Технологічне забезпечення формоутворення зубців втулок муфт із просторовою геометрією, що компенсує змінні похибки монтажу валів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

УДК 621.9.06-52

ТЕХНОЛОГІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ФОРМОУТВОРЕННЯ ЗУБЦІВ ВТУЛОК МУФТ ІЗ ПРОСТОРОВОЮ ГЕОМЕТРІЄЮ, ЩО КОМПЕНСУЄ ЗМІННІ ПОХИБКИ МОНТАЖУ ВАЛІВ

Спеціальність 05.02.08 - технологія машинобудування

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Грубка Роман Михайлович

Донецьк 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному вищому навчальному закладі «Донецький національний технічний університет» Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Михайлов Олександр Миколайович. Державний вищий навчальний заклад «Донецький національний технічний університет» м. Донецьк, завідувач кафедри «Технологія машинобудування»

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Вітренко Володимир Олексійович. Східноукраїнський національний університет ім. В.Даля, м. Луганськ, завідувач кафедри «Теоретична і прикладна механіка»

кандидат технічних наук, доцент Настасенко Валентин Олексійович. Херсонський державний морський інститут м. Херсон, доцент кафедри «Експлуатація суднових енергетичних установок та загальна інженерна підготовка»

Захист відбудеться « _6_ » травня 2010 р. о 12.00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д11.052.04 в Державному вищому навчальному закладі «Донецький національний технічний університет» за адресою: 83001, м. Донецьк, вул. Артема 58, 6-й навчальний корпус, ауд. 6.202а.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет» за адресою: 83001, м. Донецьк, вул. Артема 58, 2-й навчальний корпус.

Автореферат розісланий « _2_ » квітня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д11.052.04,

к.т.н., доцент Т.Г. Івченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Зубчасті муфти використовуються в агрегатах для з'єднання валів, що взаємодіють в умовах наявності похибок монтажу, а їх навантажувальна й компенсуюча здатності залежать від ряду факторів, у тому числі й від виду геометрії бічної поверхні зубців втулок. Так, найбільш перспективним напрямом вдосконалення конструкції зубчастих муфт є виготовлення зубців втулок із просторовою модифікацією, що надає передачі здатності до компенсації похибок монтажу валів при збереженні лінійного контакту між зубцями й рівномірного розподілу навантаження. Проте всі відомі просторові геометрії зубців призначені для компенсації або одного значення похибки монтажу валів, або для компенсації одного виду похибок. При цьому експлуатація зубчастих муфт в умовах, відмінних від тих, для яких вони проектувалися, у ряді випадків призводить до локалізації контакту між однією або двома діаметрально протилежними парами зубців при точково-кромковому характері контактування.

Технологічні способи нарізування зубців із просторовою геометрією, що забезпечує в з'єднанні лінійний контакт і рівномірний розподіл навантаження між зубцями, ґрунтуються на дотриманні двох умов другого способу Олів'є. Дотримання даних умов призводить до ускладнення кінематики відносних рухів інструменту і заготовки, і повною мірою вони можуть бути реалізовані на операціях остаточної обробки зубчастого вінця із застосуванням спеціального технологічного оснащення й різального інструменту. Разом із тим у ряді випадків можливе застосування зубців із геометрією, наближеною до заданої просторової, отриманих на зубообробному обладнанні, що випускається серійно. Тому питання щодо розробки технологічного забезпечення попередньої обробки зубчастого вінця й отримання зубців із геометрією, наближеною до заданої просторової, із застосуванням зубообробного обладнання, що випускається серійно, є актуальними.

Таким чином, дана робота присвячена питанням встановлення взаємозв'язку між структурою просторової геометрії зубців втулок зубчастих муфт, геометрією застосовуваного інструменту й кінематикою відносних рухів інструменту й заготовки у процесі формоутворення зубчастого вінця на операціях попередньої й остаточної обробки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до плану науково-дослідних робіт кафедри «Технологія машинобудування» ДВНЗ «Донецький національний технічний університет». Автор брав безпосередню участь у роботі на тему «Наукові основи інтенсифікації процесів багатоінструментної абразивної обробки виробів із крихких неметалевих матеріалів» (№ Д4-02).

Мета і завдання дослідження. Мета дослідження -- підвищення експлуатаційних показників зубчастих муфт шляхом створення спеціального технологічного забезпечення для реалізації процесу формоутворення зубців із просторовою геометрією, що забезпечує лінійний контакт і рівномірний розподіл навантаження у з'єднанні в умовах похибок монтажу валів, що змінюються в заданих межах.

Здійснення цієї мети досягається шляхом вирішення наступних завдань:

-- виконати аналіз особливостей експлуатації зубчастих муфт і технологічних способів підвищення їх несучої і компенсуючої здатностей; обґрунтувати необхідність вдосконалення конструкції зубчастих муфт, технологічних способів їх виготовлення і засобів контролю;

-- визначити вихідні дані для розробки технологічного забезпечення виготовлення зубчастих вінців втулок зубчастих муфт із геометрією, отриманою кінематичним методом, виконати дослідження структури геометрії й експлуатаційних параметрів зубців;

-- розробити спеціальну просторову геометрію зубців втулок зубчастих муфт, здатну компенсувати декілька похибок монтажу валів, що змінюються в заданих межах, виконати дослідження її структури й визначити початкові дані для розробки технологічного забезпечення нарізування зубчастого вінця;

-- виконати розробку технологічного забезпечення виготовлення зубців втулок зубчастих муфт із спеціальною просторовою геометрією, здатною компенсувати декілька похибок монтажу валів;

-- виконати розробку технологічного забезпечення виготовлення й формоутворення зубчастого вінця втулки з геометрією, наближеною до спеціальної просторової геометрії зубців втулок зубчастих муфт, із використанням існуючого технологічного обладнання і стандартного різального інструменту;

-- провести експериментальні дослідження зміни товщини зубця втулки зі спеціальною просторовою геометрією залежно від координати по довжині зубця і від координати по висоті зубця і порівняти отримані значення з теоретичними. Впровадити результати роботи у виробництво.

