Разработка метода технологического обеспечения противозадирной стойкости в кромочной зоне контактирования эвольвентных цилиндрических зубчатых колёс редукторов газотурбинных двигателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат наук Жукова Светлана Ивановна

• Жукова Светлана Ивановна
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Жукова Светлана Ивановна

Условные обозначения

ВВЕДЕНИЕ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ

1.1 Общие вопросы обеспечения надёжности работы цилиндрических зубчатых передач

1.2 Основные теории и критерии оценки риска возникновения

заедания

1.3 Анализ способов испытания зубчатых колёс

1.4 Анализ процесса моделирования сложных систем

Выводы по главе

2 ОПИСАНИЕ МЕТОДА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОТИВОЗАДИРНОЙ СТОЙКОСТИ В КРОМОЧНОЙ ЗОНЕ КОНТАКТИРОВАНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЭВОЛЬВЕНТНЫХ

ЗУБЧАТЫХ КОЛЁС РЕДУКТОРОВ ГТД

Выводы по главе

ГЛАВА 3 ОПИСАНИЕ СПОСОБА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОТИВОЗАДИРНОЙ СТОЙКОСТИ ЗУБЧАТЫХ ПАР В КРОМОЧНОЙ ЗОНЕ КОНТАКТИРОВАНИЯ

3.1 Описание физических процессов, протекающих в кромочной зоне контакта зубчатых колёс

3.2 Разработка модели взаимодействия зубчатых колёс в кромочной зоне

контактирования зубчатых колёс

3.2.1 Выбор геометрических, силовых и кинематических параметров образцов при моделировании кромочного контакта зубьев

3.2.2 Выбор геометрических, силовых и кинематических параметров

стенда для проведения испытаний на заедание

3.3 Проектирование испытательного стенда

Выводы по главе

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Алгоритм оценки риска возникновения заедания эвольвентных зубчатых колёс путём моделирования кромочного

контакта зубьев

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Листинг программы оценки риска возникновения заедания цилиндрических эвольвентных зубчатых колёс в кромочной

зоне контактирования

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Документы

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ На всех рисунках приняты следующие обозначения:

1 - зуб ведущего колеса моделируемой передачи;

2 - зуб ведомого колеса моделируемой передачи;

3 - цилиндрический образец;

4 - клиновой образец;

О1, O2 - оси вращения ведущего и ведомого колес моделируемой передачи соответственно; Р - полюс зацепления; ЛЗ - линия зацепления;

а'1, а'2 - начальная и конечная точки практической линии зацепления

соответственно;

а - угол зацепления (градусы);

г1, г2 - радиусы начальных окружностей ведущего и ведомого зубчатых колес моделируемой передачи соответственно (м);

Яе1, Re2 - радиусы окружностей выступов ведущего и ведомого колес моделируемой передачи соответственно (м);

®ь ®2 - угловые скорости ведущего и ведомого колес моделируемой передачи соответственно (рад/с);

^ - точки на ножке зуба ведущего колеса моделируемой передачи, контактирующие с вершиной зуба ведомого колеса в начальный и в конечный моменты кромочного контактирования на входе в зацепление соответственно; К3, К4 - точки на ножке зуба ведомого колеса моделируемой передачи, контактирующие с вершиной зуба ведущего колеса моделируемой передачи в кромочной зоне контактирования на выходе из зацепления соответственно; Тц, Ткл - касательные к поверхностям цилиндрического образца и цилиндрической грани клинового образца соответственно; у - угол между плоской гранью клинового образца и касательной к его цилиндрической грани (угол клина) (градусы);

в - угол между касательными к цилиндрическому образцу и к цилиндрической грани клинового образца, равный углу относительного поворота зубьев моделируемой натурной передачи в кромочной зоне контактирования (градусы);

Рв - радиус кривизны профиля в вершине зуба, моделируемого клиновым образцом (м);

Рн - радиус кривизны ножки зуба, моделируемого цилиндрическим образцом, в точке контакта с вершиной сопряжённого зуба (м);

Гкл - радиус цилиндрической грани клинового образца (м); Гц - радиус цилиндрического образца (м);

гск - радиус скругления кромки зуба, моделируемого клиновым образцом в его вершине (м); г

г тр - сила трения (Н);

$ск - скорость скольжения (м/с); Я - удельная нагрузка (Н/м);

Язд - удельная нагрузка заедания (Н/м);

П - кинематическая вязкость смазочной жидкости (м2/с); Н - твердость поверхности зубьев (МПа); 0кр - критическая температура в зоне кромочного контакта (К); с - удельная теплоемкость смазочной жидкости (Дж/кгК); с

тр - путь трения в кромочной зоне контактирования (м); 3 - деформация пары зубьев (мкм); Сз - удельная нормальная жёсткость зубьев (Н/м. мкм);

/тр - коэффициента трения;

Ra - среднее арифметическое отклонение профиля (мкм);

Rz - высота неровностей профиля по десяти точкам (мкм);

Е - модуль упругости (Па);

1 - время контакта (с);

Фокр - окружная скорость (м/с);

[он] - допускаемые контактные напряжения (МПа);

Он - контактные напряжения (МПа);

/ - верхний индекс (штрих) относит указанный символ к модели.

ВВЕДЕНИЕ

Современные тенденции в развитии конструкций машин - рост энергонасыщенности и быстроходности при стремлении к компактности-обусловили ужесточение требований к качеству технологического проектирования передач с тем, чтобы уже на стадии конструкторской проработки обеспечивалась высокая эксплуатационная надёжность машины [1, 2, 29, 75]. При внедрении новых технологий изготовления деталей и узлов ГТД на первое место выходит единство конструкторской и технологической подготовки производства, где уже на стадии конструкторской проработки закладывается технологическое качество будущего изделия. Таким образом, одновременно с проектированием деталей ГТД, разрабатывается и технология их производства, то есть осуществляется поиск конструктивно-технологического решения и его оптимизация по эксплуатационному качеству.

Требования, выдвигаемые производством при технологической обработке чертежей (применение прогрессивных способов обработки и повышение качества), связанны непосредственно с технологией изготовления зубчатых колес и направлены на снижение трудоемкости и себестоимости [87, 93, 104].

Проблема надёжности работы зубчатых передач напрямую связана с технологией их изготовления [80, 92]. Решение этой задачи основано на тщательном изучении и использовании взаимосвязи конструкторских и технологических факторов с эксплуатационными показателями надежности зубчатых передач. Особое внимание необходимо уделять управлению технологическими процессами изготовления зубчатых колес, приданию рабочим поверхностям зубьев необходимых физико-механических свойств и обеспечению заданных показателей точности сопряжения.

Исследованию задач повышения качества изготовления деталей как интегральной характеристики технологического процесса посвящены работы А.Г. Суслова, В.Ф. Безъязычного, Б.А. Тайца, Э.В. Рыжова, А.А. Маликова,

А.М. Смыслова и др. и др. [10, 11, 12, 13, 50, 51, 52, 77, 78, 80, 92, 106, 107, 116, 117, 118, 119, 120]. Опубликованные данными авторами оценки надёжности работы деталей машиностроительного производства во взаимосвязи с технологией их изготовления позволили получить важные для практики результаты. Вместе с тем, данные по исследованию надежности зубчатых передач, недостаточно полно отражают реальную картину прогнозирования параметров качества зубчатых колёс при различных методах технологической обработки, что требует проведения более детальных исследований в данном направлении.

Применение современных технологий производства, использование новых марок сталей и новых упрочняющих технологий требует уточнения, а в отдельных случаях, пересмотра методов расчетных и экспериментальных оценок эксплуатационных свойств зубчатых передач [18, 121]. В то же время, зубчатые колеса редукторов ГТД, отличаются таким большим разнообразием форм, размеров и конструктивных особенностей, что значительно затрудняет процесс подбора оптимальных характеристик зубчатых передач, а также поиск наиболее эффективных с экономической точки зрения способов их производства. Необходимость внедрения в практику проектирования методов расчёта и оптимизации зубчатых передач, в частности по критерию минимизации риска возникновения заедания в кромочном контакте, была признана на международной конференции «Авиационный комплекс России: Современное состояние и перспективы развития» [75, 103, 147].

На данный момент не существует обоснованных рекомендаций, однозначно дающих возможность по критерию обеспечения противозадирной стойкости подобрать оптимальные геометрические характеристики зубчатых передач, разграничить области применения того или иного материала и технологического процесса изготовления (в том числе сделать оптимальный выбор химико-термической обработки) и подбора смазочного материала, а также способа подачи смазки в зону контакта. Поскольку для каждой зубчатой

передачи необходимо обеспечить требуемый уровень эксплуатационных свойств, обусловленный геометрией зубчатых колес и условиями их работы, то возникает необходимость в замене эмпирических подходов к выбору характеристик передачи расчетно-экспериментальными методами проектирования при конструкторско-технологической разработке.

Таким образом, исследование, направленное на разработку технологического обеспечения противозадирной стойкости зубчатых колёс редукторов ГТД, является актуальной задачей машиностроения, которое позволит повысить точность оценки работоспособности зубчатых пар на стадии проектирования.

Учитывая выше изложенное, была поставлена следующая цель работы: разработка метода технологического обеспечения противозадирной стойкости в кромочной зоне контактирования цилиндрических зубчатых колес редукторов ГТД.

Для достижения указанной цели определены следующие задачи исследования:

- изучение физических процессов, протекающих в кромочной зоне контакта рабочих поверхностей зубьев, позволяющих через технологию изготовления и условия её осуществления обеспечить противозадирную стойкость зубчатых пар.

- разработка способа оценки заедания зубчатых колес путём физико-математического моделирования кромочного контакта зубьев и разработка испытательного стенда для проведения комплексной оценки противозадирной стойкости;

- разработка модели прогнозирования противозадирной стойкости зубчатых передач по удельной нагрузке заедания и контактным напряжениям на основе установления их закономерной функциональной связи с характеристиками проектируемой передачи и технологией изготовления;

- разработка метода технологического обеспечения противозадирной стойкости шестерен в кромочной зоне контактирования, включающего: установление связей и закономерностей достижения требуемого качества зубчатых колёс с технологическими условиями производства.

Научная новизна исследования состоит в

• разработке метода парного технологического обеспечения изготовления зубчатых колес, позволяющего с помощью решения задачи оптимизации прогнозировать работоспособность зубчатых передач по динамическому критерию противозадирной стойкости на стадии проектирования с помощью применения физико-математического моделирования кромочного контакта зубьев;

• разработке динамического критерия противозадирной стойкости по удельной нагрузке заедания, физический смысл которого представляет собой сопротивление контактирующих поверхностей вырыванию частиц с поверхности зубьев и увеличению нормального напряжения в зоне контакта;

• получении зависимостей, учитывающих совокупное влияние на процесс заедания геометрических, тепловых и нагрузочных факторов.

По результатам работы автор защищает:

1. Метод технологического обеспечения противозадирной стойкости цилиндрических эвольвентных прямозубых зубчатых колёс в кромочной зоне контактирования, основанный на параметрической оптимизации по геометрическим характеристикам зубчатой пары и условиям обработки.

2. Способ оценки риска возникновения заедания путём физико-математического моделирования кромочного контакта, позволяющий варьировать геометрические характеристики зубчатой пары и параметры технологического процесса с целью обеспечения противозадирной стойкости передачи на стадии проектирования.

3. Спроектированную установку для испытания на заедание (на основе разработанной модели кромочного контакта) с применением простых образцов,

моделирующих реальные условия кромочного контакта зубьев на входе и на выходе из зацепления.

4. Модель, алгоритм и программу расчёта, позволяющую производить последовательную конструкторско-технологическую проработку вариантов конфигурации зубчатых колёс путём выбора геометрических и кинематических параметров передачи, а также параметров техпроцесса.

Личный вклад автора состоит в разработке метода парного технологического обеспечения с помощью анализа факторов влияющих на противозадирную стойкость и описания связи процесса проектирования зубчатой передачи с технологией изготовления, в анализе существующих средств экспериментальной оценки противозадирной стойкости зубчатых передач и в разработке способа моделирования контакта зубьев, который позволяет воспроизводить геометрические и кинематические условия взаимодействия зубьев в кромочной зоне контактирования на простых образцах. Технологическое обеспечение формализовано непосредственно автором в виде модели, алгоритма и программы расчёта. Получены экспериментальные результаты, позволяющие существенно снизить затраты на проведение оценки работоспособности зубчатых передач за счёт определения противозадирной стойкости зубчатой передачи на стадии её проектирования.

