Кардинально улучшенные цилиндрические зубчатые передачи

Кардинально улучшенные
цилиндрические зубчатые передачи
(Евразийский патент № 011706, МПК 7, B1 Бюлл. №2, 2009.04.28,
а также Patent Application РСТ/RU2005/000367. July 05, 2005 // Publication
WO/2007/008096, F16H 55/08 (2006.01) – 18.01.2007)
1
Автор – Журавлев Гeрман Александрович – зав. отделом конструктивной
прочности НИИ М и ПМ им. Воровича И.И.
Южного Федерального Университета (ЮФУ),
ведущий специалист ООО «НПО «Транс-Капитал»
Россия, 344019, г.Ростов-на-Дону, А/я 5825, тел.: +7(863) 297-52-25
E-mail: zhuravl@math.rsu.ru
2
Реализация силовых зубчатых зацеплений
повышенной конкурентоспособности.
Возможности интенсивного развития
машиностроения.
Преимущества :
•по несущей способности при разных критериях – до 2,5 раз;
•по усталостному ресурсу безотказной работы – до 25 раз;
•по задиростойкости - до 5 раз;
•по вибрации и шуму - на 3-4 dBA;
•по КПД зацепления и передачи в целом;
•по чувствительности к технологическим отклонениям;
•по чувствительности к деформативности конструкции;
•по габариту и массе передачи – до 2 раз;
•по теплонапряженности и требованиям к смазке;
•по себестоимости изготовления ;
•по снижению осевого и/или радиального компонентов усилий в зацеплении;
•по упрощению продольной формы зубьев и конструкции опорных узлов;
•по требованиям к условиям эксплуатации;
•по условиям ремонтопригодности (в том числе – реализация поэлементной
взаимозаменяемости с предельно-изношенной эвольвентной передачей).
Правовая защита:
•Евразийский патент № 011706, приоритет 05.07.2005, опубликовано 28.04.2009.
•Широкое патентование (РСТ/RU2005/000367, 05.07.2005) в индустриальных странах
Европы, Северной Америки и Азии.
3
Создание систем зацепления повышенной конкурентоспособности основано на
выявленных фундаментальных эффектах кривизны контакта (эффектах значительно
большего, в сравнении с классическими решениями Герца и Блока, влияния кривизны упругих
тел на уровни напряжения и температуры в их контакте) и исходит из новых
представлений о физических основах совершенствования зубчатых передач. Эти подходы и
эффекты экспериментально обоснованы, коррелируют с результатами противоречивых
групп испытаний зубчатых передач, а их учетом повышаются достоверность расчетных
методик и возможности интенсивного развития зубчатых передач.
Использование эффектов кривизны контакта позволило (впервые в теории и
практике зубчатых зацеплений) перейти к совершенствованию силовых зубчатых
передач с линейчатым контактом зубьев на базе физически обоснованных прочностных
соотношений, полученных без упрощений решения плоской контактной задачи Герца.
На базе эффектов кривизны контакта усовершенствованы традиционные зацепления и
разработаны эффективные системы силового зацепления, в том числе:
• Системы дискретного зацепления
SW с колесами типа «сэндвич» без осевого
компонента усилий.
• Пространственная система сверхаддитивного смешанного зацепления IP-Baf .
• Плоская система сверхаддитивного смешанного зацепления IP-S.
• Системы внеполюсного зацепления.
Системы силового зацепления на базе эффектов кривизны контакта обладают
принципиальной новизной, они не имеют аналогов в России и за рубежом.
