Исследование влияния погрешностей на кинематику и динамику сферической передачи с шариковыми промежуточными телами и выбор рациональных параметров тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ '

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ 8 1.1 Краткий анализ работ, посвященных разработке и исследованию свойств передач

1.2. Исследование кинематической точности передач и ее взаимосвязь с погрешностями изготовления и монтажа

Кинематика неточного механизма 14 Общие замечания по вопросам точности и надежности устройств 15 Основные положения линейной теории точности механизмов 17 Общие замечания ЛТТМ 17 Ошибки положения механизмов 18 Основы нелинейной теории точности механизмов

1.3. Постановка задачи исследования

ГЛАВА 2. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ СФЕРИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ С ШАРИКОВЫМИ ПРОМЕЖУТОЧНЫМИ ТЕЛАМИ

2.1. Уравнение зацепления 26 Определение линии вершин выпуклых зубьев 36 Зацепление с выпуклыми зубьями 36 Зацепление с вогнутыми зубьями .39 Коэффициент перекрытия

2.2. Определение вспомогательных геометрических параметров колеса

Определение существования петли и ее размеров 46 Определение ширины петли и островка 47 Определение предельных положений ШПТ на сферической поверхности колеса

Определение основных элементов обоймы

2.4. Геометрическое проектирование передачи

Методика построения номограмм по типу блокирующих контуров для сферической передачи 53 25. Определение угла зацепления и кинематического мертвого хода реверса 56 Угол зацепления 56 Кинематический мертвый ход реверса

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛОВЫХ ФАКТОРОВ В ПЕРЕДЕЧЕ

3.1. Усилия в зацеплении

3.2. Распределение нагрузки между промежуточными телами

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТИ СФЕРИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧ

4.1. Определение ошибок положения и чувствительности передаточной функции к эксцентриситетам установки колес

4.2. Влияние эксцентриситетов и радиальных смещений на угол давления

4.3. Влияние погрешности осевой сборки обоймы

4.4. Оценка влияния погрешности монтажа по углу пересечения осей СПШПТ

4.5. Ошибка положения ведомого звена при учете упругих деформаций в зоне контакта

4.6. Оценка динамических характеристик СПШПТ при наличии эксцентриситетов элементов •

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СПШПТ К ПОГРЕШНОСТЯМ

5.1. Задачи экспериментального исследования влияния погрешностей изготовления и монтажа на кинематику СПШПТ

5.2. Описание экспериментальной установки

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СПШПТ К ПОГРЕШНОСТЯМ

5Л. Задачи экспериментального исследования влияния погрешностей изготовления и монтажа на кинематику СПШПТ

5.2. Описание экспериментальной установки

5.3. Экспериментальное определение функции отклонения угла поворота ведомого звена

Неотъемлемой частью современных машин и механизмов являются различные механические передачи, как обеспечивающие наибольшую нагрузочную способность, простоту изготовления и надежность при наименьших габаритах. Однако, учитывая постоянное расширение областей применения, условий эксплуатации, рост единичных мощностей установок, удорожание простоя машин, высокий уровень эксплуатационных затрат и т. п., существующие в настоящее время виды зубчатых передач не всегда в полной мере отвечают предъявляемым к ним требованиям. Так, например, помимо традиционных требований, к узлу привода конструкции для точного позиционирования (Или близких к нему по функциональному назначению) предъявляется ряд специфических требований:

1. Кинематическая цепь должна иметь малую инерционность.

2. Момент трогания желательно обеспечить минимальным.

3. Мертвый ход должен иметь наименьшее возможное значение, которое оставалось бы стабильным при эксплуатации.

Известные зацепления (эвольвентное, Новикова и др.), несмотря на ряд достоинств - отработанная технология и инструмент, сравнительно простой контроль и т.п.,- имеют и ряд недостатков, главные из которых следующие:

1. Высокая точность редукторов данного типа требует применения колес 4 и 5 степеней точности, что существенно удорожает конструкцию.

