Исследование сопротивления разрушению несимметричных зубьев зубчатых колес при изгибе тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

УДК 621.833; 539.3. ОД На правах рукописи

/ 6 ИЮЛ ~

ЕРЖАНОВ Нурлан Маулешович

ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ РАЗРУШЕНИЮ НЕСИММЕТРИЧНЫХ ЗУБЬЕВ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

ПРИ ИЗГИБЕ

01.02.04.-механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Республика Казахстан Тараз 1998

Работа выполнена в Таразском Государственном университете им. М.Х.Дулати.

Научный руководитель:

-доктор технических наук, профессор, академик АН и ИА РК Бржанов Ж.С.

Официальные оппоненты:

-доктор технических наук Свиденко В.Н.;

-кандидат физико -математических наук, доцент Искакбаев А.И.

Ведущая организация:

Казахский национальный технический университет

Защита состоится 24 июня 1998 г. в 14-°° часов на заседании диссертационного совета Д 53.02.02 при Институте механики и машиноведения МН-АН РК (480091, г. Алматы, проспект Абая, 31).

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке МН-АН РК (г.Алматы, ул. Шевченко, 28).

Автореферат разослан, мая 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент

А.А. Баймухаметов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Задача повышения надежности зубчатых передач на современном этапе, связанная с интенсификацией рабочих процессов, характеризующейся увеличением окружных скоростей и удельных нагрузок, является актуальной. При этом значительный рост напряженности их работы сочетается с необходимостью снижения массы и увеличения ресурса работы. Решение этой задачи традиционными методами - путем выбора высокопрочных материалов и различных упрочняющих технологий практически исчерпано.

На практике применяются зубчатые передачи, работающие в одном из двух режимов: 1) разноименные боковые поверхности зубьев работают примерно в одинаковых условиях; 2) в разных условиях, например транспортные, грузоподъемные, горнорудные, землеройные и прочих машинах.

Исследования специалистов показали, что в передачах со вторым режимом работы целесообразно применять зубчатые колеса с несимметричным профилем зубьев.

Вопросы выявления преимуществ исследования области существования, расчета геометрии и прочности зубчатых передач с несимметричным эвольвентным профилем изложены в ряде работ Э.Б.Вулгакова, А.Л.Капелевича, Г.Б.Иосилевича , В.Д.Андожского , Г.В.Ривкина , В.Д.Василенка , Н.И.Рогачевско-го и др.

Несмотря на значительные успехи в изучении этого вопроса недостаточно исследованными остаются вопросы определения характеристик несущей способности зубчатых колес с несимметричными зубьями при различных числах зубьев и видах нагружения при извлечении угла зацепления на нерабочей стороне профиля, координаты приложения нагрузки.

Имеющиеся в литературе данные по установлению несущей способности этих передач малочисленны и противоречивы.

Настоящая работа является частью общих исследований по повышению надежности и долговечности зубчатых колес, проводимых в Лаборатории прочности Таразского государственного университета.

Цель работы - установление закономерностей сопротивления разрушению от изгиба зубьев зубчатых колес несимметричного профиля при различных углах зацепления на нерабочей стороне, числах зубьев и видах нагружения.

Научная новизна работы и положения, выносимые на защиту, заключаются в следующем:

♦получены результаты теоретических исследований влияния геометрии и координаты приложения нагрузки на характеристики прочности зубьев зубчатых колес модифицированного профиля;

♦установлены закономерности влияния изменения числа зубьев зубчатых колес и углов зацепления на нерабочей стороне на сопротивление усталости при циклическом плавном и ударном отнулевом нагружении и на сопротивление разрушению при однократных статической и ударной нагрузках;

♦изучены качественные особенности механизмов разрушения в зависимости от вида и уровня нагружения, чисел зубьев и углов зацепления на нерабочей стороне, установленные по результатам фрактографического анализа их изломов.

