3. Расчёт и проектирование зубчатых передач

Зубчатые передачи всех видов имеют широчайшее применение в любых отраслях техники, от сельскохозяйственных машин до точной механики и электроники. Повсеместно применяются они и в транспортном машиностроении. При всём многообразии конструкций приводов зубчатые колёса являются основным видом передач в приводах транспортных машин.

3.1. Особенности конструкции зубчатых передач

транспортной техники

Главной особенностью расчётов при проектировании зубчатых колёс является учёт знакопеременных и динамических нагрузок, циклической усталости, корректный выбор допускаемых напряжений, коэффициентов запаса и коэффициентов режима работы.

Зубчатую передачу приходится вписывать в стеснённые габариты при заданном межцентровом расстоянии, что затрудняет выбор оптимальных параметров. Поэтому для повышения работоспособности применяют высококачественные стали, контурную закалку рабочих поверхностей, фланкирование профиля зуба и др.

Наиболее эффективным мероприятием, обеспечивающим высокую компактность передачи уменьшением числа её зубьев при той же надёжности, является корригирование. Положительной коррекцией число зубьев можно уменьшить до шести.

Всё большее применение находят планетарные и волновые редукторы, дающие компактные размеры при больших передаточных отношениях.

Применение зубчатых колёс в сочетании с гидравлическими и пневматическими источниками энергии позволяют плавно регулировать параметры привода.

Всё чаще применяются двусторонние зубчатые передачи, особенно для тяговых приводов вследствие больших сил.

Оси колёсных пар, и особенно тяговые оси локомотивов [42], изгибаются под нагрузкой (рис. 3.1).

Для компенсации возникающего перекоса зубья тяговых передач должны выполняться со скосом (рис. 3.2), назначение которого − уменьшение влияния перекосов на контактную прочность зубьев.

Рис. 3.1. Деформации деталей в тяговой передаче

При изготовлении ведущих шестерён для тяговых электродвигателей зубья ведущей шестерни выполняются со скосом правого профиля (если смотреть со стороны большого диаметра конуса) [18]. Толщина зуба уменьшается в сторону двигателя на 0,16…0,20 мм.

Рис. 3.2. Скос зуба для компенсации изгибов осей силовых передач

Стеснённые габариты тяговых передач требуют применения упругих колёс, где упругие элементы размещены в самих колёсах, что позволяет отказаться от упругих муфт между двигателем и шестерней. Применение упругих самоустанавливающихся зубчатых колёс эффективно также для снижения концентрации нагрузки [41].

Упругая связь зубчатого колеса со ступицей позволяет венцу занимать такое положение, при котором зубья колеса прилегают к зубьям шестерни по всей длине. Поворот венца в поперечном направлении возможен за счёт упругой деформации резиновых втулок в осевом направлении и зависит от их жёсткости (рис. 3.3).

При каждом обороте колёсной пары зубчатый венец совершает поперечные отклонения в обе стороны от своей оси, приспосабливаясь к зубьям шестерни. Поэтому такое зубчатое колесо называют самоустанавливающимся.

Первые электровозы ВЛ19, ВЛ22, ВЛ22^М и ВЛ8 имели двустороннюю прямозубую упругую передачу. В последствии на электровозах ВЛ19, ВЛ22 и ВЛ22^М в упругих венцах были применены пакеты пластинчатых пружин, а на опытных передачах электровозов ВЛ8 и электропоездах СН1 − витые пружины [28]. В тех и в других предусматривался предварительный натяг пружин, дающий нелинейно-мягкую характеристику, благоприятную в условиях совместного действия силового и кинематического возмущения.

Рис. 3.3. Колесо с упругими элементами и его деформации

Эффективным конструкторским решением является созданное ВНИТИ совместно с МИИТ, ВЗИИТ и ВТЗ упругое самоустанавливающееся колесо УСЗК [28, 4]. Колесо состоит из зубчатого венца, ступицы и двух фланцев (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Конструкция упругого самоустанавливающегося колеса

Эластичный резинометаллический блок (РМБ) состоит из резиновых элементов, запрессованных с натягом в кольцевой зазор между валиком и тремя наружными металлическими втулками. Упорный РМБ включает в себя два резиновых элемента на концах валика смонтированного в диске колеса с зазором так, чтобы под действием вращающего тягового момента при трогании или разгоне поначалу упруго деформировался эластичный РМБ, затем деформировался сам упорный РМБ, а когда зазор выбран − ограничивать поворот колеса. С увеличением скорости движения тяговый момент уменьшается и упорные РМБ не участвуют в работе.

Упругое закручивание венца обеспечивает плавную безотрывную работу зубьев передачи, снижает пульсацию момента, передаваемого от двигателя к колёсной паре, снижает тепловую напряжённость коллектора, т.к. при упругом закручивании венца пусковой ток распределяется между несколькими пластинами, постепенно включающимися в работу. Упругие элементы колёс защищают детали колёсно-моторного блока от высокочастотной вибрации.

Такие упругие самоустанавливающиеся зубчатые колёса позволяют существенно снизить износ зубьев, разрушения болтов крепления кожуха редуктора, износ бандажей. УСЗК применяются на тяговых приводах с опорно-осевым подвешиванием.