Практическая ценность работы состоит в разработке:

- технологического обеспечения противозадирной стойкости цилиндрических эвольвентных зубчатых колёс путём оценки риска возникновения заедания способом моделирования на образцах кромочной зоны контактирования (получен патент на изобретение РФ № 2334210 от 20.03.2007г.);

- испытательного стенда экспериментального исследования риска возникновения заедания в кромочной зоне контакта зубьев для оценки противозадирной стойкости зубчатых колёс.

Разработанные рекомендации по экспериментальной оценке противозадирной стойкости путём технологического обеспечения переданы для внедрения в опытно-технологической лаборатории и механообрабатывающем корпусе, а также в учебном процессе Учебного центра ПАО «ОДК-Сатурн».

Достоверность результатов определена на основе расчётных и экспериментальных исследований по разработанной автором физико-математической модели, а также при сравнении с результатами исследований других авторов, в том числе на реальных передачах, с применением статистических методов обработки данных.

Апробация работы. Материалы диссертационного исследования обсуждались на X Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика технологических процессов», 2000 г., на международной научно-практической конференции «Славянтрибо-7а», 2006 г., и на международных научно-технических конференциях в рамках II, III, IV Международного технологического форума, 2015 г., 2016 г., 2017 г.

Методология и методы исследования. В работе использовались основные положения теории зубчатых зацеплений и триботехники, аналитической и дифференциальной геометрии, теории оптимизации и подобия, матричное исчисление, использовались законы теоретической механики, сопротивления материалов, теории математического моделирования, применялись методы вычислительной математики, и математической статистики, с использованием современных вычислительных средств и программного обеспечения.

Публикации по теме диссертационной работы. Результаты исследования опубликованы в 7 печатных работах, в том числе 2 в изданиях, рекомендуемых ВАК. Получено свидетельство об официальной регистрации Пат. № 2334210 Российская Федерация МПК 00Ш 3/56.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 161 наименования. Общий объём работы составил 245 страниц машинописного текста, 62 рисунка, 30 таблиц.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ.

1.1 Общие вопросы обеспечения надёжности работы цилиндрических зубчатых передач.

В редукторах и приводах газотурбинных двигателей подавляющее большинство 95%) цилиндрических зубчатых передач являются прямозубыми, при этом около 60% зубчатых колёс внешнего зацепления имеют числа зубьев 25<z<45 (zmx= 140). Модуль высоконагруженных передач колеблется в пределах 2,25...8 мм, при этом 40% имеют модуль 3... 5 мм [62]. 20 % зубчатых колёс работают с окружными скоростями от 20 до 100 м/с и более, а зубчатые колёса последних ступеней редуктора ГТД работают при сравнительно небольших окружных скоростях от 3 до 15.20 м/с.

По данным журнала Gear Technology [154], который в 2011 году провёл опрос производителей зубчатых колёс о состоянии технологий изготовления зубчатых передач, методы производства распределились следующим образом (Рисунок 1.1):

Рисунок 1.1 - Классификация методов производства зубчатых колёс

Исследование технологического обеспечения надёжности зубчатых колёс позволяет установить следующие критерии оценки эффективности изготовления, представленные в Таблице

Таблица 1.1 - Критерии оценки эффективности изготовления зубчатых колёс

Конструктивные факторы Технологические факторы

Л т о Степень точности Скорость резания (V)

о к л л Число зубьев 72) Подача (8), глубина резания (1)

т К « о Модуль (т) Стойкость инструмента (Т)

м з к о Л Ширина зубчатого венца (Ь) СОЖ

С Качество рабочих поверхностей зубьев (шероховатость Яа, твёрдость Н)

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода технологического обеспечения противозадирной стойкости в кромочной зоне контактирования эвольвентных цилиндрических зубчатых колёс редукторов газотурбинных двигателей»

о в Плавность работы (/рЪ,//Г)

н с (и Е Кинематическая точность (Ррг, Ргг,

ей Контакт зубьев (Ррг,

Нормы бокового зазора (¡птп, ЕМз, Тм )

Качество рабочих поверхностей зубчатых колес формируется под влиянием конструктивных факторов (модуля, числа зубьев и материала колеса, твердости материала заготовки и их физико-механических свойств) и технологических факторов (скорости резания, подачи, глубины резания и степени износа инструмента).

Зубчатые колеса должны обладать достаточно высокой прочностью, износостойкостью и поверхностной твердостью, обеспечивающими надежную работу зубчатой передачи при наименьших ее габаритах и массе. Общей тенденцией является повышение качества рабочих поверхностей и ужесточение требований к точности формообразования (Рисунок 1.2). Регламентируется контроль 34 параметров, которые характеризуются 42

отклонениями: кинематическая точность, плавность работы, пятно контакта зубьев, боковой зазор (Таблица 1.2).

Рисунок 1.2 - Чертёж зубчатого колеса с параметрами контроля

Таблица 1.2 - Показатели точности цилиндрических зубчатых колёс (ГОСТ

1643-81) [32]

Показатели Обозначение Степень точности Объект

Шестерня и колесо Зубчатая пара

По нормам кинематической точности

Наибольшая кинематическая погрешность зубчатого колеса У- 1 IV 3.8 *

Накопленная погрешность шага зубчатого колеса г 1 рг 3.8 *

Накопление погрешности к к шагов Гркг 3.8 *

Погрешность обката г 1 сг 3.8 * *

Радиальное биение зубчатого венца Р 1 гг 3...12 *

Колебание длины общей нормали 5...8 *

Колебание измерительного межосевого расстояния за оборот колеса Р". 1 1Г 5.12 *

По нормам плавности

Местная кинематическая погрешность /гг 3.8

Циклическая погрешность зубцовой частоты fzzг 3.8 * *

Отклонение шага зубчатого колеса /рЬ 3.12 *

Отклонение шага зацепления /ргг 3.12 * *

Погрешность профиля зуба //г 3.8 *

Колебание измерительного межосевого расстояния на одном зубе /Л г 5.12 *

По нормам контакта зубьев

Погрешность направления зуба Рвг 3.12 * *

Суммарная погрешность контактной линии колеса Ркг 3.12 *

Отклонение относительных размеров суммарной зоны касания Р/ 4.12 *

Отклонение относительных Р&кг 3.11 *

размеров суммарного пятна контакта передачи

По нормам бокового зазора

Гарантированный боковой зазор ]п,тт Все виды сопряжений *

Наименьшее дополнительное смещение исходного контура и допуск Еиз, Тн *

Наименьшее отклонение средней длины общей нормали и допуск EWms, Тшш *

Наименьшее отклонение длины общей нормали и допуск Ews, Tw *

Наименьшее отклонение толщины общей нормали и допуск Е Т ^СЛ 1 с *

Предельное отклонение измерительного межосевого расстояния Еа л, Еа 1 *

Наименьшее отклонение размера по роликам и допуск ЕМл, ТМ *

Отклонение межосевого расстояния /аг *

Кинематическая точность зубчатого колеса - величина полной погрешности его поворота за один оборот, возникает в результате непостоянства радиального положения осей заготовки и инструмента, а также в результате погрешностей обката зубообрабатывающего станка [32].

Плавность работы передачи - многократно повторяющиеся за оборот колеса колебания скорости, вызывающая динамические нагрузки, колебания

и шум. Определяется ошибками профиля и шага зуба, зависящими от точности зуборезного инструмента и зубообрабатывающего оборудования.

Боковой зазор зубчатой передачи - расстояние между боковыми поверхностями зубьев зубчатых колёс, которое определяет свободный поворот одного из зубчатых колес при неподвижном парном зубчатом колесе. Зависит от точности многих параметров зубчатых колёс (шага зацепления, профиля рабочей поверхности зуба, эксцентриситета делительной окружности и пр.), а также от неточности монтажа передачи и от температуры в зоне контакта [32].

Важнейшими показателями качества изготовления зубчатых колес также являются показатели физико-механических свойств материалов (твёрдость рабочей поверхности, химический состав, глубина цементации, механические свойства микро- и макроструктура), требования к геометрической точности детали и требования к качеству поверхности -шероховатости поверхности, величины наклёпа остаточных напряжений [120].

Таким образом, точность и качество рабочих поверхностей зубчатых колёс формируются на протяжении всего технологического процесса обработки, то есть зависят от отдельных характеристик качества, приобретённых на разных операциях обработки. Большое влияние на точность зубчатых колес оказывает технологическая система, то есть состояние зубообрабатывающего оборудования, назначение режимов обработки, выбор оснастки и режущего инструмента [89, 116, 120]:

- износ зуборезного инструмента, увеличивает погрешность профиля зуба и высоту шероховатости;

- не оптимальные режимы резания влияют на высоту неровностей обрабатываемого материала;

- неравномерная схема резания (например, при работе стандартной червячно-модульной фрезой, у которой одновременно работают две или три

режущие кромки, которые срезают слои различной толщины) порождает разный износ режущих кромок;

- большая подача режущего инструмента способствует возникновению на обрабатываемой поверхности волнистости и гребешков - возникает отклонение эвольвентного профиля зуба по высоте;

- при большой толщине срезаемого слоя увеличивается интенсивность износа режущего инструмента, увеличиваются силы резания и нарост,

- точность элементов технологической системы операций зубообработки влияет на: радиальные погрешности, зависящие от расположения заготовки и инструмента, тагенциальные погрешности, зависящие от нарушения обката инструмента и заготовки или от неточности деления, осевые погрешности, зависящие от нарушения точности перемещения инструмента вдоль оси заготовки, от погрешности производящей поверхности режущего инструмента (ошибки его проектирования, изготовления и заточки) и пр. [89, 119].

Технологии изготовления зубчатых колес развиваются в следующих направлениях снижения себестоимости:

- снижение объёма механической обработки путём формирования зубчатого венца на стадии получения заготовки;

- повышение качества зубчатых колес путём применения методов поверхностного упрочнения рабочих элементов;

- повышение производительности обработки за счёт применения методов комбинированной обработки, много инструментальных наладок, одновременной обработки нескольких зубчатых колёс.

Для прогнозирования эксплуатационных свойств зубчатых колёс необходимо выявить зависимость точности изготовления и качества рабочей поверхности от последовательности и содержания операций технологического процесса, от методов и режимов обработки, от вида и состояния режущего инструмента, от условий охлаждения, от размеров операционных припусков и других технологических факторов.

Развитие технологий производства и повышения качества зубчатых колес в последнее время осуществляется в следующих направлениях (Таблица 1.3):

Таблица 1.3 - Анализ основных направлений развития производства зубчатых колёс редукторов ГТД

Основные направления развития производства зубчатых колёс

Применение новых Изменение Расширение

материалов, конструкции технологических

имеющих более зубчатых колес за возможностей,

высокие физико- счет модификации позволяющих обеспечивать

механические зубьев [92]. свойства, отличные от

свойства, Разработка свойств материала заготовок

позволяющих специального зубчатых колес [49].

уменьшить габариты режущего Применение:

и повысить инструмента, который - термической и химико-

нагрузочную обеспечивает термической обработок

способность формообразование [121];

передачи [22, 86]. зубьев по специально - современных методов

Разработка новых подобранным нанесения покрытий [107];

видов смазки [66, сопряженным - новых упрочняющих

67]. профилям [83]. технологий [83].

Все способы поверхностной обработки стальных деталей машин, с помощью которых можно управлять прочностью, делят на следующие группы (Таблица 1.4) [72]:

Таблица 1.4 - Способы повышения прочности стальных деталей

Технологические Механические Термические Химико-термические

Резание металлов, чистовая обработка Обкатка роликами, обдувка дробью Индукционный нагрев токами высокой частоты Цементирование, азотирование

Основными направлениями в производстве зубчатых передач являются повышение силовой напряжённости и быстроходности при уменьшении габаритов и массы, увеличении сроков службы и КПД [1, 2, 75]. Этому способствуют современные достижения в области металловедения и термической обработки, которые обеспечивают существенное повышение изгибной и контактной прочности зубьев и, следовательно, повышение удельных нагрузок на зубья [109, 110, 148].