Об'єкт дослідження -- елементи технологічного процесу і процесу формоутворення зубців втулок зубчастих муфт із просторовою геометрією.

Предмет дослідження -- закономірності процесу формоутворення зубців із просторовою геометрією і встановлення зв'язку кінематики відносних рухів інструменту й заготовки, структури просторової геометрії зубців і геометрії інструменту. муфта зубчастий зубець просторовий

Методи досліджень -- теоретичні дослідження ґрунтувалися на основних положеннях технології машинобудування, теорії механізмів і машин; для розв'язання тригонометричних рівнянь, що пов'язують координати точок на бічній поверхні зубців, застосований метод послідовних наближень; рівняння лінії профілю інструменту й траєкторій переміщень інструменту й заготовки визначені методом найменших квадратів. Експериментальні дослідження із визначення зміни товщини зубців ґрунтуються на методах вимірювальної фотографії. Обробка результатів експериментальних досліджень здійснювалася відповідно до теорії вірогідності й математичної статистики. Результати теоретичних досліджень отримані з точністю, допустимою для інженерних розрахунків, і підтверджені результатами експериментальних досліджень. Розрахунки виконані на ПК із застосуванням прикладних програм.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Вперше запропонована просторова геометрія зубців втулки, з'єднання на основі якої здатні компенсувати похибки монтажу валів, що змінюються в заданих межах, при збереженні лінійного контакту й рівномірного розподілу навантаження.

2. Вперше запропонований спосіб формоутворення зубців втулки з просторовою геометрією, з'єднання на основі якої здатні компенсувати похибки монтажу валів, що змінюються в заданих межах.

3. Вперше розроблений технологічний спосіб обробки зубців втулки з просторовою геометрією, з'єднання на основі якої здатні компенсувати похибки монтажу валів, що змінюються в заданих межах, при збереженні лінійного контакту й рівномірного розподілу навантаження із застосуванням існуючого технологічного обладнання й стандартного різального інструменту.

4. Наведені в роботі математичні залежності вперше дозволяють провести обробку сукупних вимірювань товщини зубця втулки із просторовою геометрією з урахуванням безперервної її зміни залежно від координати по висоті й довжині зубця.

Практичне значення отриманих результатів. У роботі подані рекомендації із синтезу просторових геометрій зубців втулок зубчастих муфт, з'єднання на основі яких здатні компенсувати всі можливі складові похибок монтажу валів, що змінюються в заданих межах, при збереженні лінійного контакту й рівномірного розподілу навантаження. Отримані в результаті синтезу геометрії значення координат точок бічної поверхні зубців є вихідними даними для розробки технологічного забезпечення нарізування зубчастого вінця. Викладені в роботі рекомендації з розробки технологічного забезпечення дозволяють проектувати технологічні процеси виготовлення зубців втулок зубчастих муфт як із запропонованою просторовою геометрією, так і з геометрією, наближеною до неї. При цьому нарізування зубців із наближеною геометрією запропоновано виконувати на існуючому серійному обладнанні стандартним різальним інструментом, для чого наведені рекомендації щодо визначення параметрів для налагодження зубофрезерних верстатів. Отримані в роботі результати можуть бути використані на машинобудівних підприємствах, а також у науково-дослідних і проектних організаціях при проектуванні й виробництві циліндричних зубчастих коліс.

Результати роботи впроваджені на Сніжнянському машинобудівному заводі ВАТ «Мотор Січ», ВАТ «Донецький проектно-конструкторський технологічний інститут», ЗАТ «Завод вентиляційного обладнання «ДОНВЕНТИЛЯТОР», а також у ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» і використовуються при викладанні дисципліни «Технологія обробки типових деталей і складання машин».

Особистий внесок здобувача. Результати теоретичних та експериментальних досліджень, які представлені до захисту, отримані автором особисто й викладені в 14 роботах. У роботах, опублікованих у співавторстві, внесок співавторів обмежувався постановкою завдань і контролем вірогідності отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на таких конференціях і семінарах: МНТК «Машинобудування і техносфера XXI ст.» (Донецьк -- Севастополь, 2001; 2005; 2007; 2008; 2009 рр.), Міжнародний науково-практичний семінар «Практика і перспективи розвитку й інституційного партнерства» (Донецьк -- Таганрог, 2001; 2003 рр.), Міжнародний науково-практичний семінар «Практика і перспективи розвитку й інституційного партнерства» (Таганрог -- Донецьк, 2002 р.), Міжнародний науково-практичний семінар «Практика і перспективи розвитку партнерства у вищій школі» (Таганрог -- Донецьк, 2004; 2006 рр.), Міжнародний науково-практичний семінар «Практика і перспективи розвитку партнерства у вищій школі» (Донецьк -- Таганрог, 2009 р).

Публікації. Основний зміст роботи відображено в 14 працях, серед яких 5 наукових статей у фахових виданнях ВАК України, 2 патенти на винахід, 7 наукових статей у збірниках наукових конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 6 розділів, відомостей про впровадження результатів роботи, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації 357 сторінок, включаючи 150 сторінок основної частини, 33 таблиці, 63 рисунки, 215 літературних джерел на 22 сторінках і 16 додатків на 125 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі «Сучасний стан питання дослідження. Мета і завдання дослідження» виконаний аналіз існуючих конструктивних способів підвищення несучої і компенсуючої здатностей зубчастих муфт, способів формоутворення зубців втулок із різними геометріями на бічній поверхні, способів контролю точності зубчастих вінців муфт.