2. Вследствие малого коэффициента перекрытия износ при эксплуатации может достичь величин, при которых ошибки перемещения выходного вала и мертвый ход оказываются недопустимыми и нестабильными.

3. Твердость мелкомодульных передач, а именно они чаще всего применяются для точных приводов, ограничена значениями твердости НК.С 22.32.

Применяемые же в этих передачах специальные устройства для выборки мертвого хода конструктивно сложны и недостаточно надежны (например, колеса с упругими элементами). В этом плане многообещающей считалась передача волнового типа, появившаяся в конце 50-х годов, поскольку в ней исключались определенные недостатки известных типов передач. Однако исследования показали неуниверсальность этой передачи (как это понималось первоначально) и, применительно к рассматриваемой области, они выявили определенные недостатки:

• Недолговечность гибкого элемента (с нарезными зубьями) и его малая технологичность, вызванные отсутствием материалов, позволяющих выдержать заданное время циклические нагрузки, и сложностью конфигурации. ® Нижний предел передаточных чисел весьма ограничен.

Все вышеизложенное предопределило не только модификацию традиционных, но и синтезирование новых видов зацеплений, которые бы полнее удовлетворяли достаточно противоречивым требованиям. Перспективным направлением в области синтеза передач зацеплением является разработка передач с промежуточными телами, как обладающих в ряде случаев более высокими эксплуатационными и ■технологическими качествами, а также отличающиеся пониженным уровнем шума, повышенными точностными параметрами и большей несущей способностью, особенно по изгибу. Особый интерес представляют механизмы, состоящие из сложных передач с шариковыми промежуточными телами волнового и планетарного исполнения, поскольку в транспортных и загрузочных устройствах, манипуляторах требуются^ приводы с достаточно высокой несущей способностью, 7

КПД, надежностью и точным воспроизведением передаточной функции, что чрезвычайно важно для механизмов позиционирования и др. При этом модульный принцип проектирования передач с шариковыми промежуточными телами резко сокращает их габариты, шум и делает их необходимыми в транспортных и загрузочных устройствах новых поколений. О том, что данный вид передач получает все возрастающий интерес со стороны нашей страны и за рубежом, свидетельствуют многочисленные материалы, опубликованные в патентной литературе и других источниках научной информации особенно в последние два десятилетия. Появились в нашей стране и за рубежом первые промышленные конструкции как силовых, так и кинематических передач с шариковыми промежуточными телами для передачи энергии (движения) при различно расположенных в пространстве осях [1, 3-7, 40, 42, 43, 70].

Данная работа посвящена исследованию точностных свойств сферической передачи с шариковыми промежуточными телами, выбору её рациональных геометрических параметров и элементам технологии нарезания профилей зубьев колес.

Результаты работы внедрены в практику проектирования и изготовления сферических передач в НПЦ "Примех", НТО "Приборсервис" (г.Томск), ООО "Экологические системы безопасности" при

ОАО "Сибстанкоэлектропривод" (г. Новосибирск), СКВ "Элам" (г.

Искитим).

132

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итогом диссертационной работы, направленной на решение актуальной задачи разработки приводов с заранее заданными свойствами путем теоретических и экспериментальных исследований и внедрения методов выбора рациональных параметров сферической передачи с шариковыми промежуточными телами, является следующее:

1. Выполнен анализ особенностей геометрии, кинематики и силовых факторов зацепления сферических передач, показана актуальность исследования влияния погрешностей изготовления и монтажа звеньев сферической передачи на характеристики зацепления.

2. Разработана методика выбора рациональной совокупности параметров передачи; разработан алгоритм проектировочного расчета передачи, на основе которых создано программное обеспечение в среде TurboPascal 5.5, работающее как в операционной среде DOS так и Windows. Показана рациональность выбора нулевого или малого отрицательного коэффициента смещения.

3. Разработана геометрическая модель сферической передачи с учетом действующих погрешностей изготовления и монтажа звеньев передачи, позволяющая моделировать действие погрешностей изготовления и сборки, а также упругих деформаций в зоне контакта на ошибку положения ведомого звена, мгновенное передаточное отношение, угловое ускорение.