Например: прямозубая авиационная зубчатая передача из стали типа 12Х2Н4А-Ш работает при допустимом уровне контактных напряжений онр= 1500 МПа при N = 5*10 циклов, предел изгибной выносливости Ор= 950 МПа при базовом числе циклов Кро= 4*106 [40, 46, 101].

Ведутся работы, направленные на то, чтобы диффузионные покрытия зубчатых колес газотурбинных двигателей нового поколения должны соответствовать следующим значениям эксплуатационных свойств: предел контактной выносливости (определяемый в зоне зацепления) - 1500-2000 МПа; предел усталости при изгибе (контролируемый у основания зуба) -900-1200 МПа; рабочая температура поверхностей зубчатых колес - более 350-450 °С; температура мгновенных вспышек - 500-800 °С и более.

Общей тенденцией в производстве авиационных двигателей становится использование комплекснолегированных теплостойких сталей, которые применяют для ответственных деталей, работающих в условиях высоких нагрузок и скоростей скольжения. Их основополагающие свойства, определяющие работоспособность (контактная выносливость, износостойкость, сопротивление усталостному разрушению при изгибе и заеданию), определяются строением заэвтектоидной зоны слоя [49, 159].

Применительно к зубчатым передачам указанные выше тенденции привели к росту удельных нагрузок и скоростей скольжения, поэтому нагрузочная способность быстроходных высоконагруженных зубчатых передач зачастую лимитируется противозадирной стойкостью зубьев, то есть сопротивлению заеданию (Таблица 1.5).

Таблица 1.5 - Особенности повреждений зубчатых колёс

Вид разрушения

Причины возникновения

Меры предупреждения

Усталостная поломка зубьев

Зубья могут сломаться в результате больших перегрузок ударного характера или от усталости материала в результате многократно повторяющихся рабочих нагрузок. Усталостные трещины образуются чаще всего у основания зуба на той стороне, где от изгиба возникают напряжения растяжения.

Применяют: колёса с положительным смещением при нарезании зубьев; термообработку; дробеструйный наклёп; жёсткие валы; увеличивают модуль зубьев, устраняют риски от обработки, раковины и трещины в отливках

Усталостное выкрашивание поверхности зубьев (питтинг)

Возникает длительного переменных напряжений,

вследствие действия контактных вызывающих

усталость материала зубьев. Выкрашивание заключается в отслоении частичек материала с поверхности и появлении на рабочих поверхностях

небольших углублений,

напоминающих оспинки,

которые потом растут и превращаются в раковины. Выкрашивание обычно

начинается вблизи полюсной

Повышают твёрдость поверхности зубьев и степень их точности, уменьшают шероховатость, правильно выбирают сорт масла и др.

линии на ножках зубьев, где развивается наибольшая сила трения, способствующая

пластичному течению материала и образованию микротрещин на поверхности зубьев. При выкрашивании нарушается условия образования сплошной масляной плёнки, появляется металлический контакт с последующим быстрым износом или задиром поверхности.

Задир

поверхности при заедании

Заедание зубьев происходит в тяжелонагруженных быстроходных передачах. В месте контакта зубьев развиваются высокие давления и температура, масляная плёнка разрывается и появляется металлический

контакт (Ьтщ/Яа<1). Происходит как бы сваривание частиц металла с последующим отрывом их от менее прочной поверхности. Образовавшиеся наросты на зубьях задирают поверхности других зубьев, оставляя на них широкие и глубокие борозды в направлении скольжения.

Повышают твёрдость рабочих поверхностей зубьев, применяют противозадирочные масла и подбирают способ охлаждения (применяют интенсивное охлаждение), рекомендуется модификация зубьев. Снижают скорости скольжения путём коррекции или

уменьшения высоты головки зуба

Вид разрушения зубьев при плохой смазке или при наличии загрязнения абразивными

частицами. По мере изнашивания первоначальный эвольвент-ный профиль зубьев искажается, увеличиваются зазоры в зацеплении, возникают

динамические нагрузки и повышенный шум. Прочность изношенного зуба понижается вследствие уменьшения

площади поперечного сечения, что может привести к излому зуба.

Повышают твёрдость зубьев, защищают от загрязнения, применяют специальные масла, Снижают скорости скольжения путём коррекции или

уменьшения высоты головки зуба

Возникновение выше перечисленных повреждений поверхности элементов зубчатых передач может сказываться на таких показателях качества, как уровень вибраций и шума, силовые характеристики зубчатой передачи, прочностные характеристики деталей и узлов, потери на трение, динамические нагрузки. Вследствие возникновения этих повреждений, может наступить функциональный отказ редуктора.

Противозадирная стойкость - способность противостоять изнашиванию при схватывании в результате глубинного вырывания материала и переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия образовавшихся вследствие этого неровностей на сопряжённую поверхность. Заедание -наиболее яркое проявление схватывания, при котором образуются широкие глубокие борозды с неровными краями, присутствуют наросты, вероятно возникновение оплавления поверхности, в результате чего возможно полное заклинивание и выход из строя зубчатой передачи.

Процесс заедания зависит в большей степени от свойств сопряженных материалов (от твёрдости контактирующих поверхностей и от изменений в их подповерхностных слоях), от шероховатости, гладкости и приработанности рабочих поверхностей, а также от нагрузки, сорта и вязкости смазки, от рабочей температуры в контакте, которая связанна со скольжением поверхностей зубьев и ударным входом зубьев в зацепление, от динамических эффектов, связанных с погрешностями изготовления и монтажа зубчатых колёс, периодическим изменением жёсткости по фазе зацепления и износом поверхностей зубьев в процессе эксплуатации зубчатой передачи.

При работе зубчатых колёс с большими скоростями и нагрузками может наступить заедание поверхностей зубьев, если нагрузка будет превосходить некоторые предельные значения, определяемые расчётом на заедание. В тоже время у зубчатых пар заедание возникает вследствие нагрева материала - повышения температуры (объёмной и мгновенной в зоне контакта) до критической, при которой смазка и пограничный слой теряют свои смазочные и адсорбционные свойства.

Таким образом, риск возникновения металлических связей сопряжённых поверхностей зубчатых колёс зависит от точности их изготовления, от свойств материалов, из которых они изготовлены, а также от методов их обработки.

При выполнении всех правил эксплуатации правильно спроектированная и изготовленная передача не должна перегреваться и производить в работе сильный шум. Наличие данных проявлений свидетельствует о наличии внешних и/или внутренних факторов воздействия на зубчатую передачу: о недостатках, связанных с конструкцией, изготовлением, неправильным подбором смазочного материала или возможными повреждениями зубьев и пр. (Рисунок 1.3).

Как было выявлено ранее, общепринятой методики расчёта зубьев на противозадирную стойкость в настоящее время нет [57, 95, 112, 136, 138].

Рисунок 1.3 - Факторы, влияющие на работоспособность зубчатых передач

Все передачи рассчитываются одинаково - производится расчёт на выносливость по контактным он и изгибным оР (в основном для открытых передач) напряжениям (ГОСТ 21354-87) [40], основной задачей которого является определение размеров и кинематических характеристик зубчатых колёс, исключающих возможность возникновения недопустимо большой остаточной деформации, преждевременных поломок и поверхностных разрушений (Рисунок 1.4) [2, 14, 15, 29, 105, 130, 131, 1].

Расчетом нагрузочной способности и прочности зубчатых передач необходимо предусмотреть предупреждение перехода в предельные состояния зубьев передачи по шести основным критериям [76, 77]: усталостным повреждениям в виде трещин на переходной поверхности при изгибе зубьев, приводящим к их поломке, или на активной поверхности, вызывающим их выкрашивание при контактном нагружении; чрезмерным деформациям или поломке зубьев от действия максимальных нагрузок (даже однократных); значительным пластическим деформациям или хрупкому разрушению активной поверхности зубьев; потере смазочным слоем между контактирующими поверхностями зубьев несущей способности, приводящей к заеданию или различным видам износа поверхностей [30, 40, 96, 114].

Рисунок 1.4 - Структура оценки работоспособности зубчатых передач

Необходимость снижения массогабаритных показателей зубчатых передач, составляющих значительную часть современных машин, вынуждает применять при расчетах невысокие коэффициенты безопасности [101, 103, 128]. В тоже время современные стандарты не содержат чётких рекомендаций, позволяющих на стадии проектирования производить оценку работоспособности передачи по характеру взаимодействия зубьев.

В тоже время приходится учитывать тот факт, что основы прочностных расчетов по контактной и циклической прочности были созданы в середине прошлого столетия. В настоящее время они не отражают возможные резервы повышения эксплуатационных свойств. Прочностные расчеты зубчатых передач выполняются по эмпирическим зависимостям без учета легирования стали, химического и фазового состава несущего слоя [22, 24, 25, 28, 54, 55, 56].

Для уточнения методов оценки нагрузочной способности зубчатых передач следует использовать прогрессивные методы оценки нагруженности зацеплений в системе привода и предельных состояний зубьев, базирующиеся на физически обоснованных расчетных схемах. Разработка таких методов и норм требует дополнительных исследований передач, а также обобщения результатов расчетов и данных практики.

Поэтому целесообразно дальнейшее совершенствование действующих расчетных методик и норм за счет дополнения их способами установления возможных предельных состояний и формирования рекомендаций для оценки несущей способности по всем предельным состояниям [128].

Повышения точности расчетных методик можно достичь, в основном, дальнейшим уточнением методов определения нагрузок, действующих в зацеплении, а также расчетных и предельных значений напряжений. Для этого уточняется выбор номинальной нагрузки и метод расчета коэффициентов нагрузки KH(F). Необходимо перейти от безадресной условной величины удельной нагрузки, исчисляемой относительно ширины шестерни, к использованию определенной местной удельной нагрузки на контактных линиях в опасных зонах зацепления [11, 77].

Точное определение предельных состояний зубьев может быть установлено при натурных испытаниях системы привода. Такой подход требует наличия объекта для испытаний, а также больших затрат времени и средств. Поэтому на стадии проектирования передачи оценку предельных состояний зубьев целесообразно осуществлять на основании модельных испытаний на образцах.

Отсутствие норм по расчету на заедание в большинстве из рассмотренных стандартов ГОСТ, ISO, DIN свидетельствует, с одной стороны, о недооценке этих видов повреждений, а с другой, о том, что за счет надлежащего подбора конструкционных материалов, их химико-термической обработки, а также смазочных материалов прежде удавалось практически исключить отбраковку передач по этому признаку. В настоящее время в

связи с уменьшением удельной материалоемкости и габаритов передач, ухудшением теплоотвода из корпуса и ужесточения режимов эксплуатации редукторов ГТД, такое положение изменилось, и во многих случаях нагрузочная способность передач стала лимитироваться предельными состояниями зубьев по критерию заедания [23, 58, 59, 85, 149]. Для оценки риска заедания возникает необходимость применять динамическую модель, учитывающую переменность передаточного числа, действие силы трения в зацеплении, нормальный боковой зазор, инерционные и диссипативные характеристики передачи и редуктора ГТД [26, 32].

Вопросам повышения противозадирной стойкости пар трения посвящены исследования Когаева В.П., А.И. Петрусевича, А.В. Чичинадзе, Э.Л. Айрапетова, Э.Д. Брауна, И.А. Буяновского, Э.Б. Вулгакова, М.Д. Генкина, Н.Ф. Кузьмина, Ю.А. Мишарина, Ю.Н. Дроздова, Г.А. Журавлёва, И.В. Крагельского [1, 5, 7, 16, 17, 18, 19, 20, 105, 140, 141, 142]. Вопросы экспериментального исследования зубчатых колёс рассмотрены в работах Я.Г. Кистьяна, Н.Ф. Кузьмина, Terauchi Y. [13, 159, 160]. Исследованию задач повышения качества изготовления деталей как интегральной характеристики технологического процесса посвящены работы А.Г. Суслова, В.Ф. Безъязычного, Б.А. Тайца, Э.В. Рыжова А.А. Маликова, А.М. Смыслова и др. [10, 11, 12, 13, 92, 106, 107, 120].