Практическая ценность работы. Получены данные о коэффициентах формы зуба при расчетах зубчатых передач с зубом несимметричной формы с различными углами зацепления на нерабочей стороне, координатах приложения нагрузки и предельных напряжениях при различных видах циклического и однократного нагружения. Практическую ценность представляет предложенный способ повышения прочности зубьев зубчатых передач путем увеличения угла зацепления на нерабочей стороне без увеличения габаритов и массы, рассчитанного на применение распространенных технологий и зубонарезающего оборудования и требующего изменения лишь геометрии зубонарезающего инструмента.

Пути реализации и внедрение. Полученные результаты исследований и способ повышения прочности зубьев зубчатых передач приняты к использованию в АО "Запчасть" (г.Тараз). Часть результатов, выполненных исследований использованы в хоздоговорной научно-исследовательской работе с Минводхозом СССР "Методика исследования прочности и долговечности деталей строительных и мелиоративных машин".

Апробация работы. Диссертационная работа обсуждена на научном семинаре по механике Института механики и маши-

новедения МН-АН РК (г.Алматы). Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Республиканском научно-техническом семинаре "Автоматизированное проектирование зубчатых передач и редукторов" (г.Алма-Ата, 1984), IV Всесоюзном симпозиуме "Теория реальных передач зацеплением" (г.Курган, 1988), научно-технической конференции "Стандартизация и унификация в области зубчатых передач" (г.Харьков, 1990), XI Международном коллоквиуме "Механическая усталость металлов" (г. Киев, 1991), I Республиканском съезде по теоретической и прикладной механике (г. Алматы, 1996).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения и пяти глав, основных выводов и рекомендаций. Работа изложена на 107 страницах основного текста, включающих 45 рисунков, 12 таблиц, 107 библиографических наименований и приложения на 83 страницах.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному консультанту , доценту Таразского Государственного университета им. М.Х.Дулати к.т.н. Курляндскому Ю.Н. за консультации и обсуждение результатов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и цель исследования.

1 глава. Состояние вопроса и задачи исследования.

Рассмотрено современное состояние вопроса, посвященных исследованию геометрии и методам повышения прочности зубьев зубчатых колес. Показано, что работами Я.И.Дикера, Х.Ф.Кето-ва, Ф.Л.Литвина, Н.И.Колчина, Л.Н.Решетова, Н.Г.Лопухова, Н.А Калашникова , М.С.Полоцкого, Я.С.Давыдова, В.А.Гавриленко, Э.Бакингема, Х.Е.Меррита и др. Достигнуты значительные успехи в развитии теории эвольвентного зацепления.

Однако исследования и практика показали, что в большинстве случаев целесообразно отступать от использования исходного производящего реечного контура, установленного ГОСТ 13755-81. Приводятся примеры использования крупными организациями и фирмами по производству редукторов ("ЛАВАЛЬ": "АЛЛЕН") использования инструмента отличного от стандартного, а в отечественной авиационной и автомобильной промыш-

ленности нашли применение исходные производящие реечные контуры с углами профилей а=25° и 28° (симметричные). Приведен анализ известных методов рационального проектирования цилиндрических передач. Теория эвольвентного зацепления в обобщающих параметрах, выдвинутая Э.Б.Вулгаковым показала, что наиболее перспективными являются передачи с несимметричными зубьями, которые однако вследствие недостаточной изученности не находят практического применения.

Показано, что исследованиями сопротивления разрушению при изгибе зубьев зубчатых колес, выполненных в работах Д.Н.Решетова, А.И.Петрусевича, В.Н.Кудрявцева, К.Н.Заблонс-кого, В.Л.Устиненко, Я.Г.Кистьяна, Р.М.Чатыняна и др., достигнуты определенные успехи и они нашли отражение в ГОСТ 21354-75 "Передачи зубчатые эвольвентные. Расчет на прочность".

Эксплуатация машин в современных условиях интенсификации рабочих процессов, характеризующихся увеличением скоростей и нагрузок, свидетельствуют об увеличении числа разрушений от воздействия внешних пиковых перегрузок.

Расчет зубчатых передач, зубья которых при эксплуатации испытывают перегрузки динамического характера, свойственных высокоскоростным передачам с кратковременным нагружением зубьев, связанных с особенностями работы механизмов, ударным приложением внешней нагрузки, погрешностями изготовления и износа зубьев, до сих пор производятся на основе статической прочности.