4
Снижение шума в режиме редукции прямозубой цилиндрической
передачи коробки передач грузового автомобиля
Параметры передачи
Модуль, m, мм
Угол наклона зубьев, 
Числа зубьев, z1,2
Окружная скорость, vo, м/с
Технология финишной обработки зубьев
Чистота поверхности зубьев, Rz, мкм
Уровень шума под неполной нагрузкой, dBA
Эвольвентное зацепление
Смешанное зацепление IP
4,25
0
14/38
9,3
Шевингование
Фрезерование
10…15
20…30
92
87…89
Снижение шума в режиме мультипликации косозубой цилиндрической
передачи коробки передач легкового автомобиля
Параметры передачи
Модуль, m, мм
Угол наклона зубьев, 
Числа зубьев, z1,2
Окружная скорость, vo, м/с
Технология финишной обработки зубьев
Чистота поверхности зубьев, Rz, мкм
Уровень шума под неполной нагрузкой, dBA
Эвольвентное зацепление Смешанное зацепление IP
2,25
28,91o
38/29
15,7
Шевингование
Фрезерование
10…15
20…30
82
79
5
Увеличение нагрузочной способности прямозубой
цилиндрической передачи смешанного зацепления IP
Параметры передачи
Модуль, m, мм
Межосевое расстояние, aw, мм
Угол наклона зубьев, 
Числа зубьев, z1,2
Технология финишной обработки
зубьев
Чистота поверхности зубьев, Rz,
мкм
Номинальное тяговое усилие
тракторов Ркр, кH
Ресурс, мото-часы
Вид отказа
Эвольвентное зацепление
Смешанное зацепление IP
6,5
6,3
276,25  0,15
0
13/71
14/74
Шевингование
Фрезерование
10…15
20…30
26,0
47,5…51,6
2500…3000
излом зубьев ведомого колеса z2,
питтинг и излом зубьев колеса z1
4885
без отказа, сохраняют
работоспособное состояние
6
Повышенная технологичность
Изготовление усовершенствованных эвольвентных колес базируется на использовании стандартного
инструмента, производящегося инструментальными фирмами. Зубообработка колес IP и SW отличается
от зубообработки традиционных эвольвентных колес только применением инструмента со специальным
профилем (фото) и может осуществляться как методом копирования, так и методом обкатки.
Например, шлифование зубьев методом обкатки может быть осуществлено:
- на станках с правкой шлифовального круга фасонным роликом;
- на станках с коническим двусторонним шлифовальным кругом, например 5М841 (“MSZ”), ZSTZ0,6 (“NILES”),
- с правкой шлифовального круга на основе специального механизма с фасонным копиром (по а.с. СССР №
1673416);
- на станках с правкой шлифовального круга с помощью ЧПУ;
- на станках с профильным (например, эльборовым) кругом.
Измерение профиля зубьев колес IP и SW может
быть осуществлено на любом приборе для
контроля
профиля
зубьев
традиционных
эвольвентных колес:
- на эвольвентомерах любого типа с определением
величин lti и ffr (по схеме b):
- на измерительных машинах с ЧПУ, например типа
PNC30VA «KLINGELNBERG», «IR-400», «HOFLER» и др.
Измерение зубчатых колес IP и SW по другим
параметрам не имеет никаких особенностей при
использовании обычного оборудования.
Отсутствует необходимость усложнения технологии, приобретения специального оборудования,
возможен (при необходимости) переход к менее дорогостоящим материалам колес, операциям их
упрочнения и чистовой обработки зубьев.
7
Снижение затрат на освоение в производстве
Возможности замещения зубчатых пар различных машин (со снижением затрат на
освоение в производстве одновременно с улучшением показателей по различным
критериям) – благодаря попарной взаимозаменяемости передач на базе эффектов кривизны
контакта с любой эвольвентной передачей без изменения корпусов и корпусных деталей.
Широкая сфера возможного применения
Вертолетостроение
Автомобилестроение
Судостроение
Двигателестроение
Локомотивостроение
Тракторостроение
Сельхозмашиностроение
Станкостроение
Вагоностроение
Подъемно-транспортное машиностроение
Металлургическое машиностроение
Горно-шахтное машиностроение
и другие отрасли машиностроения.
8
Снижение массы и габарита редукторов
Заменой в цилиндрической передаче редуктора пресса-гранулятора (фото)
эвольвентного зацепления на плоское смешанное зацепления IP (m = 6,3 мм,
 = 15o, z1 = 14, z2 = 93, термоулучшение HRC(28-30)) уменьшен в 1,7 раза
осевой габарит и улучшены другие показатели: снижена масса, увеличен
ресурс работы, упрощена технология изготовления и снижена
себестоимость – исключены закалка ТВЧ и необходимость в операции
шлифования зубьев, выполнен переход на малолегированную сталь.
Образец (ФОТО) многоцелевого двухступенчатого
редуктора IP-S (u = 40,05) с фрезерованными зубьями.
При замене одноступенчатого червячного редуктора
лебедки пассажирского лифта уменьшены габарит
(250479180 мм вместо 540538770 мм), удельная
металлоемкость (0,03 вместо 0,16 кг/(Нм)), объем
масла в картере (4 л вместо 10,5 л), шумоизлучение
(65 dBA вместо 73 dBA) и себестоимость
изготовления редуктора (исключены цветные
металлы,
операция шлифования зубьев и т.д.),
увеличены КПД зацепления (95% вместо 67%) и
мощность (7,5 квт вместо 5,0 квт), исключена
опасность заедания, уменьшены ограничения в
быстроходности, тепловом режиме и в качестве
масла.
9
Эвольвентная передача на базе эффектов кривизны контакта для вертолетостроения.