Существенный вклад в изучение работоспособности редукторов, в исследовании сопротивляемости заеданию внесли ряд научно-исследовательских, проектно-конструкторских организаций и заводов: НПО «ЦНИИТМАШ», АО «НПЦ газотурбостроения «Салют», ОАО «Гипроуглемаш», ФГБУ «ИМАШ РАН» [3, 4, 5, 6, 7, 8, 67, 68, 69, 88, 89, 90, 102, 107, 122].

У зубчатых колес можно выделить следующие элементы, непосредственно влияющие на их рабочие функции: эвольвентные поверхности от вершины до впадины зубьев, вершины и впадины зубьев, поверхностные слои, воспринимающие нагрузку в зоне зацепления.

Из-за погрешностей изготовления, сборки и деформаций под нагрузкой и температурных изменений размеров у теоретически точного сопряжения зубьев передачи с параллельным расположением осей вращения зубчатых колёс боковой зазор становится меньше допустимого, толщина слоя смазки значительно уменьшается и происходит интерференция в точке входа в зацепление (Рисунок 1.5, б) [150, 165].

а) б)

Рисунок 1.5 - Кромочный контакт зубьев: а) перемещение кромки зуба по поверхности сопряжённого зуба; б) влияние погрешностей зацепления на контакт зубьев

Кромка зуба входит в контакт с сопряжённой поверхностью вне линии зацепления (у поверхностей нет общей нормали, а есть внедрение клина в поверхность) (Рисунок 1.5, а). Если кромка острая, то она разрушит масляную плёнку, а самая большая скорость относительного перемещения кромки по поверхности сопряжённого зуба на ножке обеспечит сдирание масляной плёнки и ювенильный контакт кромки и поверхности.

При анализе роли деформаций под нагрузкой и температурных изменений размеров деталей, а также погрешностей зацепления на возникновение и развитие кромочного контакта, для тщательного изучения выделяются следующие критические точки на активной части поверхности зуба: К1 и К4, обозначенные на Рисунке 1.6, характер протекающих процессов в которых обобщён в Таблице 1.6 [3, 4, 5, 8, 9, 57]:

а)

б)

К,

Рисунок 1.6 - Расположение зубьев в кромочном контакте: а) на входе в

зацепление; б) на выходе из зацепления

где ЛЗ - линия зацепления, Р - полюс зацепления

Таблица 1.6 - Критические точки взаимодействия пары зубьев в кромочном контакте

Критические участки кромочного контакта Особенности и характер воздействия

Вершины зубьев шестерни (колеса), наиболее удалённые от полюса зацепления (на радиусе окружности вершин Яе1 и Яе2) Имеет место максимальная скорость скольжения контактирующих поверхностей зубьев и связанные с этим повышение местной температуры, уменьшение вязкости слоя смазки и т. д.

Точки ударного входа (кромочный удар) и выхода (срединный удар) зубьев из зацепления вне расчётной точки (вне линии зацепления): К1 и К4 Действует сила удара и связанный с ней всплеск местной температуры, снижающий вязкость слоя смазки.

Участок между точкой ударного входа К1 и точкой выхода на линию зацепления а1/ - участок К1а1/ на входе в кромочный контакт (Рисунок 1.6, а) Данный участок дважды (за короткий промежуток времени) проходит точка контакта зубьев: сначала в одном направлении (скобление кромки вершины зуба колеса по профилю ножки.

зуба шестерни) от точки К до точки а!. После этого произойдет мгновенное изменение направления движения точки контакта по боковой поверхности зуба. причем на этом участке будет иметь место качение со скольжением эвольвентных профилей зубьев (с максимумом скорости скольжения в точке а/ и минимумом (ноль) в полюсе зацепления Р).

О важности исследования этих участков свидетельствует локализация задиров на головках и ножках зубьев, представленная на Рисунке 1.7 [112]. а) б)

Рисунок 1.7 - Типичные повреждения рабочих поверхностей быстроходных зубчатых передач: а) локализация задиров на цементированном зубчатом колесе; б) распределение напряжений в элементах зуба приводного колеса

Для повышения плавности работы зубчатых передач, которая влияет на точность позиционирования, уменьшения приработочного износа, шума, исключения преждевременного заедания, в конечном итоге - для повышения ресурса, очевидно, необходимо исключить кромочное взаимодействие зубьев, которое вызывает повышенный износ зубьев [51, 52, 53]. Это

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Жукова Светлана Ивановна, 2018 год

н- / -

» 1

-НЖС17-НШ0,5 -§-тао!5-нкс43 1 ЖС17-НЮ18 -*-ЖС43-1Ж43

НШЗ-НЮб

Нагрузка. Р,кН

Рисунок 4.8 - Графики изменения коэффициента трения скольжения ^ в зависимости от изменения нагрузки Р (кН) в кромочном контакте зубчатой пары: сталь 45 - сталь 40Х при разных сочетаниях твёрдостей

0,02

0,01 -

0 1---------

0,15 0,25 0,35 0,45 0,55 0,65 0,75 0,85 0,95

Нагрузка, Р кН

Рисунок 4.9 - График зависимости коэффициента трения от нагрузки Р (кН) в одноимённой паре трения: сталь 45 - сталь 45 при разных сочетания твёрдости НЯС

Температура рабочих поверхностей зубчатых колес, соответствующая удельной нагрузке заедания возрастает с ростом твёрдости и теплостойкости

упрочнённого слоя материала пары в целом и зависит от температурной стойкости смазочного материала.

Подбор смазочной среды, изучение свойств присадок производились для зубчатых колес со следующими характеристиками: модуль т=5 мм, число зубьев 71=16, 72=32, угол зацепления а=20°, ширина зубчатого венца 10 мм, из стали 12ХНЗА (термообработка: цементация и двойная объёмная закалка с высоким и низким отпуском), твёрдость цементированного слоя 4852 НЯС, чистота поверхности зубьев - 6 (шлифование - шероховатость поверхностей Яа=0,8-1,0 мкм), точность изготовления - 6, при объемной температуре масла 100 °С, при обеспечении одинаковой скорости вращения роликового образца - при обеспечении окружной скорости 8 м/сек.

С помощью стенда, описанного в настоящей работе, можно провести оценку работы зубчатой пары по критерию задиростойкости, как узла трения - анализ совместимости материалов зубчатых колес с третьим телом (смазкой).

Испытания проводились для следующих масел (Таблица 4.5) при ступенчатом нагружении (увеличение нагрузки ступенями от 1,15 кН по 0,1 кН через каждые 5 мин до возникновения схватывания) в идентичных нагрузочных и скоростных режимах, на трёх парах образцов (трёхкратная повторяемость эксперимента). Начальная нагрузка 1,15 кН, исключающая схватывание образцов, определялась расчётным путём.

Установление предельных нагрузок по заеданию осуществлялось по характеру процесса интенсивного изнашивания (осмотр рабочих поверхностей образцов), что подтверждалось увеличением потерь на трение (изменение момента трения и шум) и повышением температуры масла.

Исследования влияния условий смазывания, показывают, что более вязкие масла лучше демпфируют динамические нагрузки в зацеплении (повышается несущая способность масляного слоя) и понижают шумность передачи, одновременно масло с меньшей вязкостью интенсивнее отводит теплоту из зоны контакта зубчатых колёс (Рисунок 4.10).

о

150

&

©

130

110

90

70

50

30

10

1

\

у

1 I \

\

■ 2

q Ю6 НУм

0,3

0.5

0.7

0.9

1Д

1,3

1,5

1,7

1,9

Рисунок 4.10 - График зависимости критической температуры заедания от удельной нагрузки заедания при использовании масел с различной

вязкостью: 1 - моторное ТС-14,5 (вязкость [1=16,9 мм /с); 2 - масло

2

индустриальное И-12А (вязкость [=13 мм /с)

Согласно ряда работ [109, 110, 116], увеличение вязкости смазки должно было повлечь ухудшение условий передачи, то есть увеличение момента (коэффициента) трения в зоне контакта - рекомендовано применение более жидких смазок. Однако результаты исследования на разработанном экспериментальном стенде не подтверждают данные рекомендации, что также подтверждается результатами практической эксплуатацией зубчатых передач в редукторах ГТД. Масла с равной вязкостью не имеют равноценные противозадирные свойства, что требует проведения исследований как на испытательных стендах, моделирующих условия зацепления, так и на реальных зубчатых парах.

Введение добавок в базовое масло должно быть направлено на повышение его антифрикционных свойств, повышение несущей способности, снижение силы трения в контакте, снижение изменения температуры смазочной среды.

Таблица 4.5 - Величины предельных нагрузок, соответствующие заеданию зубчатой пары из стали 12ХНЗА для различных масел

Масло Вязкость ц, мм2/с Предельная нагрузка заедания дзд, 10 кН/м Результаты эксперимента

Обычные

Индустриальное И-12А 13,0 0,9 Отдельные риски и пятна задира появившиеся уже на первой ступени нагружения, с повышением нагрузки до третьей ступени развились в зону сплошного задира

Моторное ТС-14,5 16,9 >1,5 На четвертой ступени нагружения не наблюдалось даже начального выкрашивания. Повышенная вязкость обеспечила участки приработки и безызносного режима работы на первых трех ступенях нагружения

Цилиндровое Ц-52 61,2 1,7 На третьей ступени нагружения наблюдался только натир по профилю, начальное заедание появилось на 4 ступени нагружения

Трансмиссионное ТАП-15В 15,0 2,25 Видны дефекты в виде множества рисок при нагрузке 1,75 кН, потом происходит стабилизация

Легированные

ИА-12, доочищенное + ДФ-11 15,3 1,5 По сравнению с базовым маслом благоприятное влияние присадок проявилось на 4-5 ступенях нагружения, где наблюдалось только истирание образцов

ТС-14,5+ ДФ-11 16,9 >1,5 Легирование базового масла комплексом присадок с антиизносными свойствами изменило характер разрушения поверхностей: на первых двух ступенях нагружения наблюдался легкий натир. Благоприятное влияние присадок проявилось только на 4 и 5 ступенях нагружения.

ТС-14,5+ПМС (4%) 16,9 1,5 Наблюдался отрицательный эффект по сравнению с базовым маслом: значительный разброс и неустойчивость результатов.

ТС-14,5 +сульфол (5%) 16,9 1,5 Присадка сульфол вследствие коррозионной активности не обеспечила ожидаемого антизадирного эффекта. Наблюдался отрицательный эффект повышенного износа.

Гипоидное 21,7 >1,5 Наблюдался аналогичный характер и вид разрушения поверхности образцов как при смазке ТС-14,5

ТАП-15В+НРП Бр-БК 15,0 2,45 Повышение несущей способности по сравнению с базовым маслом ТАП-15В. Характер изменения кривых момента трения идентичен (Рисунок 4.11), но величины предельных нагрузок заедания отличаются. Лучшие результаты у добавки бронзы с оксидом алюминия Бр-К

ТАП-15В+НРП Бр-Р 15,0 2,55

ТАП-15В+НРП Бр-К 15,0 2,65

1,15 1,25 1,35 1,45 1,55 1,65 1,75 1,85 1,95 2,05 2,15 2,25 2,35 2,45 2,55 2,65 д.10б Н/м

Рисунок 4.11 - Кривые нагрузочной способности с отражением предельной нагрузки заедания для масла ТАП-15В и добавок НРП: бронза с нитридом бора Бр-БК, бронза с фосфором Бр-Р, бронза с оксидом алюминия Бр-К

По результатам эксперимента были сформированы рекомендации (Рисунок 4.12) по технологическому обеспечению противозадирной стойкости, которые состоят в установлении рекомендуемых максимально допустимых значений удельной нагрузки для различных материалов зубчатых колёс.