Методика расчета зубьев на прочность по изгибу согласно ГОСТ 21354-75 основана на определении максимальных напряжений в опасном сечении зуба в стадии упругого деформирования. Но в реальных процессах нагружения зубьев, в особенности при высоких нагрузках в области ограниченной выносливости кривой Велера, имеют место как упругие, так и ограниченные пластические деформации, а также изменение структуры материала, характеризующийся накоплением повреждений, приводящих к зарождению и развитию усталостной трещины вплоть до поломки зуба. В расчетах на прочность по вышеуказанной методике не учитывается влияние фактора, как градиент первого главного напряжения, зависящего от изменения числа зубьев зубчатого колеса.

Оценка изгибной прочности связана с определением напряжений изгиба, особенностью расчета которых является нахождение коэффициента формы зуба УР. В связи с этим приведен анализ экспериментальных и аналитических методик определения и уточнения его значений. Анализ работ, посвященных данной проблеме, показал возможность применения численного метода решения упруго-пластических задач механики сплошной среды - метода конечных элементов для решения задачи о напряженном состоянии зуба. Затруднения возникающие при определении поля перемещений методами теории упругости, в большинстве случаев связаны со сложной геометрической формой исследуемой области. Е1 связи с этим для упрощения исследования использована система криволинейных координат, предложенная В.В.Брагиным.

Исследования Э.Б.Булгакова, Г.Б.Иосилевича, Г.В.Ривкина, В.И.Ананьева и др.. Свидетельствуют о возможностях метода рационального проектирования за счет использования исходного производящего реечного контура несимметричного профиля. В связи с этим в работе предлагается использование несимметричного исходного производящего исходного контура с сохранением стандартного 20-градусного угла зацепления на рабочей стороне и с увеличенным на нерабочей стороне, с целью сохранения прежних контактных условий на рабочей стороне. Вместе с тем, данные по сопротивлению разрушению при плавном циклическом нагружении малочисленны, а при ударном, однократном видах нагружений при варьировании геометрических параметров зубьев практически отсутствуют.

На основании обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований задачи данной работы были определены следующими основными этапами:

♦ определение геометрических параметров зубьев зубчатых колес для выбранного диапазона чисел зубьев при варьировании углов зацепления на нерабочей стороне методом графического моделирования;

♦ исследование сопротивления разрушению от усталости при циклическом плавном и ударном нагружении выбранного диапазона чисел зубьев зубчатых колес и углов зацепления на нерабочей стороне;

♦исследование изгибной прочности при однократной ударной и статической нагружениях выбранного диапазона чисел зубьев зубчатых колес и углов зацепления на нерабочей стороне;

♦исследование напряженно-деформированного состояния зубьев с целью определения коэффициента формы зуба при изменении координаты приложения нагрузки, чисел зубьев и углов зацепления на нерабочей стороне;

♦электронное фрактографическое исследование изломов зубьев с целью установления качественных особенностей разрушения при различных видах и уровнях нагружения, чисел зубьев и углов зацепления на нерабочей стороне;

♦разработка практических рекомендаций по повышению несущей способности и долговечности зубчатых колес и по учету влияния чисел зубьев, углов зацепления на нерабочей стороне, координаты приложения нагрузки на сопротивление усталости при циклических нагрузках.

2 глава. Методика проведения исследований. С цепью предварительного определения изменения параметров опасного сечения эвольвентных зубьев несимметричного и симметричного профилей и возможного диапазона изменения угла зацепления нерабочего профиля, выполнено моделирование процесса нарезания зубьев зубчатых колес на модифицированном приспособлении по распространенной технологии методом обката, с использованием специально изготовленных инструментальных реек с параметрами углов рабочего и нерабочего профилей а -сснр: 20°-20°, 20°-24°. 20°-28°, 28°-28°, 20°-36° и модулем т=15 мм (рисунок 1, 2).

