ОБЗОР ДОСТОИНСТВ И НЕДОСТАТКОВ ЭКСЦЕНТРИКОВО-ЦИКЛОИДАЛЬНОГО ЗАЦЕПЛЕНИЯ Леонтьев М.Ю.,Раевский В.А.,Смоловик А.Е.

Калужский филиал Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана


Номер: 7-5
Год: 2016
Страницы: 54-57
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

эксцентриково-циклоидальное зацепление, ресурс, коэффициент полезного действия, вибрация, себестоимость, eccentrically cycloidal engagement, resource efficiency, the vibration, the cost price

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В статье рассматриваются геометрия эксцентриково-циклоидального зацепления; описываются достоинства и недостатки малобюджетных зубчатых передач на его основе, декларируемые разработчиками зацепления, и проводится их критический анализ; дается сравнение с серийно выпускаемыми редукторами, имеющими аналогичные характеристики.

Текст научной статьи

Задача создания и внедрения высоконадежных зубчатых передач с улучшенными массогабаритными и эксплуатационными (КПД, ресурс, виброактивность) характеристиками для высоконагруженных механических приводов в энергетике, транспорте, станкостроении и других отраслях промышленности по-прежнему остается актуальной. Это подтверждается регулярным появлением новых разработок в области зубчатых передач, среди которых трудно не заметить эксцентриковоциклоидальное зубчатое зацепление (далее ЭЦ-зацепление) [1, 2 и др.]. К внедрению разработчиками предлагаются малобюджетные зубчатые передачи на основе указанного зацепления взамен зубчатых передач на основе традиционного эвольвентного зацепления. К принципиальным преимуществам зубчатых передач на основе ЭЦ-зацепления по сравнению с передачами, использующими эвольвентное зацепление, по утверждению разработчиков, относятся: 1) меньшие габариты при одинаковой мощности (нагрузочной способности), либо повышенная мощность (нагрузочная способность) при одинаковых габаритах; 2) более высокие ресурс, надежность и КПД > 98%, более низкая виброактивность; 3) снижение себестоимости в 1,5-2 раза за счет экономии металла и энергоресурсов при производстве. Попробуем разобраться за счет чего достигаются декларируемые преимущества ЭЦ-зацепления и насколько они реализуемы на практике. Для ответа на эти вопросы рассмотрим геометрию ЭЦ-зацепления (рис. 1). Имеются наборы больших и меньших колес, находящихся в зацеплении (рис. 1, а). Зубчатый профиль большего колеса составлен из венцов циклоидального профиля. Если увеличивать число таких венцов при одновременном уменьшении толщины каждого венца, то в пределе получаем эксцентриково-циклоидальное зацепление колес с криволинейными зубьями (рис. 1, б). Таким образом, данный вид зацепления образован винтовыми зубьями, контур зуба шестерни в торцовом сечении представляет собой окружность, эксцентрично смещенную относительно центра вращения, а профиль зуба колеса очерчен по циклоидальной кривой. а) б) Рис. 1 - Геометрия эксцентриково-циклоидального зацепления. Учитывая приведенные выше сведения по геометрии ЭЦ-зацепления, проанализируем аргументацию его разработчиков более детально. Во-первых, разработчики утверждают, что новый вид зацепления конструктивно прочнее, надежнее и долговечнее эвольвентного, поскольку: 1) сама форма зуба, у которого основание превышает высоту, обеспечивает минимизацию изгибных напряжений в ножке, 2) благодаря выпукло-вогнутому контакту зубьев существенно повышается площадь поверхности их взаимодействия, следовательно, контактные напряжения снижаются. С приведёнными утверждениями трудно не согласиться, однако они отнюдь не свидетельствуют о безоговорочном преимуществе ЭЦ-зацепления над эвольвентным в части надежности и долговечности. Дело в том, что циклические изгибающие напряжения в корне зуба уже давно не являются фактором, существенно лимитирующим ресурс грамотно спроектированных эвольвентных передач. Практика показывает, что для таких зацеплений лимитирующим фактором является не изгибная, а контактная прочность, которая обеспечивается оптимизацией геометрии зацепления, выбором материала зубчатых колес и термообработкой. Тезис о том, что зубья в ЭЦ-зацеплении имеют априори большую по сравнению с эвольвентным зацеплением площадь контакта и, следовательно, нагрузочную способность вследствие наличия у них зоны с выпукло-вогнутым контактом также представляется не вполне корректным. На самом деле, выпукло-вогнутый контакт не является эксклюзивным преимуществом ЭЦ-зацепления. В эвольвентном зацеплении он реализуется при контакте колес с наружными и внутренними зубьями, что, в частности, широко используется в редукторах большой мощности [3, 4 и др.]