Зубчатые колеса являются основными элементами силовых передач в машиностроении. К ним предъявляется ряд требований по точности и надежности основных элементов в зависимости от их служебного назначения. Наиболее ответственные и сложные в изготовлении являются элементы зубчатого венца – (исполнительные рабочие элементы [4]), которые требуют большого объема механической и других видов обработки для обеспечения заданных эксплуатационных функций зубчатых колес. Поэтому при создании конструкторского и технологического обеспечения производства зубчатых колес, должны учитываться реальные условия эксплуатации рабочих элементов.
Вопросы производства и повышения качества зубчатых колес подробно рассмотрены в работах [5, 6, 7], из которых видно, что развитие технологии производства и повышения качества зубчатых колес идут в следующих основных направлениях: - повышение несущей способности зубчатых колес за счет увеличения пятна контакта в зубчатом зацеплении; - снижения объема металлообработки за счет формирования зубьев на стадии получения заготовок зубчатых колес; - применения прогрессивного режущего инструмента на зубообрабатывающих операциях.
Цель данной работы – повышение эксплуатационных свойств рабочих элементов зубчатых колес на базе функционально-ориентированного подхода. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: выполнить анализ элементов зубчатых колес по функциональному назначению; предложить схемы технологического воздействия на рабочие элементы зубчатых колес для выполнения заданной структуры функций, предложить варианты обеспечения эксплуатационных функций для рабочих элементов зубчатых колес.
Зубчатые колеса представляют собой совокупность связанных между собой элементов, которые объединяются в группы в зависимости от функций, выполняемым в процессе эксплуатации. Согласно классификации элементов зубчатых колес [4], их можно разделить на исполнительные рабочие, исполнительные базирующие, связующие, вспомогательные и дополнительные. При этом структуру зубчатого колеса по элементам, можно представить следующей схемой (рис. 1).
Исполнительные рабочие элементы зубчатых колес представляют собой совокупность точек, линий, поверхностей и объемов, составляющих элементы зубчатого венца. При этом линейные, поверхностные и объемные элементы выполняют эксплуатационные функции по назначению зубчатых колес: объемные линии кромки вершины зуба, как правило, являются участком окончания (начала) зацепления, и воспринимают усилие в контакте с поверхностью сопряженных зубьев; поверхности зубчатого профиля являются участками зацепления сопряженной пары зубьев, непосредственно на поверхностях зубчатого профиля возникает трение, вызванное взаимным скольжением профилей. В поверхностном слое в процессе работы возникают контактные напряжения, вызванные давлением сопряженных зубьев. Объемные участки в теле зуба воспринимают изгибные напряжения, возникающие вследствие окружной силы в зубчатом зацеплении.
Рассмотрим образование и варианты кромочного контакта в зубчатом зацеплении. (рис. 2). При работе зубчатой передачи, шестерня 1 входит в сопряжение с колесом 2 при действии окружной силы в зацеплении Ft , вращения n и осевого перемещения s, возможны три основных варианта распределения удельной нагрузки. В первом случае при отсутствии перекоса осей зубчатый колес (рис. 2, а), при ?=0 (идеальный случай). При данном зацеплении кромочный контакт присутствует в конце зацепления зубчатой пары под действием равномерно действующей по кромке вершины зуба, длинной l, между точками a и b, удельной нагрузки q, под действием окружной силы Ft. При этом возникает равномерный износ кромки вершины зуба. Во втором случае контакта шестерни 1 и колеса 2, существует положительный перекос продольных осей ?>0 (рис 2, б). При таком взаимодействии у левого торца зубчатого венца колеса 2, возникает кромочный контакт на участке шестерни a1b1. При этом контактная зона действия удельной нагрузки, вследствие упругих и пластических деформаций распространяется на длину l1. В данном случае на боковую кромку зуба и соприкасающуюся с ней поверхностью зубчатого колеса, действует максимальная удельная нагрузка. При вращении n и осевом перемещении s зубчатого колеса 1 и шестерни 2, происходит неравномерный износ поверхностей. В третьем случае (рис.2,в), в зоне сопряжения зубчатой шестерни и колеса существует отрицательный перекос продольных осей ?<0. При таком взаимодействии зубчатой пары, у правого торца зубчатого венца колеса, возникает кромочный контакт на участке шестерни a2b2. Вследствие упругих и пластических деформаций, контактная зона распространяется на величину l2. В данном случае на правую боковую кромку зуба и соприкасающуюся с ней поверхностью зубчатого колеса, действует максимальная удельная нагрузка. При вращении n и осевом перемещении s зубчатого колеса 1 и шестерни 2, происходит неравномерный износ поверхностей.