1 (сходный котур тольнетпон цилиндрической чубчатон передачи но ГОС 13755-81

Р=Л-т

Рисмюк I

Теоретический исходный контур для несимметричных зубьев

Р=7Г-т

0.5 Р 0,5 Р

/Делительная

прямая

Рис}мок 2

Инструментальные рейки с симметричными углами профилей 20°-20° и 28°-28° приняты к использованию с целью выполнения сравнительной оценки, получивших распространение по ГОСТ 13755-81 и используемого в высоконапряженных в авиационной промышленности соответственно. Величина модуля т=15 мм инструментальной рейки выбрана с целью снижения погрешностей геометрических параметров опасного сечения, полученных в процессе моделирования и сопоставимости результатов исследований в ГОСТ 21354-75. Принятые значения нерабочих углов профилей исходных контуров ограничиваются в пределах их изменения, при которых не происходит заострение и соответствующее снижение высоты зуба.

По установленным геометрическим параметрам опасного сечения и принятым инструментальным рейкам, изготовлены специально спрофилированные червячные зубонарезающие фрезы и образцы зубчатых колес с числами зубьев 2=20,25,30,40,48,60 из стали 40Х, подвергнутых объемной закалке ( НВС 45...50). Стенды, используемые с целью выполнения исследований, реализуют следующие виды нагружения:

♦удары однократные - длительность воздействия 0,0008-0,001 с;

♦статическое однократное - время нарастания нагрузки 45 и более секунд;

♦отнулевое циклическое плавное нагружение - длительность действия нагрузки 0,07-0,08 с;

♦отнулевое циклическое ударное - с длительностью действия силового импульса 0,002-0,003с.

В качестве регистрирующей аппаратуры и измерения действующих усилий использовался стробоскопический осциллограф С7-8. Для измерения деформаций использовался тензомет-рический усилитель УТ4-1. Испытания зубьев зубчатых колес на усталость и на ударную усталость производились при постоянном режиме нагружения до разрушения. Усталостные испытания ограничивались на базе испытаний ЫБ-510®, а ударно-уста-постные на базе испытаний ЫБ=2105. Изложена методика испытаний на прочность при изгибе при циклическом плавном и ударном, однократном статическом и ударном нагружениях. Приведены конструктивные, кинематические схемы и снимки общего вида стендов, использованных при проведении экспериментальных исследований. Приведена методика использованного линейного регрессионного анализа обработки результатов усталостных испытаний, позволившего определить параметры кривой усталости для 50% вероятности неразрушения с использованием ЭВМ СМ4-20.

Глава 3. Исследование концентрации напряжений в основании несимметричных зубьев зубчатых колес. Выполнен анализ методов решения граничных задач теории упругости и обоснован выбор решения вариационных задач методом Ритца и его вариационно-разностного аналога - метода конечных элементов, нашедшего наиболее широкое применение.

Использованием метода конечных элементов определены показатели напряженно-деформированного состояния зубьев в криволинейной системе координат. Напряженно-деформированное состояние определяли при среднем значении интенсивности нагрузки 400 Н на 1 мм длины линии контакта с координатами приложения нагрузки (0; 0,25; 0,50; 0,75; 1,0; 1,25) в долях модуля т от вершины зуба зубчатых колес. Исследованы зубчатые колеса с числом зубьев г=20,30,60. Значения углов нерабочего профиля анр=20°, 24°, 28°, 32°, 36°. Определение показателей напряженного состояния зубьев выполнены с использованием программы МАМА-40 НА ЭВМ ЕС-1061 в Ярославском политехническом институте, составленной на языке ФОРТРАН IV.

Анализ полученных результатов показал, что наименьшие значения коэффициента формы зуба имеют зубья с углом

зацепления на нерабочей стороне анр=36°. Установлено, что это значение на 22% ниже, чем для зубьев симметричного 20-градусного зацепления при 2=20, для Е=30-21%, а при Z=60-19% при приложении нагрузки в вершине зуба (!т=0) (рисунок 3, лист 1). С изменением координаты приложения нагрузки (Ь=1,25) т происходит относительное уменьшение снижения коэффициента Ур по сравнению со стандартным 20-градусным для чисел зубьев: г=20-14%, г=30-14%, г=60-13% (рисунок 3, лист 1,2). Снижение коэффициента Ур для принятых к использованию чисел зубьев при 1=20, 30, 60 при изменении координаты приложения нагрузки от И=0 до Ь=1,25 т для углов зацепления на нерабочей стороне соответственно составили: а =20°-38%, 42%, 45%; ар=24°-37%, 41%, 44%; а =28°-35%, 39%, 43%; анр=32°-34%, 38%, 42%; аф=36°-31%, 37%, 41%.