4. Выполнено компьютерное моделирование влияния эксцентриситетов элементов, погрешности межосевого угла, осевых смещений и упругих деформаций на ошибку положения ведомого звена, мгновенное передаточное отношение, угол зацепления.

5. На базе специально спроектированной и изготовленной экспериментальной установки выполнены экспериментальные исследования влияния погрешностей изготовления и монтажа на кинематику передачи.

6. Разработаны и апробированы в лабораторных и заводских условиях основы технологии изготовления элементов передачи на стандартном оборудовании - зубофрезерных (зубострогальных) станках для нарезания конических колес с круговым зубом и универсальных координатно-фрезерных станках с ЧПУ.

7. Предложена новая форма фрезы, позволяющая расширить технологические параметры станков для нарезания колес сферических передач.

По результатам выполненной работы возможно сделать следующие выводы:

• в области возможных параметров передачи существуют две зоны работоспособности - зона с малыми отрицательными или нулевыми коэффициентами смещения (зацепление с выпуклым зубом) и зона с большими положительными смещениями и большими коэффициентами передачи (зацепление с островковым зубом).

• при увеличении коэффициента смещения от нулевого значения коэффициент перекрытия резко падает вследствие подрезания ножки зуба и, соответственно, уменьшения длины активного профиля;

• наиболее предпочтительно назначение коэффициента смещения равного нулю или очень малого отрицательного значения, так как при этом вдоль всей активной линии профиля зуба угол передачи наиболее близок к 90° и нормальная сила в зацеплении и контактные напряжения имеют наименьшие значения;

• выбор совокупности параметров коэффициента смещения х и коэффициента передачи К на практике удобно определять по блор-кирующим контурам;

131

• влияние эксцентриситетов на функцию положения хорошо описывается методами линейной теории точности;

• наиболее существенное влияние эксцентриситетов сказывается на величину угла зацепления;

• передача обладает невысокой чувствительностью к эксцентриситетам элементов, ошибке межосевого угла;

• максимальная величина ошибки положения ведомого звена при действии погрешности угловой сборки имеет практически линейную зависимость от величины погрешности;

• сравнение результатов численного и экспериментального исследований подтвердило адекватность математической модели, достоверность результатов численных и экспериментальных исследований и разработанных рекомендаций; нарезание профилей зубьев колес сферических передач возможно на существующем стандартном оборудовании - станках для нарезания конических колес с круговым зубом, как с наклоняющимся инструментальным шпинделем, так и ненаклоняющимся, а также на универсальных координатно-фрезерных станках;

• при любом способе изготовления зубчатых колес для расширения технологических возможностей станков по параметрам нарезаемых передач предпочтительно использование фрезы со сферической заточкой в 220° и более.

1. A.C. 1173099 (СССР). Передача с промежуточными телами. /А.Н. Морозов, В.Н.Кундель, Н.В.Васильченко. Опубл. в БИ. -1985. № 30.

2. A.C. 1295087 (СССР). Зубчатая передача. /Демкин И.А. Опубл. в бюлл. ИСМ.-1987. №13.

3. A.C. 1428880 (СССР). Зубчатая передача. /Берестнев О.В., Ско-рынин Ю.А., Римкевич C.B. Опубл. в бюлл. ИСМ. -1989. №2.

4. A.C. 168567 (СССР). Передача для параллельных валов с шариковыми промежуточными телами. /А.И.Нечаев. Опубл. В БИ. -1965. №4.

5. A.C. 261072 (СССР). Сферическая передача. /А.Е.Беляев и др.Опубл. в БИ. -1970. № 4.

6. A.C. 658.345 (СССР). Передача для параллельных валов с шариковыми промежуточными телами. /А.Е.Беляев и др. -Опубл. в БИ. -1979. № 15.

7. A.C. 668139 (СССР). Шариковая передача /М.Л.Ерихов, Г.Ю.Волков. Опубл. В Б.И. -1979. №23.

8. Абрамов А.И. Теоретическое и экспериментальное исследование кинематической точности и виброактивности спироидных передач. Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Ижевск, 1996. -20с.