В реальных условиях, рассмотренные случаи комбинируются, что вызвано точностью изготовления сопряженных пар зубьев. Это приводит к преждевременному, неравномерному износу или разрушению зубчатых колес, что является следствием кромочного контакта в зацеплении зубчатых колес. Схема действия нагрузки от сил в зацеплении, действия контактных напряжений в зонах вершинных кромок, а также варианты обеспечения свойств вершинных кромок, представлены на рис. 3. При этом кромки рассматриваются как объемные линии, прилегающие к вершинным кромкам зубьев и поверхностям, прилегающих к ним.
Формирование эксплуатационных свойств функционального элемента (объемной линии), осуществляется на основе следующих схем технологического воздействия [1] :
- для обеспечения прерывистых свойств функционального элемента в направлении линии s, с шириной линии dlt и толщиной dlv:
- для обеспечения непрерывных свойств функционального элемента в направлении линии s, с шириной линии dlt и толщиной dlv:
- для обеспечения единовременных свойств функционального элемента в направлении линии s, с шириной линии dlt и толщиной dlv:
В представленных схемах технологических воздействий, элементы кортежей и , представляют собой технологические воздействия материального, энергетического и информационного характера, могут варьироваться в зависимости от пространственных и временных параметров
Для обеспечения заданных эксплуатационных свойств зубчатых колес, следует предусматривать конструкторские и технологические мероприятия по обеспечению необходимых свойств элементам зубчатых колес. В частности, на рис. 4 представлены основные варианты обеспечения требуемых свойств на кромках зубчатых колес:
- продольной модификации зубьев, что обеспечивает исключение бокового кромочного контакта;
кромочного контакта; - закругления боковых кромок радиусом r, что обеспечит контакт поверхности зубьев с плавно изогнутой поверхностью;
плавно изогнутой поверхностью; - обеспечение переменных свойств по боковым кромкам зубчатого венца путем технологических воздействий различной интенсивности на величину a1b1 и a2b2;
- совместное закругления боковых кромок зубчатого венца радиусом r и обеспечение переменных свойств по боковым кромкам зубчатого венца, за счет технологических воздействий на величину a1b1 и a2b2;
- закругление вершинных кромок зубьев радиусом r;
- обеспечение переменных свойств на вершинной кромке зуба ;
- обеспечение закругления вершинных кромок зубьев радиусом r и переменных свойств по вершинным кромкам зубьев.
Данные способы управления свойствами кромок зубьев, могут быть реализованы различными методами механической, физико-механической, термической и комбинированной обработки, к которым относятся механическая лезвийная обработка, местная закалка в зонах кромок с различной интенсивностью нагрева и охлаждения, направленная пневмоструйная обработка, комбинированная лезвийная обработка и обкатка, нанесение покрытий в местах кромок.
Рассмотрим возможность управления свойствами рабочих исполнительных элементов зубчатых колес – рабочих поверхностей зубьев. Условия эксплуатации предполагают изменение взаимного скольжения профилей зубьев по величине эвольвентной поверхности от головки зуба к полюсу зацепления, и от полюса зацепления к ножке зуба. При этом максимальное скольжение и, как следствие максимальный износ при однородных свойствах материала зубчатого колеса, возникает на ножке зуба, а в полюсе зацепления он равен 0 (рис. 5). Действие взаимного скольжения зубчатых профилей меняется в зависимости от соотношения чисел зубьев зубчатой передачи, коэффициента смещения исходного контура и угла наклона зубьев.