. Более того, сопоставление приведенных в [1] характеристик ЭЦ-редуктора привода механизма передвижения козлового крана с аналогичными характеристиками судового редуктора РП-10, серийно выпускаемого более 30 лет [4], свидетельствует о том, что десятикратное преимущество, декларируемое разработчиками ЭЦ-зацепления, над редукторами на основе эвольвентного зацепления не подтверждается (табл. 1). Табл. 1 - Характеристики редукторов на основе ЭЦ- и эвольвентного зацепления Редуктор Тип зацепления Передаточное отношение Количество ступеней Относительная масса, кг/Н∙м Редуктор привода козлового крана («Технология маркет») ЭЦ 16 1 0,0164 Судовой редуктор РП-10 («КТЗ») Эвольвентное 16 2 0,0170 Во-вторых, разработчики ЭЦ-зацепления утверждают, что оно обладает более высоким КПД по сравнению с эвольвентным вследствие того, что окружность перекатывается по циклоиде без проскальзывания, что снижает потери на трение в таком зацеплении. Ни в коей мере не оспаривая отсутствие проскальзывания при качении окружности по циклоиде, отметим следующее. Перемещение поверхности зуба шестерни, эксцентричной относительно оси вращения, по зубу колеса, на наш взгляд, не является качением без проскальзывания даже в случае идеально точно изготовленной передачи, не имеющей зазоров в кинематических парах и изготовленной из абсолютно жестких материалов. В реальности, при наличии погрешностей, зазоров, разнозазорностей и упругих деформаций возможность достижения в ЭЦпередачах КПД>98% представляется тем более сомнительной. В-третьих, утверждение разработчиков о меньшей виброактивности ЭЦ-зацеплений по сравнению с эвольвентными основывается на тезисе о том, что точка контакта зубьев в ЭЦ-зацеплении перемещается только в осевом направлении, находясь все время на одном расстоянии от оси вращения колеса, в то время, как у эвольвентного зацепления контакт перемещается от ножки зуба к вершине и наоборот, что приводит к пульсации передаваемого момента и повышенному шуму. Авторы статьи вообще не считают данный тезис верным по отношению к виброактивности и возникновению шума как в эвольвентных, так и в ЭЦ- передачах [5 и др]. Пульсации передаваемого момента в эвольвентном зацеплении давно и успешно снижаются применением многопарных косозубых (шевронных) зацеплений [4 и др.] и зубчатых колес с модифицированной топологии [5 и др.]. Хотим отметить, что приведенные на сайте разработчика фотографии и схемы наглядно показывают, что в ЭЦ-зацеплении пятно контакта локализуется не только по длине, но и по высоте зуба [5]. Кроме того, наличие пятна, а не линии контакта на рабочих поверхностях зубьев ставит под сомнение в том числе утверждение об отсутствии проскальзывания в ЭЦ-зацеплении. Необходимо также учесть влияние технологии изготовления деталей и узлов механизмов на рассмотренные параметры [6-9]. В-четвертых, по мнению разработчиков, важным преимуществом ЭЦзацепления перед эвольвентным является его более высокая технологичность. Следствием является снижение стоимости редукторов за счет изготовления ЭЦ-колес на менее дорогостоящем оборудовании, экономии металла и энергоресурсов при производстве, что представляется обоснованным как и то, что наибольший экономический эффект от внедрения ЭЦ-зацепления может быть получен только в условиях массового производства. Таким образом, на основании выполненного анализа конструктивных, технологических, эксплуатационных и экономических особенностей, связанных с заменой традиционного эвольвентного зацепления на ЭЦ-зацепление, авторы приходят к следующим выводам: 1. В настоящее время нет достоверных сведений об отсутствии проскальзывания в ЭЦ-зацеплении, величине КПД > 98%, снижении виброактивности и шумности по сравнению с эвольвентным. Авторами статьи исследуется вопрос о проскальзывании средствами компьютерного моделирования. 2. В настоящее время использование ЭЦ-редукторов может быть оправдано в массовом производстве механических трансмиссий исходя из экономических соображений даже в тех случаях, когда по другим параметрам (шум, прочность, ресурс, КПД) выигрыш не очевиден.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.