Podstawy Konstrukcji Maszyn Część 2 Wykład nr.6 1. Przekładnie ślimakowe Przekładnia ślimakowa (rysunek), jest mechanizmem napędowym o wichrowatych osiach. Kąt między osiami wynosi na ogół 90. Podstawowymi elementami przekładni ślimakowej są ślimak i koło ślimakowe, zwane także ślimacznicą. Ślimak z wyglądu podobny jest do śruby o gwincie trapezowym i skoku będącym wymierną częścią liczby n (skok modułowy). Koło ślimakowe natomiast jest kołem walcowymśrubowym o specjalnie ukształtowanym wieńcu. Rozpowszechnienie przekładni ślimakowych jest spowodowane ich ważnymi zaletami, jak: - duża powierzchnia przyporu zębów przy ich styku liniowym, - możliwość uzyskania dużych przełożeń (l :50 i więcej), - równomierność przeniesienia ruchu i cichobieżność, - możliwość uzyskania przekładni samohamownej (wiąże się to jednak ze znacznym spadkiem sprawności). Do podstawowych wad przekładni ślimakowych zaliczamy: niską sprawność (a w związku z tym nagrzewanie się przekładni). 1
(Koło to obrabiany odlew!) W zależności od kształtu ślimaka rozróżniamy: Rodzaje przekładni ślimakowych a) walcową przekładnię ślimakową (ślimak o zębach spiralnych, pseudospiralnych lub ewolwentowych) b) globoidalną przekładnię ślimakową (ze ślimacznicą walcową lub torusową). Przekładnia globoidalną ma ślimak globoidalny, którego zarys w przekroju wzdłużnym przylega ściśle do koła ślimakowego. Z tego powodu przekładnię globoidalną cechuje małe zużycie i duża sprawność w porównaniu z walcową przekładnią ślimakową. Obok tych zalet przekładnia globoidalną ma pewne wady, do których głównie należą trudności technologiczne i duża wrażliwość na dokładność wykonania. Podstawowymi wymaganiami dla materiałów stosowanych na ślimak i koło ślimakowe jest uzyskanie możliwie małego współczynnika tarcia. Wynika to z faktu występowania we współpracy zwojów ślimaka z zębami koła ślimakowego dużych prędkości poślizgu. Poślizg występuje tu nie tylko wzdłuż zarysów zębów, lecz ze względu na wichrowatość osi kół występuje także wzdłuż zęba. Wraz ze wzrostem kąta wzniosu linii zwoju ślimaka prędkość poślizgu może osiągać znaczne wartości, co przy większych obciążeniach grozi zatarciem zębów. 2
Podstawowe wielkości geometryczne ślimak walcowy Podziałki: pn- prostopadła do linii zwoju, px- przechodząca przez oś ślimaka, pt- prostopadła do osi ślimaka. Moduły: mx- moduł osiowy, mn- moduł normalny, mt- moduł czołowy. p p x n = m π x = p cos x px pt = tg ( γ ) ( γ ) m m x n px = π = m cos x mx mt = tg ( γ ) ( γ ) Zalecana liczba zębów ślimaka: Przełożenie przekładni ślimakowej: z 1 = 1 7 u = z z 2 1 3
z1m x d1 = tg d d l a1 s f 1 ( γ ) = d + 2h 1 a = d 2h 1 = 2 1 ( + z2 ) m x f γ =<15 ha=mx hf=1,2mx ha2=mx hf2=1,2mx γ >15 ha=mx hf=1,2mx ha2=mx hf2=1,2mx Najczęściej kat wzniosu linii śrubowej ślimaka zawiera się w zakresie 15 <γ <30 d d d 2 a2 f 2 = z m 2 = d 2 = d 2 x + 2h 2h a2 f 2 γ Sprawność przekładni ślimakowej Wykres wartości współczynnika tarcia w funkcji liniowej prędkości poślizgu; 1-ślimak toczony i ulepszany cieplnie 2-ślimak utwardzany i szlifowany Wykres sprawności przekładni ślimakowej w funkcji wzniosu linii śrubowej i współczynnika tarcia pomiędzy parą cierną 4
