Основы расчёта деталей и узлов транспортных машин

При вращении цилиндров под нагрузкой отдельные точки их поверхностей периодически нагружаются и разгружаются, а контактные напряжения в этих точках изменяются по прерывистому отнулевому циклу.

Вопросы для самоподготовки

1.По каким признакам классифицируются нагрузки, действующие на детали машин?

2.Как определяют допускаемые напряжения при расчетах деталей машин на прочность при действии статической нагрузки?

3.Как определяют допускаемые напряжения при расчетах деталей машин на прочность при переменных во времени нагрузках?

4.В чем отличие дифференциального метода для определения расчетного коэффициента запаса прочности от табличного метода?

5.Какие напряжения называются контактными напряжениями?

6.Как определяют приведенный модуль упругости и приведенный радиус кривизны?

7.Как определяют контактные напряжения при начальном контакте в точке, по линии?

22

2 . МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ

В машиностроении применяют механические, электрические, гидравлические, пневматические и другие передачи. Ниже подробно рассмотрены механические передачи.

Механические передачи – это механизмы, которые преобразует параметры движения двигателя (скорость движения, крутящий момент, закон движения) при передаче исполнительным органам машины.

Обоснование необходимости использования передач

1.Необходимая скорость исполнительного механизма не совпадает со скоростью двигателя.

2.Регулирование скорости движения двигателем не всегда экономично и возможно.

3.Условия компоновки и техники безопасности, как правило, не позволяют разместить двигатель рядом с исполнительным механизмом.

4.Необходимость изменения закона движения.

Все виды механических передач можно разделить на две большие группы: передачи с использованием трения и передачи зацеплением. К первой группе относят фрикционные и ременные передачи, ко второй – передачи зубчатые, червячные, цепные, зубчатым ремнем и передачи винт – гайка.

Для движения наземного транспортного средства (НТС) в различных дорожных и климатических условиях необходимо чтобы сила тяги на движителе и частота их вращения изменялась в значительных пределах. Современные двигатели внутреннего сгорания (ДВС) не обеспечивают крутящие моменты и угловые скорости в требуемых диапазонах. При проектировании трансмиссии необходимо, прежде всего, установить ее минимальное и максимальное передаточные числа, диапазон передаточных чисел и число передач. Выбор числа передач и агрегатов трансмиссии (коробка передач, раздаточная коробка, главная передача, дифференциал, конечная передача) осуществляется

23

одновременно. Трансмиссии транспортных и тяговых машин можно подразделить на три типа в зависимости от распределения передаточного числа:

1)на всех передачах во всех агрегатах происходит уменьшение частоты вращения и повышение крутящего момента;

2)в коробке передач имеется одна или две повышающие передачи;

3)со специальными повышающими редукторами или с большинством повышающих передач в коробках передач. Возможность значительного увеличения рабочих скоростей зубчатых колес создает предпосылки для введения повышающих передач.

Основные и производные характеристики передач

Для любой передачи характерно наличие двух валов: входного (ведущего) и выходного (ведомого). Между этими валами в многоступенчатых передачах располагаются промежуточные валы. Основные характеристики передач: мощности P1 и P2, а также частоты вращения n1 и n2 соответственно на входном и выходном валах. Эти характеристики минимально необходимы и достаточны для проведения проектного расчета передачи. Однако в процессе проектирования при заданных характеристиках можно получить множество вариантов решений с различными размерами и массой данного вида передачи, варьируя материалы, их термообработку, конструктивные и другие факторы.

Производные характеристики передач определяют по основным характе-

Если передача состоит из нескольких последовательно соединенных ступеней, то ее КПД равно произведению КПД ступеней

Передаточное передаточным отношением i (в направлении потока мощности)

24

где ω1, ω2 – угловые скорости, соответственно, ведущего и ведомого валов. При i > 1 передача понижающая (редуктор), при i < 1 – передача повы-

шающая (мультипликатор). Наибольшее распространение в технике имеют понижающие передачи (редукторы).

25

2 . 1 . ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ

Достоинства и недостатки прямозубой цилиндрической передачи

Зубчатые передачи составляют наиболее распространенную и важную группу механических передач, поскольку обладают рядом существенных

достоинств:

1)малые габариты;

2)высокий КПД;

3)высокая надежность и долговечность;

4)постоянство передаточного отношения;

5)возможность изменения закона движения;

6)возможность использования в широком диапазоне скоростей и мощно-

стей.

К недостаткам зубчатых передач можно отнести:

1)производство зубчатых колес требует высокой культуры производства,

аэто дорого;

2)отсутствие функции самопредохранения от перегрузки;

3)повышенный шум в работе;

4)невозможность безступенчатого регулирования передаточного отноше-

ния.

