Úprava ozubených kolies a analýza styku pri zábere: jadro presného prenosu výkonu

1. Prečo potrebujú ozubené kolesá úpravu?

• Výrobné a inštalačné chyby : Rozmery odchýlky pri spracovaní ozubeného kolesa alebo nesprávne vyváženie počas montáže spôsobujú nerovnomerné zasúvanie.
• Prúžková deformácia : Pod záťažou sa ozubené kolesá a hriadele ohýbajú alebo skrútajú, čo vedie k posunu kontaktu.
• Dynamický náraz : Počas zasúvania a vysúvania do zábehu dochádza k náhlym zmenám polohy kontaktu, ktoré generujú nárazy, poškodzujú olejové filmy a dokonca môžu pri vysokých teplotách spôsobiť poškriabanie povrchu zubov.

2. Typy úprav ozubeného kolesa

Kľúčové detaily bežných úprav

• Úprava stopy zuba : Zameriava sa na smer šírky zubov. Ozubené koleso (bubnovitá úprava) je najbežnejšia – vytvára mierne tvarovanie zubov do tvaru bubna, aby sa kompenzovalo ohybanie hriadeľa pod zaťažením a zabezpečil rovnomerný kontakt. Bežný vzorec pre výpočet bubnovitosti je: \(C_β = 0,5 × 10^{-3}b + 0,02m_n\) (kde b = šírka zubov v mm; \(m_n\) = normálny modul v mm).
• Úprava profilu zuba : Optimalizuje smer výšky zubov. Zahŕňa dlhú úpravu (od začiatku/konca zasúvania po prechod z jedného na dva zuby) a krátke tvarovanie (polovičná dĺžka dlhej úpravy). Kovové ozubené kolesá zvyčajne využívajú krátku úpravu pre vyššiu účinnosť, zatiaľ čo plastové ozubené kolesá často používajú dlhú úpravu.
• Kompozitná úprava : Kombinuje úpravu zubovej čiary a zubového profilu. Pre zložité scenáre ako napríklad prevodovky veterných turbín, táto metóda zabezpečuje rovnováhu medzi rozložením zaťaženia, znížením nárazov a dynamickou stabilitou, čím sa dosiahne lepší výsledok než pri jednoduchej úprave.

3. Zásady návrhu pre efektívnu úpravu

1. Princíp kompenzácie zaťaženia : Výška úpravy ≈ pružná deformácia + výrobná chyba, zabezpečuje dokonalé prispôsobenie sa povrchu zubov skutočnému zaťaženiu.
2. Princíp dynamickej hladkosti : Špička-špička prenosová chyba ≤ 1 μm/stupeň, minimalizuje vibračnú excitáciu.
3. Princíp rovnováhy kontaktu : Pomer plochy kontaktu ≥ 60 %, zabráni koncentrácii napätia.

4. Analýza zábrazu a kontaktu: Hodnotenie účinkov úpravy

Jadrové teórie a metódy

• Hertzova teória kontaktu : Vypočíta polovičnú šírku kontaktu a rozloženie napätia medzi povrchmi zubov, čím vytvára základ pre analýzu napätia.
• Numerické analytické metódy :
  • Analytická metóda: Rýchla, ale približná, vhodná na predbežný odhad.
  • Metóda konečných prvkov: Vysoká presnosť, ideálna pre detailnú analýzu napätia.
  • Metóda hraničných prvkov: Efektívna pre výpočet kontaktného napätia.
  • Metóda viacstupňových dynamických systémov: Vyhodnocuje dynamický výkon systému za prevádzkových podmienok.

Kľúčové ukazovatele hodnotenia

• Maximálne kontaktné napätie (σHmax) : Priamo súvisí s únavovou životnosťou povrchu zubov.
• Faktor tvaru kontaktného povrchu (λ) : Pomer dĺžky ku šírke kontaktnej plochy, ktorý odráža rovnomernosť zaťaženia.
• Prenosová chyba (TE) : Dodatočná vzdialenosť potrebná na zabrdenie v dôsledku deformácie/chýb, kľúčový zdroj vibrácií.

5. Praktické účinky modifikácie: Štúdie prípadov

• Oceľové prevodovky pre veterné elektrárne (šírka zubu 200 mm) : So zvyšujúcou sa veľkosťou vybrúsenia (0→30 mm) sa maximálne kontaktné napätie znížilo z 1250 MPa na 980 MPa a vibrácie sa znížili z 15,2 m/s² na 9,5 m/s².
• Automobilové prevodovky (modul 3,5) : Parabolická úprava zubov znížila náraz o 35 % a hluk o 3,2 dB; modifikácia vysokorádovou krivkou dosiahla zníženie nárazu o 52 %.
• Kozmické ozubené súkolie : Modifikácia kompozitu znížila nerovnomernosť kontaktnej napätosti z 58% na 22%, špičkovú prenosovú chybu z 2,4 μm na 1,1 μm a vibračnú energiu pri 2000 ot/min o 68%.

6. Inžinierska aplikácia a overenie

• Statická metóda odtlačku : Použitie červenej olovnatej farby (10-20 μm hrubá) pri 30% menovitého krútiaceho momentu na pozorovanie kontaktnej plochy.
• Dynamické testovacie systémy : Optické snímače posuvu (rozlíšenie 0,1 μm) a rýchly infračervený teplomer (vzorkovanie 1 kHz) monitorujú rebríček v reálnom čase.

• Reduktor pre elektrické vozidlo : Nesymetrická modifikácia profilu (+5 μm na pracovnej strane) a lámavé hrany zubov 30°×0,2 mm znížili hluk o 7,5 dB(A) a zvýšili účinnosť o 0,8%.
• Námorné prevodovky : Veľké zaoblenie (40 μm) a kompenzačná korekcia šikmého uhla (β'=β+0,03°) zlepšili rovnomernosť kontaktového napätia na <15 % a predĺžili životnosť o 2,3-násobok.

Záver

• Optimálne množstvo zaoblenia je zvyčajne 1,2- až 1,5-násobok pružnej deformácie.
• Komplexná úprava je o 30-50 % efektívnejšia ako jednoduchá úprava.
• Úprava musí vychádzať z reálnych spekier zaťaženia a musí byť overená kontaktom skúšobnej plochy.