Zastosowanie przekładni ślimakowych Przekładnie ślimakowe są stosowane do przenoszenia mocy, a także do celów podziałowych, sterowania itp., na ogół wszędzie tam, gdzie potrzebne jest duże przełożenie lub samohamowność. Reduktory ślimakowe mają zastosowanie w różnego rodzaju urządzeniach, jak wciągarki, wózki suwnicowe, przenośniki, obrotnice, walcarki itp. Ze względu na możliwość osiągnięcia dużego przełożenia (zazwyczaj od 5 do 60), najczęściej stosuje się reduktory jednostopniowe. Przy bardzo dużych przełożeniach trzeba stosować reduktory dwustopniowe. Przy przełożeniach pośrednich (od 30 do 300) stosuje się zespól składający się z reduktoraślimakowego oraz przekładni pasowej lub zębatej. W przekładniach ślimakowych ogólnie dostępnych na rynku spotyka się parametry: prędkość obrotowa n = 750-3000 obr/min, moc N = do 200 kw, przełożenie od 10 do 60, rozstaw osi a = od 100 do 500 mm. Szczytowe osiągnięcie wytwórców współczesnych przekładni ślimakowych charakteryzują parametry: n = 40000obr/min, prędkości poślizgów na zębach v= 69 m/s, moment przenoszony M = 700 000 Nm, moc N = 1100 kw. Toczenie obwiedniowe nożem Fellowsa 5
2. Uszkodzenia, wady i mechanizmy zużywanie się kół zębatych (wybrane) Rysy hartownicze Znaczna liczba przekładni zębatych wyposażona jest w koła (zwłaszcza mniejszych rozmiarów, szczególnie w pojazdach) z hartowanymi bokami. W razie źle prowadzonego procesu obróbki cieplnej lub też przy złej jakości tworzywa mogą powstać powierzchniowe uszkodzenia rysy hartownicze (ang. cracking). Uszkodzenia te mogą być początkiem innych znaczniejszych uszkodzeń (odprysków i złamań). Uszkodzenie interferencyjne Błędy w doborze zarysów zębów, wymiarów kół i odległości między nimi, błędy wykonawcze, jak np. nadmierne odchyłki zarysu i średnic lub zły montaż mogą być przyczyną występowania interferencji, czyli wzajemnego podcinania zębów. W tym przypadku wierzchołek głowy zębów jednego koła atakuje stopę zęba drugiego w taki sposób, że gdyby nie występował, opór towarzystwa wierzchołek zęba zająłby miejsce stopy zęba drugiego. Jest to przyczyną nadmiernych nacisków, które wywołują różnego rodzaju zniekształcenia boków, które nazywać będziemy uszkodzeniami interferencyjnymi (ang. interference, niem. Yerschlezft Eingriffstorung). Przy interferencji mogą wystąpić obciążenia będące przyczyną łamania się zębów. Odpryski Na rysunku widoczne są miejsca, z których odprysnęły maleńkie płytki. Odpryski na ogół są typu zmęczeniowego, a więc jedną z przyczyn ich powstawania jest zmienność obciążeń charakterystyczna dla obciążenia zębów. Z tego wynika, że odpryski mogą pojawić się dopiero po pewnym czasie pracy przekładni. Ich istotną przyczyną są rysy i pęknięcia hartownicze, nie występują więc odpryski w kołach zębatych z miękkimi" zębami. Odpryski należy odróżniać od pittingu, który jest zjawiskiem odmiennym. 6
Wytarcie i wydarcie Bezpośrednie dotykanie cząstek stałych w trakcie wzajemnego ich ślizgania się, czyli w technice maszynowej tak zwane tarcie suche, jest przyczyną ubytków trących się powierzchni. Jeżeli nie występują przy tym gwałtowne zjawiska cieplne, to ubytki mogą być na obu zębach jednoczesne, wycierane cząsteczki rozpraszają się (wędrują do oleju, jeżeli nie przeoczono konieczność napełnienia przekładni olejem). Wytarciem nazywamy skutek równomiernego ścierania boków, najczęściej wywołanego zawiesiną wytworzoną przez olej i drobne cząsteczki zanieczyszczeń. Tymi drobno-cząstkowymi zanieczyszczeniami mogą być cząsteczki nie oddzielone z