Підвищення довговічності конічних передач із двоопукло-ввігнутими зубцями

Abstract

У статті викладено теоретичні та практичні задачі підвищення ресурсу конічних передач з двоопукло-ввігнутими (ДОВ) зубцями шляхом вибору раціональних параметрів зачеплення на основі моделювання зношування. Теоретичні дослідження складаються з розробки математичних моделей: 1. Зачеплення ДОВ зубців конічної передачі, яка містить у собі опис бічних тривимірних поверхонь зубців і дозволяє визначати геометричні (радіуси кривизни профілів), кінематичні (швидкості кочення й ковзання) і міцнісні (нормальна сила в зачепленні, контактні й згині напруження) параметри для подальшого розрахунку зношування зубців; 2. Зношування ДОВ зубців конічних передач, у якій врахована наявність зношування в полюсній зоні зачеплення, зменшення твердості контактної поверхні в процесі зношування цементаційного шару, що дозволило забезпечити достатню точність розрахунку зношування робочих поверхонь зубців (відносна похибка не перевищує 10 %). За допомогою математичних моделей зачеплення й зношування ДОВ зубців конічних передач установлені аналітичні залежності між зношуванням і коефіцієнтами зміщення, модулем, кількістю зубців шестірні (колеса), шириною зубчастого вінця. Це дозволило обґрунтувати раціональні параметри зачеплення (за критерієм зносостійкості зубців) для забезпечення підвищеної довговічності передач. Розроблено методику експериментального визначення зношування ДОВ зубців конічних передач, яка базується на методі лазерного сканування й дозволяє визначати координати точок бічної тривимірної поверхні зубців з максимальною абсолютною похибкою 0,02 мм. Результати експериментального визначення зношування, виконані у виробничих умовах, підтвердили точність і адекватність розроблених теоретичних положень. Розроблено методику прогнозування довговічності конічних передач із ДОВ зубцями на стадії їх проєктування, яка враховує зміну їх геометричних, кінематичних і міцнісних параметрів внаслідок зміни форми профілю бічних поверхонь зубців під час зношування після кожного циклу навантаження. Розроблено програму для вибору раціональних параметрів зачеплення конічних передач із ДОВ зубцями, яка базується на методиці прогнозування їх довговічності. Вибрано раціональні параметри конічних передач із двоопукло-ввігнутими зубцями, що дозволило підвищити ресурс у 1,93 рази.

The article presents theoretical and practical approaches to increasing the service life of bevel gears with biconvex-concave (BCC) teeth by selecting optimal meshing parameters based on wear modeling. Theoretical studies involve the development of mathematical models: 1. Meshing of BCC teeth in bevel gears, which contains a description of the lateral three-dimensional surfaces of the teeth and enables the determination of geometric (radii of curvature of profiles), kinematic (rolling and sliding velocities) and strength (normal meshing force, contact stresses, and bending stresses) parameters for further wear; 2. Wear of BCC teeth in bevel gears, which takes into account the wear in the pole zone of engagement and the reduction in surface hardness due to the degradation of the cemented layer. This model ensures sufficient accuracy in calculating tooth surface wear (with a relative error not exceeding 10%). Analytical dependencies between wear and profile shift coefficients, modulus, number of teeth, width of the gear ring were established using mathematical models of meshing and wear. This allowed to substantiate rational meshing parameters (according to the criterion of wear resistance of the teeth) to ensure increased durability of the gears. A method for the experimental determination of wear in the BCC teeth of bevel gears has been developed. It is based on the laser scanning method and allows the coordinates of points on the lateral three-dimensional surface of the teeth to be determined with a maximum absolute error of 0.02 mm. The results of the experimental wear determination, conducted under production conditions, confirmed the accuracy and adequacy of the developed theoretical principles. A method for predicting the durability of bevel gears with BCC teeth at the design stage has been developed. It takes into account changes in their geometric, kinematic, and strength parameters resulting from the alteration of the side surface profile of the teeth due to wear after each load cycle. A program has been developed to select rational engagement parameters for bevel gears with BCC teeth. It is based on the durability-prediction method. Using this program rational parameters for bevel gears with biconvex-concave teeth have been selected, increasing their service life by a factor of 1.93.