Зубчатая передача
Зубчатые передачи широко применяются в силовых
агрегатах и трансмиссии автомобилей для передачи и преобразования крутящего
момента (главная передача, дифференциал, КПП, раздаточные коробки и др.). В
основном используются цилиндрические прямозубые и косозубые передачи, реечная,
червячная, коническая и винтовая передачи (рис. 1).
Зубчатые колеса могут передавать большую
мощность (до 300 МВт) при большой окружной скорости (до 200 м/с) с высоким КПД.
Кроме червячных и гипоидных во всех остальных
передачах в идеальном случае (зубчатая пара выполнена без искажения профиля
зуба, межосевое расстояние точно равно расчетному) контакт зубьев происходит
без скольжения и имеет место трение качения, т.е. зуб одной шестерни своей
боковой поверхностью прокатывается по боковой поверхности зуба другой шестерни,
контактируя по линии. При этом количество зубьев, постоянно находящихся в
зацеплении, при вращении попеременно изменяется на один. Например, при
двухпарном зацеплении (максимальное количество находящихся в зацеплении зубьев
равно двум) в зацеплении одновременно находится то одна, то две пары зубьев.
Соответственно постоянно происходит изменение усилия, воспринимаемое одним
зубом. То есть имеет место динамический режим нагружения (рис. 2).
Непостоянство усилий на зубе колеса приводит к
появлению вынужденных колебаний, частота которых fZ
зависит от количества зубьев и окружной скорости v
в контакте:
(1)
где TZ - период
импульсов, с; n - частота
вращения колеса, мин-1; Z - число зубьев колеса; v - окружная
скорость на радиусе начальной окружности, м/с; m - модуль
зацепления, мм.
Так как форма импульсов
несинусоидальная, а их характер и период TZ из-за
неточностей изготовления неодинаковы, то наряду с частотой fZ могут
возбуждаться силы с кратными ей частотами (2fZ, 3fZ и т.д.), а
также с близкими частотами
(2)
где k = 1,2,3 и
т.д.
При работе на небольших частотах
вращения fZ может
резонировать с низкой частотой собственных колебаний колес и валов, а при
работе с большой частотой вращения - с частотой собственных колебаний
сопряженных зубьев (рис. 3). Несмотря на ограниченное число циклов, которое зуб
успевает испытать за время нахождения в зацеплении, уровень переменных
напряжений в зубе может стать в результате резонансного усиления весьма
значительным. Возникающие при резонансе ударные нагрузки - недопустимое
явление.
Кроме того, в зубчатом зацеплении
имеет место неравномерная по длине зуба нагрузка. Это явление связано с
конечной жесткостью деталей зацепления - как самой шестерни, так и вала, на
котором она посажена, а также зависит от схемы заделки вала и направления
передачи крутящего момента (рис. 4).
При передаче усилия имеет место упругая
деформация зуба, при передаче крутящего момента происходит упругое скручивание
как зубчатого колеса, так и вала, на котором оно посажено. Упругим поперечным
деформациям подвержены и сами валы.
Эти искажения формы, а также неточности в
изготовлении и монтаже приводят к тому, что кроме прокатывания поверхности
зубьев начинают при контакте друг с другом относительное движение, приводящее к
трению поверхности зубьев. Данное явление аналогично описанному ранее при
анализе влияния перекоса в шлицевом соединении.
Таким образом, анализируя с точки зрения ресурса
и надежности работу зацепления, необходимо констатировать, что на тело зуба и
его поверхность действуют динамические нагрузки, которые могут вызвать явление
резонанса, усталостное выкрашивание, питинг и развитие фреттинг-процесса, а
также тривиальный излом тела зуба.
Наиболее часто развивающийся дефект -
усталостное выкрашивание, которое особенно характерно для передач, смазываемых
жидкой смазкой.
Масло, проникая с поверхности зуба в мельчайшие
трещинки, появившиеся в результате усталостного износа, вдавливается в эти
трещинки во время контакта зубьев, в результате чего происходит откалывание
кусочков материала. Поверхность зубьев становится неровной, что ведет к
увеличению контактных напряжений и дополнительному увеличению явлений износа.
Если качение и скольжение противоположно
направлены, то силы трения раскрывают трещину как раз в зоне высокого давления
масла (зона перед контактом), причем устье трещины направлено навстречу
масляной волне, что приводит к проникновению высокого давления масла в глубину
поверхностного слоя и к отрыву частиц материала.
Направления качения и скольжения совпадают в
головках и противоположны на ножках зубьев, то есть условия работы ножек зубьев
менее благоприятны.
Интенсивность выкрашивания возрастает с увеличением
силы трения, т.е. с увеличением нормальной нагрузки и коэффициента трения.
Последний принимает большие значения при малой скорости скольжения, порядка
5-15 м/с. Именно такая скорость бывает в точках, лежащих на ножках зубьев.
Учитывая также вышеизложенные соображения, при анализе состояния зубчатого
зацепления в первую очередь следует обратить внимание на поверхности, близкие к
основанию зубьев.
При нарушении смазочного слоя и достаточно
высокой скорости в зубчатом зацеплении в результате разогрева может произойти
процесс схватывания, приводящий к заеданию передачи и разрушению поверхности
зубьев.
Основными методами повышения работоспособности и
ресурса работы зубчатых передач являются повышение твердости рабочей
поверхности зубьев, организация обильной смазки и поддержание ее высоких
смазывающих и противозадирных свойств (например, организация охлаждения смазки
в тяжело нагруженных передачах, своевременная замена масла, применение в
составе масел специальных модификаторов и т.д.).
Кроме того, для повышения эксплуатационных
свойств зубчатых передач широко применяются конструктивные методы, суть которых
сводится в основном к компенсации упругих искажений зацепления и в
демпфировании крутильных колебаний, которые возникают из-за дискретности
процесса входа зуба в зацепление и выхода из зацепления (см. выше).
В первом случае продольное сечение зуба
выполняют бочкообразным с отклонением от прямой линии, составляющим по краям
зуба 0,01-0,025 мм.
Во втором - используют упругие демпферы
(например, изготавливают ступицу колеса, податливую в окружном направлении,
используют упругие пружинные элементы в соединении ступицы колеса с зубчатым
венцом аналогично конструкции ведомого диска сухого фрикционного сцепления и
т.д.).
Контрольные вопросы к разделу
зубчатый
передача скольжение качение
1. Какие
виды зубчатых передач вы знаете?
2. Почему
в зубчатом зацеплении обязательно возникают вынужденные колебания, и от чего
зависит их частота?
. К
чему могут привести колебания в зубчатом зацеплении?
. С
чем связана неравномерность нагрузки по длине зуба в зубчатом зацеплении?
. Какой
дефект наиболее часто встречается при износе зуба?
. Как
влияют направления качения и скольжения на износ зуба?
. Почему
при осмотре зубчатого зацепления необходимо в первую очередь обращать внимание
на состояние поверхности ножки зубьев?
. Какие
методы используются для повышения износостойкости зубчатых зацеплений?