Кардинально решена проблема работоспособности (по задиростойкости) и существенно
увеличен ресурс по контактной выносливости эвольвентной цилиндрической передачи со
шлифованными зубьями главного редуктора ВР-28 вертолета
«МИ-28»
в
высокодеформативном (x  210-3 рад; y  210-3 рад) корпусе при aw= 607,69 мм, bW = 96 мм,
m = 6 мм,  = 8o, z1 = 18, z2 = 181, V0 = 11,9 м/с, цементация, закалка HRC (58 - 62),
шлифование , Т1mах = 5400 Нм, n1 = 2 490 1/мин.
10
Фото зубьев шестерни и колеса цилиндрической
передачи редуктора ВР-28 после испытаний
Фото
шестерни угольного комбайна после наработки
173 395 тонн угля (наработка в 2,5 раза выше предельной
наработки серийной эвольвентной передачи )
Угольный комбайн. Ресурс безотказной работы цилиндрической
конечной прямозубой передачи привода нижнего рабочего органа
(m= 11 мм, z1 = 14, z2 = 34,  = 0, bw = 85,0 мм, M1,2 – цементация,
H1,2 = HRC(57…61), T2 = 16700 Нм, n1 = 1440 1/мин, смазка – маслом «ТАП17») увеличен в 2,5 раза.
11
Выскоскоростная цилиндрическая передача смешанного зацепления IP – В
При упрощении технологии обработки зубьев
(отказ от продольной модификации и от
исключения переходных участков зубьев при их
шлифовании) на 25% увеличена нагрузочная
способность по изгибной выносливости зубьев
узковенцовой (bw < Px) высокоскоростной (n2 =
10310 1/мин, V0 = 109,0 м/с) цилиндрической
передачи IP (аw = 180 мм, m = 3 мм, bw = 20 мм, z1 =
50, z2 = 62,  = 21o 02’ 22”, цементация, закалка HRC
58) трансмиссии авиационного мотора.
ФОТО ПЯТЕН КОНТАКТА по трем активным
участкам зубьев после длительной (Nс  1010
циклов нагружения) эксплуатации.
Сохраняются резервы значительного улучшения
передачи, поскольку чистовой (при шлифовании)
исходный контур зубьев IP 30–22В на базе первого
(трехзонального,
полюсного)
варианта
смешанного зацепления IP был построен без учета
особенностей работы околополюсной зоны
смешанного зацепления.
12
Многовенцовые колеса типа «сэндвич» со
скреплением зубчатых дисков , например,
прецизионными штифтами или муфтами Курвика
 – угловой шаг зубьев;
p – относительное
смещение зубчатых
венцов в составном
колесе
Фото трехвенцовых составных
(типа «сэндвич») зубчатых
колес внеполюсной дискретной
передачи «SW».
13
Особенности внеполюсной дискретной передачи SW
без осевого компонента усилий с зубчатыми
колесами типа «сэндвич»
Передачи внеполюсного дискретного зацепления SW с многовенцовыми колесами типа «сэндвич» имеют
точечно-сопряженные торцовые профили зубьев и суммарный коэффициент перекрытия  < 1 вплоть до
 = 0, тогда как традиционные зубчатые передачи оказываются неработоспособными уже при  < 1. Это
условие позволяет выполнять торцовые профили зубьев по законам, не имеющим ограничения
традиционных передач и определяющим высокую конструктивную гибкость и эксплуатационные
достоинства, недостижимые в традиционных передачах:
•наиболее благоприятное сочетание малошумности передачи и ее высокой несущей способности;
•возможность снижения габарита и массы;
•меньшую себестоимость передачи;
•отсутствие осевого компонента усилий в зацеплении (разгрузка подшипников, упрощение опорных узлов)
при любых осевых размерах зубчатых колес.
Фото одноступенчатого цилиндрического редуктора С-82
с внеполюсной дискретной передачей «SW» (m = 2,5 мм,
z1,2 = 23/42, аw = 82,0 мм).
Расчетная нагрузочная
способность увеличена в 2,5 раза (относительно
косозубой эвольвентной передачи ).
Более, чем в 1,9 раза, увеличена (без дефектов колес типа «сэндвич») расчетная нагрузочная
способность редуктора SW (aw = 145 мм; m = 5 мм; z1,2 = 29; Hпов HВ320) относительно предельной (по
питтингу) нагрузки эвольвентного редуктора.
14
Решение задачи о самоторможении винтовых
передач на базе эффектов кривизны
контакта
Винтовая
ортогональная
передача
смешанного
зацепления
IP
привода
стояночного тормоза (m = 2,5 мм, z1,2 = 1/41,
аw=63,0 мм, T2 = 200 Нм) с самоторможением
(фото слева).
