ.

1. Сравнительной простотой производящей поверхности, обуславливающей высокую техно логичность инструмента, высокую точность обработки, относительную простоту геометрического расчёта зацепления и достижения заданной локализации зоны касания зуба.

2.Большими технологическими возможностями пи обработке ши-роковенцовых колёс. В частности, ротооы шестеренных насосов имеют ширину венца порядка 17 ш(модулей).

3.Возможностью использования стандартных резцовых головок, применяемых для нарезания конических колёс с круговыми зубьями, а также оснастки доя заточки и контроля инструмента. Например, для поверки биения резцов в лабораторных условиях может быть использован обычный индикатор часового типа.

4.Отсутствием кинематической связи между главным движением и движением обката. Это позволяет пи заданной скорости главного движения выбирать оптимальную для достижения заданной производительности и качества обработки, с одной стороны, и износа делительной или эталонной палы зуболезного стана, с другой столоны, скорость движения обката.

5.Возможностью повышения производительности зубонарезания за счёт неравномерной скорости движения обката.

6.Возможностью весьма точного и производительного шлифования зубьев закалённых колёс.

Вcхeдcтвие этого применение метода обката с единичным делением для обработки колёс с алочными (круговыми) зубьями является наиболее целесообраным.

Описанные в работах [1 - 6] методик расчета геометрических парам еттов станочного и рабочего зацеплений цилиндрических колёс с круговыми зубьями для нарезания обкатной передачи сводятся к следующему порядку расчета.

В соответствии с эксплуатационными характеристиками передач задаются номинальным радиусом кривизны зуба поизводящей рейки при чистовой обработке одного из колёс, например, при обработке выпуклых сторон зубьев шестерни, и величиной приведённого заора. Приближённо определяют номинаьный радиус кривизны зуба поизводящей рейки при чистовой обработке вогнутых столон зубьев сопряжённого колеса. Затем переходя к его уточнённому расчёту. При этом, задавась фазой зацепления, находя координаты точек торцового профилл зуба шестерни. Анао-гичным обраом находя координаты точек торцового профиля зуба сопряжённого колеса. Вычисляют расстояия между раличными точками торцовых профилей зубьев сопряжённых колёс и определяют кратчайшее из них, равное действительному значению торцового приведённого заола. Изменя фаовый угол, оценивают изменение приведённого зазора в процессе зацепления. При необходимости корректируют величину приведённого заора, внося поправку в значение радиуса кривизны зуба поизводящей рейки, и вновь определлют зазор. Эту операцию повторяют до тех пор, пока пивдённый заор не будет равен заданной величине. В итоге опе-деляются радиусы производящих поверхностей зуболезных головок, фор-мообраующих сопряжённые поверхности зубьев шестерни и колеса, соответствую щие заданному значению пивдённого заора.

По мнению автолов, даьнейшее улучшение акустических характеристик передачи с круговыми зубьями возможно за счет шевингования-прикатывания зубьeв в незакаленном виде. Опытные работы, поведенные применительно к передачам с пямыми зубьями, покааи уменьшение погрешностей по нолмам плавности до трех степеней по ГОСТ 1643-81 [8,9].

Библиографический список

1. Ерлхов М.Л. Возможности применения ккуговых зубьев в тяже-лонагруженных цилиндрических пердачах и новый способ их обработки/ М.Л. Ерлхов, Э.В. Ратманов //Повышение качества зубчaтыx передач кон-

структивнь1ми и технологическими методами: тез. докл. науч.-техн. совещания. - 1976. - С. 17 -23.

2. Дрововозов Г.П. Технологическое обеспечение процесса обработки арочных зубьев спирально-дисковыми инструментами / Г.П. Дрововозов, И.Д. Ионенко, И.В. Ратманов // Цилиндрические передачи с арочными зубььми. Расчет, проектирование, изготовление: тез. докл. зональн. сем. - 1983.- С. 24 -30.

3. Решетов Л.Н. Особенности геометрии и зубо нарезания цилиндрических квазиэвольвентных передач с циклоидальной линией зуба/ Л.Н. Решетов, М.И. Догода, М.В. Клин // Изв. вузов. С ер .Машиностроение. -1980.- № 5. - С. 48 - 52.

4. Решетов Л.Н. Некоторые вопросы геометрии цилиндрических зубчатых передач с циклоидальной линией зуба/ Л.Н. Решетов, М.И. Догода, М.З. Клин //Изв. вузов. Сее .Машиностроение. - 1980. - № 4. - С. 49 - 53.

5. Коганов И.А. Повышение качества и производительности зубо-шлифования при обработке цилиндрических колес с круговыми ззбьями/ И.А. Коганов, Г.М. Шейнин, М.Н. Бобков //Иссседования в области инструментального производства и обработки металлов резанием. - Тула, 1983. - С. 146-152.

6. Васи В.А. Улучшение эксплуатационных характеристик передач при использовании цилиндрических колес с круговыми зубьями/ В.А. Васи //Технологическая системотехнка: сборни трудов первой международной электроной научно-техниеской конференци. - Тула: Гриф и Ко, 2002.- С.212-214.

7. Кедрине кий В.Н. Станки для обработки конически зубчатых колес/ В.Н. Кедриский, К.М. Писмани. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Ма-шиностроене, 1967. - 189 с.

8. ГОСТ 1643-81. Передачи зубчатые циидрические. Допуски. -М.: Изд-во станартов, 1981. - 69 с.

9. Пат. 2314183 РФ, МПК7 B 23F 19/06. Способ финшной обработки цилидриеских ззбчатых колес / Валиов Е.Н., Бооиски О.И., Белякова В.А., Ямнков А.С., Маликов А.А.; заявитель и патентообладатель ТулГУ. - №2006119873/02; заявл. 06.06.2006; опубл. 10.01.2008, Бюл. №1 -4 с.: 3 и.

Получено 17.01.08.