Большее снижение коэффициента УР для зубчатых колес с меньшим числом зубьев по сравнению с большим числом зубьев при увеличении угла зацепления на нерабочей стороне создает дополнительное преимущество, связанное с тем, что ведущие зубчатые колеса подвергаются большей опасности разрушения, в связи с меньшей высотой опасного сечения и прочности при большем числе циклов нагружения, чем ведомое При координате приложения нагрузки (И=0) для зубчатых колес с числом зубьев 2=20 с 28-градусным симметричным углом зацепления значение коэффициента УР на 2% больше при использовании анр=36°. Однако при переходе к числу зубьев 1=60 при тех же условиях преимущество на 2% переходит к симметричному 28-градусному зацеплению (рисунок 4).

Глава 4. Сопротивление разрушению зубьев зубчатых колес при циклическом и однократном нагружении. В качестве единой характеристики нагружения принята удельная нагрузка (0 = РР /т-ЬК1 МПа; где окружное усилие, Н; т - модуль, мм; Ьи - ширина венца, мм). При этом условие прочности имеет вид: Ор=ОУг Принятая удельная нагрузка обеспечивает сопоставимость результатов испытаний при всех видах нагружения.

Испытаниям подвергались зубчатые колеса с числами зубьев 2=20, 30, 60 из стали 40Х (НПС 45...50) в принятом диапазоне изменения углов зацепления на нерабочей стороне.

Приведены результаты исследования влияния изменения угла зацепления на нерабочей стороне и числа зубьев на сопротивление усталости при циклическом ударном нагружении (рисунок 5).

Зависимость коэффициента формы зуба Ур от угла зацепления а,ф на нерабочей стороне зуба при различных координатах Ь приложения нагрузки для чисел зубьев Ъ\

1 -г = 20;2-г = 30;3 - г = 60 Рисунок 3,лист1

1 -г = 20;2-г = 30;3-г =60 Рисунок 3,лист 2

Зависимость коэффициента формы зуба Ур от координаты Ь приложения нагрузки с рабочей стороны для чисел

зубьев 7. при различных углах зацепления

1-20°-20°; 2-20°-24°; 3-20°-28°; 4-20°-22°; 5-20°-36°; 6-28°-28°. Рисунок 4>

Влияние угла зацепления нерабочей стороны и числа зубьев на сопротивление ударной усталости

1-20°-20°; 2-20°-24°; 3-20°-28°; 4-20°-32°; 5-28°-28°; 6-2О0-36°;

Рисунок 5

Анализ полученных результатов позволил установить, что по мере увеличения угла зацепления на нерабочей стороне а происходит увеличение сопротивления ударной усталости (таблица 1). Таблица 1

Относительная величина напряжений _разрушения__

—^_Угол зацепления Число зубьев " -— г=20 г=зо г=60

N=2103 И=105 N=2103 N=10= N=2103 N=10*

20°-20° 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

20°-24° 1,04 1,04 1,07 1,04 1,12 1,14

20Р-280 1,10 1,08 1,13 1,10 1,18 1,14

2СР-320 1,16 1,12 1,19 1,14 1,25 1,21

28Р-280 1,21 1,15 123 1,18 1,30 1,26

20Р-360 1,26 1,20 1,29 1,24 1,33 1,30

При этом влияние увеличения угла зацепления на нерабочей слсроне анр более значительно в малоцикловой зоне усталости и менее значительно в многоцикловой зоне.

Установлено влияние увеличения угла зацепления на нерабочей стороне анр на долговечность при фиксированных уровнях нагружения в малоцикловой и многоцикловой зонах ударной усталости по сравнению со стандартным 20-градусным для принятых к использованию чисел зубьев 2=20, 30, 60. При этом увеличение долговечности более выражено в малоцикловой зоне по сравнению с многоцикловой зоной усталости. Таблица 2.

