Продолжим публикацию рассмотрением тех видов российских глобоидных передач (они представлены в разделе 1.3), на применение которых начиная с 60-х годов были ориентированы промышленные предприятия СССР. Любопытные читатели, сравнивая эти виды российских глобоидных передач с другими, которые мы также представим
в нашей публикации, смогут самостоятельно судить о степени отставания российской технической мысли. Фактически в СССР (а затем и в России) усилия научно-технической общественности и финансовые средства многие десятилетия были (и остаются) сконцентрированными на разработке и внедрении неплодотворных идей, отвергнутых зарубежной редукторной практикой еще в 30–50-х годах прошлого века.
1.3. Стандартные виды модифицированных глобоидных передач, нарезанных резцом В СССР для технологической реализации поверхностей витков модифицированного глобоидного червяка было разработано несколько методов нарезки витков червяков резцом с прямолинейными режущими кромками. Эти методы нарезки стандартизированы.
1.3.1. Модифицированная глобоидная передача GAU Теоретическая поверхность червяка GAU образована прямой, лежащейщих глобоидные передачи, например на Одесском редукторном заводе «Красная Гвардия».
1.3.2. Модифицированная глобоидная передача GH Теоретическая поверхность червяка GН образована прямой, параллельной осевой плоскости червяка, при вращении этой прямой вокруг оси червяка и оси, перпендикулярной к осевой плоскости червяка и расположенной в средней плоскости червяка на межосевом расстоянии а0, равном межосевому расстоянию глобоидной передачи a0=aw, с соотношением угловых скоростей u0, равным передаточному числу глобоидной передачи (рис. 10).
ГЛОБОИДНЫЕ ПЕРЕДАЧИ: ОТ ЛЕОНАРДО ДА ВИНЧИ ДО ВАЛЕРИЯ ПАРУБЦА
Напомним: в настоящей работе автор представил вниманию научно-технических специалистов
анализ современного состояния, ключевых тенденций, перспектив развития и применения
глобоидных передач в России. Основу исследования составили поиск и системный анализ, глубокие
теоретические проработки автора и его практический опыт, полученный им в ходе прикладных
работ. Особое внимание уделено критическому осмыслению эффективности существующих методик
проектирования.
а0 — межосевое расстояние при образовании поверхности червяка;
aw — межосевое расстояние глобоидной передачи;
u0= ω1/ ω2 — соотношение угловых скоростей при
образовании поверхности червяка;
u21 — передаточное число глобоидной передачи.
в осевой плоскости червяка, при вращении этой прямой вокруг оси червяка и оси, перпендикулярной к осевой плоскости червяка и расположенной в средней плоскости червяка на расстоянии а0, превышающем межосевое расстояние глобоидной передачи a0>aw, с соотношением угловых скоростей u0, превышающим передаточное число глобоидной передачи u0>u21 (рис. 9). Модифицированная глобоидная передача GAU разработана ЦНИ ИТМАШ. Расчет ее геометрии стандартизирован. Этот вид модифицированных глобоидных передач был внедрен на нескольких промышленных предприятиях СССР, производя
a0=aw
Рис. 10. Схема образования поверхности витка модифицированного глобоидного червяка GH, a0=aw, u0=u21:
a0 — межосевое расстояние при образовании поверхности червяка;
aw — межосевое расстояние глобоидной передачи;
u21 — передаточное число глобоидной передачи.
1.3.3. Модифицированная глобоидная передача GAUH Теоретическая поверхность червяка GAUH образована прямой, параллельной осевой плоскости червяка, при вращении этой прямой вокруг оси червяка и оси, перпендикулярной к осевой плоскости червяка и расположенной в средней плоскости червяка на расстоянии а0, превышающем межосевое расстояние глобоидной передачи а0 > аw, с соотношением угловых скоростей u0, превышающим переда точное число глобоидной передачи u0 > u21, (рис. 11).
С целью уменьшения чувствительности зацепления поверхностей глобоидной передачи к погрешностям Я.И. Дикер предложил глобоидную передачу
с неполной глобоидальностью (рис. 12 ). Предложенная еще в 1954 г. американцем Р.Н. Steiner глобоидная передача с червяком вогнутого профиля была исследована отечественными
специалистами И.С. Кривенко и Н.Н. Крыловым.
Следует учитывать, что показатели работоспособности глобоидных передач с червяком вогнутого профиля зависят от двух принципиально различных особенностей их образования:
нарезания витка червяка резцом либо объемным инструментом. В настоящем разделе рассматривается глобоидная передача с червяком, нарезанным резцом (рис. 13).