Противозадирная а) Материал Удельная нагрузка

стойкость —► Конструкционные 40, 45,50 и др. Язд =1,2-1,5 106

Удельная нагрузка стали Н/м

заедания, дзд, Н/м Легированные стали 40Х, 40ХН, 45Х, Язд =1,9 - 2,5 106

—► 12ХНЗА и др. Н/м

б)

к и н о

б

eö Л

б

О «

(U

В 2

f о л с

iy «

К

m

ХТО

Основные этапы типового маршрута

Улучшаемая сталь

I - черновая обработка заготовки; II - термическое упрочнение (улучшение); III- чистовая обработка заготовки; IV- нарезание зубьев; V- чистовая обработка зубьев

Цементируемая или закаливаемая сталь

1-черновая обработка заготовки; II - чистовая обработка заготовки; III - нарезание зубьев; ГУ-химико-термическая обработка; V - отделка посадочных поверхностей колеса (баз); VI - чистовая обработка зубьев

т

в)

Технологические условия операции техпроцесса зубошлифование

Применение высокотемпературных и высокопористых кругов, интенсивный подвод СОЖ в зону резания. Назначение режимов (V, Б, 1): скорость вращения шлифовального круга п= 1450... 1550 об/мин; продольная подача шлифовального круга Бпрод= 0,5.0,8 мм/об (черновое); §прод= 0,2.0,3 мм/об (чистовое); радиальная подача круга Брад= 0,04.0,05 мм/ход

г) Параметры зубчатых колес

Конструкционные стали Легированные стали

Коэффициента ширины венца колеса 0,30.0,40 0,20.0,25

Улучшение свойств рабочей поверхности зубьев: твёрдости и шероховатости Твёрдость 200.250 МПа Твёрдость 350.550 МПа

max уменьшение шероховатости поверхности профиля зуба на шлифованных поверхностях от стандартных Ra ~ 0,4 мкм до Ra = 0,15 мкм

Повышение точности и качества изготовления Применение комплексной модификации геометрии профиля зуба. Алгебраическая разность основных шагов DfPb в максимально узких пределах - 0.4 мкм. Отсутствие дефектов в поверхностном слое, прижогов и трещин

Рисунок 4.12 - Рекомендации: а) по обеспечению целевой функции тах q = / (х; Q); б) по основным этапам типового маршрута; в) по технологическим условиям; г) по параметрам зубчатых колёс

Для зубчатых колёс, при длительной работе на окружных скоростях Фокр до 21 м/сек и скоростях скольжения JCK до 8,7 м/сек удельная нагрузка по критерию противозадирной стойкости должна быть при изготовлении: из конструкционных сталей в пределах дзд =1,2-1,5106 Н/м, для легированных сталей - 1,9-2,5106 Н/м.

Выводы по Главе 4:

На основе представленных результатов исследования противозадирной стойкости можно сделать следующие выводы:

1. Полученные результаты показывают, что противозадирная стойкость в большей степени зависит от значения удельной нагрузки заедания, которая в свою очередь представляет собой целевую функцию: max q = f (X; Q), где X={S,V,t}, Q={H, Wba, fpb, jmp} - векторы внешних (условия обработки) и

внутренних параметров (характеристики передачи).

2. На основании вышеизложенного в Главе 4 следует, что на стадии конструкторско-технологической подготовки следует обеспечивать целевую функцию оптимизации maxq = f (X;Q) в пределах от 1,2 до 2,5106 Н/м для эвольвентных прямозубых цилиндрических зубчатых колёс из конструкционной и легированной стали (Таблица 4.6).

Причём при таких значениях удельной нагрузки могут образоваться тонкие или развитые риски задира, но без дальнейшего развития, то есть без перехода в заедание. Превышение указанных значений удельной нагрузки может привести к превышению предела контактной выносливости он свыше 800-900 МПа, при которой риски развиваются в сильный и очень сильный задир.

Поверхности зубьев зубчатых колёс, рассчитанные на противозадирную стойкость по данной методике, и изготовленные с оптимизированными характеристиками зубчатой пары, могут получить натир и тонкие начальные риски в процессе работы, то есть работать в начальных стадиях заедания, что не делает их неработоспособными.

Таблица 4.6 - Практические рекомендации по обеспечению целевой функции тах д = / (X; 0)

Обеспечение противозадирной прочности

Группы материалов зубчатых колес Удельная нагрузка 106 д (Н/м) Характеристики передачи

Коэффициент ширины венца Твёрдость (МПа) Шероховатость (мкм) Отклонение основного шага (мкм)

Яшт Яшах Ща Н Яа ¥рь,

Конструкционные стали 40, 45, 50, 55 и др. 1,2 1,5 0,3...0,4 200... 250 0,15... 0,4 0.4

Легированные стали 40Х, 40ХН, 45Х, 35ХМЛ, 12ХН3А и др. 1,9 2,5 0,2...0,25 350... 550

3. На основе анализа влияния технологических параметров зубчатых передач на противозадирную стойкость было выявлено значительное влияние выбранного материала зубчатых колёс и способа химико-термической обработки.

4. Представленный в работе способ оценки противозадирной стойкости позволяет производить сравнительные испытания масел и оценить эффект от добавок. В результате сравнительных испытаний масла ТАП-15П и добавки в базовое масло НРП Бр-К было выявлено увеличение нагрузки заедания на 18%, контактной выносливости в 1,6 раза.

177

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Результатом настоящей работы является метод парного технологического обеспечения противозадирной стойкости цилиндрических прямозубых эвольвентных зубчатых передач редукторов ГТД в кромочной зоне контактирования при их проектировании, основанного на параметрической оптимизации по геометрическим характеристикам зубчатой пары и условиям обработки.

2. Автором получен новый способ оценки противозадирной стойкости путём моделирования кромочного контакта с помощью простых образцов (цилиндрический и клиновой). Спроектирована установка, в которой образцы подвергаются испытаниям под нагрузкой с проскальзыванием (патент № 2334210 от 20.03.2007).

3. Разработана модель, алгоритм и программа расчёта для персонального компьютера на языке С#, позволяющие проводить оценку риска возникновения заедания на стадии проектирования зубчатой передачи.

4. Представленный в работе способ оценки противозадирной стойкости цилиндрических прямозубых эвольвентных зубчатых колес позволяет учитывать действие различных факторов и даёт возможность повышать противозадирную стойкость наиболее эффективным в каждом конкретном случае способом за счёт увеличения удельной нагрузки заедания, через выбор материала и ХТО, за счёт подбора масла, а также за счёт комплекса мер по уменьшению критической температуры заедания через снижение коэффициента трения и более интенсивное охлаждение зубчатых пар, через изменение геометрии зацепления и подбор оптимального техпроцесса производства.

5. Для проверки предложенной модели были проведены испытания по прогнозированию вероятности возникновения схватывания и заедания -определены значения удельной нагрузки для различных материалов зубчатых колес.

6. По результатам исследования разработаны рекомендации по обеспечению противозадирной стойкости для эвольвентных зубчатых колёс редукторов ГТД из конструкционной и легированной стали, позволяющие обеспечить её на стадии кострукторско-технологической подготовки: необходимо обеспечивать целевую функцию оптимизации по удельной нагрузке заедания maxq = f (X;Q) в пределах от 1,2 до 2,5х106 Н/м.

7. Данный метод позволяет путём парного обеспечения геометрических параметров зубчатых колёс, подбора техпроцессов их изготовления, назначения режимов обработки, выполняя обоснованный выбор материала и способа химико-технической обработки, оценивать качество и точность изготовления рабочих поверхностей зубьев с учётом технологических особенностей их производства и с высокой степенью достоверности предсказать риск возникновения заедания на стадии конструкторско-технологической проработки.

8. Использование данного метода, позволяет значительно ускорить внедрение новых технологических решений, сократить конструкторско-технологическую подготовку производства и снизить себестоимость изготовления на 10-20%.

В представленной работе решена научная задача, имеющая важное промышленное значение, изложены новые научно-обоснованные технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в производство зубчатых колес редукторов газотурбинных двигателей.

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ПО Программное обеспечение

ГТД Газотурбинные двигатели

ПК Персональный компьютер

ЭГД Эластогидродинамическая теория

ФММ Физико-математическое моделирование

МКП Масштабные коэффициенты перехода

ХТО Химико-термическая обработка

ТП Технологический процесс

КО Комбинированная обработка

ППД Поверхностно-пластическое деформирование

180

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Авиационные зубчатые передачи и редукторы: Справочник / Колл. авторов; Под ред. Э.Б. Вулгакова. - М.: Машиностроение. - 1981. - 374 с.

2. Александров, В.М. Контактные задачи в машиностроении / В.М. Александров, Б.Л. Ромалис. - М.: Машиностроение. -1986. - С. 176.

3. Айрапетов, Э.Л. О расчётной оценке трения и износа в зубчатых передачах // Машиностроитель. - 1997. - № 8. - С. 14- 21.

4. Айрапетов, Э.Л. Проблемные вопросы расчётной оценки трения и износа в зубчатых передачах//Техника машиностроения.- 1998. - №1 - С. 68- 101.

5. Айрапетов, Э.Л. Расчёт контактных напряжений в передачах зацеплением с локализованным контактом зубьев/ Э.Л. Айрапетов, С.Э. Айрапетов, Т.Н. Мельникова // Вестник машиностроения. - 1985. - №12. - С 6- 8.

6. Айрапетов, Э.Л. Совершенствование методов расчёта на прочность зубчатых передач // Вестник машиностроения. - 1993. - №7. - С. 5 - 14.

7. Айрапетов, Э.Л. Совершенствование методов расчёта нагруженности и прочности передач зацеплением // Техника машиностроения. - 2001. - №2. -С. 8- 34.

8. Айрапетов, Э.Л., Браун, Э.Д., Чичинадзе, А.В., Копф, И.А., Корнилов,

В.В. Роль кромочного контакта в обеспечении контактной прочности зубчатых колёс. // Металловедение и термическая обработка металлов. -2002. - №9. - С. 36- 39.

9. Айрапетов, Э.Л., Пановко, М.Я. Численное моделирование упруго-динамического контакта в зубчатых пеоредачах: Труды международной конференции «Теория и практика зубчатых передач» // Ижевск. - 1998. - С. 166- 171.

10. Безъязычный, В. Ф. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин и явление технологической наследственности:

учебное пособие / В. Ф. Безъязычный, А. Л. Водолагин. - Рыбинск. -2011. -С. 87.

11. Безъязычный, В. Ф. Оптимизация технологических условий механической обработки деталей авиационных двигателей / В. Ф. Безъязычный, Т. Д. Кожина, А. В. Константинов. М.: Изд-во МАИ. - 1993. -С.184.

12. Безъязычный, В. Ф. Технологическое обеспечение эксплуатационных показателей деталей машин / В. Ф. Безъязычный, Ю. К. Чарковский, В. Н. Крылов. - М.: Машиностроение. - 2001. — С. 217.

13. Безъязычный, В.Ф. Расчет режима обработки, обеспечивающего комплекс параметров поверхностного слоя и точность обработки // Справочник. Инженерный журнал. - 1998. - № 9. - С. 13 - 18.

14. Благодарный, В.М. Ускоренные ресурсные испытания приборных зубчатых приводов. - М.: Машиностроение. - 1980. - С. 246.

15. Брагин, В.В., Решетов, Д.Н., Маурин, Н.Н. Показатели изгибной прочности и жёсткости зубьев цилиндрических прямозубых колёс // Вестник машиностроения. - 1987. - С. 196.

16. Браун, Э.Д., Евдокимов, Ю.А., Чичинадзе, А.В. Моделирование трения и изнашивания в машинах. - М.: Машиностроение. - 1982. - С.192.

17. Буяновский, И.А. Температурно-кинетический метод оценки температурных пределов работоспособности смазочных материалов при тепловых режимах граничной смазки / И.А. Буяновский // Тренение и износ. - Т. 14. - 1993. - № 1. - С. 129- 142.

18. Буяновский, И. А., Гурский, Б.Э. Три стадии проявления температурной вспышки при трении // Трение и износ. - 1998. - Том 19, № 2. - С. 187- 193.

19. Буяновский, И.А., Фукс, И.Г., Шабалина, Т.Н. Граничная смазка: этапы развития трибологии. - М.: Издательство "Нефть и газ". - 2002. - С. 230.

20. Веников, В. А. Теория подобия и моделирования. - М.: Высшая школа. -1976. - С. 439.

