Fogaskerék Módosítás és Kapcsolódási Analízis: A Pontos Átvitel Kulcsa

1. Miért szükséges a fogaskerekek módosítása?

• Gyártási és szerelési hibák : A fogaskerék megmunkálás során fellépő méreteltérések vagy a szerelés közbeni helytelen igazítás egyenlőtlen kapcsolódást okozhat.
• Rugalmas alakváltozás : Terhelés alatt a fogaskerekek és tengelyek meghajlanak vagy elcsavarodnak, ami kapcsolódási eltérésekhez vezet.
• Dinamikus ütés : A fogkapcsolódás be- és kikapcsolódása során a hirtelen kapcsolati pozícióváltozás ütéseket generál, amelyek károsítják az olajfilmet, és magas hőmérsékleten a fogfelületek felületi károsodását (karcolódását) is okozhatják.

2. Fogaskerék-módosítás típusai

Gyakori módosítások kulcsfontosságú részletei

• Fognyom módosítás : A fogaskerék törzsirányra koncentrál. A homorúság (dobozszerű módosítás) a leggyakoribb – enyhe "doboz" formát hoz létre a fogfelületen a terhelés alatti tengélyhajlás kiegyenlítésére, biztosítva az egyenletes érintkezést. A tipikus homorúsági mennyiség képlete: \(C_β = 0,5 × 10^{-3}b + 0,02m_n\) (ahol b = fogszélesség mm-ben; \(m_n\) = normál modul mm-ben).
• Fogprofil módosítás : A fogmagasság irányának optimalizálása. Tartalmazza a hosszú módosítást (a kapcsolódás kezdetétől/végéig a két/egy fogaskerék átmenetig) és a rövid módosítást (a hosszú módosítás hosszának fele). Fémgépek általában rövid módosítást használnak a jobb hatásfok érdekében, míg műanyag fogaskerekek esetében gyakoribb a hosszú módosítás.
• Kompozit módosítás : A fogazat vonalának és profiljának együttes módosítását kombinálja. Összetett forgószállítók, mint például szélerőművek esetében ez a módszer kiegyensúlyozza a terheléseloszlást, az ütés csökkentését és a dinamikus stabilitást, jobb eredményt nyújtva, mint az egyedi módosítás.

3. Hatékony módosítás tervezési elvei

1. Terheléskiegyenlítési elv : Módosítási mennyiség ≈ rugalmas deformáció + gyártási hiba, biztosítva, hogy a fogfelület tökéletesen illeszkedjen a tényleges terhelés alatt.
2. Dinamikus simasági elv : Cúcs-cúcs átviteli hiba ≤ 1 μm/fokozat, minimalizálva a rezgésgerjesztést.
3. Kontaktensúlyozási elv : Kontaktfolt-terület arány ≥ 60%, elkerülve a feszültségkoncentrációt.

4. Fogzás- és kontaktuselemzés: Módosítási hatások értékelése

Alapelvek és módszerek

• Hertz-kontaktus elmélet : Kiszámítja a fogfelületek közötti kontakt félszélességet és a feszültségeloszlást, amely alapot ad a feszültséganalízishez.
• Numerikus analízis módszerek :
  • Analitikus módszer: Gyors, de közelítő, alkalmas előzetes becsléshez.
  • Véges elemes módszer: Magas pontosságú, részletes feszültséganalízishez ideális.
  • Határelemes módszer: Hatékony kontakt feszültségszámításhoz.
  • Többtestes dinamika: A rendszer dinamikus teljesítményét értékeli működési körülmények között.

Kulcsértékelési indikátorok

• Maximális kontakt feszültség (σHmax) : Közvetlenül kapcsolódik a fogfelület fáradási élettartamához.
• Kontakt folttalpajzstényező (λ) : A kontaktterület hosszúság-szélesség aránya, amely az egyenletes terhelést tükrözi.
• Áttételi hiba (TE) : A deformáció/hibák miatt szükséges extra távolság a fogzásbe, ez a rezgés egyik fő forrása.

5. Módosítás gyakorlati hatásai: esettanulmányok

• Szélerőmű sebességváltók (fogság szélessége 200 mm) : A domborulat növekedésével (0→30 mm), a maximális kontaktfeszültség 1250 MPa-ról 980 MPa-ra csökkent, a rezgés gyorsulás pedig 15,2 m/s²-ről 9,5 m/s²-re csökkent.
• Automotív sebességváltók (modul 3,5) : A parabolikus profil módosítás 35%-os csökkentést eredményezett az ütésben, és 3,2 dB-es zajcsökkentést; a magasabb rendű görbemódosítással 52%-os ütés csökkentés érhető el.
• Repülőgépipari fogaskerekek : A kompozit módosítás csökkentette a kontaktstressz egyenlőtlenségét 58%-ról 22%-ra, a transzmissziós hibacsúcs-értéket 2,4 μm-ről 1,1 μm-re, valamint a 2000 rpm-es rezgésenergiát 68%-kal.

6. Mérnöki alkalmazás és ellenőrzés

• Statikus lenyomat módszer : Vörös ólomfestéket (10-20 μm vastagságú) használ 30% névleges nyomaték alatt a kontaktfoltok megfigyeléséhez.
• Dinamikus tesztelő rendszerek : Optikai szálú elmozdulásszenzorok (0,1 μm felbontás) és nagysebességű infravörös hőmérők (1 kHz mintavételi frekvencia) valós időben figyelik a fogzás folyamatát.

• Elektromos járművek csökkentői : Aszimmetrikus profilmódosítás (+5 μm a terhelés oldalon) és 30°×0,2 mm fogvégi letörések 7,5 dB(A)-val csökkentették a zajt, és 0,8%-os hatékonyságnövekedést eredményeztek.
• Hajóipari sebességváltók : A nagy ívelés (40μm) és a kiegyenlítő hajlásszög korrekció (β'=β+0,03°) javította a kontakt feszültség egyenletességét <15% alá, és meghosszabbította az élettartamot 2,3-szorosára.

Összegzés

• Az optimális ívelés általában 1,2-1,5-szerese az elasztikus deformációnak.
• A kompozit módosítás 30-50%-kal jobb teljesítményt nyújt az egyedi módosításnál.
• A módosítást az aktuális terhelési spektrum alapján kell meghatározni, és kontakt foltteszttel kell validálni.