Относительная величина ресурса до разрушения при циклическом ударном нагружении в малоцикловой

зоне усталости

------Угол зацепления Число зубьев"""""—---- 20°-20° 20°-;>4° 20°-28° 20°-32° 28°-28° 20°-36°

20 1,00 1,23 1,45 1,60 1,80 1,70

30 1,00 1,40 1,58 1,70 1,86 1,78

60 1,00 1,42 1,60 1,74 1,90 1,85

Приведены результаты исследования влияния изменения угла зацепления на нерабочей стороне и числа зубьев на сопротивление усталости при циклическом плавном (рисунок 6). Анализ полученных результатов позволил установить, что по

Влияние угла зацепления нерабочей стороны и числа зубьев на сопротивление усталости

2-20°-24°; 3-20°-28°; 4-20°-32°; 5-28°-28°;

Рисунок 6

мере увеличения угла зацепления на нерабочей стороне а, происходит увеличение сопротивления усталости (таблица 3). Таблица 3.

Относительная величина напряжений разрушения при циклическом плавном нагружении

~~^Угол зацепления Число зуббев-^^^ СС р С1нр 2=20 г=зо г=бо

N=2 103 N=10= N=2 103 ^ю5 N=2103 ы=ю5

20°-20° 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

20°-24° 1,07 1,08 1,07 1,07 1,08 1,14

20°-28° 1,13 1,17 1,14 1,20 1,17 1,24

20°-32° 1,18 1,22 1,19 1,25 1,23 1,32

28°-28° 1,21 1,29 1,24 1,31 1,28 1,39

20°-36° 1,23 1,32 1,28 1,36 1,32 1,44

При этом влияние увеличения угла зацепления на нерабочей стороне анр менее значительно в малоцикловой зоне усталости и более значительно в многоцикловой зоне.

Установлено влияние увеличения угла Зацепления на нерабочей стороне анр на долговечность при фиксированных уровнях нагружения в малоцикловой и многоцикловой зонах усталостного нагружения по сравнению со стандартным 20-градусным для принятых к использованию чисел зубьев 2=20, 30, 60. При этом увеличение долговечности более выражено в многоцикловой зоне по сравнению с малоцикловой зоной усталости. Испытаниями при однократном статическом и однократном разрушении установлено снижение на 16-25% ударной разрушающей нагрузки по сравнению со статической во всем исследуемом диапазоне чисел зубьев и углов зацепления с несимметричными зубьями по сравнению со стандартным 20-градусным.

Увеличение напряжений, необходимых для разрушений, с возрастанием угла зацепления на нерабочей стороне и числа при циклическом ударном и плавном нагружении обусловлено, очевидно, влиянием градиента первого главного напряжения в опасном сечении зуба. Более высокий градиент напряжений при большем угле зацепления на нерабочей стороне и числе зубьев способствует большой недогрузке внутренних точек опасного сечения и повышению несущей способности, а также большей возможности релаксации напряжений при плавном циклическом нагружении.

Глава 5. Фрактографическое исследование поверхностей изломов зубьев при испытаниях. Обоснована необходимость фрактографического исследования поверхностей изломов. Фрактографическое исследование изломов зубьев выполнено в Институте проблем прочности АН Украины в отделе физических основ прочности и разрушения на макроуровне с использованием оптического микроскопа МБС-09, на микроуровне -растрового электронного микроскопа "Стереоскан 54-10" и "Те51а-350". Исследование поверхностей изломов производилось на участках очагов и зоны зарождения трещины, зоны стабильного роста усталостной трещины и зоны долома.

Исследованиям подвергались поверхности изломов несимметричных зубьев зубчатых колес с углами зацепления на нерабочей стсроне анр= 24°, 28°, 32° при различных уровнях циклического нагружения, числе зубьев: 2=30 - плавного нагружения; 2=60 - ударного нагружения.