oleju w trakcie produkcji pyły obcego pochodzenia oraz pył metalowy wytworzony w trakcie wygładzania powierzchni roboczych, czyli podczas tak zwanego docierania. Wydarcie (ang. abrasive wear) jest ubytkiem na ogół nierównomiernym wywoływanym obecnością miedzy zębami znaczniejszych cząsteczek stałych, które mogą pochodzić z łożysk lub też zębów (odpryski, nie usunięte przy wykańczaniu zębów, nadmiary na krawędziach inne). Zatarcie i przegrzanie Znaczne naciski i poślizg mogą być przyczyną pewnych szczególnych procesów cieplnych objawiających się wysokimi temperaturami na powierzchniach bocznych. Zanik cienkiej warstewki smaru może być przyczyną tarcia suchego wierzchołków i chropowatości, co przy dużych naciskach (i prędkościach) wywołuje zjawisko dekohezji, to jest odrywania się cząsteczek z jednej powierzchni i stapiania się z cząsteczkami powierzchni drugiej. Na powierzchniach bocznych powstają nierówności co do kierunku zgodne z poślizgiem (szczególnie w miejscach odpowiadających punktom przyporu o największym poślizgu (dół stopy i wierzchołek głowy; za-leży to jednak i od rodzaju korekcji). Zatarcie (ang. slight scoring) na ogół występuje w przekładniach pracujących przy znacznych prędkościach obwodowych i dużych względnych obciążeniach. Oprócz tych czynników mają znaczenie: chropowatość powierzchni bocznych, wielkość poślizgu (a więc i wielkość zęba), rodzaj tworzyw (konieczna jest różnica między rodzajami tworzyw, przy zębach stalowych szczególne znaczenie ma różnica twardości powierzchni bocznych około 40 HB). Szczególną rolę odgrywa rodzaj oleju. Stosując specjalne oleje można znacznie zmniejszyć zagrożenie zatarciem. Innego rodzaju uszkodzeniem jest przegrzanie (ang. burning). Wskutek chwilowych wzrostów temperatur postępują zmiany w stanie hartowanych powierzchni bocznych i następuje odpuszczenie, a więc zmniejszenie twardości powierzchni. Zewnętrznymi objawami są na początku zmiany barwy powierzchni bocznych. Jeżeli nie jest to wywołane nadmiernymi naciskami, np. z przyczyn braku luzu między zębnego, to przyczyną przegrzania może być nieodpowiedni olej. Przegrzanie powierzchni bocznych może być przyczyną zasadniczego zmniejszenia nośności. 7
Pitting Nie znaleziono stosownego własnego terminu na uszkodzenie powierzchni bocznych które należy uznać za najpospolitsze i przyczyniające wiele trudności wykonawcom i użytkownikom przekładni. Francuzi i Niemcy mają co prawda własne określenia, lecz pitting jest terminem używanym niemal równolegle. Pitting jest uszkodzeniem zmęczeniowym. Niektórzy badacze twierdzą, że pitting prawie nie występuje, jeśli liczba obciążeń nie przekroczyła 10 000, to znaczy jeśli nie było tyleż wejść w przypór. Mamy wiele informacji o warunkach, w których powstaje pitting. Umiemy w wielu przypadkach skonstruować przekładnię, w której z dużym stopniem prawdopodobieństwa nie wystąpi pitting. Trudno jednak twierdzić, że prócz hipotez można coś więcej przedstawić w przedmiocie fizycznej strony zjawiska pittingu. Uszkodzenie spowodowane pittingiem przedstawia sobą ubytki na powierzchni bocznej, powstałe po odpadnięciu maleńkich płyteczek, po których zostają dołeczki O dość nieregularnym kształcie. Płytki mają postać ostrych łusek. Przy pittingu przemijającym wielkość dołków wynosi do paru milimetrów. Gorsze wypadki pittingu wykazują znacznie większe