Примеры использования различных типов зубчатых передач в транспортных средствах приведены в приложении П. 1. Различные типы зубчатых передач, например прямозубые и косозубые цилиндрические используются в механических и гидромеханических коробках передач [37, 38] (см. рис. П. 1.2

– П. 1.4). В главных передачах применяют конические и гипоидные передачи (рис. П. 2.1 – П. 2.4).В ДВС зубчатые передачи установлены в приводах распределительного вала (рис. П. 3.7, П. 3.8), стартера (рис. П. 3.3).

26

Критерии работоспособности и расчета зубчатых передач

Для зубчатых передач основным критерием работоспособности является прочность зубьев.

Под действием нормальной силы и силы трения зуб находится в условиях сложного напряжения; на работоспособность зубчатого колеса основное влияние оказывают два напряжения (рис. 2.1): контактные напряжения σН и

напряжения изгиба σF (наибольшие их которых действуют в основании зуба).

T2 db2

σH Fn

A1

T1 σF db1

Рис. 2.1. Условия работы зуба в зацеплении

Переменные напряжения являются причиной усталостного разрушения зубьев: поломка зубьев (излом) от напряжений σF (рис. 2. 2. 1) и контактное выкрашивание рабочей поверхности от контактных напряжений σН

(рис. 2. 2. 2).

2

1

Рис. 2.2. Виды разрушений зубьев зубчатой передачи: 1 – поломка зуба, 2 – контактное выкрашивание поверхности зуба

27

Различают два вида поломки зубьев:

1.Поломка от больших перегрузок (ударных или статических) – предупреждают защитой привода от перегрузок или учетом перегрузок при расчете; усталостная поломка – предупреждают определением размеров передачи из расчета на усталость.

Основные меры предупреждения поломки зубьев – увеличение модуля, по-

ложительное смещение при нарезании зубьев, термообработка, наклеп, уменьшение концентрации нагрузки по краям зубьев.

2.Повреждение поверхности зубьев.

Усталостное выкрашивание – является основным видом разрушения при хорошей смазке передачи (зубья разделены тонким слоем масла). Передача может работать длительное время до появления следов усталости в поверхностных слоях зубьев. Выкрашивание обычно начинается вблизи полюсной линии на ножках зубьев там, где нагрузка передается одной парой зубьев, силы трения при скольжении и перекатывании зубьев направлены так, что масло запрессовывается в трещины и способствует выкрашиванию частиц металла.

В передачах, работающих со значительным износом, контактное выкрашивание не наблюдается, поскольку оно не успевает получить необходимого развития до удаления поверхностного слоя из-за износа.

Основные меры предупреждения выкрашивания зубьев – определение раз-

меров из расчета на усталость по контактным напряжениям, повышение твердости материала, повышение степени точности.

Абразивный износ – является основной причиной разрушения при плохой смазке. У изношенной передачи увеличиваются зазоры в зацеплении, появляется шум, возрастают динамические нагрузки, а прочность зуба на изгиб понижается (уменьшение площади поперечного сечения).

Меры предупреждения износа – повышение твердости поверхности зубьев, защита от загрязнения, применение специальных видов масел.

28

Заедание – наблюдается в высоконагруженных и высокоскоростных передачах. В месте соприкасания зубьев этих передач развивается высокая температура и происходит как бы сваривание в металлическом контакте, вследствие разрыва масляной пленки.

Меры предупреждения заедания – те же, что и против износа, а так же интенсивное охлаждение.

Пластические сдвиги наблюдаются у тяжелонагруженных тихоходных зубчатых колес, изготовленных из мягкой стали. При перегрузках на мягкой поверхности зубьев появляются пластические деформации с последующим сдвигом в направлении скольжения. В результате у полюсной линии зубьев ведомого колеса образуется хребет, а у ведущего – соответственно канавка, которые нарушают правильность зацепления и приводят к разрушению зубьев.

В[37, 38] показано, что основной вид разрушения это износ зубьев (более 70 %) (см. приложение П 2), затем идет контактное выкрашивание (более 20 %) и поломка ((менее 5 %).

Взависимости от типа передачи меняется и порядок ее расчета на прочность.

Закрытые передачи (хорошая смазка, нет абразивных частиц):

1) выполняют проектный расчет передачи по контактным напряжениям

σH ≤ [σ H ] ;

2) проверочный расчет – по напряжениям изгиба σF.

Открытые передачи или закрытые передачи, но недостаточно защищенные от загрязнения абразивными частицами:

1) выполняют проектный расчет передачи по напряжениям изгиба

σF ≤ [σ F ] ;

2)проверочный расчет – по контактным напряжениям σН.

29