Мазнєв Євген Олександрович. Підвищення навантажувальної здатності циліндричних черв'ячних передач застосуванням опукло-вгнутого профілю витків черв'яка

Короткий опис

Мазнєв Євген Олександрович. Підвищення навантажувальної здатності циліндричних черв'ячних передач застосуванням опукло-вгнутого профілю витків черв'яка : Дис... канд. наук: 05.02.02 - 2010.

Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля
На правах рукописи УДК 621.833
Мазнев Евгений Александрович
ПОВЫШЕНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ
ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЧЕРВЯЧНЫХ ПЕРЕДАЧ ПРИМЕНЕНИЕМ
ВЫПУКЛО-ВОГНУТОГО ПРОФИЛЯ ВИТКОВ ЧЕРВЯКА
05.02.02 - Машиноведение
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель:
Шишов Валентин Павлович доктор технических наук, профессор
Луганск - 2010

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 6
РАЗДЕЛ 1. СОСТОЯНИЕ И НАПРАВЛЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ
ЧЕРВЯЧНЫХ ПЕРЕДАЧ 12
1.1. Обзор работ по исследованию геометрии червячных передач.... 12
1.2. Исследование критериев нагрузочной способности червячных
передач 20
1.3. Цели и задачи исследования. Постановка задачи 23
РАЗДЕЛ 2. ОБОБЩЕННАЯ ГЕОМЕТРИЯ ВИТКОВ ЧЕРВЯКА И
ЗУБЬЕВ ЧЕРВЯЧНОГО КОЛЕСА 25
2.1. Геометрия червяка с обобщенным профилем витков 25
2.1.1 Используемые системы координат 25
2.1.2. Геометрия витков червяка общего вида 26
2.1.3. Зацепление червяка и червячного колеса 36
2.1.4. Узловые линии зацепления 41
2.1.5. Поле зацепления 44
2.2. Червячные передачи с выпукло-вогнутым осевым профилем
витков червяка 45
2.2.1. Геометрия боковой поверхности витков червяка 45
2.2.2. Уравнения зацепления червяка и червячного колеса,
поверхности витков червяка и зубьев червячного колеса 58
2.2.3. Достаточные условия для исключения узловых линий из
рабочей области зацепления для выпукло-вогнутых червячных передач 59
Выводы к разделу 2 64
РАЗДЕЛ 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТЕРИЕВ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ ЧЕРВЯЧНЫХ ПЕРЕДАЧ С ЧЕРВЯКАМИ ВЫПУКЛО-ВОГНУТОГО ПРОФИЛЯ ВИТКОВ 66
3.1. Геометро-кинематические критерии нагрузочной способности
для червячных передач с червяками 66
3.1.1. Относительная скорость 66
3.1.2. Приведенная кривизна 68
3.1.3. Суммарная скорость 72
3.1.4. Коэффициенты удельных скольжений 73
3.1.5. Угол между вектором относительной скорости и линией
мгновенного контакта 75
3.1.6. Коэффициент перекрытия 76
3.1.7. Условие подрезания и заострения зубьев 76
3.2. Комплексные критерии нагрузочной способности 77
3.2.1. Расчетные критерии нагрузочной способности 77
3.2.2. Заедание червячной передачи 81
3.2.3. Длина линий мгновенного контакта 84
3.3. Коэффициенты первой квадратичной формы поверхности
витков червяка 85
2

3
3.3.1. Коэффициенты первой квадратичной формы поверхности витков червяка для червячных передач с червяками обобщенного
профиля 85
3.3.1 Коэффициенты первой квадратичной формы поверхности
для червячных передач с червяками выпукло-вогнутого профиля 89
Выводы к разделу 3 91
РАЗДЕЛ 4. АНАЛИЗ КРИТЕРИЕВ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ СИНТЕЗИРОВАННЫХ ЧЕРВЯЧНЫХ ПЕРЕДАЧ С ВЫПУКЛО-ВОГНУТЫМ ПРОФИЛЕМ ВИТКОВ ЧЕРВЯКА..93
4.1. Геометрические параметры исследуемых передач 93
4.2. Сравнительный анализ геометро-кинематических критериев... 97
4.2.1 Поле зацепления, линии мгновенного контакта и
коэффициент перекрытия 97
4.2.2. Приведенная кривизна, суммарная скорость, угол между
вектором относительной скорости и линией мгновенного контакта
102
4.3. Сравнительный анализ нагрузочной способности
синтезированных выпукло-вогнутых червячных передач. Длина линий мгновенного контакта 108
4.3.1. Длина линий мгновенного контакта 109
4.3.2. Комплексные критерии нагрузочной способности
червячных выпукло-вогнутых передач 115
4.4. Сравнение нагрузочной способности выпукло-вогнутых
червячных передач в зависимости от варианта установки шлифовального круга 125
4.5. Корригирование выпукло-вогнутых шлифованных
цилиндрических червячных передач 133
4.6. Оптимизация линий зацепления выпукло-вогнутых червячных
передач 136
4.7. Наличие переходного участка, соединяющего дуги окружностей
шлифовального круга 145
Выводы к разделу 4 146
РАЗДЕЛ 5. СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЧЕРВЯЧНЫХ ПЕРЕДАЧ
ВЫПУКЛО-ВОГНУТОГО ПРОФИЛЯ ВИТКОВ ЧЕРВЯКА.. 150
5.1. Установка по испытанию червячных передач 150
5.2. Геометрические параметры экспериментальных червячных
передач 153
5.3. Методика стендовых испытаний синтезированных червячных
передач с выпукло-вогнутым профилем витков червяка 160
5.4. Результаты стендовых испытаний 161
Выводы к разделу 5 167
ВЫВОДЫ 169
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 172
ПРИЛОЖЕНИЯ 182
ПРИЛОЖЕНИЕ А 183