В результате макрофракгографического исследования изломов зубьев установлено, что при низких уровнях циклического нагружения независимо от вида нагружения поисходит многоочаговое развитие усталостного нагружения, при высоких уровнях - моноочаговое.

Микрофрактографическими особенностями разрушения при циклическом плавном нагружении, независимо от уровня нагружения, является механизм образования хрупких бороздок усталости на стадии стабильного роста усталостной трещины. Вместе с тем, увеличение уровня нагрузки почте вдвое, приводит к увеличению зоны пластической деформации у вершин трещин, скорости распространения трещины и соответствующему снижению числа циклов до разрушения.

Фракгографически установлено, что в зонах развития усталостной трещины при высоком уровне нагружения, по сравнению с низким уровнем нагружения микровязкие участки преобладают и их наличие связано с увеличением скорости распространения трещины и необходимостью больших пластических деформаций.

Поверхность изломов на участке долома имеет характер межзеренного и внутризеренного хрупкого разрушения с гребнями пластической деформации и вторичными трещинами вдоль боковых границ зерен.

Исследование поверхностей изломов зубьев, подвергнутых ударно-усталостному нагружению, выявило отсутствие во всем исследованном диапазоне чисел зубьев и углов зацепления на нерабочей стороне механизма образования бороздок усталости, и соответствующее снижение сопротивления разрушению, по сравнению с усталостным.

Анализ поверхностей изломов зубьев различных профилей, отличающихся по долговечности в несколько раз, при прочих равных условиях, позволяет сделать вывод, что повышение несущей способности с увеличением угла зацепления нерабочей стороны зубьев связано, в основном, с увеличением сопротивления зарождению усталостной трещины, а не сопротивления ее развитию.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1.Обоснованы возможности повышения несущей способности зубьев зубчатых колес по изгибу зуба методом профильной модификации увеличением угла зацепления а на нерабочей стороне зуба. нр

2. На основании метода графического моделирования установлено, что диапазон значений углов зацепления а на нерабочей стороне, не приводящих к приострению вершины зуба и сокращению его высоты, целесообразно ограничить ос =36 .

Исследования по этому методу свидетельствуют о том, что изменение параметров, характеризующих прочность зубьев по изгибу при увеличении угла зацепления а имеют тенденцию к росту.

3.Исследованиями коэффициента формы зуба У с использованием метода конечных элементов, установлены значения и зависимости снижения этой характеристики, по мере увеличения угла зацепления а . Это снижение более значительно для зубчатых колес с Кйалым числом зубьев при 2=20 и а =36 оно составило 22%, а при 2=60-19%.

4.РЬст величин разрушающих нагрузок с увеличением угла зацепления а при циклическом ударном нагружении больше в малоцикловЩй зоне и меньше в многоцикловой зоне усталости по сравнению с циклическим плавным нагружением.

б.Увеличение ресурса зубчатых колес во всем исследованном диапазоне чисел зубьев и углов зацепления а при ударном циклическом нагружении значительно меньше, Чем при плавном циклическом нагружении. Причем для малых чисел зубьев (2=20) эта тенденция менее, а при больших числах зубьев (2=60) более выражена.

6.На основании фрактографического анализа изломов зубьев выявлено, что увеличение действующей нагрузки, увеличение угла зацепления а на нерабочей стороне, переход от плавного циклического к*рударному нагружнию, приводит к преобладанию высокоскоростных механизмов разрушения.

7. Предложенный метод профильной модификации зубьев является одним из наиболее эффективных методов повышения несущей способности и надежности зубчатых передач по изги-

бу зубьев. Проведенными исследованиями установлены практические возможности его применения и результаты исследования рекомендованы для производственного использования.

Материалы диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Уркумбаев М.Ф., Курляндский Ю.Н., Алиев С.А., Ержанов Н.М. Лабораторный образец для испытаний влияния геометрических параметров зуба на прочность при изгибе. КазНИИНТИ при Госплане Казахской ССР, Джамбулский ЦНТИ, информационный листок №31-85, 1985, 4с.