9. Айрапетов Э.Л., Генкин М.Д., Ряснов Ю.А. Статика зубчатых передач. М.: Наука, 1983.-142с.

10. Ю.Александров В.М. Ромалис Б.Л. Контактные задачи в машиностроении. М.: Машиностроение, 1986. -176с.

11. Ан-И-Кан. Исследование шариковых передач с пересекающимися осями. Дисс. .канд. техн. наук. Томск, 1973. -132с.

12. Антохин Н.И. Оптимизация параметров и процессов зубообработ-ки конических зубчатых передач промышленных тракторов. Авто-реф. дисс. . канд. техн. наук. Саратов. 1988. -22с.

13. Беляев А.Е. Новые виды силовых передач и их применение в машинах. //Второй Всесоюзный съезд по теорий машин и механизмов. Тезисы докладов. 4.1. Одесса, 1982. -с.49.

14. Н.Беляев А.Е. Передачи и механизмы с промежуточными телами повышенной долговечности и области их рационального применения. Дисс. .докт. техн. наук. Томск. 1987. -497с.

15. Беляев А.Е., Ан-И-Кан. Некоторые вопросы технологии изготовления колес шариковых передач с пересекающимися осями. /Теория и расчет передаточных механизмов. Сб. научн. трудов. Хабаровск, РИО Хабаровского политехи. Ин-та, 1975. -с.103-116.

16. Беляев М.С. Оценка влияния точности изготовления на условия нагружения зубчатых передач /Детали машин: Республиканский межведомственный научно-технический сборник. -1981. Вып. 33. -с.52-54.

17. Беляев М.С. Погрешности контакта в зубчатых зацеплениях /Детали машин: Республиканский межведомственный научно-технический сборник. -1988. Вып. 47. -с.6-9.

18. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин. Справочник. 3-е изд. перераб. и доп.- М.: Машиностроение. 1979. -702с.

19. Бородачев H.A. Основные вопросы теории точности производства. -М.: Изд-во АН СССР, 1950. -416с.

20. Бруевич Н.Г. Точность механизмов. -М.: ГИТТЛ, 1946. -332с.

21. Бруевич Н.Г., Правоторова Е.А., Сергеев В.И. Основы теории точности механизмов. -М.: Наука, 1988. -238с.

22. Бруевич Н.Г., Сергеев В.И. К проблеме точности в теории надежности / Изв. АН СССР. Механика и машиностроение. -1964. №2. -с.78-81.

23. Бруевич Н.Г., Сергеев В.И. Основы нелинейной теории точности и надежности устройств. М.: Наука, 1976. -134с.

24. Васильев В.М. Элементы теории зацеплений пространственных передач. Ростов-на-Дону. 1990. -200с.

25. Верховский A.B. Новые разновидности зубчатых и червячных передач. /Вестник машиностроения. -1985. № 8. -с.24-28.

26. Верховский A.B. Особенности локализации пятна контакта в зубчатых и червячных передачах. /Детали машин: Республиканский межведомственный научно-технический сборник. -Киев: Техника, -1991. Вып. 52.-с. 65-70.

27. Волков Г.Ю., Ерихов M.JI. Критерии работоспособности и расчет червячной передачи с фиксированными шариками. /Вестник машиностроения. -1986. № 10. -с.20-23.

28. Булгаков Э.Б. Зубчатые передачи с улучшенными свойствами. -М.: Машиностроение, 1974. -264с.

29. Гавриленко В.А. Основы теории эвольвентной зубчатой передачи. М.: Машиностроение, 1969.-431с.

30. Галин Л.А. Контактные задачи упругости и вязкоупругости. -М.: Наука, 1980.-304с.

31. Гиндин Э.Б. Математическое моделирование работы контактов в шариковой передаче с параллельными осями: Дисс. . канд. техн. наук. Томск, 1987. -153с.