Рис. 11. Схема образования поверхности витка
модифицированного червяка GAUH
1.4. Глобоидные передачи c неполной глобоидальностью В отличие от цилиндрической червячной передачи глобоидная передача характеризуется заметной чувствительностью к погрешностям изготовления и монтажа. Несоответствие червяка или колеса их требуемому относительному осевому положению нарушает сопряженность поверхностей, возникает
кромочный контакт. Это одна из основных трудностей производства глобоидных передач, требующая повышенной точности их изготовления, применения отделочных операций (шевингования, притирки) и длительной приработки передачи под нагрузкой, при которой компенсируются как погрешности геометрических форм поверхностей, так и неточности их монтажа.
Рис. 12. Схема глобоидной передачи с неполной глобоидальностью:
Передачи с неполной глобоидальностью допускают некоторое смещение червяка в направлении его оси без заметного нарушения свойств зацепляющихся поверхностей.
Общая теория глобоидного зацепления с неполной глобоидальностью, червяк которой нарезан резцом, приведена в работе И.С. Кривенко. Частный вид глобоидной передачи с
неполной глобоидальностью, червяк которой образован прямолинейной режущей кромкой, исследован отечественными специалистами; обобщение этих исследований приведено в известной книге Ф.Л. Литвина. Этот вид глобоидной передачи стандартизирован.
1.5. Глобоидные передачи с вогнутым или выпуклым профилем червяка Положительные результаты экспериментальных исследований цилиндрической червячной передачи с червяком вогнутого профиля стали побудительным мотивом применения этой весьма плодотворной идеи и для глобоидных передач.
Рис. 13. Схема образования червяка с вогнутым профилем витка:
Примечание. Режущая кромка резца ρ0 может быть расположена как в осевой плоскости, так и в нормальной плоскости червяка.
Исследования Н.Н. Крылова показали, что в глобоидной передаче с червяком вогнутого профиля, нарезанного резцом, улучшаются условия контактирования, повышается несущая способность входных витков червяка. Обусловлено это увеличением значений приведенных радиусов кривизны контактирующих поверхностей в 4–5 раз;
достигнуто повышение на 15–28% предельной нагрузки, ограничиваемой заеданием.
Исследования И.С. Кривенко и М.М. Богатского показали, что этот вид глобоидной передачи характеризуется теми же принципиальными особенностями зацепления, что и глобоидная передача с прямолинейным профилем червяка — наличием подрезных зон на зубе колеса, линией перелома зуба, двумя ветвями зацепления; контакт по одной из ветвей происходит по ребру перелома зуба колеса. Уменьшение отрицательного воздействия неблагоприятных условий контактирования рассматриваемого вида глобоидной передачи возможно посредством тех же технологических приемов, какие применяются и для глобоидных передач с линейчатым червяком: профильной и продольной модификаций поверхностей витка, локализации контакта, применения отделочных операций обработки поверхностей, приработки передачи и др.
Работы по усовершенствованию глобоидной передачи с червяком вогнутого профиля, нарезанной резцом, продолжались, однако наиболее эффективное их применение, на наш
взгляд, может быть достигнуто лишь при переходе на шлифуемые, т. е. образованные объемным инструментом, виды червяка.
Что касается глобоидных передач с выпуклым профилем червяка, то содержащихся в литературе экспериментальных данных об уровне их эксплуатационных показателей нами не
найдено. Однако общая теоретическая концепция В.В. Шульца об оптимальности червячных передач при выпуклом профиле червяка и теоретические исследования М.М. Богатского
позволяют предполагать возможность получения высоких эксплуатационных показателей этих передач.
1.6. Глобоидные передаточное число шлифуемым червяком
1.6.1. Предварительные замечания.
Любое техническое решение характеризуется некоторыми предельно достижимыми показателями его работоспособности. Реализуются они не сразу, а по мере последовательного
усовершенствования, устранения выявленных недостатков технического решения. Происходит эволюционное, т.е. осуществляемое постепенно, развитие технической идеи. Причем чем ближе достигнутые показатели к не которым предельно достижимым, тем все больше требуется затрат и усилий, хотя показатели работоспособности, т.е. достигаемые результаты, повышаются все меньше. Такая общая диалектическая картина развития свидетельствует о том, что данное техническое решение достигло своего предельного состояния и что дальнейшие количественные изменения экономически нецелесообразны; необходимо внесение качественных, т. е. принципиально новых, изменений, позволяющих осуществить скачок в показателях работоспособности относительно ранее достигнутых. Эти общие методологические замечания чрезвычайно важны в данном разделе, посвященном анализу глобоидных передач со шлифуемым червяком, для более четкого осмысления той важности технического решения, того места, которое оно занимает в общей последовательной цепи изменений на пути к наиболее прогрессивным техническим решениям.