wymiary dołków. Pittingowi podlegają miejsca w pobliżu koła podziałowego lub też poniżej na stopie zębów kół napędzających. Jak powiedziano, pitting powstaje po pewnym okresie pracy przekładni i jak dotychczas można stwierdzić zawsze przy obecności oleju. Początkiem pittingu jest pęknięcie w które wnika olej. Pęknięcie to po pewnym czasie powiększa się i wreszcie nadpęknięta część odpada i powstaje ubytek. Na ogół pitting zaczyna występować na stopie koła napędzającego, w miejscu rozpoczynania się jedno-punktowego przyporu. Jak łatwo wykazać, w miejscu tym występują największe naciski. 8
Zgniot i złom W przypadku miękkich" zębów, z tworzyw o wyraźnej i stosunkowo niskiej granicy plastyczności, spotyka się uszkodzenia zębów, polegające na zgniocie (ang. rolling, peanning) powierzchni bocznych. Zgniot połączony z rozwalcowywaniem" pod wpływem nadmiernych nacisków może mieć jednocześnie charakter płynięcia, co charakteryzuje się wypływem" materiału na wierzchołku zęba. Zgniot może być również lokalny, co na ogół występuje z powodu działania sił udarowych (gwałtowne chwilowe obciążenia zewnętrzne). Występowanie nadmiernych naprężeń w podstawie zęba może być przyczyną złomu zmęczeniowego (ang. fatigue breakage) lub też złomu doraźnego (ang. overload breakage) wskutek odpadnięcia części zęba. Zjawisko to jest ogólnie znane. Biorąc pod uwagę możliwości tego rodzaju uszkodzenia, trzeba pamiętać o różnych możliwych obciążeniach przekładni. Można przewidywać stałe mniej więcej równomierne obciążenia cyklicznie działające na ząb i obciążenia chwilowe, większe od obciążenia stale występującego. Z tych względów koła zębate powinny być w niektórych przypadkach obliczane ze względu na obciążenia zmienne stale występujące (ze względu na niebezpieczeństwo złomu zmęczeniowego) oraz ze względu na doraźne przeciążenia (złom doraźny). Zgniot i złom są wywołane przeciążeniami przekładni. Środkami zaradczymi są: zmiana stanu obciążenia lub zmiana tworzywa lub też, jeżeli to możliwe zmiana wymiarów zębów. Stan obciążenia w niektórych przypadkach można zmienić przez zastosowanie odpowiedniego sprzęgła. 9
2011-05-17 Korozja Korozję zębów należy traktować również jako uszkodzenie. Prócz zwykłego zaniedbania (brak lub zły rodzaj oleju) przyczyną korozji może być specjalny stan przekładni. Jeśli przekładnia w stanie spoczynku jest pod ciężarem i występują przy tym drgania w miejscu przyporu zębów, to pojawia się pył (ścier) brunatnej rdzy. Nazywa się to korozją cierną. Znaczne dolegania zębów podczas postoju przekładni i drgania mechaniczne mogą doprowadzić do wytworzenia na zębie śladu przylegania aż do postaci głębokiego karbu, szczególnie, gdy obok opisanych Przyczyn wystąpią dodatkowe czynniki, jak wilgoć czy też kwasy zawarte w oleju. 10
2011-05-17 11
2011-05-17 3. Obróbka wykańczająca walcowych kół zębatych Zęby nacięte metodami dotychczas opisanymi nie wykazują dostatecznej gładkości bocznych powierzchni zębów. Gdy koła po nacięciu zębów są poddane obróbce cieplnej, wówczas uzębienie staje się jeszcze mniej dokładne. Te niedokładności są przyczynami hałasów, nieprzyjemnych dla ucha ludzkiego, ponadto zaś powodują zwiększanie się obciążeń przez przyspieszenia i opóźnienia mas wirujących; powstają więc dodatkowe obciążenia dynamiczne, niejednokrotnie znacznie przewyższające obciążenia statyczne. Z tych więc przyczyn zaistniała konieczność staranniejszego wykańczania kół zębatych. Wyróżniamy kilka metod wykańczających i to zarówno w stanie miękkim, jak też po utwardzającej obróbce cieplnej. 12