Основою для аналізу конструкцій зубчастих муфт і технологій виготовлення зубчастих вінців є роботи учених: Айрапєтова Е.Л., Гейнца Р., Генкіна М.Д., Гонського Г.В., Дасуке С., Калашнікова С.Н., Каргаполова Г.Ф., Като Е., Корабльова А.І., Косарєва О.І., Коськіна В.Н., Литвина Ф.Л., Лукічьова О.В., Михайлова О.М., Мокіда, Начинкіна В.П., Плотнікова В.С., Польченка В.В., Полякова В.С., Робера А.І., Сапонджяна Г.А., Стажарова А.І., Тевса Н.Г., Уткіна Б.С., Філіппова В.М., Фініченка В.О., Ельштейна Л.Б. і багатьох інших.

Застосування на практиці результатів виконаних раніше досліджень дозволяє створювати надійні і довговічні зубчасті муфти. Проте сфера застосування зубчастих муфт із прямолінійною і криволінійною твірними обмежена достатньо невеликими значеннями кутів перекосу, що компенсуються. А існуючі конструкції зубчастих муфт, побудовані на базі якої-небудь просторової геометрії зубців втулки, здатні компенсувати один який-небудь вид похибок монтажу валів або одне конкретне значення похибки монтажу валів і при відхиленні від цього значення втрачають свої основні переваги.

Відомі технологічні способи підвищення несучої і компенсуючої здатностей зубчастих муфт в основному базуються на традиційних методах виготовлення зубців циліндричних зубчастих коліс і не враховують особливостей роботи зубців у зубчастій муфті. Засоби вимірювання й контролю зубців циліндричних зубчастих коліс призначені для вимірювання й контролю зубців із прямолінійною твірною, при цьому вони не враховують структуру жодної відомої просторової геометрії, що не дозволяє застосовувати їх для контролю параметрів зубців із просторовою геометрією.

У другому розділі «Загальний підхід і методологія роботи» розроблений загальний підхід підвищення експлуатаційних показників зубчастих муфт, що полягає у забезпеченні лінійного контакту й рівномірного розподілу навантаження в з'єднанні при куті перекосу зубців зубчастих муфт, що змінюється в межах мінімального й максимального значень, за рахунок нарізування зубців втулки з просторовою геометрією, бічна поверхня яких складається з безлічі ділянок.

Забезпечення лінійного контакту й рівномірного розподілу навантаження за різних експлуатаційних умов ґрунтується на таких принципах:

1. Принцип послідовного об'єднання в єдину поверхню безлічі ділянок, геометрія яких відповідає різним умовам експлуатації зубців у з'єднанні.

2. Принцип комплексної компенсації похибок монтажу напівмуфт, що змінюються в заданих межах, при збереженні лінійного або близького до лінійного контакту й рівномірного розподілу навантаження в межах зони контакту для всього інтервалу можливих значень похибок.

3. Принцип сумісного формоутворення безлічі ділянок для отримання єдиної просторової поверхні при безперервній зміні положення осі нарізуваної заготовки, що описує в просторі конічну поверхню, кут нахилу твірної якої відповідає значенням кутів перекосу з'єднання, що компенсуються, і дотриманні двох умов другого способу Олів'є.

4. Принцип адекватної відповідності кінематики рухів інструменту й заготовки структурі нарізуваної просторової геометрії, що складається з безлічі ділянок, при застосуванні існуючого серійного обладнання і стандартного різального інструменту.

У третьому розділі «Дослідження особливостей взаємодії просторово модифікованих зубців зубчастих муфт» виконані теоретичні дослідження, що дозволили встановити взаємозв'язок між умовами, в яких експлуатується зубчаста муфта, і параметрами геометрії бічної поверхні зубців втулки. При виконанні теоретичних досліджень розроблена класифікація похибок виготовлення й монтажу зубчастих вінців напівмуфт, а для врахування всіх складових похибок монтажу валів запропоновано визначати сумарний кут перекосу з'єднання за залежністю:

де _xi, і _yi -- сумарні кути перекосу зубців втулки щодо зубців обойми, для осей x і у відповідно;

_x1, _x2 і _y1, _y2 -- зсув першого і другого зубчастих вінців відносно нерухомої системи координат уздовж осей x та у відповідно;

L -- відстань уздовж осі z між центрами симетрії зубчастих вінців.

Теоретичні дослідження умов сполучення зубців втулки з просторовою геометрією, отриманою кінематичним методом, і внутрішніх зубців обойми з прямолінійною твірною дозволили визначити, наступне: зона контакту зубців за наявності перекосів з'єднуваних валів обмежена двома діаметрально протилежними ділянками; досліджувана геометрія зубців втулки ефективно працює при кількості зубців від 28 до 50 в діапазоні кутів перекосу від 0° до 9°; довжина контактних ліній залежить від кутів перекосу й повороту з'єднання; з'єднання, що розглядається, втрачає свої основні переваги, такі як лінійний контакт і рівномірний розподіл навантаження, при відхиленні реального кута перекосу з'єднання від розрахункового.

На основі виконаних теоретичних досліджень розроблена спеціальна просторова геометрія -- групова просторова геометрія (рис. 1), здатна компенсувати похибки монтажу валів, що змінюються в заданих межах. Суть нової геометрії полягає в тому, що бічна поверхня зубців втулки виконується з ділянок, геометрія кожної ділянки відповідає одному з кутів перекосу зубців втулки щодо зубців обойми, що входять у межі інтервалу компенсації. При цьому початково єдина поверхня зубця втулки поділяється на дві частини, а кожна з частин утворена сукупністю контактних ліній (рис. 2), координати точок яких визначаються з системи рівнянь:

де x_1j, y_1j, z_1j і x_2ij, y_2ij, z_2ij -- відповідно координати точки на бічній поверхні зубця обойми і втулки;

r_b -- радіус основного кола;

ш_i -- поточне значення кута повороту контактуючої пари зубців;

_j -- кут розгорнутості евольвенти;

_з -- кут зсуву початку евольвенти;

щ_i -- поточне значення кута перекосу зубців, відповідне куту повороту, що входить до інтервалу значень щ є [щ_п; щ_к];

n -- кількість кінцевих кутів, на які розбивається інтервал;

m -- кількість кутів розгорнутості евольвенти.