1.6.2. Что способствовало проведению экспериментов по шлифованию глобоидных червяков?
В 30-50-х годах, когда и цилиндрические, и глобоидные червяки нарезались резцами, техническое превосходство вторых было бесспорным. Однако ситуация резко изменилась в связи с разработкой фирмой Д. Браун (Англия) эвольвентной червячной передачи взамен архимедовой — это открывало принципиально новые возможности в области производства и эксплуатации цилиндрических червячных передач по сравнению с глобоидными. Речь идет о том, что в процессе совершенствования производства червячных передач было установлено, что значительно более высокий технический эффект может быть достигнут при существенно различной твердости поверхностей витка червяка и зуба колеса. Причем, как показали исследования, выполненные в 70-80-х годах прошлого века Л.М. Корхом, чем выше перепад твердостей, тем больше
возможностей для повышения эксплуатационных показателей: передаваемого момента, ограничиваемого допустимой термической мощностью, и кпд. Однако на пути эффективного повышения перепада твердостей, достигаемого посредством применения термической или термохимической обработки червяка, возникали технически непреодолимые трудности усложнения технологического процесса, связанные с применением операции шлифования червяка, устраняющей поводки после термообработки и обеспечивающей требуемую точность поверхностей его витка. Трудности состояли в том, что для архимедова червяка необходима была специальная фасонная заправка
шлифовального круга, которая должна изменяться в зависимости от диаметра шлифовального круга: прямолинейная заправка шлифовального круга приводила к некоторой не линейчатой форме поверхности витка и усложнению процесса контроля. При эвольвентном червяке возникает возможность точного шлифования кругом, заправленным в виде плоскости, конуса либо цилиндра. При этом процесс шлифования, осуществляемый шлифовальным кругом с изменяемыми (из-за частых правок круга) параметрами, не вносит никаких ошибок в форму эвольвентной винтовой поверхности. Применительно к эвольвентному червяку фирмой Д. Браун была разработана и выпущена гамма специальных
станков, обеспечивших эффективное производство эвольвентных червячных передач с высокотвердым червяком и как закономерное следствие -резкое, скачкообразное повышение уровня их эксплуатационных показателей, превосходящих эксплуатационные показатели глобоидных передач, производимых, как и ранее, резцом без термообработки и шлифования червяка.
1.6.3. Шлифование классических и модифицированных глобоидных червяков. Заметный прогресс в области производства цилиндрических червячных передач, обусловленный шлифованием высокотвердых червяков, стал побудительным мотивом применения закалки и последующего шлифования витков глобоидных червяков. Этому способствовали также сравнительные испытания этих двух видов передач выполненные в 50-х годах в ЭНИМС, МАИ, ЦНИИТМАШ и показавшие эксплуатационное превосходство высокотвердых шлифованных эвольвентных червячных передач по сравнению с глобоидными, нарезанными резцом. В этих же экспериментах выяснилось, что применение высокотвердого шлифованного глобоидного червяка обеспечивает повышение кпд глобоидных передач (приблизительно на 12–15%) и значительное увеличение их передаваемой мощности. Для практической реализации процесса шлифования глобоидных червяков с прямолинейным профилем витка были разработаны технологическая оснастка и приспособления, позволяющие воспроизводить глобоидный червяк с требуемой точностью, хотя такая глобоидная винтовая поверхность (классическая или модифицированная формы) не воспроизводится объемным инструментом, осуществляющим простые движения.
Было достигнуто также упрощение процесса шлифования глобоидного червяка дисковым кругом большого диаметра, воспроизводящим не линейчатый глобоидный червяк.
1.7. О техническом консерватизме, сдерживающем внедрение глобоидных передач со шлифованным червяком. Несмотря на получение значительного технического эффекта, применение высокотвердых шлифованных глобоидных передач в СССР сдерживалось. Формально это объяснялось сложностью технологических усовершенствований, которые проявлялись как при изготовлении, так и при контроле шлифуемых глобоидных червяков. Фактически же это был диктат ведомства — производителя, незаинтересованного
во всех необходимых усовершенствованиях, влекущих за собой значительные расходы на оборудование, метрологические приборы, освоение новых технологий глобоидных передач. Подтверждением этому доводу может служить принципиально изменившаяся впоследствии ситуация. Отечественными учеными были разработаны новые виды зацеплений глобоидных передач, приспособленные под точное шлифование и контроль. Для этих новых видов передач оказались несостоятельны прежние доводы о несовершенстве технологического глобоидного зацепления, трудностях его контроля и т.д. Вместе с тем, эти новые виды глобоидных передач так и не нашли практического применения, поскольку в их внедрении никто не был заинтересован.