4
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 193
ПРИЛОЖЕНИЕ В 201
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 204
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 212
ПРИЛОЖЕНИЕ Е 221
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж 239
ПРИЛОЖЕНИЕ И 248
ПРИЛОЖЕНИЕ К 261
ПРИЛОЖЕНИЕ Л 273
ПРИЛОЖЕНИЕ М 284
4

Список літератури

ВЫВОДЫ
В диссертационной работе впервые решена научно-практическая задача синтеза цилиндрических червячных передач с выпукло-вогнутым профилем витков червяка, имеющих повышенную нагрузочную способность.
1. На основании анализа научных работ по созданию высоко нагруженных червячных передач выбрано направление исследований по повышению нагрузочной способности червячных передач применением новой геометрии витков червяка, изготовляемого шлифованием.
2. Проведены теоретические исследования, в результате которых получила дальнейшее развитие математическая модель цилиндрической червячной передачи, содержащей червяк, изготавливаемый тороидальным шлифовальным кругом с рабочим профилем обобщенной геометрии; получены теоретические зависимости для определения геометрии боковой поверхности витков червяка и зубьев червячного колеса, и критериев работоспособности таких передач.
3. На основании полученной математической модели впервые теоретически определены геометрия поверхностей витков червяка и зубьев червячного колеса и критерии нагрузочной способности червячных передач, содержащих червяк с выпукло-вогнутым профилем витков, изготавливаемый шлифовальным кругом, осевой профиль которого состоит из двух дуг окружностей, соединенных переходным участком. Для изготовления синтезированных выпукло-вогнутых червячных передач предложены три варианта начальной установки шлифовального круга при шлифовании червяка.
4. Впервые проведены теоретические исследования и анализ значений критериев нагрузочной способности выпукло-вогнутых червячных передач, разработаны рекомендации по выбору рациональных геометрических параметров, обеспечивающих повышение нагрузочной способности и имеющие значения:
- величина угла между осью инструмента и нормалью к переходному участку -
; уменьшение величины этого угла положительно сказывается на величине коэффициента перекрытия, а также на величине критериев нагрузочной способности выпукло-вогнутых червячных передач, однако, при дальнейшем уменьшении возможно появление подрезания;
- значение величины радиуса дуги окружности , формирующего ножку витков
червяка - (или , где радиус делительной
окружности червяка);
- значение величины радиуса дуги окружности , формирующего головку витков
червяка - ( ).
5. Впервые проведены теоретические исследования и сравнение значений критериев работоспособности синтезированных червячных передач в зависимости от варианта начальной установки шлифовального круга. Результаты исследований показали, что при рекомендуемых параметрах значения критериев нагрузочной способности червячных передач с выпукло-вогнутым профилем витков червяка в сравнении с передачами изготавливаемыми дисковым коническим инструментом увеличиваются в 1,2¬1,34 раза, а коэффициент перекрытия на 9-11,5%, в зависимости от предложенного начального варианта установки инструмента.
6. Впервые проведены теоретические исследования критериев работоспособности выпукло-вогнутых червячных передач со смещением, изготавливаемых шлифованием, которые показали, что смещение синтезированных червячных передач приводит к увеличению нагрузочной способности в 1,6-1,9 раза, коэффициента перекрытия на 23-45%

135
, и появлению области с замкнутыми линиями мгновенного контакта; рекомендуемый коэффициент смещения при этом .
7. Для варианта начальной установки круга (выпуклый участок осевого
профиля витков червяка совпадает с вогнутой дугой шлифовального круга) определены геометрические параметры, при которых для выпуклой области витков червяка существует только одна нижняя узловая линия, и впервые проведен анализ критериев нагрузочной способности, который показал, что для таких передач значения критериев нагрузочной способности увеличивается в 5-6,49 раза, а коэффициент перекрытия на 15,81%, в сравнении с передачами изготовляемыми дисковым коническим инструментом.
8. По результатам экспериментальных исследований установлено, что цилиндрические червячные передачи изготовленные по рекомендуемым параметрам имеют предельный термический крутящий момент на 50% выше; крутящий момент обусловленный заеданием на 17,65% выше; предельный допускаемый момент в режиме непрерывной нагрузки на 39,13% выше; к.п.д. на 4-5% выше чем у эвольвентных передач. Установлена адекватность теоретических и экспериментальных исследований.
Полученные результаты рекомендованы к внедрению и могут быть использованы проектными организациями и машиностроительными предприятиями при проектировании и изготовлении червячных передач, содержащих червяк с выпукло-вогнутыми профилями витков и обладающих повышенной нагрузочной способностью.