Поточний кут повороту з'єднання визначається за формулою:

де 50 -- коефіцієнт, що визначає ширину зони контактування зубців.

Поточний кут перекосу з'єднання визначається за формулою:

де щ_п і щ_к -- початковий і кінцевий кути перекосу з'єднання, що визначають границі інтервалу компенсації.

Координати точок контактних ліній визначаються з урахуванням безперервної зміни кутів повороту ш_і, перекосу щ_i з'єднання і кута розгорнутості евольвенти. При цьому всі контактні лінії починаються біля вершини зубця, а закінчуються біля його ніжки і зміщені як за висотою зубця, так і за його довжиною, а отримуваний профіль зубця має форму, відмінну від евольвентної (рис. 2б).

Теоретичні дослідження розподілу зазорів між бічними поверхнями зубців втулки з груповою просторовою геометрією і внутрішніми зубцями обойми з прямолінійною твірною дозволили визначити: залежності величини максимальних зазорів, починаючи із значення кута перекосу щ_к = 5°, від ширини інтервалу компенсації похибок (рис. 3); характер контактування зубців у з'єднанні залежно від значення реального кута перекосу з'єднання (рис. 4) і раціональну ширину інтервалу компенсації кутів перекосу. Визначення зазорів здійснювалося за залежністю:

де -- проекція радіуса вектора довільної точки бічної поверхні зубців втулки на площину xOy;

-- центральний кут між проекціями радіусів векторів довільної точки на бічній поверхні зубця втулки і відповідної їй точки на бічній поверхні обойми;

j_min -- мінімальний зазор між зубцями, що знаходяться в контакті.

На підставі проведених досліджень загальну зону кутів перекосу, в якій дана геометрія задовільно працює, можна розділити на шість раціональних інтервалів: перший -- 0-1,3°; другий -- 1,3-2,4°; третій -- 2,4-3,2°; четвертий -- 3,2-3,9°; п'ятий -- 3,9-4,5° і шостий -- 4,5-5,0°. При використанні вказаних інтервалів під навантаженням і з урахуванням піддатливості елементів муфти в контакті знаходитимуться всі зубці в межах контактної зони незалежно від значення реального кута перекосу з'єднання (рис. 4), що належить заданому інтервалу значень. Дослідження розподілу зазорів по висоті зубця втулки дозволяють говорити про те, що в зачепленні між зубцями існує лінійний контакт.

У четвертому розділі «Розробка технологічного забезпечення виготовлення зубців втулок зубчастих муфт із груповою просторовою геометрією» розроблений спосіб чистової обробки зубців із груповою просторовою геометрією і пристрій для його здійснення, а також розроблено технологічне забезпечення попередньої обробки зубчастого вінця.

Спосіб чистової обробки зубців ґрунтується на дотриманні двох умов другого способу Олів'є і полягає в наданні заготовці 1 й інструменту 2 таких взаємопов'язаних рухів формоутворення (рис. 5): D_r -- головний рух -- рух різання, прямолінійне поступальне переміщення інструменту уздовж поздовжньої осі заготовки; D_пр -- просторовий рух -- рух поздовжньої осі заготовки, при якому вона описує в просторі конічну поверхню, із змінним кутом нахилу твірної конуса (рис. 6). А також два допоміжні рухи: D_д -- рух ділення -- періодичний поворот заготовки на один кутовий крок, для обробки наступної западини зубців; D_{від.під.} -- рух відведення/підведення інструменту, необхідний для здійснення руху ділення. Як інструмент для незагартованих зубчастих втулок може бути використана протяжка, а для загартованих -- абразивний хон.

Поздовжня вісь заготовки (вісь Oz) здійснює просторовий рух, описуючи в просторі конічну поверхню, із змінним кутом нахилу твірної конуса (рис. 6). При цьому точки 1-6 і 18-22 відповідають обробці другої частини лівої і першої частини правої бічної поверхні зубця втулки. А точки 7-12 і 13-17 відповідають обробці першої частини лівої і другої частини правої бічної поверхні зубця втулки. Рух поздовжньої осі заготовки описується системою рівнянь:

де z -- координата точки на осі Oz.

Рух різання взаємозв'язаний із просторовим рухом заготовки таким чином, що в процесі обробки заготовка повинна пройти в просторі всі положення, що відповідають поточним значенням кута перекосу з'єднання _i, які входять в певний інтервал значень [_н; _к].

На рис. 7 показана схема пристрою для нарізування зубців із груповою просторовою геометрією. Пристрій працює так: планшайба 3 обертається, при цьому повзун 4 за допомогою пружин 7 переміщується по напрямним 6, а ролик 8 притискається до внутрішньої поверхні кулачка 2 і обкатується по ній, за рахунок чого безперервно змінюється кут нахилу в просторі збірного вала 1, що з одного боку підтримується опорою 9, яка є вершиною конічної поверхні, а з іншого -- роликом 5, який жорстко пов'язаний із повзуном 4. Лівий кінець вала 1, що взаємодіє з роликом 5, має можливість переміщатися відносно його, тим самим змінюючи кут нахилу твірної конуса.

