Техника эксперимента
Роликовая аналогия зубчатого контакта
Проведение экспериментальных работ с использованием в качестве объектов исследования зубчатых передач или других реальных деталей машин связано с большими трудностями. Поэтому для первого этапа исследований и испытаний материалов зубчатых колес, а также для подбора смазок чаще применяются различного рода моделирующие установки – так называемые машины трения с элементарными телами качения. Использование подобных моделей основано на геометрическом и физическом сходстве зубчатого контакта и, например, контакта двух роликов.
Преимущества роликовых машин заключаются в сравнительно большой простоте изготовления по сравнению с зубчатыми парами. На роликовой машине трения можно легко моделировать условия контакта рабочих поверхностей при «чистом» качении, когда окружные скорости роликов равны (это соответствует условиям работы зубьев колес в полюсе зацепления), а также контактирование при одновременном качении с проскальзыванием (что соответствует любой другой точке контакта зубьев на линии зацепления). Поэтому при постоянной скорости вращения роликов условия работы материалов поверхностей и смазки в контакте образцов соответствуют зацеплению зубьев в какой-либо одной точке зацепления с данными фиксированными скоростями качения и скольжения (рис. 4).
а) 
б)
Рис. 4
Для учета нагрузок, радиусов кривизны соприкасающихся тел, упругих констант материалов обычно используется условный критерий напряженности материала – максимальное контактное давление по Герцу на площадке упругого контакта. Необходимо заметить, что действительное давление в контакте зависит от многих факторов, в частности от сил трения, присутствия смазки и ее вязкости и т.п. Несмотря на это, при определении работоспособности зубчатых передач в большинстве случаев пользуются значениями давлений, определенных именно по формуле Герца. Поэтому при испытаниях на машинах роликовой аналогии также следует использовать максимальное контактное давление по Герцу.
Учитывая, что влияние геометрического фактора зацепления – радиуса кривизны поверхностей на процессы, наблюдаемые в контакте качения со скольжением, изучено еще недостаточно, желательно при моделировании зубчатого зацепления использовать тела качения с приведенным радиусом кривизны или даже радиусами кривизны соприкасающихся поверхностей, соответствующими исследуемой точке контакта зубьев.
В испытаниях было установлено, что длина линии контакта не оказывает существенного влияния на коэффициент трения и условия возникновения заедания. Поэтому в расчетах вполне приемлемо использование удельной (погонной) нагрузки. Различие в этом случае может проявляется лишь при неравномерном распределении нагрузки вдоль линии (площадки) контакта из-за перекосов и неточностей изготовления, которые сложнее устранить в зубчатом зацеплении, чем в роликовой машине трения.
Необходимым условием тождества испытаний на роликовой машине работе пар зубьев является устранение различий в свойствах поверхностных слоев роликовых образцов и зубьев. Помимо того, что материалы, используемые в испытаниях, должны быть одинаковыми и иметь равную твердость, полностью должны быть идентичными способы механической обработки заготовок и их получения. Особенно это важно при исследовании усталостной прочности и изнашивания.
Тепловые условия работы контакта определяются температурой входящей в контакт смазки, которая зависит от средней поверхностной температурой тел и мгновенных повышений температуры, вызванных работой сил трения. Температурная вспышка связана с коэффициентом трения, погонной нагрузкой, скоростями качения и скольжения, упругими и теплофизическими характеристиками материалов и другими факторами довольно сложной зависимостью. В первом приближении достаточно обеспечить в экспериментах среднюю поверхностную температуру образцов, которая соответствует аналогичной температуре зубьев.
При испытании роликов способ смазки должен соответствовать способу смазки зубчатых колес: смазка окунанием на одинаковую глубину или смазка разбрызгиванием с той же степенью дисперсности, смазка масляным туманом, капельная смазка либо подача струи масла до входа в контакт или на выходе из контакта.
В основе применения роликовой машины лежит также аналогия самих механизмов трения, поверхностного выкрашивания (петтинга), износа, заедания и т.д.
К особенностям зубчатого контакта, которые по тем или иным причинам не воспроизводятся в роликовой машине трения, относятся, в первую очередь, динамический характер изменения внешней нагрузки в характерных точках линии зацепления (точки входа пары зубьев в зацепление и выхода из него, точки пересопряжений0, а также в соседних с ними зонах контакта; из-за податливости и инерционности рассматриваемой системы нагрузка в этих зонах то распределяется между двумя парами зубьев, то передается только одной парой. Здесь существенной величиной является коэффициент перекрытия.
При
входе в контакт прямых зубьев вследствие
неточностей изготовления также возникают
дополнительные динамический нагрузки.
Если основной шаг ведомого колеса
больше, чем шаг ведущего, т.е.
,
то происходит преждевременный вход в
зацепление кромки ведомого колеса или
так называемый кромочный удар. Если
основной шаг ведомого колеса меньше,
чем ведущего, т.е.
,
то последующая пара входит с ударом в
контакт не в начале, а в середине рабочего
участка линии зацепления, вызывая
срединный удар. Возможны и другие
источники добавочной динамической
нагрузки такие, как от накопленных
ошибок шага, внешних факторов и др.
Вместе с техническими сложностями основной трудностью моделирования динамических нагрузок, особенно с количественной стороны. Необходимо учитывать также, что отсутствие динамических факторов при проведении испытаний на роликах дает возможность замерить в чистом виде такие важные параметры, как коэффициент трения и толщина смазочного слоя. Таким образом, результаты испытаний на роликовых машинах трения следует рассматривать как первоначальные, вспомогательные, имеющие значение при исследовании влияния отдельных факторов на процессы, происходящие в контакте зубчатого зацепления. Окончательные выводы следует делать на основании данных, полученных на следующих этапах исследования, т.е. при испытании зубчатых колес и агрегатов в целом.
Наиболее достоверными, с точки зрения использования полученных результатов для определения работоспособности зубчатых передач, являются значения коэффициентов трения скольжения и качения, толщин смазочных слоев и роликовом контакте при качении со скольжением, измеренные по методикам, изложенным ниже.