В стремлении обосновать позицию ведомств, производящих глобоидные передачи, их головные институты ЦНИИТМАШ, ВНИИПТУ глемаш, «Союзлифт» нашли теоретические обоснования целесообразности применения модифицированных глобоидных передач, образованных резцом, благодаря чему до настоящего времени
сохранилось их преобладающее применение в отечественной промышленности. Свидетельством тому служат, на пример, содержание разработанных этими организациями стандартов на глобоидные передачи, действующих без изменений много лет и только переиздаваемых, а также стандарт на термины, в котором содержатся подробнейшие данные о модифицированных глобоидных передачах, но весьма ограничены данные по другим, более прогрессивным видам глобоидных передач. Здесь же следует сказать, что в 80-х
годах в связи с поступлением в СССР зарубежных образцов техники — например, лифтов — обнаружилось явное несоответствие прежних теоретических концепций о технико-экономическом превосходстве глобоидных передач, нарезанных резцом, и проявились их значительно более низкие эксплуатационные показатели по сравнению с цилиндрическими червячными передачами. В результате наметился процесс отказа от применения явно устаревших технических решений.
1.8. Усовершенствование теоретических схем образования поверхностей глобоидных передач. Сложности технологического воспроизводства передачи. шлифовальным кругом глобоидного зацепления, приспособленного под его нарезание резцом, послужили побудительным мотивом для разработки новых теоретических схем сопряжения поверхностей глобоидной передачи. При этом, после того как червяки обеспечивали значительно более высокие эксплуатационные показатели, разработка новых теоретических схем образования сопряженных поверхностей происходила по пути все большего их приспособления под возможности шлифования.
При разработке новых теоретических схем образования поверхностей глобоидной передачи исследователи стремились также устранить все те существенные недостатки зацепления
воспроизводимых резцом глобоидных передач, которые препятствовали их эффективному применению. Прежде всего — это наличие подрезных зон на зубе колеса, вступающих после износа зуба в зацепление с червяком, и повышенная чувствительность к погрешностям изготовления и монтажа.
В результате целенаправленных исследований появилось несколько существенно усовершенствованных теоретических схем зацепления поверхностей глобоидных передач.
Обратим внимание читателей на следующее существенное различие новых усовершенствованных схем: каждая из них решает задачу эффективного шлифования высокотвердого витка червяка, однако, что касается воспроизведения поверхностей зубьев колеса, эта задача разными авторами решалась существенно по-разному.
Для большинства отечественных разработок, выполненных, например, И.С. Кривенко, М.Л. Ериховым, И.П. Бернацким и др., принято, что поверхность производящего червяка
воспроизводится теми же основными технологическими методами, что и сам червяк. Такой теоретический подход заключает в себе значительные сложности изготовления глобоидного червячного инструмента для нарезания зубьев, что существенно тормозит применение этих плодотворных идей. В других теоретических схемах задача огибания зубьев колеса решена так, что производящая поверхность инструмента, нарезающего эти зубья, не имеет ничего общего с поверхностью рабочего червяка. Применение этих
теоретических схем предпочтительно в тех случаях, когда трудности производства глобоидных фрез наиболее существенны. Третьи теоретические схемы, наоборот, предусматривают дополнительное усложнение формы и технологии инструмента, благодаря чему решается весьма важная эксплуатационная задача — дополнительное повышение эксплуатационных показателей глобоидной передачи.
1.9. Новые виды глобоидных передач со шлифуемым червяком, разработанные в СССР Не ставя целью представить полный обзор отечественных работ по данному
направлению, приведем лишь основные идеи выполненных исследований.
1.9.1. Типовая схема образования зацепления поверхностей глобоидных передач, шлифуемых дисковым кругом
В СССР построение схем зацепления глобоидных передач со шлифуемым червяком было выполнено, исходя из предположения, что производящая поверхность инструмента для нарезания зубьев червячного колеса воспроизводится по такой же технологической схеме, как и для шлифования червяка.
Иначе говоря, производящая поверхность инструмента либо идентична поверхности червяка передачи, либо, в лучшем случае, сопряжена с последней из условия обеспечения локализованного контакта.
Типовая схема образования зацепления поверхностей глобоидных передач, шлифуемых кругом, приведена на рис. 14. Недостаток этой теоретической
схемы связан с трудностями получения глобоидного червячного инструмента для нарезания зубьев колеса.