Нарізуванню зубців із груповою просторовою геометрією передує попередня обробка зубчастого вінця, для реалізації якої виконані дослідження щодо визначення геометрії ріжучої кромки інструменту і траєкторії його переміщення в просторі. Для чого визначені координати точок перетину бічної поверхні зубця втулки з площинами, паралельними площині проекцій x₂Oy₂, при різних значеннях координати z₂ за залежністю:

Геометрія ріжучої кромки інструменту визначалася методом послідовних наближень. Для чого спочатку вибиралася найбільш протяжна лінія, що визначає початкову геометрію базового профілю, а потім методом найменших квадратів визначалася математична залежність, яка описує її геометрію. Уточнення геометрії профілю інструменту проводилося після зведення координат точок на бічній поверхні зубця втулки в перерізах, що залишилися, до перерізу з базовим профілем. Із використанням запропонованої методики отримані залежності для визначення геометрії початкового профілю інструменту і траєкторії його руху для всіх інтервалів кутів компенсації зубчастої втулки з модулем m = 2,5 мм і числом зубців z = 30 шт. При цьому траєкторія руху інструменту має лінійну залежність, що обумовлено структурою групової просторової геометрії, в якій розподіл кутів перекосу й кутів повороту має лінійний характер.

У п'ятому розділі «Розробка технологічного забезпечення зубофрезерування зубців втулок зубчастих муфт із геометрією, наближеною до групової просторової» розглядаються питання розробки технологічного забезпечення виготовлення зубців із геометрією, наближеною до групової просторової, з використанням існуючого серійного обладнання.

Зубці з геометрією, наближеною до групової просторової, можна отримати на існуючому обладнанні одним із таких способів: при обробці зі зміною міжосьової відстані між інструментом і заготовкою; при обробці з наданням заготовці додаткового обертального руху; при одночасній зміні міжосьової відстані між інструментом і заготовкою і наданням заготовці додаткового обертального руху. При цьому, використовуючи стандартний різальний інструмент, незалежно від способу обробки в торцевому перерізі нарізається евольвента, і для якнайповнішого наближення отримуваної при цьому геометрії до групової просторової необхідно знайти таке її місцеположення в просторі, щоб забезпечити мінімальне відхилення нарізуваного профілю як у головки, так і у ніжки зубця.

Спосіб обробки зі зміною міжосьової відстані покладений в основу отримання поздовжньої модифікації зубців втулок. Проте даний спосіб неприйнятний для отримання зубців із геометрією, наближеною до групової просторової, оскільки величина зміни міжосьової відстані, необхідна для їх нарізування, перевищує максимально допустиме зміщення, при якому відсутнє підрізування зубців при обробці за методом обкатки.

Спосіб обробки зубців із наданням заготовці додаткового обертального руху покладений в основу отримання косозубих циліндричних зубчастих коліс за методом обкатки. При цьому зубці фрези, що знаходяться в зачепленні із зубцями нарізуваного колеса, у відносному русі немов переміщаються уздовж похилої лінії зубців. Зміна величини додаткового обертального руху дозволяє змінювати кут нахилу оброблюваних зубців, що, у свою чергу, приводить до зміни місцеположення нарізуваної евольвенти зі зміною координати за довжиною зубця. Зміна кута нахилу лінії зубця, а разом із ним і місцеположення евольвенти, дозволяє отримувати необхідну геометрію на бічній поверхні зубця втулки. Для нарізування зубчастих вінців із даною геометрією проведені теоретичні дослідження щодо визначення взаємозв'язку між геометрією зубців втулки, геометрією інструменту і траєкторією відносного переміщення інструменту. При цьому було встановлено, що траєкторія відносного переміщення інструменту може бути описана лінійною залежністю, але для обробки частин бічної поверхні зубців, що спільно працюють у з'єднанні, необхідне застосування нестандартного інструменту.

При обробці зубців із одночасною зміною міжосьової відстані між інструментом і заготовкою і наданням заготовці додаткового обертального руху, змінюючи величину зміщення осі обертання заготовки в радіальному напрямі і надаючи їй додаткового обертального руху, можна підібрати необхідне значення координати x₂ зубця втулки на заданому радіусі y₂. Але й у цьому випадку для обробки частин бічної поверхні зубців, що спільно працюють у з'єднанні, необхідне застосування нестандартного інструменту. Сумісна обробка можлива при використанні нестандартного різального інструменту, товщина зубців якого враховує поправку, що дорівнює значенню вільного члена в рівнянні траєкторії переміщення.

Обробка за один робочий хід різального інструменту частин зубчастого вінця, що одночасно працюють при експлуатації, можлива при забезпеченні перетину проекції осі прорізуваної западини зубців й осі обертання втулки у площині симетрії зубчастого вінця. Забезпечити необхідне положення проекції осі западини зубців можна введенням додаткового зміщення заготовки в радіальному напрямі.

Нарізування зубців, бічна поверхня яких розділена на дві рівні частини, можлива (рис. 8), якщо забезпечити перетин траєкторій відносного переміщення інструменту як для першого, так і для другого робочих ходів у точці, що належить площині симетрії зубчастого вінця. Для чого після виконання першого проходу необхідно змістити інструмент в площині, перпендикулярній осі обертання заготовки, на величину Д_зм, що визначається за залежністю:

де b -- ширина зубчастого вінця;

в -- кут нахилу зубців.

На підставі проведених теоретичних досліджень виконано експериментальне отримання зубців із геометрією, наближеною до групової просторової, з використанням існуючого серійного обладнання і стандартного різального інструменту (рис. 9). Обробка зубчастої втулки проводилася на зубофрезерному верстаті моделі 5Е32. Геометричні параметри зубчастого вінця: кількість зубців -- 30 шт.; модуль -- 2,5 мм, інтервал кутів перекосу, що компенсується, -- 4,5-5,0°. Матеріал заготовки -- сталь 45 ГОСТ 1050-88. Режими різання при нарізуванні зубців: швидкість різання -- 34 м/хв; подача -- 3 мм/об. Отримана в процесі обробки форма зубців наведена на рис. 10.