2.Курляндский Ю.Н., Алиев С.А., Ержанов Н.М. Сопротивление усталости зубьев. В сб.: Вопросы прочности элементов сельскохозяйственных, строительных и мелиоративных машин. Труды ТИИМСХ, выпуск 147, 1985, С.1-3.

3.Курляндский Ю.Н., Алиев С.А., Ержанов Н.М. К методике исследования изгибной прочности несимметричных зубьев зубчатых колес. В сб.: Расчет, исследование и проектирование транспортирующих и грузоподъемных машин, Алма-Ата, КазПТИ, 1986, С.15-17.

4.Ержанов Н.М. Повышение прочности зубьев зубчатых колес методом профильной модификации. Материалы IV Всесоюзного симпозиума 'Теория реальных передач зацеплением". Курган, 1988, С.86-87.

Б.Уркумбаев М.Ф., Алиев С.А., Ержанов Н.М. Прочность зубьев несимметричного профиля. Материалы республиканской научно-технической конференции "Проблемы повышения прочности и надежности элементов конструкций и приводов в машиностроении", Харьков, 1990, С.56-58.

6.Уркумбаев М.Ф., Алиев С.А., Ержанов Н.М. Стандартизация расчетов зубьев с профильной модификацией. Материалы научно-технической конференции "Стандартизация и унификация в области зубчатых передач", Харьков, 1990, С.87-88.

7.Уркумбаев М.Ф., Курляндский Ю.Н., Алиев С.А., Ержанов Н.М., Копбергенов М.Р. Механизмы разрушения зубьев зубчатых колес. Материалы XI Международного коллоквиума "Механическая усталость металлов", Киев, Наукова думка, 1991, С.130-131.

8.Urkumbaev M.F., Kurlyandsky Y.N., Aliev S.A., Erganov N.M., Kopbergenov M.R. Materials of XI International Colloquium Mechanicals Fatique of Mettals Abstracts - Kiev: Nauk. Dumka, 1991, p. 259-260.

9. Ержанов Н.М. Повышение нагрузочной способности зубчатых передач // Механика и моделирование процессов технологии. 1996, № 2, с. 137-140.

Ержанов Нурлан Маулешулы

Тютер1 симметриялысыз тю"п доцгалактардыц итуге байланысты к,ирауга кедергесмн зерттеу

Техника гылымдарыныц кандидаты полыми дэрежесш алу

диссертациясы 01.02.04 - деформацияланытын койты дененщ механикасы

Жумыста тют1 бертгстердщ жумыс ¡стеу к,аб1летттю мен сешмдмпн гпш1нд1 модификация тэал1мен жогарылату жолы керсеттген.

Тют1 доцгалактардьщ тгстержщ кабылданган диапазондгы тютер сандары мен жумыс ¡стемейтш бетгеп ¡л1ню бурыштарына карай 61р калыпты жэне соккылы циклд1, б'/р ретпк статикалык, жане соккылы жумыс ¡стеуге байлансты кирауга кедергеа зерттелген.

Бер'испкп есептеуде пайдаланылатын тю формасынын коэффициенты анык,тау максатында кернеул! - деформация ланган куй1 зерттелген. Фрактографиялык, зерттеулер аркылы кираудьщ сапалык, ерекшелтер1 табылган.

Отштген зерттеулер аркылы осы тэсшмен беркткл жогарылытудыц практикалык, мумкЫд'1ктер1 ацык,талган.

Erzhanov Nurlan Mauleshovich

Exploration of Resistance to Destruction of Unsymmetrical Teeth of Cog Wheels When Bending

Thesis submitted for candidate degree of technical sciences 01 02.04-Mechanics of Deformable Solid Bodies

Thesis is devoted to the method of increase of bearing capacity and reliability of cog wheels by way of profile modification.

Resistance to destruction of teeth of cog wheels of selected diapason number of teeth and generating angles on unworking side under circling steady and impact, single static and impact loading (charging) exploration has been investigated.

Strained and deformed condition with a view of defining the co-efficiency of the form of the teeth used for the calculation of strength has also been investigated.

Fractographic exploration showed qualitative peculiarities of the destruction.

The investigation also showed practical possibilities of applying the given method for the increase of (firmness)solidity.