1.9.2. Полиглобоидный червяк И.С. Кривенко выполнены исследования по разработке общей теории полиглобоидных червячных передач с червяком, образованным дисковым
инструментом.
Название «полиглобоидная передача» дано из тех соображений, что для теоретических исследований принят наиболее общий вид глобоидной передачи, характеризующейся неполной глобоидальностью червяка, образованного дисковым инструментом произвольного профиля и имеющего произвольные параметры его установки.
Схема образования полиглобоидного червяка дисковым инструментом с производящей поверхностью вращения в виде тора приведена на рис. 15.
Одной из технологических сложностей глобоидных передач, шлифуемых дисковым кругом, является зависимость геометрической формы поверхности витка червяка от диаметра шлифовального круга. Эта зависимость вносит погрешности в процесс шлифовки червяка, связанные с периодической правкой шлифовального круга, которая осуществляется с целью восстановления его режущих свойств.
В работе И.С. Кривенко предложена особая теоретическая схема образования полиглобоидного червяка, винтовая поверхность которого может быть точно прошлифована при любом диаметре шлифовального круга.
1.9.3. Глобоидный червяк, шлифуемый коническим кругом Под руководством И.П. Бернацкого выполнены исследования нескольких разновидностей глобоидных передач
со шлифованным червяком. Проведены теоретические исследования глобоидной передачи с червяком, шлифуемым коническим кругом (рис.16). Применение результатов этих ис-
следований позволяет усовершенствовать зацепление поверхностей глобоидных передач.
Рассматриваемый вид глобоидногочервяка аналогичен стандартизованной глобоидной передаче GK2.
Библиография
1. ГОСТ 17696-89 (СтСЭВ 6499-88). Передачи глобоидные. Расчет геометрии. — Введ. с 01л.07.90.
2. Дикер Я.И. Тороидные передачи и основы их технологии// Прогрессивные методы производства зубчатых колес и
их технологичность/ Под ред. М.Б. Громана. -М.: Машгиз, 1962. — С. 178-197.
3. Кривенко И.С. Общая теория полиглобоидного зацепления первого рода. -Труды/ Ленингр. корабл. ин-т, 1967, вып.
VI. -С. 81-94.
4. United States Patent 2669128. Worm gearing/Unvertor: Р.Н. Steiner. -Filed; 5.09.1952; Patented 16.02.1954.
5. Крылов Н.Н. Глобоидное зацепление с вогнутым профилем витков червяка // Механика машин. -М.: Наука. -Вып. 15-
16. с. 105-115.
6. Богатский М.М. Контактные линии в глобоидных передачах с выпуклым и вогнутым профилем червяка // Известия
вузов. Машиностроение, 1970. -№ 8.
7. Горобец Г.К., Ильященко В.И., Полторацкая Н.И. Глобоидная передача с вогнутым профилем червяка // Машиностро-
итель, 1985. -№ 9. — С. 46.
8. Шульц В.В. Геометрическая оптимизация изнашивающихся кинематических пар: Автореф. дис. докт. техн. наук.
-Киев, 1980. -С. 32.
9. Лебедев И.А. Технология глобоидных передач. -Труды / Моск. авиац. ин-т., 1957. — Вып. 77. -108 с.
10. ГОСТ 24438-80. Передачи глобоидные. Исходный червяк и исходный производящий червяк. -Введ. с 01.01.84. —
34 с.
11. ГОСТ 16502-83. Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи глобоидные. Допуски. — Введ. с 01.01.84. — 39 с.
12. Кривенко И.С. Общая теория полиглобоидного зацепления второго рода. — Труды / Ленингр. корабл. ин-т., вып.
XVII. C. 95-104.
13. Кривенко И.С. Полиглобоидное зацепление особого рода. — Труды / Ленингр. корабл. ин-т., вып. XVII. -С. 105-113.
14. Кривенко И.С. Полиглобоидная передача с вогнутым профилем витков червяка. — Труды / Ленингр.корабл. ин-т.,
вып. VI.-С. 95-106.
15. Голофаст Л.М., Ерихов М.Л., Смолин А.И. Выявление оптимальных установок инструмента при шлифовании червя-
ков.
16. Ерихов М.Л. Принципы систематики, методы анализа и вопросы синтеза схем зубчатых зацеплений: Дис. … докт.
техн.наук. — Хабаровск, 1972. — 373 с.
17. Бернацкий И.П., Акулич В.К. Глобоидное зацепление с поверхностью червяка, шлифуемой дисковым коническим
кругом // Известия вузов. Машиностроение, 1971. -№1. — С. 72-76.
(Продолжение следует)