У шостому розділі «Експериментальне дослідження зміни товщини зубця втулки з груповою просторовою геометрією залежно від висоти й координати по довжині зубця» виконані вимірювання товщини зубця втулки з геометрією, наближеною до групової просторової. У процесі вимірювань розглядалися перерізи зубчастого вінця площинами, паралельними площині базового торця, які подані у вигляді зображень, отриманих зі сканера. Об'єктом дослідження виступав контур зубчастого вінця. Для отримання залежності товщини зубця від координати по його довжині послідовно розглянуто ряд перерізів площинами, паралельними базовому торцю. Для чого після обробки одного сканованого зображення знімався шар матеріалу шліфуванням на плоскошліфувальному верстаті. Для визначення місцеположення даних площин торців вимірювалася координата по довжині зубця у трьох характерних точках -- на заздалегідь відмічених зубцях у місцях перетину їх осей симетрії з поверхнею западин зубців. Вимірювання проводилися на стійці за допомогою індикатора шляхом порівняння з мірами.

Таким чином, у процесі проведення експериментальних досліджень виконані вимірювання ряду параметрів, що дозволять отримати залежність товщини зубця від його висоти й координати по довжині. При цьому визначалися координати точки, що належить осі обертання втулки, для чого на зображенні проекція поверхні западин зубців на вимірювальну площину була описана еліпсом. Параметри, що входять до рівняння еліпса, визначалися розв'язанням системи рівнянь вигляду:

де x_i, y_i -- координати точок, що належать проекції поверхні западин зубців на вимірювальну площину, при цьому i змінюється від 1 до 5;

x_ц.ел., y_ц.ел.., а, b і б_ел. -- параметри еліпса, що визначають його розміри і місцеположення на площині.

Потім визначався масштабний коефіцієнт зображення. Для чого до вимірювальної системи був внесений об'єкт, розміри якого заздалегідь відомі -- кінцева міра довжини. Для визначення розміру кінцевої міри у вимірювальній системі координат визначалася відстань між проекціями її бічних поверхонь, які визначають фізичний розмір міри за залежністю:

де x_А1, y_А1; x_А2, y_А2 і x_B1, y_B1 -- координати точок, що належать проекціям бічних сторін міри на вимірювальну площину.

Масштабний коефіцієнт зображення визначався відношенням

де R_M -- фізичний розмір кінцевої міри.

Після чого визначалися координати точок, що належать осям симетрії зубців на зображенні торця втулки. Для чого на зображенні виділявся зубець, геометрія якого не спотворена в просторі, і визначалася середина відрізка, що зв'язує відповідні точки на протилежних профілях даного зубця:

де x_л.п., y_л.п. і x_п.п., y_п.п. -- координати точок, що належать лівому і правому профілям неспотвореного зубця, які визначені у вимірювальній системі координат.

Знаючи положення осі неспотвореного зубця і використовуючи параметричне рівняння еліпса, можна визначити координати точки, що належить осі симетрії будь-якого зубця, за залежностями:

де б_н.з. -- кут між горизонтальною віссю вимірювальної системи координат і віссю симетрії неспотвореного зубця;

б_п.з. -- кут між віссю неспотвореного зубця і віссю даного зубця.

Потім визначався зв'язок координат x_ел.i і y_ел.i із виміряною на стійці координатою z, що визначає ширину зубчастого вінця. При цьому координати x_ел.i і y_ел.i. точок, що належать осям симетрії зубців, були приведені з системи координат еліпса до вимірювальної системи координат, пов'язаної із стійкою. Параметри переходу від системи координат еліпса до системи координат, пов'язаної із стойкою, визначаються системою рівнянь:

де ц_x і ц_y -- кути повороту осей системи координат при переході від системи координат еліпса до вимірювальної системи координат, пов'язаної із стойкою.

Надалі визначалася товщина зубця залежно від його висоти. Для чого зображення, отримане зі сканера, розбивалося концентричними еліпсами, і визначалися координати точок їх перетину з проекцією профілю зубця, що розглядається. Після чого значення координат точок приводилися до системи координат, пов'язаної з ідеальним торцем, і визначалися істинні значення координат із урахуванням масштабного коефіцієнта. А надалі координати всіх точок приводилися до вертикальної осі за залежностями:

де x_і.т. і y_і.т. -- координати точок перетину еліпса з проекцією даного профілю зубця, приведені до площини ідеального торця;

_п.т. -- кут, що визначає положення точки щодо вертикальної осі;

_в.с. -- кут, що визначає положення точки на осі симетрії даного зубця щодо вертикальної осі;

-- поправка, що враховує різницю у визначенні положення осі симетрії при переході від системи координат еліпса до системи координат ідеального торця.

В результаті проведення експерименту визначена залежність товщини зубця з геометрією, наближеною до групової просторової, від його висоти й місця розташування точки, що розглядається, по довжині зубця. У процесі виконання експерименту проводилися сумісні вимірювання координат точок, що належать бічній поверхні зубця втулки, із геометрією, наближеною до групової просторової. Проведена статистична обробка результатів вимірювань товщини зубця, при цьому точність вимірювання координат при рівні значущості 0,05 становила для координати X -- ±0,008 мм, для координати Y -- ±0,006 мм, для координати Z -- ±0,0021 мм.

Для оцінки отриманих експериментальним шляхом результатів проведено порівняння експериментальних і теоретичних значень координат точок, що належать профілю зубця втулки. При цьому порівняння виконане як для теоретично точної групової просторової, так і для наближеної до неї геометрії.

Координати точок теоретично точної групової просторової геометрії, що відповідають експериментальним значенням, визначаються системою рівнянь вигляду:

де k= i/n.

Теоретичні значення координат точок геометрії, наближеної до групової просторової, що відповідають експериментальним значенням, визначалися з рівняння вигляду:

де Дk_r -- зміщення інструменту в радіальному напрямі.