32. Горлов Л.П. Вопросы исследования и изготовления обкатных ко. нических и гипоидных передач с заданными качественными показателями зацепления. Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Новочеркасск, 1974.-20с.

33. Гурин В.В. Исследование геометрии, кинематики и работоспособности плоских шариковых передач: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Новосибирск, 1974.-22с.

34. Дусев И.И. Современное состояние теории зубчатых зацеплений и пути ее дальнейшего развития. /Проектирование механизмов машин и автоматов. Новочеркасск, 1979. -с.3-13.

35. Дусев И.И., Васильев В.М. Аналитическая теория пространственных зацеплений и ее применение к исследованию гипоидных передач. -Ростов-на-Дону,1968.-148с.

36. Заявка 63-5614 (Япония). Шарнир равных угловых скоростей. /НТН Тоё бэарингу К.К. Опубл. в бюлл. ИСМ, 1989. №2.

37. Зуборезный полуавтомат для конических колес с круговыми зубьями 5П23А. Паспорт и руководство. -Саратов, 1964. -51с.

38. Игнатищев P.M. Синусошариковые передачи. Минск: Высшая школа, 1983. -107с.

39. Игнатищев P.M. Синусошариковый редуктор. //Механика машин. Вып. 58. М.: Наука, 1981ю -с.93-98.

40. Инструкция по расчету наладок станков моделей 5П23А и 5Т23А для нарезания колес с круговыми зубьями. -Саратов: Саратовский завод зубострогальных станков. Приволжское бюро технической информации.1967. -20с.

41. Исследование сферических передач повышенной точности. Отчет о НИР (закл). / Рук. А.Е.Беляев. -Томск, ТПИ, 1991. №ГР 01910023810. инв. № 02920003441.-72с.

42. Кинематика, динамика и точность механизмов: Справочник. -М.: Машиностроение, 1984. -214с.

43. Ковалев М.П., Народецкий М.З. Расчет высокоточных шарикоподшипников. -М.: Машиностроение, 1975. -297с.

44. Ковалевский В.И. Разработка и теоретическое обоснование рациональных конструкций прямозубых конических передач. Дисс. .докт. техн. наук. -Ташкент. Ташкентский госуд. техн. ун-т, 1992. 374с. (приложение 165с.)

45. Кораблев А.И. Решетов Д.Н. Повышение несущей способности и долговечности зубчатых передач. М.: Машиностроение, 1968, -288с.

46. Коровчинский М.В. Местный упругий контакт при близком касании сжимаемых тел. /Машиноведение. -1970. № 2. -с. 71-78.

47. Коростелев JI.B. Кинематические показатели несущей способности пространственных зацеплений. /Изв. вузов. Машиностроение. -1964. № Ю.-с. 5-15.

48. Короткин В.И., Харитонов Ю.Д. Зубчатые передачи Новикова. -Ростов-на-Дону: Изд-во Ростовского ун-та, 1991. -208с.

49. Коченов М.И., Правоторова Е.А., Сергеев В.И. Вероятностное моделирование в задачах точности. -М.: Наука, 1973. -152с.

50. Кошкин Д.В. Исследование влияния погрешностей и геометрическое моделирование локализованного контакта в спироидной передаче. Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Ижевск, 1999. -20с.

51. Кудрявцев В.H. Планетарные передачи. -M.-JL: Машгиз, 1960. -280с.

52. Литвин Ф.Л. Теория зубчатых зацеплений. М.: Наука, 1968. -584с.

53. Лопато Г.А., Кабатов Н.Ф., Сегаль М.Г. Конические и гипоидные передачи с круговыми зубьями. Справочное пособие. Изд. 2-е, пе-рераб. и доп. -М.: Машиностроение. 1977. -423с.

54. Марков А.Л. Измерение зубчатых колес (допуски, методы и средства контроля). Изд. 4-е, перераб. и доп. -Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1977. -280 с.

55. Механические передачи с промежуточными телами. Расчет геометрии. Методические рекомендации. -Москва-Томск: Изд-во Госстандарта СССР, 1984. -163с. .