21. Веселовский, А.А. Повышение износостойкости зубчатых колес из высокопрочного чугуна термодиффузионным ванадированием. // Вестник машиностроения. - М.: Машиностроение. - 2012. - №2. - С. 52- 54.

22. Винтер, Г. Метод расчета низкоскоростных передач на износ // Передачи и трансмиссии. - 2003. - №2. - С. 5- 23.

23. Влияние профилей зубьев на потери при трении и противозадирную стойкость в цилиндрических прямозубых передачах // Детали машин: Экспресс-информ. ВИНИТИ. - 1993. - N10. - С.18.

24. Влияние структуры поверхностного слоя материала зубьев на сопротивляемость заеданию зубчатых колес, упрочненных химикотермической обработкой / В.И. Шапочкин, Е.И. Тескер, Л.М. Семенова и др. // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1985.

- № 7. - C. 54- 56.

25. Волков, А.Э. Анализ нагруженной зубчатой передачи с учетом одновременной работы трех пар зубьев / А. Э Волков // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2000. - № 6. - С. 92- 100.

26. Вулгаков, Э.Б. Компьютерное проектирование эвольвентных зубчатых передач в обобщающих параметрах / Э. Б. Вулгаков, В. Дорофеев // Конверсия в машиностроении. - 2002. - №6. - С. 148- 151.

27. Вулгаков, Э.Б. Развитие эвольвентного зацепления // Материалы межд. конгресса PROCEEDINGS. - Sofia Bulgaria. - 26. - 28.09.95. - Vol.l - Р. 2124.

28. Вулгаков, Э.Б. Авиационное редукторостроение в России / Э. Б. Вулгаков // Материалы межд. конгресса PROCEEDINGS. Sofia Bulgaria. - 26.

- 28.09.95. - Vol.2 - Р. 11- 12.

29. Вычислительные методы в механике разрушения: Пер. с англ. / Эрдоган Ф., Кобаяси А., Атлури С. и др.; Под ред. Атлури С. - М.: Мир. - 1990. - С. 392.

30. Генкин, М.Д., Рыжов, М.А., Рыжов, Н.М. Повышение надежности тяжело-нагруженных зубчатых передач. - М.: Машиностроение. - 1981. - С. 232.

31. ГОСТ 13755-81 Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные. Исходный контур. Основные нормы взаимозаменяемости. - М.: Изд-во стандартов. - 1981 - С. 7.

32. ГОСТ 1643-81 Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые цилиндрические. Допуски. - М.: Изд-во стандартов. - 1981. - С. 45.

33. ГОСТ 16530-83 Передачи зубчатые. Общие термины, определения и обозначения. - М.: Изд-во стандартов. - 1983 - С. 52.

34. ГОСТ 16531-83 Межгосужарственный стандарт. Передачи зубчатые цилиндрические. Термины, определения и обозначения. - М.: Изд-во стандартов. - 1983 - С. 31.

35. ГОСТ 16532-83 Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные внешнего зацепления. Расчёт геометрии. - М.: Изд-во стандартов. - 1983-С. 44.

36. ГОСТ 21354-87 Передачи зубчатые эвольвентные внешнего зацепления. Расчёт на прочность. - М.: Изд-во стандартов. - 1987. - С. 129.

37. ГОСТ 9563-60. Основные нормы взаимозаменяемости. Колеса зубчатые. Модули. - М.: Изд-во стандартов. - 1988. - С. 127.

38. ГОСТ 2185-66 Передачи зубчатые цилиндрические. Основные параметры. - М.: Изд-во стандартов. - 1966. - С. 4.

39.ГОСТ 23207-78 Сопротивление усталости. Основные термины, определения и обозначения. - М.: Изд-во стандартов. -1978. -С. 49.

40. ГОСТ 27674-88 Трение, изнашивание и смазка. Термины и определения. -М.: Изд-во стандартов. - 1988 - С.22.

41. ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики. - М.: Изд-во стандартов. - 1973 - С. 7.

42. ГОСТ 28449.11-91 Смазочные материалы, индустриальные масла и родственные продукты. Классификация. - М.: Изд-во стандартов. - 1991 -С.35

43. ГОСТ 31381-2009. Колеса зубчатые. Виды повреждений. Классификация и описание. - 2009 - С.72.

44. ГОСТ 9012-59. Металлы. Метод измерения твёрдости по Бринеллю. - М.: Изд-во стандартов. - 2004 . - С. 39.

45. Гришко, В.А. Повышение износостойкости зубчатых передач. - М.: Машиностроение. - 1977. - С. 232.

46. Гузенко, Ю.М. Уточнённый метод определения толщины смазочных плёнок при испытании материалов зубчатых передач //Трение и износ. -1995. - Т. 16. - № 4 - С. 799- 803.

47. Гуляев, К.И. Повышение работоспособности тяжелонагруженных цилиндрических прямозубых передач / К.И. Гуляев, И.Л. Рязанцева // Станки и инструмент. - 1996. - №8. - С. 26- 29.

48. Гуляев, К.И., Рязанцева, И.Л. Профильная модификация зубьев колес эвольвентной цилиндрической передачи с учетом деформации зацепления// Журнал "Приборостроение". - 1981. - № 5. - С. 20- 25.

49. Гурский, Б.Э. Теоретические основы определения зон максимального местного износа зубьев цилиндрических эвольвентных передач: дис. окт. техн. наук. - М. - 1999. - С. 297.

50. Дальский, А. М. Аналитическое и графическое описание механизма технологического наследования Текст. / А. М. Дальский // Вестник МГТУ. -Машиностроение. - 1996. — № 3. — С. 29-35.

51. Дальский, А. М. Наследственные связи заготовительного, и механосборочного производств Текст. / А. М. Дальский // Вестник машиностроения. - 1998. — № 1. — С. 34-36.

52. Дальский, А. М. Технологическое наследование и направленное формирование эксплуатационных свойств изделий машиностроения. Текст. / А. М. Дальский, А. С. Васильев, А. И. Кондаков // Известия вузов. -Машиностроение. - 1996. — № 10-12. — С. 70-76.

53. Демидов, П.Н., Семенов, М.Ю., Нелюб, В.А. Оптимальный выбор материала и способа поверхностного упрочнения высоконагруженных зубчатых колес с целью повышения сопротивления заеданию // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2012. - № 4. - С. 22- 27.

54. Дорофеев, В.В. Основы расчёта нагрузки и напряжений, действующих в зацеплении цилиндрических зубчатых передач // Вестник машиностроения. -1983. - №1. - С. 33- 37.

55. Дорофеев, В. Л., Голованов, В.В., Гукасян, С.Г. Модификация авиационных зубчатых передач с целью уменьшения износа контактной поверхности // Современное машиностроение. Наука и образование. - 2014. -№ 4. - С. 173- 183.

56. Дроздов, Ю.Н. Метод расчета на износ зубчатых передач // Передачи и трансмиссии. - 2002. - №2. - С. 37- 43.

57. Дроздов, Ю.Н. Трение и противозадирная стойкость тяжелонагруженных передач // Трение и износ. - 1980. - Т. 1. - № 1. - С. 120- 125.

58. Дроздов, Ю.Н. Развитие трибологии для экстремальных условий// Трибол.: исслед. и прил.: Опыт США и стран СНГ // Машиностроитель. -1993. - С. 296 - 311.

59. Дроздов, Ю.Н., Туманишвили, Г.И. Толщина смазочного слоя перед заеданием трущихся тел // Вест. Машиностроения. - 1978. - № 2. - С. 8- 10.

60. Екобори, Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел. Пер. с англ. - М.: Металлургия. - 1971. - С. 264.

61. Елисеев, Ю.С., Крымов, В.В., Соколов, В.П. Эффективность работы предприятий авиадвигателестроения // Общероссийский научно технический журнал «Полет». - 2008. - № 8. - С. 55- 65.

62. Елисеев, Ю.С., Крымов, В.В. Что надо для создания двигателя нового поколения // Двигатель. - 2007. - № 3 (73). - С. 2- 5.

63. Елисеев, Ю.С. Деформации и погрешности в зацеплении и их роль в работе зубчатой передачи / Ю.С. Елисеев, И.П. Нежурин // Вестник машиностроения. - 1999. - № 8. - С. 28- 31.

64. Елисеев, Ю.С., Нежурин, И.П. Некоторые основные причины заедания зубчатых колёс // Машиностроитель. - 1997. - № 9. - С. 5- 7.

65. Ефимов, Е.В. Нестационарная термическая модель процесса заедания зубьев эвольвентной цилиндрической передаче в фазе кромочного контакта / Е.В. Ефимов, И.А. Копф, В.В. Корнилов //Вестник машиностроения. - 1993.

- N5 - 6. - С. 34- 36.

66. Ефимов, С.Н. Учет температурных режимов эксплуатации при проектировании зубчатых передач. // Транспортные средства Сибири: Сб. научн. трудов с межународным участием под общей редакцией С. П. Ереско,

- № 8. - 2002. - С. 313- 319.

67. Журавлёв, Г.А. Оценка применимости решения Герца в задачах о контакте зубьев колёс // Техника машиностроения. - 2001. - № 2. - С. 8290.

68. Журавлёв, Г. А. Условия трибосопряжения зубьев и пути совершенствования зубчатых зацеплений // Трение и износ. - Т.20. - №2. -1999. - С. 175- 188.

69. Журавлёв, Г. А. Фундаментальные эффекты прочности и прогрессивные зубчатые передачи. Тезисы конференции «Авиационный комплекс России: Современное состояние и перспективы развития» 1 - 2 февраля 2007 г. Москва. http: //www.ro sprom .gov.ru.

70. Заблонский, К.И., Филипович, С.И. К расчету зубчатых передач по предельным состояниям зубьев. - 19 с. - Деп. в ГНТБ Украины 01.12. - 1995.

- № 2583 - Ук. 95.

71. Заблонский, К.И., Филипович, С.И. Учет нагруженности зубьев при проектировании // Детали машин: Респ. межвед. науч.-техн. сб. - К.: Техника. - 1986. - Вып. 43. - С. 19- 26.

72. Зубарев, Ю.М. Технологическое обеспечение надёжности эксплуатации машин: Учебное пособие. - СПб.: Издательство «Лань». - 2016. - С. 320.

73. Иванова, Л. Н. Деформация валов и опор цилиндрических редукторов как фактор влияния на нагрузочную способность передачи / Л. Н. Иванов // Вестник машиностроения. - 2002. - №11. - С. 17- 22.

74. Изменение коэффициента трения смазочного масла при высоких давлениях / Yamomoto Yuju, Hashimoto Masaaki // Торайбородз - Жуто -j.Jap. soc. Tribologusts. - 1990/35 - №7- С. 493- 499.

75. Измерение толщины смазочных плёнок на поверхностях зубьев методом оптической интерферометрии/ Terauchi Yoshio, Nonishi Toshiji, Nuion Kikaigakkaironbunshu.C=Trans.Jap. Soc.Mech.Eng. - 1996. - 62. - №598. - С. 2417- 2421.

76. Имитационное моделирование зубчатых передач с использованием пакетов инженерного анализа // Информационные технологии / В. И. Усаков, С. П. Ереско, С. Н. Скорняков. - №12. - 2002. - С.22- 24.

77. Калашников, А.С. Технология изготовления зубчатых колес. - М.: Машиностроение. - 2004. - С. 480.

78. Калашников, С.Н. Производство зубчатых колёс: Справочник / С.Н. Калашников, А.С. Калашников, Г.И. Коган и др.; Под общ. ред. Б.А. Тайца. -3-е изд., перераб. и допол. - М.: Машиностроение. - 1990. - С. 464.

79. Кистьян, Я.Г. Экспериментальное определение жёстковти зубьве прямозубых цилиндрических колёс внешнего зацепления / Я.Г. Кистьян, И.Н. Френкель // Повышение нагрузочной способности зубчатых передач и снижение веса. - М.: ЦНИИТМАШ, МАшгиз, 1956. - С. 172-182.

80. Коднир, Д.С., Жильников, Е.П., Байбородов, Ю.И. Эластогидродинамический расчет деталей машин. - М.: Машиностроение. -1988. - С. 160.