Винтовая
ортогональная
передача
смешанного зацепления IP (m = 2,5 мм,
z1,2 = 5/36, аw = 63,0 мм, T2 = 200 Нм) без
самоторможения – фото после полного
цикла ресурсных испытаний в приводе
стояночного тормоза (вариант) - фото
справа.
Преимущества относительно червячного редуктора – снижение трудоемкости
и себестоимости изготовления изделия; решение проблемы заклинивания зубьев
15
Повышенная ремонтопригодность
Поэлементно взаимозаменяемые (с предельно изношенными эвольвентными передачами)
прямозубые цилиндрические передачи IP повышенной конструктивной гибкости
обеспечивают продление ресурса работы и улучшение других показателей (виброзвуковая
активность, нагрузочная способность и т.д.) эвольвентных колес крупногабаритных и/или
труднодемонтируемых передач.
Уровень
шума
прямозубой
цилиндрической
передачи,
составленной
из
предельно
изношенного эвольвентного колеса
и технологически новой шестерни
IP-S (с упрощенной технологией
изготовления) на 3…4 dBA меньше,
чем для того же изношенного
эвольвентного
колеса
и
технологически
новой
эвольвентной шестерни.
16
Поэлементная взаимозаменяемость
усовершенствованных эвольвентных передач
с традиционными эвольвентными передачами
Взаимозаменяемые вал-шестерни на
базе эффекта кривизны контакта для
конического редуктора (Р= 32 кВт; z2=82;
m=4,0) привода вагонного генератора.
ФОТО ЗУБЬЕВ ШЕСТЕРНИ z1 = 21
(справа) и z1 = 22 (слева) после
длительной эксплуатации
Тип зацепления
Традиционное квазиэвольвентное
зацепление
z1
Усовершенстованное
квазиэвольвентное
зацепление
22
21
Сталь
1Ni CrMo (DIN): Ni=(3.03.5)% 12ХН3А( ГОСТ)
18ХГТ (ГОСТ) Ni0 17G-3 (DIN)
soFlimb
950MPa
800MPa
Ресурс (пробег, км)
1,5106
0,7106
усталостный излом (фото слева)
Сборка
Селективная
Неселективная
1,5106
(без отказа)
Фото справа
Неселективная
17
Высокая конструктивная гибкость
Повышенная конструктивная гибкость систем зацепления IP и SW подчеркивается сочетанием их
преимуществ (относительно традиционных систем зацепления) по противоречивым (для традиционных
передач) показателям работоспособности:
• по контактной выносливости и изгибной прочности зубьев;
• по задиростойкости и виброакустическим показателям зубчатых передач;
• по нагрузочной и перегрузочной способности зацепления;
• по нагрузочной способности и ресурсу безотказной работы
• по снижению осевого компонента усилий без увеличения осевого габарита передачи;
• по величине осевого компонента усилий и виброакустическим показателям зубчатых передач;
• по величине осевого компонента усилий и уровню несущей способности зубчатых передач;
• по нагрузочной способности и компоновочным (габаритно-массовым) характеристикам передачи.
18
Прямозубые цилиндрические передачи IP – S для
развития транспортного машиностроения
Применением зацепления IP-S более, чем в 1,5 раза, увеличена нагрузочная способность
(по мощности двигателя и уровню крутящего момента) и достигнуто снижение
себестоимости (отказ от операции шевингования зубьев) прямозубой
высокодеформативной
цилиндрической
бортовой
передачи
(aW = 276,25мм, m = 6,3 мм,  = 0) гусеничных тракторов.
Фото зубьев шестерни и
колеса бортовой передачи
IP трактора после полного
цикла испытаний.
Многоцелевой гусеничный
трактор с прямозубыми
бортовыми передачами IP.
19
Международные награды
и рекомендации к освоению
Получены две золотые медали: в инновационном салоне в Питтсбурге, США, 2006 г. (INPEX – Invention and
New Product Exposition (June 7-10, 2006) Pittsburgh, PA, USA) и на международной выставке машиностроения
(сентябрь 2006 года) «MSV» в Брно (Чехия). Для России в 2006 году на этих выставках золотые награды
оказались единственными.
Решением конференции «Авиационный комплекс России: современное состояние и перспективы развития»
(1-2.02.2007, Москва) разработки НПО «Транс-Капитал» по докладу Журавлева Г.А. (Журавлев Г.А.
Фундаментальные эффекты прочности и прогрессивные зубчатые передачи) рекомендованы к освоению в
авиастроении.
20