Для кількісної оцінки даних, отриманих експериментальним шляхом, підраховані відносні похибки визначення товщини зубця, що становили: для групової просторової геометрії і геометрії, наближеної до неї, менше 6,5 % і для теоретичних значень геометрії, наближеної до групової просторової, і експериментально отриманої геометрії менше 9 %.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-практичної задачі, що полягає в підвищенні експлуатаційних показників зубчастих муфт шляхом створення спеціального технологічного забезпечення для реалізації процесу формоутворення зубців із просторовою геометрією, що забезпечує лінійний контакт і рівномірний розподіл навантаження в з'єднанні в умовах похибок монтажу валів, що змінюються в заданих межах.

Висновки й результати роботи сформульовані в наступних положеннях:

1. Існуючі конструкції зубчастих муфт, які побудовані на основі зубчастих втулок із просторово-модифікованими зубцями, здатні компенсувати один який-небудь вид похибок монтажу валів або одне конкретне значення даної похибки, ця обставина спричинює необхідність під конкретні експлуатаційні умови створювати свою геометрію, що не завжди є доцільним. Виходом із ситуації, що склалася, може бути створення однієї або декількох універсальних геометрій, здатних компенсувати декілька похибок монтажу валів або одну з похибок, що змінюється в деяких межах. При цьому створення нової геометрії зубців викликає необхідність вдосконалення існуючих технологічних способів їх формоутворення і засобів контролю або розробки нових.

2. Теоретичні дослідження експлуатаційних параметрів зубців втулок зубчастих муфт із просторовою геометрією, отриманою кінематичним методом, показали, що:

-- бічна поверхня зубців втулки, виходячи з відносних рухів елементів зубчастої муфти, може бути розділена на дві частини, при цьому зона контакту зубців обмежена двома діаметрально протилежними ділянками по 52° кожна;

-- ефективна робота даної просторової геометрії, виходячи з параметрів контакту зубців, можлива при зміні числа зубців від 28 до 50 в діапазоні кутів перекосу з'єднання від 0° до 9°;

-- рівномірний розподіл зазорів, а таким чином і навантаження в з'єднанні зберігається при номінальному куті перекосу, а незначне відхилення від розрахункового кута призводить до погіршення експлуатаційних характеристик зубчастої муфти.

3. Заміна радіальних зміщень напівмуфт додатковим доворотом і визначення сумарного кута перекосу з'єднання дозволяє розробити структуру нової просторової геометрії зубців зубчастих муфт -- групової просторової геометрії, здатної компенсувати будь-який кут перекосу з'єднання, що входить у заданий інтервал значень [щ_п; щ_к].

Теоретичні дослідження розподілу зазорів між зубцями в новому зубчастому з'єднанні, дозволили розбити робочий діапазон кутів перекосу групової просторової геометрії на шість раціональних інтервалів: перший -- 0-1,3°; другий -- 1,3-2,4°; третій -- 2,4-3,2°; четвертий -- 3,2-3,9°; п'ятий -- 3,9-4,5° і шостий -- 4,5-5,0°. Використання отриманих значень інтервалів компенсації дозволяє:

-- мінімізувати зазори між парами зубців, що знаходяться в межах контактної зони;

-- отримати лінійний характер контакту;

-- рівномірно розподілити зазори, а таким чином і навантаження між зубцями в межах контактної зони.

4. Розроблений спосіб нарізування зубців втулок зубчастих муфт із теоретично точною груповою просторовою геометрією, що ґрунтується на методі копіювання і другому способі Олів'є. Для реалізації запропонованого способу обробки зубців розроблена принципова схема пристрою й наведені основні залежності для визначення геометрії виконавчого органа.

Відповідно до розробленого способу для нарізування зубців із груповою просторовою геометрією необхідно провести попередню обробку зубчастого вінця. Виходячи із структури групової просторової геометрії, найбільш відповідним методом для попередньої обробки зубчастого вінця є метод копіювання. Для реалізації попередньої обробки зубчастого вінця розроблена методика з визначення геометрії профілю інструменту і траєкторії його переміщення в просторі.

Запропонований спосіб отримання зубців із теоретично точною груповою просторовою геометрією може бути використаний для обробки як незагартованих зубчастих вінців, так і для загартованих.

5. Розроблено технологічне забезпечення виготовлення зубців зубчастих муфт із геометрією, наближеною до групової просторової, що ґрунтується на обробці із застосуванням існуючого серійного обладнання й стандартного різального інструменту. При цьому розроблена методика, яка дозволяє визначати кінематику відносних переміщень інструменту й заготовки в просторі залежно від геометрії нарізуваних зубців.

6. Експериментально отримано зубчастий вінець із геометрією, наближеною до групової просторової геометрії, на існуючому серійному обладнанні стандартним різальним інструментом методом обкатки з одночасною зміною міжосьової відстані між інструментом і заготовкою і наданням останній додаткового обертального руху при постійній величині радіального зміщення заготовки.

7. Експериментально визначена зміна товщини зубця з новою просторовою геометрією залежно від координати по довжині зубця і від координати по висоті зубця. Виконано порівняння координат, що визначають значення товщини зубця з просторовою геометрією, отриманою експериментально, з відповідними теоретичними значеннями координат як для теоретично точної групової просторової, так і для наближеної геометрій, при цьому значення відносної похибки між товщиною зубців з експериментально отриманою просторовою геометрією і теоретичними значеннями для групової просторової геометрії і наближеної до неї не перевищують, відповідно, 6,5 і 9 %.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ Й ОСОБИСТИЙ ВНЕСОК АВТОРА В РОБОТАХ, ОПУБЛІКОВАНИХ У СПІВАВТОРСТВІ

1. Михайлов А.Н. Анализ влияния геометрических характеристик зубьев зубчатых муфт на параметры контактирования зубьев с пространственной модификацией / А.Н. Михайлов, Р.М. Грубка // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. Донецк: Донец. гос. техн. ун-т, 2002. Вып. 21. С. 126-131. (Здобувачем виконані теоретичні дослідження з визначення впливу геометричних характеристик зубців зубчастих муфт із просторовою геометрією на параметри контактування зубців.)