81. Кожина, Т. Д. Технологические основы управления и контроля эксплуатационными показателями деталей машин / Т. Д. Кожина. - Рыбинск. - РГАТА. ОАО «НПО «Сатурн». - 2005. - С. 519.

82. Копф, И.А. Кромочная модель контактного разрушения эвольвентных зубчатых передач. - М.: Техника машиностроения. - 2001. - №2. - С. 4- 7.

83. Копф, И.А. О моделировании заедания эвольвентных зубчатых передач // Трение и износ. - 1986 - Т. IV.- №5 — С. 1110- 1115.

84. Копф, И.А., Корнилов, В.В., Ефимов, Е.В. Нестационарная термомеханическая модель заедания и износа эвольвентных зубчатых передач // Техника машиностроения. - № 1. - 1998. - С. 54- 59.

85. Корнилов, В.В. Нестационарная термическая модель контакта зубьев эвольвентной передачи / В. В. Корнилов, Е. В. Ефимов // Вестник машиностроения. - 1999. - №8. - С. 23- 27.

86. Крагельский, И.В., Алексеев, Н.М., Фисун, Л.Е. О природе заедания при сухом и граничном трении // Трение и износ. - 1980. - Т. 1. - № 2. - С. 197- 208.

87. Леликов, О.П. Автоматизированное проектирование цилиндрических зубчатых колес / О. П Леликов. // Справочник: инженерный журнал. - 2001.

- № 7. - С. 24- 31.

88. Максак, В.И. Определение нормальной и контактной жёсткости деталей машин при помощи ёмкостных датчиков // Вестник машиностроения. - 1973.

- №9 - С. 18- 21.

89. Маликов, А.А., Сидоркин, А.В., Ямников, А.С. Инновационные технологии обработки зубьев цилиндрических колёс: монография. - Тула: Изд-во ТулГУ, - 2011. - С. 335

90. Машины и стенды для испытания деталей машин / Под. Ред. Д.Н. Решетова.- М.: Машиностроение. - 1979. - С. 343.

91. Миронов, П.В. Возможности профильной модификации по улучшению качественных показателей зубчатой передачи / П. В. Миронов; Деп. ВНИИ-ТЭМР. - N14 МШ85. - 1985. - С. 18.

92. Метод подобия в технологии машиностроения: монография / В. Ф. Безъязычный. - М.: Машиностроение. - 2012. - С. 318.

93. Митрофанов, С.П. Применение ЭВМ в технологической подготовке серийного производства / С.П. Митрофанов, Ю.А. Гульнов, Д. Д. Куликов и др. - М.: Машиностроение. - 1981. - С. 287

94. Назин, В.И. Сравнительный анализ размеров вертолетных редукторов с различными типами зацепления // Авиационно-космическая техника и технология. - 2010. - № 7 (74). - С. 104- 106.

95. Нежурин, И.П. Применение отраслевых стандартов на допуски зубчатых колёс ОСТ 1.41667-77 и ОСТ 1.41671-77/1. - М.: НИАТ. - 1980. -С. 88.

96. О методах оценки несущей способности цилиндрических зубчатых передач (окончание) / В.Н. Кудрявцев, Д.Н. Решетов, И.С. Кузьмин, А. Л. Филипенков // Вестник машиностроения. - 1989. - № 10. - С. 16- 21.

97. Павлов, П.А. Основы инженерных расчетов элементов машин на усталость и длительную прочность. - Л.: Машиностроение. Ленингр. Отделение. - 1988. - С. 252.

98. Петрусевич, А.И. Роль гидродинамической масляной плёнки в стойкости и долговечности поверхностей контакта деталей машин // Вестник машиностроения. - 1983. - №1. - С. 4- 5.

99. Плеханов, Ф.И. Исследование напряженно-деформированного состояния зубьев колес в зоне их контакта / Ф. И. Плеханов // Передачи и трансмиссии. Ассоциация инженеров механических трансмиссий. И. - М. -1995. - №1. - С. 10- 11.

100. Повышение эксплуатационных свойств зубчатых передач // Проблемы обеспечения качества изделий в машиностроении: Сб. научн. трудов Международной конференции 5-8 сентября 1994г. / В.И. Усаков, С.Н. Ефимов. - Красноярск. - 1994. - С. 222- 225.

101. Поклад, В. А., Яковлев, В. А., Дорофеев, В. Л. Обеспечение работоспособности центрального привода двигателей в условиях повышенных вибраций // Авиационно-космическая техника и технология. -2008. - № 9. - С. 72 - 75.

102. Прогрессивные зубчатые передачи на базе фундаментальных эффектов прочности / Г. А. Журавлёв, А. А. Кучинский, Р.Н. Новиков. - М.: Наука и транспорт. - 2007. - С. 36- 38.

103. Производство зубчатых колес газотурбинных двигателей / Ю.С. Елисеев, В.В. Крымов, И.П. Нежурин, В.С. Новиков, Н.М. Рыжов - М.: Высш. шк. - 2001. - С. 493.

104. Ресурсосберегающие технологии изготовления цилиндрических зубчатых колес / А.С. Ямников и др. // Технология машиностроения. - 2008. -№7. - С. 7-10.

105. Романов, В.С., Матвеевский, Р.М., Беркович, Е.С. Метод и прибор для измерения толщины смазочного слоя при трении металлических поверхностей. - М.: Машиностроение. - 1978. - № 1. - С. 66- 68.

106. Рыжов, Н.М. Технологическое обеспечение сопротивления контактной усталости цементуемых зубчатых колес из теплостойких сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2010. - № 7 (661). - С. 39- 45.

107. Рыжов, Э.В. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин / Э.В. Рыжов, А.Г. Суслов, В.П. Федоров. М.: Машиностроение. - 1979. - С. 176.

108. Семёнов, А.П. Экспресс оценка противозадирных свойств и несущей способности материалов и покрытий зубчатых колёс. - М.: Техника машиностроения. - 2001. - №2. - С. 35- 38.

109. Семенов, М.Ю. Оценка влияния условий трения на контактную выносливость подвергнутых химико-термической обработке зубчатых колес из комплексно-легированных теплостойких сталей // Проблемы черной металлургии и материаловедения. - 2015. - № 1. - С. 70- 79.

110. Семенов, М.Ю. Проектирование технологий поверхностного упрочнения высоконагруженных зубчатых колес на основе расчетного метода // Проблемы черной металлургии и материаловедения. - 2014. - №2. - С. 16- 22.

111. Семенов, М.Ю., Рыжов, Н.М. Применение численных методов для анализа тепловых процессов в зубчатом зацеплении // Технология машиностроения. - 2012. - № 4. - С. 48- 53.

112. Семенов, М.Ю., Рыжова, М.Ю. Оценка сопротивления заеданию высоконагруженных зубчатых колес на основе энергетической модели // Технология машиностроения. - 2012. - № 5. - С. 64- 69.

113. Семенов, М.Ю., Фомина, Л.П. Оценка сопротивления заеданию деталей, подвергнутых химико-термической обработке // Общероссийский научно-технический журнал «Полет». - 2011. - № 6. - С. 54- 57.

114. Смыслов, А.М., Селиванов, К.С. Повышение долговечности деталей машин в условиях фреттинга. - Уфа: Гилем. - 2005. - С. 180.

115. Современные технологии в производстве газотурбинных двигателей / Колл. авторов; Под ред. А.Г. Братухина, Г.К. Язова, Б.Е. Карасева. - М.: Машиностроение. - 1997. - С. 416.

116. Соколов, И.И., Черкашин, В.П. Повышение противозадирной стойкости тяжелонагруженных зубчатых передач угледобывающих комбайнов // Машиностроитель. - 1997. - №9. - С. 9- 11.

117. Суслов, А.Г. Технологическое обеспечение и повышение качества деталей. Разработка новых методов обработки // Справочник. Инженерный журнал. - 1998. - № 9. - С. 9- 13.

118. Суслов, А.Г. Инженерия поверхности деталей/ А.Г. Суслов, Безъязычный В.Ф., Памфилов Ю.В.: Под ред. А. Г. Суслова. - М. Машиностроение. - 2008. - С. 260.

119. Суслов, А.Г. Научные основы технологии машиностроения /А.Г. Суслов, A.M. Дальский. - М.: Машиностроение. -2002. - С. 684.

120. Суслов, А.Г. Термофлуктуационная модель изнашивания поверхностей трения твердых тел при граничной смазке/ А.Г. Суслов, С.П. Шец, М.И. Прудников// Трение и смазка в машинах и механизмах. - М.: Машиностроение - 2008. -№10. -С. 40-47.

121. Тайц, Б.А. Точность и контроль зубчатых колёс. - М.: Машиностроение. - 1980. - С. 367.

122. Таунсенд, Эйкин. Теоретическое и экспериментальное исследование влияния условий работы зубчатой передачи на температуру зубьев. - Тр. американ. об-ва инженеров-механиков. Сер. Конструирование и технология машиностроения. - 1981. - № 1. - С. 110- 118.

123. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей машин при шлифовании / В.Ф. Безъязычный, М.А. Прокофьев, А.Н. Сутягин // Вестник РГАТУ имени П.А. Соловьева. - Рыбинск. - 2008. -1 (13) . - С. 11-14.

124. Тихомиров, П.В. Оценка заедания зубчатых колёс. М.: Машиностроение. - 2005. - С. 15- 18.

125. Толщина смазочного слоя и коэффициент трения в тяжелонагруженном точечном контакте. - Труды I Всероссийской конференции по контактно-гидродинамической теории смазки и её практическому применению в технике. - Куйбышев, - 1974. - сб. 2. Авт.: Д.С. Коднир, Р. Салуквадзе, Д.Л. Бакашвили, В.Ш. Шварцман. - С. 51- 71.

126. Трибо-2001: Изобретатели машиностроению / А. В.Чичинадзе, Э.Л. Айрапетов, Е.Д. Браун, Я. А. Копф, В .В. Корнилов. - 2002. - №3. - С. 48.

127. Усаков, В.И. Проблемы повышения эксплуатационных свойств приводов с зубчатыми передачами // Проблемы техники и технологий XXI века: тезисы докладов научной конференции / Отв. ред. А. А. Городилов. -КГТУ Красноярск. - 1994. - С. 125- 126.

128. Усаков, В.И., Ефимов, С.Н. Стенд для испытания зубчатых передач //Решение о выдаче патента по заявке N94008122/28/007830 от 09.03.94.

129. Уткин, В.С. Определение надёжности зуба прямозубой передачи по условию контактной усталости // Вестник машиностроения. - 2017. - № 3. -С. 25- 28.

130. Фарков, Г.С. Расчет зубчатых передач на контактную прочность / Г. С. Фарков, Г. Г. Скрачковский, А. Г. Фарков / Вестник машиностроения. - 2003.

- N12. - С. 19- 22.

131. Финкин, О., Гу Юн. Анализ эластогидродинамического критерия задирания зубчатых колес. - экспресс-информация // Детали машин. - 1975.

- № 2. - С. 35- 40.

132. Финкин, О., Гу Юн. Исследование применения упругодинамического критерия для расчёта заедания зубчатых передач» // Проблемы трения и смазки. - 1985. - №2. - С. 90- 97.

133. Характер и причины разрушения шестерен дорожно-строительных и сельскохозяйственных машин / С.И. Бондаренко, В.А. Карпенко, Е.А. Нестеренко и др. // Вестн. Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. - 2011. - Вып. 54. - С. 127- 133.

134. Хен, Б.-Р., Микаэлис, К., Кригер, Х. Опыт испытаний низкоскоросных зубчатых передач Б/О на износ: ТУ/0.05/90:120/12. Передачи трансмиссии. -2002. - №2. - С. 24- 36.

135. Цветков, В. Д. Системно-структурное моделирование и автоматизация проектирования технологических процессов. - Минск: Наука и техника. -1979. - С. 261.

136. Черкашин, В. П. и др. Многокритериальная оптимизация зубчатых передач на ЭВМ // Вестник машиностроения / В. П. Черкашин. - 1988. - №1.

- С. 26- 29.

