Влияние параметров зубчатой передачи на прочность и их шумность
Больше прочности, меньше шума. Это два основных требования к зубчатым колесам, включая конические и гипоидные.
Основные параметры зубчатой передачи определяют ее потенциал, в том числе прочность и шумность. Есть много основных параметров и они по-разному влияют на рабочие характеристики зубчатой передачи. Специалисты по виду шестерни должны понимать эти эффекты, особенно при оптимизации наборов шестерен.
Высокий зуб более эластичен, чем стандартный зуб. У высокого зуба толщина меньше стандартной, но не значительно. Высота зуба ограничена минимальной шириной острия режущего инструмента. У высокого зуба преимущества перед стандартным: более высокое эффективное контактное отношение и меньшая интенсивность удара при входе в зацепление. Другими словами, есть преимущества прочности и малошумности без существенных недостатков.
Большой угол витка уменьшает нормальную толщину зуба и увеличивает теоретическое соотношение контактов. Уменьшенная толщина имеет влияние второго порядка на напряжение изгиба корня, уменьшая грузоподъемность шестерни. Чем выше коэффициент контакта, тем меньше пропорциональное влияние на распределение нагрузки, зубцы будут сцепляться более плавно и снижается резонанс от удара зубьев.
Уменьшение угла давления увеличивает ширину корня и верха зубьев. Учитывая этот эффект, конструктор по зубчатым колесам может увеличить глубину зуба, потому что ширина заостренной вершины не достигает своих пределов.
Шестерня с мелким шагом будет иметь более высокое отношение контакта и пропорционально более короткие и тонкие зубья, чем шестерня с крупным шагом такой же окружности. Эти эффекты возникают из-за того, что шестерня с мелким шагом имеет больше зубьев по своей окружности. Шестерня с мелким шагом также будет производить намного меньше шума, но ее нагрузочная способность будет значительно ниже.
Меньшая ширина поверхности означает низкое поперечное отношение контакта и меньшее пятно контакта. Это также означает, что будет существовать постоянный риск контакта краев зубьев даже при небольших отклонениях под нагрузкой. Но более широкая лицевая сторона создает проблемы при производстве. Стружка слишком длинная, и деформации при термообработке значительны. Более того, более широкая лицевая сторона не увеличивает прочность до ожидаемой степени. Среди скосов и гипоидов ширина торца имеет оптимальное значение, которое составляет 33% от среднего расстояния конуса зубчатого венца.
Гипоидное смещение снижает центр тяжести, но создает относительное скольжение в направлении шага зуба, увеличенный диаметр шестерни и больший угол спирали шестерни. Смещение также приводит к лучшей гидродинамической смазочной пленка, хорошим демпфирующим свойствам, более высокому общему коэффициенту контакта и повышенной прочности шестерни.
По возможности инженеры должны проектировать конические зубчатые передачи с учетом гипоидных смещений, то есть они должны проектировать гипоидные зубчатые передачи. Гипоидная зубчатая пара предпочтительнее спирально-конической зубчатой пары, потому что гипоидное смещение обеспечивает значительные преимущества в отношении прочности и шума, которые нельзя недооценивать. Однако гипоидный зацепление требует подачи специального гипоидного масла под высоким давлением, благодаря этому оно будет иметь сопротивление задирам. Кроме того, если смещение слишком велико, скорость скольжения вызывает повышение рабочей температуры, дополнительные потери энергии и риск образования задиров. Оптимальное гипоидное смещение составляет от 10% до 20% диаметра зубчатого венца. Самые современные конические шестерни - это гипоиды с оптимальным вылетом: их эффективность и прочность не имеют себе равных по сравнению с коническими шестернями со спиральными зубьями.
Малый радиус фрезы увеличивает передаточное отношение зубчатой передачи. Это происходит потому, что по сравнению с обычным или большим радиусом фрезы, маленький увеличивает угол спирали на пятке и уменьшает «естественное» движение контакта под нагрузкой по направлению к пятке. Таким образом, инженерам по зубчатым колесам следует выбирать диаметр фрезы, который позволяет средней точке контакта перемещаться от легкой нагрузки до максимальной, используя примерно 30–50% ширины торца, в то время как площадь контакта увеличивается, чтобы покрыть всю боковую поверхность без жесткого контакта с кромкой. Однако выбор инженером диаметра фрезы зависит от смещения шестерни под нагрузкой в корпусе редуктора.
Зубчатая поверхность зубьев при шлифовании создает оптимальные условия для бесперебойной работы. Эта поверхность зависит от торцевого фрезерования, поскольку плоскости обработки и линии контакта между шестернями пересекаются друг с другом под углом, который создает карманы для притирочной пасты. При торцевом фрезеровании плоскости и линии параллельны, поэтому карманы не образуются. Когда зубчатая передача с торцевыми зубьями прокатывается на притирочном станке, компаунд заполняет карманы, так что в начале притирки соприкасаются только вершины обрабатываемых зубьев. Этот контакт приводит к быстрому первоначальному снятию материала, но с низким крутящим моментом.
По мере притирки это быстрое удаление достигает своего естественного конца, когда удаляется 90% режущей структуры. Для торцевого фрезерования инженер должен выбрать радиус фрезы, который оптимально контролирует движение контакта под нагрузкой.
Инженеры по зубчатым колесам также должны помнить: если фреза имеет большое количество пусков, функция шага зуба будет приближаться к форме эвольвенты. Это приближение дает зубчатую передачу с дополнительной нечувствительностью к прогибу. В частности, он защищает зубья от контакта кромок в условиях высоких нагрузок.