Обеспечение равномерных эксплуатационных свойств поверхности зубчатого профиля в зависимости от условий эксплуатации, достигается при уменьшении коэффициента трения и увеличении стойкости к абразивному износу в соответствии с графиком скорости взаимного скольжения профилей. При этом возможны следующие варианты технологических воздействий на рабочие поверхности зубьев:
рабочие поверхности зубьев: - термическая обработка на различную глубину по величине зубчатого профиля, при переменном насыщении поверхностного слоя углеродом (при химико-термической обработке);
химико-термической обработке); - обкатка рабочих поверхностей зубьев с различным усилием обката;
с различным усилием обката; - нанесение покрытий с переменными свойствами в различных местах зубчатого профиля.
В первом случае используется термическое упрочнение поверхностного слоя зубчатого профиля на переменную глубину. Этот вариант позволяет увеличить износостойкость участков с наибольшим взаимным скольжением в местах головки и у ножки зуба. В полюсе зацепления упрочненный слой имеет наименьшую глубину – достаточную для компенсации контактных напряжений. Для возможности термообработки зубчатых колес, изготовленных из низкоуглеродистых сталей, необходимо насыщение поверхностного слоя углеродом, что достигается цементацией. При этом, в местах зубчатого профиля с наибольшими скольжениями профилей, требуется более интенсивное насыщение поверхностного слоя углеродом, что позволит увеличить стойкость к абразивному изнашиванию. Во втором случае, рабочие поверхностные слои зубчатого профиля подвергаются наклепу разной степени за счет воздействия обкатного инструмента с различной силой обката. При этом усилие обката имеет максимальное значение в местах головки и ножки зуба (в местах наибольшего взаимного скольжения), что обеспечивает им наибольшую прочность и износостойкость. Данный технологический процесс возможен с использованием специального обкатного инструмента, движение и усилие которому сообщается по копиру. В третьем случае используется нанесение покрытий, в том числе многослойных, на зубчатые поверхности. Свойства наносимых покрытий определяется скоростью взаимного скольжения в местах контакта пар зубьев. В местах с наибольшим взаимным скольжением, свойства наносимых покрытий должны обеспечить высокую стойкость к абразивному изнашиванию и иметь низкий коэффициент трения, а у полюса зацепления имеет смысл наносить покрытия с более высокая износостойкостью в следствии контактных напряжений. Нанесение покрытий возможно несколькими способами, из которых наиболее эффективно вакуумное ионно-плазменное нанесение, поскольку при относительно низкой себестоимости технологического процесса, позволяет обеспечить требуемые свойства элементам изделия. Для нанесения покрытий требуемых свойств только к определенным зонам зубчатого колеса возможно применение предохранительных масок, которые закроют доступ к элементам не требующих данного технологического воздействия.
Безразмерная функция распределения температур в детали, вызванных теплотой деформации:
Для обеспечения требуемых свойств рабочих элементов зубчатых колес, также могут использоваться комбинации данных технологических методов, или их комбинации с традиционными методами отделочной и отделочно-упрочняющей обработки.
Таким образом, в работе выполнен анализ элементов зубчатых колес по функциональному назначению, где установлена структура построения зубчатых колес. На основании условий работы исполнительных рабочих элементов зубчатых колес, разработаны схемы технологического воздействия на объемную линию вершинной кромки и поверхности зубчатого профиля. Выполнен анализ возможных случаев возникновения кромочного контакта, и варианты обеспечения свойств кромок зубьев для снижения или устранения износа элементов зубьев вследствие кромочного контакта. На основании условий работы сопряженной пары зубьев, предложены варианты обеспечения изменяющихся свойств поверхностных слоев рабочих профилей зубьев в зависимости от скорости взаимного скольжения профилей.
Использование функционально-ориентированного подхода в производстве зубчатых колес, позволяет решать комплексные задачи повышения качества зубчатых колес, а также способствуют повышению эффективности из изготовления.