137. Чичинадзе, А.В. Взаимосвязь фрикционно-износных и температурных характеристик нагруженных разноименных и одноименных фрикционных пар при стационарных и нестационарных режимах трения / А.В. Чичинадзе // Трение и износ. - Т. 21. - 2000. - № 2. - С. 158- 167.

138. Чичинадзе, А.В. Диаграмма переходов и экранирующее действие смазочного слоя / А.В. Чичинадзе, И. А. Буяновский, Б.Э. Гурский // Трение и износ (23). - 2002. - №3. - С. 334- 341.

139. Чичинадзе, А.В. Исследование экранирующего действия масляной пленки, находящейся на фрикционном контакте / А.В. Чичинадзе, Н.В. Поляков // Трение и износ. - 1983. - Т. 4. - С. 600- 607.

140. Чичинадзе, А.В., Браун, Э.Д., Кожемякина, В.Д. Трибологический тепловой режим в зубчатых передачах // Машиностроитель. - 2000. - №10. -С. 36- 46.

141. Шевелева, Г.И. Определение контактных давлений в зубчатых передачах // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 1999 / Г. И. Шевелева. - N5. - С. 30- 31.

142. Шевелёва, Г.И. Решение контактных задач методом последовательного нагружения при разных условиях равновесия // Проблемы машиностроения и надёжности машин. - 1990. - №4. - С. 68- 74.

143. Экспериментальные и теоретические результаты исследования авиационных зубчатых передач для двигателей пятого и шестого поколений / И.Ф. Кравченко, А.Б. Единович, В.А. Яковлев и др. // Авиационно-космическая техника и технология. - 2008. - № 8 (55). - С. 129- 134.

144. Begelinger, A., de Gee A.W.Y. Lubrication of sliding point contacts of AISI 52100 steel - the influence of curvature // Wear. 36. 1976. - №1. - P. 7- 11.

145. Blok, H. Theoretical study of temperature raise at surfaces of actual contact under oilness lubricating conditions. General discussion of lubrication. Institute of mechanical Engineers. Vol.2. - 1937. - Р. 222- 235.

146. Murakami, Y., Beretta, S. Small defects and inhomogeneities in fatigue strength: experiments, models and statistical implications // Extremes. - 1999. -Vol. 2. - No. 2. - P. 123- 147.

147. Murakami, Y., Endo, M. Effects of defects, inclusions and inhomogeneities on fatigue strength // International Journal of Fatigue. - 1994. - Vol. 16. - No.3. -P. 163- 182.

148. Naruse, Ch. Исследование потерь на трение, температурного режима и допустимой нагрузки по условиям заедания для цилиндрических прямозубых передач // Bull. ISMe. - 1986. - Vol.29. - № 248 - P. 600- 608.

149. Naruse, C., Haizuka, S., Nemoto, R., Takahashi, H. Influence of tooth profiles upon limiting load for scoring and frictional loss of spur gear "Bull. JSME". - 1984 - 27. - N225. - Р. 576- 583.

150. Niemann, G., Winter, H. Maschinenelemente. Bd.2. Zweite, vollig neubearbeitete Auflage. Zweiter berichtiger Nachdruck. - Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1989.

151. Predki, W. And Wassermann J. Design and Optimization of Crossed Helical Gears Made From a Combination of Steel and Plastic-Proc. of the International Conference on Gears, Garching near Munich, VDI-Berichte 1904.1. - 2005. - P. 65 - 75.

152. Radzevich, S.P. Theory of gearing: Kinetics, Geometry and Synthesis, CRC Press. - 2012.

153. Rolling contact fatigue life and spall propagation characteristics of AISI M50, M50 NiL, and AISI 52100, part III: metallurgical examination / N.H. Forster, L. Rosado, W.P. Ogden, et al. // Tribology Transactions. - 2009. - Т. 53. - №. 1. -С. 52 - 59.

154. Shen, T., Krantz, T., Sebastian, J. Advanced Gear Alloys for Ultra High StrengthApplications // Официальный сайт NASA [Электронный ресурс]. -2011. - Режим доступа:

http://ntrshttp://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/ 20110023751.pdf (дата обращения 06.05.2017).

155. Stress field evolution in a ball bearing raceway fatigue spall / Branch N.A., Nagaraj K.A., Svendsen V., et al. // Journal of ASTM International. - 2010. - Т. 7. - №. 2. - С. 1- 18.

156. Terauchi, Y. Расчётный и экспериментальный анализ модели Блока //Lubr. Eng. - 1984. - Vol.40. - №1 - C. 13- 20.

157. Terauchi, Y. Scoring of spur gear teeth / Yochio Terauchi // Lubric. Eng.-1984. - 1984. - V.27. - №232. - P. 2287- 2294.

158. Townsend, D.P., Zaretsky, E.V. Effectof Tip Reliefon Endurance Characteristics of Super-Nitralloy and AISIM-50 Spur Gears // Официальный

сайт NASA [Электронный ресурс]. - 1974. - Режим доступа: http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19740008032.pdf (дата

обращения 06.05.2017).

159. Yamamoto, J. On scuffing condition under rolling contact.P.2. In case of refined 0,45% carbon stell / Bul.JSME, 1985.V.28, №237. P. 525- 528.

160. Zaretsky, E.V. Bearing and Gear Steels for Aerospace Applications // Официальный сайт NASA [Электронный ресурс]. - 1990. - Режим доступа:

http://ntrs.nasa._gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19900011075 .pdf (дата

обращения 06.05.2017).

161. Zhuravlev, G. The Mechanism of Contact Interaction and Perfection of Toothed Engagements. Proceedings of 4-th World Congress on Gearing and Power Transmission, 16 - 18 March. - 1999. - vol.1, Paris.

Приложение А

Таблица 1 - Алгоритм оценки риска возникновения заедания эвольвентных зубчатых колёс путём моделирования кромочного контакта зубьев

№ п/п Наименование Обозначение Единицы изменения Формула расчёта Примечание Пример расчёта

1. Ввод исходных данных

1.1 Число зубьев шестерни Zl 19

1.2 Число зубьев колеса Z2 92

1.3 Модуль зацепления т мм Стандартные значения модуля ГОСТ 9563-80 20

1.4 Коэффициент смещения исходного контура шестерни Х1 0

1.5 Коэффициент смещения исходного контура колеса Х2 0

1.6 Угол зацепления а градусы параметры исходного контура инструмента ГОСТ 13755-81 20

1.7 Коэффициент высоты головки зуба Ья* 1

1.8 Коэффициент радиального зазора с* 0,25

1.9 Коэффициент уравнительного смещения Ду 0

1.10 Ширина венца шестерни Ь1 мм 200

1.11 Ширина венца колеса Ь2 мм 200

1.12 Твёрдость рабочих поверхностей шестерни Н1 МПа Выбор материала: Сталь 40Х

1.13 Твёрдость рабочих поверхностей колеса Н2 МПа Марка материала (характеристик и способа Н1= Н2= 250 МПа Нормализация

1.14 Коэффициент Пуансона шестерни упрочняющей обработки) 0,3

1.15 Коэффициент Пуансона колеса ГОСТ 4543-71 0,3

1.16 Модуль упругости материала шестерни Е1 МПа Таблица 2 приложения А 215

1.17 Модуль упругости материала колеса Е2 МПа 215

1.18 Приведённый модуль упругости Епр МПа Е 2 • Е1 •Е2 пр Е, + Е2 215

1.19 Удельная нормальная жесткость пары зубьев с Н/(мм2) 1,45104

1.20 Шероховатость поверхности зубьев шестерни Ка(ш) мкм ГОСТ 6636-69 125

1.21 Шероховатость поверхности зубьев колеса «.(■О мкм ГОСТ 6636-69 125

1.22 Угловая скорость вращения шестерни Ю1 рад/с 29

1.23 Передаваемый вращающий момент на шестерне М1 Н. м 20000

1.24 Радиус скругления кромки зуба гкром мм 0,2

1.25 Степень точности изготовления ГОСТ 1643-81 Таблица 6 приложения А 8

1.26 Предельное отклонение шага зацепления шестерни ± 1рЪ1 мкм ± 42

1.27 Предельное отклонение шага зацепления колеса ± 1рЪ2 мкм ± 53

1.28 Кинематическая вязкость масла V м2/сек Характеристики смазочного материала ГОСТ 21743-76 Масло МС-20 п = 8,54 10-5 с=1,9

1.29 Удельная теплоёмкость масла с кДж/(кгК)

2 Расчёт геометрических и кинематических параметров цилиндрической прямозубой передачи (ГОСТ 16532-70)

2.1 Расчёт основных геометрических параметров

2.1.1 Межосевое расстояние aw мм aw = (0,5\zx + Z2 ) + (x + x2 )-Ау)-m Округляют до ближайшего стандартного значения ГОСТ 2185-66 Таблица 5 приложения А 1110

2.1.2 Радиус делительной окружности шестерни r1 мм r1 = 0,5 • m • z1 190

2.1.3 Радиус делительной окружности колеса r2 мм r2 = 0,5 • m • z2 920

2.1.4 Радиус начальной окружности шестерни rw1 мм rw1 = а w/(z 2I z1 + 1) 190

2.1.5 Радиус начальной окружности колеса rw 2 мм r 0 = a — r , w2 w w1 920

2.1.6 Радиус основной окружности шестерни r01 мм r01 = r1 • cos« 178,54

2.1.7 Радиус основной окружности колеса r02 мм r02 = r2 • cos« 864, 52

2.1.8 Радиус окружности вершин зубьев шестерни Re1 мм Re1 = 0,5 • m(z1 + 2 + 2 • x1 — 2 •Ay) 210

2.1.9 Радиус окружности вершин зубьев колеса ^2 мм Яе2 = 0,5 • т(г2 + 2+2 • х2 - 2 -Ау) 940

2.1.10 Радиус окружности впадин зубьев шестерни Гг 1 мм Гд = 0,5 - т - - (к* + с* - - т 165

2.1.11 Радиус окружности впадин зубьев колеса Гг 2 мм г/2 = 0,5 - т -г2 - (к* + с* - х2) - т 895

2.1.12 Передаточное отношение 1 1 = г 2/ 21 ГОСТ 16530-83 4,842

2.1.13 Высота зуба к мм к = 2,25 - т - Ау - т 45

2.1.14 Погрешность основного шага А[Рь мкм АрЪ = -\jfpb1 + /рЪ2 67,62

2.1.5 Деформация пары зубьев под нагрузкой 5 мм д = д/С' ГОСТ 21354-81 0,0386

2.2 Расчёт основных кинематических параметров проектируемой передачи

2.2.1 Окружная сила шестерни Н ^ = ых-107 Гя 1,053 105

2.2.2 Окружная скорость шестерни окр м/с 6окр =Щ - Г1 5,51

2.2.3 Угловая скорость вращения колеса Ю2 рад/с ®2 = - Г2 6

2.2.4 Мощность Ni Вт N = F J 1У 1 t окр 5,79105

2.2.5 Передаваемая удельная нагрузка q Н/м q = M 1/(r1 • b1 • cos«) 5,6105

2.2.6 Частота вращения шестерни ni 1/мин n = Jp • 30000(ri p) 277

2.2.7 Частота вращения колеса П2 1/мин n2 = n1 • zJz 2 57

2.2.8 Число лет работы передачи L Срок службы передачи при трёхсменной работе 5 лет. Передача нереверсивная, нагрузка постоянная, производство мелкосерийное 5

2.2.9 Срок службы передачи - ресурс (суммарное машинное время) Lh час Lh = 2920 L Kr • Kc Kг = 0,85 - коэффициент годового использования передачи Kc = 3- число смен работы передачи в сутки 3,72104

2.2.10 Коэффициент ширины венца колеса ^ba Wba = b2/aw Выбирают из ряда стандартных чисел в зависимости от положения колес относительно опор Таблица 4 приложения А 0,4

2.3 Расчёт геометрических параметров кромочного контакта (на входе в зацепление)

2.3.1 Расстояние от точки / а1 до полюса зацепления P ^ P мм д1/P = 4г22 • Бт2 а+Re22 - г22 - г2 ■ Бта Рисунок 2 приложения А 54,41

2.3.2 Угол между касательной к профилю шестерни У градус a1/P + (Аф +$)+ г2 ■ Б1па У = агс8т- Кг 23,125