3.1. Wykańczanie zębów w stanie miękkim Wykańczanie zębów w stanie miękkim ma na celu usunięcie nierówności (chropowatości) powierzchni, a także poprawienie dokładności zarysu i podziałki. Wykańczanie w stanie miękkim może być przeprowadzane dwoma sposobami: 1. Dogniatanie Do dogniatania służą 3 hartowane koła zębate dogniataki, między które wkłada się dogniatane koło. Dogniatak napędzany jest przez silnik i przenosi ruch obrotowy na dogniatane koło, a ono na pozostałe dwa dogniataki, które są osadzone w odchylnej dźwigni obciążonej odpowiednimi ciężarami. Ponieważ w trakcie dogniatania wytwarza się dość znaczna ilość ciepła, oraz w celu lepszego wygładzenia zębów, doprowadza się do miejsc styku zębów strumień nafty. 2. Wiórkowanie Wiórkowanie polega na współpracy obrabianego koła z narzędziem o kształcie zębatki lub koła zębatego przy skrzyżowanych wichrowatych osiach. Obrabiane koło i narzędzie stanowią więc śrubową przekładnię. Przez skrzyżowanie osi uzyskuje się wzdłuż linii zębów poślizg, który jest tu prędkością skrawania. Narzędzia mają nacięte rowki wzdłuż wysokości zębów. Istnieją dwie metody wiórkowania różniące się ukształtowaniem narzędzia. 2.1. Wiórkowanie wiórkownikiem zębatkowym. W metodzie tej narzędziem jest zębatka osadzona na stole maszyny wykonującym ruch posuwisto-zwrotny, koło zaś osadzone między kłami jest dociskane do tego narzędzia. Narzędzie składa się z pojedynczych zębów z naciętymi wzdłuż boków rowkami, których krawędzie stanowią ostrza skrawające. 13
Schemat pracy wiórkarki z wiórkownikiem zębatkowym. Płytki zamocowane są na stole maszyny. Obrabiane koło 4 jest zamocowane między kłami uchwytu 5. Koło zazębia się z zębatką i znajduje się pod określonym naciskiem wywieranym przez tłok 6. Aby zęby obrabianego koła nie zostały zbytnio ścienione, skrajne położenie koła jest ograniczone zderzakiem. Aby uzyskać równomierne tępienie się narzędzia na całej jego szerokości, koło obrabiane jest przesuwane poprzecznie przy końcu każdego skoku. Praca wiórkarki jest automatyczna z wyjątkiem mocowania i zdejmowania obrabianego koła. Po załączeniu opuszcza się suport przedmiotowy, uruchamia się stół i wykonuje poprzednio nastawioną ilość skoków (od l do 50), po czym suport przedmiotowy unosi się, a stół unieruchamia. Metoda la nie przyjęła się w praktyce z następujących powodów: elementem napędzającym jest stół (z narzędziem) wykonujący ruch posuwisto-zwrotny, a więc w momentach zwrotnych występują wstrząsy odbijające się niekorzystnie na obrabianym kole, jest to metoda mało wydajna, gdyż nie można stosować dużych prędkości ruchu posuwistego stołu,, ponieważ narzędzie ma ograniczoną długość, a stół ograniczony skok, 2.2. Wiórkowanie wiórkownikiem w postaci koła zębatego. W metodzie tej narzędziem jest koło zębate o rowkach przebiegających wzdłuż wysokości zębów. Metoda ta w porównaniu z poprzednią nie wykazuje wszystkich jej wad. Istnieją dwie metody obróbkowe: metoda wzdłużna metoda skośna 14