56. Механические передачи с промежуточными телами. Расчет на прочность. Методические рекомендации. -Москва-Томск: Изд-во Госстандарта СССР, 1985. -99с.

57. Новиков М.Л. Зубчатые передачи с новым зацеплением. М.: Изд-во ВВИА, 1958. -156с.

58. Павлов Б.И. Шариковые механизмы в приборостроении. -Л.: Машиностроение, 1968. -136с.

59. Перель Л.Я. Подшипники качения. Расчет, проектирование и обслуживание опор. Справочник. -М.: Машиностроение, 1977. -552с.

60. Пинегин C.B. Контактная прочность и сопротивление качению. -М.: Машиностроение, 1969. -243с.

61. Пинегин C.B. Опоры качения в машинах. М.: Изд-во АН СССР, 1961.-151с.

62. Пинегин C.B. Трение качения в машинах и приборах. М.: Машиностроение, 1976.-264с.138

63. Пинегин C.B., Шевелев И.А., Гудченко В.М., Седов В.И., Блохин Ю.Н. Влияние внешних факторов на контактную прочность при качении. -М.: Наука, 1972. -102с.

64. Пономарев В.П. Основы комплексного управления точностью изготовления зубчатых колес. Автореф. дисс. . докт. техн. таук., -Москва, 1976. -20с.

65. Пясик И.Б. Шариковинтовые механизмы. -Москва-Киев: Машгиз, 1962.-124с.

66. Разработка методик расчета передач редуктора повышенной точности и долговечности. Отчет о НИР (закл.) /Томск. Политехи. Инт.; Рук. Беляев А.Е. № ГР 01880081983, инв. № 02890019419. -Томск, 1989. -53с.

67. Распределение нагрузки между площадками контакта в реальных цилиндрических передачах Новикова. /Ахтырец Г.П., Короткин В.И., Павленко A.B., Фоменко В.Е. /Изв. вузов. Машиностроение. 1990. №5. -с. 12-16.

68. Расчет и конструирование механизмов и деталей приборов. Под ред проф. Литвина Ф.Л. -Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1975.-200с.

69. Севрюк В.Н. Теория круговинтовых поверхностей в проектировании передач Новикова. -Харьков: Изд-во Харьковского ун-та, 1972.-176с.

70. Тайнов А.И. Новые виды зубчатых передач. -Минск: Изд-во АН СССР, 1960. .188с.139

71. Турецкий И.Ю., Любимов Л.Н., Чернов Б.В. Изготовление особо точных зубчатых передач. /Под общ. ред. д.т.н. Н.И.Колчина. -М.-Л.: ГНТИ машиностр. литературы. 1957. -180с. (Б-чка зубореза-новатора; Вып.6)

72. Фрезы радиусные концевые двузубые с коническим хвостовиком для обработки легких сплавов. Нормаль машиностроения МН 1096-60.

73. Хлебалин Н.Ф. Нарезание конических зубчатых колес /Под ред. Е.Г.Гинзбурга. Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1978. -160с., ил.- (Б-чка зубореза; Вып.6)

74. Pat. №1590632 (Франция). Reducteur de Vitesse a billes /Yamashita Toshio, Kaburagi. Заявл. 5.07.776 №7720592, опубл. 2.07.79.

75. Pat. №2396899 (Франция). Hisaghi Reducteur de Vitesse /Manon Jack. Заявл. 4.11.68, опубл. 22.05.70.

76. Pat. №33441 (Великобритания). Improvements in and relating to epiciquelic friction gearing /Fearus Starby George Angren & Co Ltd. -Заявл. 3.11.53, опубл. 8.08.63.

77. Pat. №452993 (Австралия). Fixed ratio speed changing power transmission device employing internal and external gear. /Palkhinala Jagat Pungabhai. Заявл. 2.07.69, опубл. 25.06.74.

78. Pat. №748250 (Бельгия). Mechanisme de changement de vitess /Patrick G. Leeson. Заявл. 31.03.70, опубл. 5.12.73.