2. Грубка Р.М. Исследование распределения зазоров между зубьями муфт с пространственной модификацией / Р.М. Грубка // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. Донецк: Донец. гос. техн. ун-т, 2002. Вып. 23. С. 40-47.

3. Грубка Р.М. Синтез структуры групповой пространственной геометрии зубьев втулок зубчатых муфт / Р.М. Грубка, А.Н. Михайлов // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. Донецк: Донец. нац. техн. ун-т, 2004. Вып. 27. С. 71-75. (Здобувачем розроблена структура нової просторової геометрії зубців і отримані основні залежності, що визначають форму бічної поверхні зубців.)

4. Грубка Р.М. К вопросу нарезания групповой пространственной геометрии на зубьях втулок зубчатых муфт зубофрезерованием методом копирования / Р.М. Грубка, А.Н. Михайлов // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. Донецк: Донец. нац. техн. ун-т, 2005. Вып. 29. С. 58-66. (Здобувачем описані можливі способи попередньої обробки зубчастого вінця і розроблена методика з визначення геометрії ріжучої кромки інструменту, що працює за методом копіювання, і траєкторії його переміщення.)

5. Грубка Р.М. Способ чистовой обработки зубьев втулок зубчатых муфт с групповой пространственной геометрией и устройство для его осуществления / Р.М. Грубка, А.Н. Михайлов, С.И Коштовный // Прогресивні технології і системи машинобудування: Міжнародний зб. наукових праць. Донецьк: Донец. нац. техн. ун-т, 2006. Вип. 31. С. 83-90. (Здобувачем розроблений спосіб отримання теоретично точної геометрії, здатної компенсувати похибки монтажу, що змінюються в заданих межах, і пристрій для його здійснення.)

6. Пат. № 68689 України, F16D3/18. Зубчаста муфта: О.М. Михайлов, Р.М. Грубка (Україна). № 2003098808; Заявл. 29.09.2003; Опубл. 16.08.2004, Бюл. № 8. 4 с. (Здобувачем запропонована конструкція зубчастої муфти із групової просторовою геометрією на бічній поверхні зубців зубчастої втулки.)

7. Пат. № 82357 України, B23F 19/00. Спосіб обробки зубів із просторовою модифікацією: О.М. Михайлов, Р.М. Грубка, О.М. Лахін (Україна). № а200510006; Подано 24.10.2005; Опубл. 10.04.2008, Бюл. № 7. 4 с. (Здобувачем розроблений спосіб отримання теоретично точної геометрії, здатної компенсувати похибки монтажу, що змінюються в заданих межах.)

8. Михайлов А.Н. Анализ погрешностей монтажа валов и изготовления зубчатых венцов полумуфт / А.Н. Михайлов, Р.М. Грубка // Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века: Сборник трудов международной научно-технической конференции в г. Севастополе 10-16 сентября 2001 г. В 3 т. Донецк: ДонНТУ, 2001. Т. 2. С. 37-42. (Здобувачем виконаний аналіз можливих похибок виготовлення зубчастих вінців і монтажу валів, на основі якого запропоновані залежності з визначення сумарного кута перекосу з'єднання, що враховує всі складові похибки монтажу валів.)

9. Грубка Р.М. Кинематико-геометрический анализ движений элементов зубьев зубчатых муфт в условиях перекоса осей валов / Р.М. Грубка, Е.А. Буленков// Практика и перспективы развития институционного партнерства: Материалы третьего Международного научно-практического семинара в г. Таганроге 4-6 июня 2002 г. В 2 кн. Таганрог: ТРТУ, 2002. Кн. 2. С. 53-57. (Здобувачем виконаний аналіз відносних рухів елементів зубчастих муфт в умовах експлуатації й визначені межі зони контактування зубців.)

10. Грубка Р.М. Исследование распределения зазоров между зубьями втулки с групповой пространственной геометрией и эвольвентными зубьями обоймы / Р.М. Грубка, А.Н. Михайлов // Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы: Материалы пятого Международного научно-практического семинара в г. Таганроге 8-10 июня 2004 г. В 2 кн. Таганрог: ТРТУ, 2002. Кн.1. С. 146-150. (Здобувачем проведені теоретичні дослідження з визначення розподілу зазорів між зубцями втулки з груповою просторовою геометрією і зубцями обойми з прямолінійною твірною.)

11. Михайлов А.Н. К вопросу чистовой обработки зубьев втулок зубчатых муфт с пространственной модификацией / А.Н. Михайлов, Р.М. Грубка // Машиностроение и техносфера XXI века: Сборник трудов XII международной научно-технической конференции в г. Севастополе 12-17 сентября 2005 г. В 5 томах. Донецк: ДонНТУ, 2005. Т. 2. С. 275-276. (Здобувачем розроблений спосіб отримання теоретично точної геометрії, здатної компенсувати похибки монтажу, що змінюються в заданих межах.)

12. Грубка Р.М. Особенности технологии изготовления зубьев втулок зубчатых муфт с групповой пространственной геометрией / Р.М. Грубка, А.Н. Михайлов // Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы: Материалы седьмого Международного научно-практического семинара в г. Таганроге 19-21 июня 2006 г. В 3 кн. Таганрог: ТРТУ, 2006. Кн. 3. С. 86-90. (Здобувачем розглянуті основні способи нарізування зубців циліндричних зубчастих коліс з точки зору застосування їх для отримання групової просторової геометрії.)

...