3.2. Wykańczanie kół w stanie twardym Opisane dotychczas metody obróbki wykańczającej, a więc dogniatanie i wiór-kowanie, mogą być stosowane tylko wówczas, gdy koła zębate nie podlegają po tej operacji obróbce cieplnej. Na ogół jednak spotyka się w konstrukcjach koła nawęglane, od których wymaga się twardości co najmniej HRC= 56. Gdy nawet bardzo dokładnie obrobione podda się obróbce cieplnej, koła te wykażą znaczne błędy wskutek odkształceń, jakie towarzyszą obróbce cieplnej. W tym przypadku w celu uzyskanie odpowiedniej dokładności usuwa się błędy za pomocą szlifowania. Do szlifowania uciekamy się oczywiście wówczas, gdy wymagana dokładność mieści się w wąskich granicach tolerancyjnych, a więc gdy mamy do czynienia z kołami szybkobieżnymi lub kołami o specjalnym znaczeniu. Wyróżniamy dwie metody szlifowania zębów: 1) metody kształtowe, 2) metody obwiedniowe. Szlifowanie kształtowe Zaletą metod kształtowych jest głównie to, że można nadać zarysowi zębów dowolny kształt. Należy przy tym przypomnieć, że przy bardzo silnie obciążonych kołach zęby uginają się w momentach zazębiania, wskutek czego w kole napędzanym wydłuża się podziałka, zaś w napędzającym skraca się, tak że w momencie wchodzenia w pracę drugiej pary zębów następują przyspieszenia i inne z tym związane zaburzenia ruchu. Aby tego uniknąć, należy cofnąć nieco zarys u wierzchołka zęba w kole napędzanym. 15
Spośród metod pokazanych w tabeli najkorzystniejsze okazują się metody 3 i 4 oraz a, d, i gdyż ściernice pracują na całej wysokości zęba. Ze względu na wydajność szlifowania jest pożądane, aby Jednocześnie były szlifowane dwa boki wrębu lub zębów. Dodatnią stroną kształtowego szlifowania jest to, że operacja ta jest stosunkowo szybka. Ujemnymi stronami zaś są: 1) trudność ustawienia ściernicy względem szlifowanego koła, wskutek czego opłaca się szlifować pojedynczych sztuk, lecz tylko większe serie, 2) konieczność stosowania dokładnych mechanizmów podziałowych, 3) ponieważ ściernica styka się ze szlifowanym zębem na całej jego wysokości, istnieje niebezpieczeństwo odpuszczenia powierzchni zahartowanej a nawet pęknięć powierzchniowych zwłaszcza, że przy tym szlifowaniu stosuje się obfite chłodzenie; 4) stąd też wynika ograniczenie co do wielkości modułu, jaki może być szlifowany. Szlifowanie obwiedniowe W obwiedniowych metodach szlifowania walcowych kół zębatych została wykorzystana zasada strugania zębów wg metod Maaga, a ponadto frezowania obwiedniowego. Metody te zestawiono w tabeli (następny slajd). Z tego zestawienia widać, że szlifowanie może się odbywać za pomocą jednej dużej ściernicy (o średnicy ok. 750 mm), przy czym oś tarczy znajduje się dokładnie w połowie szerokości wieńca szlifowanego koła. Koło w danym przypadku wykonuje jedynie ruchy toczne, a nie ma ruchu wzdłuż własnej osi, wskutek czego dno wrębów po oszlifowaniu ma kształt wklęsły tj. ząb jest najwyższy wśrodku szerokości wieńca, a niższy u obu czół. Wynika stąd wniosek, że metodą tą można szlifować koła o niezbyt szerokich wieńcach, aby wynikła ze szlifowania różnica wysokości zęba. Ujemną stroną tej metody jest przede wszystkim to, że ściernica jest bardzo duża i ciężka. na skutek czego trudno ją wykonać; poza tym wg tej metody zęby są obrabiane w dwu kolejnych przejściach, (każdy bok wrębu oddzielnie), przy czym koło trzeba dwukrotnie mocować, z czym jest związana znaczna strata czasu szlifowania, i tak Już dość długi, znacznie się wydłuża. Zaletą dużejśrednicyściernicy jest natomiast to,że nie zużywa się szybko 16
17