Fogaskerék-tűrések: meghatározás, szabványok és gyakorlati alkalmazások

1. Fogaskerék-tűrési szabványok megértése
A globális gyártás a szabványosított tűréshatár-rendszerekre támaszkodik a konzisztencia és kölcsönhatás-képesség biztosításához. A legszélesebb körben elfogadott szabványok közé tartozik az ISO 1328, amelyet a Nemzetközi Szabványügyi Szervezet (ISO) dolgozott ki, és amely a hengeres fogaskerekek tűréseit írja le. Észak-Amerikában az AGMA 2000/2015 szabvány, amelyet az Amerikai Fogaskerékgyártók Egyesülete (AGMA) állított össze, ipari és autóipari fogaskerekekhez alkalmazzák széles körben. Kína nemzeti szabványa, a GB/T 10095 egyenértékű az ISO 1328 szabvánnyal, míg Németországban a DIN 3962 szabvány kifejezetten a fogaskerék fogprofil és fogtáv tűrésekre koncentrál. Bár ezek a szabványok némileg eltérnek a minősítési osztályokban és mérési módszerekben, a fogaskerekek pontosságának értékelésére szolgáló alapvető indikátorok megegyeznek.​
2. Fő típusú fogaskerék-tűrések​
A fogaskerekek pontossága egyedi eltérésekre – egyetlen fogaskerék hibáira – és összetett eltérésekre, amelyek a fogaskerékpárok kapcsolódási teljesítményét mérik, oszlik.​
2.1 Egyedi eltérések​
Ezek a tűrések a fogaskerék gyártási hibáit mérik, amelyek közvetlenül befolyásolják a sima fogzás képességét más fogaskerekekkel. A fogosztás eltérés (fpt) az aktuális fogosztás és az elméleti fogosztás közötti különbségre utal; még kis eltérések is rezgést, zajt és csökkent átviteli simaságot okozhatnak. A profil eltérés (fα) azt írja le, hogy az aktuális fogprofil mennyire tér el az ideális evolvens görbétől; ez a hiányosság csökkenti a kontaktust, növeli a zajt és a kopást. Ferde fogazatú fogaskerekeknél a csavarvonal eltérés (fβ) kritikus jelentőségű – ez a valóságos csavarvonal és az elméleti csavarvonal közötti különbséget méri, és túlzott eltérés egyenlőtlen terheléseloszlást eredményez a fogfelületeken, csökkentve az élettartamot. Fogfelületi eltérés (Fβ) a fogfelület dőlési hibája a fog szélessége mentén, amely részleges terheléshez és a fogazat gyorsabb kopásához vezet. Végül, a sugárirányú futás (Fr) a fogaskerék tengelytől mért maximális és minimális sugártávolság különbsége egy foghoronyban elhelyezett mérőfejjel mérve, amely az excentricitást tükrözi, és rontja a fogzás stabilitását.
2.2 Összetett eltérések
Az összetett tűrések azt értékelik, hogy egy fogaskerékpár mennyire illeszkedik egymáshoz, ami kritikus tényezője az átviteli minőségnek. A radiális összetett eltérés (Fi'') a tengelytáv maximális változása a fogaskerék egy teljes fordulata során, és a fogaskerékpár általános pontosságának széles körű indikátora. A tangenciális összetett eltérés (Fi') a fogazás kapcsolódása során fellépő átviteli hibát méri, amely közvetlenül befolyásolja az átviteli pontosságot és a zajszintet. A játék (jn) – a kapcsolódó fogaskerekek nem működő fogfelületei közötti hézag – a rugalmasság és a zaj közötti egyensúlyt biztosítja, megakadályozva a beragadást nagy sebességű alkalmazásokban.
3. Fogaskerék pontossági osztályok és kiválasztás
3.1 Osztályozás (az ISO 1328 szabvány szerint)
Az ISO 1328 a fogaskerék pontosságát 13 osztályba sorolja, 0-tól (a legmagasabb pontosság) 12-ig (a legalacsonyabb). A gyakorlatban ezeket az osztályokat alkalmazás szerint csoportosítják. Az ultra magas pontosságú osztályok (0–4) precíziós műszerekhez, repülőgépipari meghajtókhoz és nagy sebességű turbinákhoz használatosak, lehetővé téve a kerületi sebesség elérését egyenes fogazat esetén 35 m/s, ferde fogazatnál pedig 70 m/s felett. A magas pontosságú osztályok (5–7) ideálisak autóipari váltókhoz, gépgyártási orsókhoz és repülőgépipari fogaskerekekhez, ahol a fogaskerekek sebessége egyenes fogazatnál 10–20 m/s, ferde fogazatnál 15–40 m/s tartományban mozog. A közepes pontosságú osztályok (8–9) általános ipari sebességváltókban, traktorváltókban és szivattyúkban alkalmazott fogaskerekekhez használatosak, ahol az egyenes fogazatú fogaskerekek sebessége 2–6 m/s, a ferde fogazatúaknál pedig 4–10 m/s. Az alacsony pontosságú osztályok (10–12) kis terhelésű alkalmazásokra, például mezőgazdasági gépekhez és kézi szerszámokhoz vannak fenntartva, ahol a fogaskerekek sebessége egyenes fogazatnál 2 m/s alatti, ferde fogazatnál pedig 4 m/s alatti.
3.2 Pontossági osztályok kiválasztásának elvei
Az pontossági osztály kiválasztásakor az első szempont a hajtás követelményeinek megfelelés: nagy sebességű hajtásokhoz (20 m/s felett) az 5–7-es osztály, közepes sebességű hajtásokhoz (5–20 m/s) a 6–8-as osztály, míg alacsony sebességű hajtásokhoz (5 m/s alatt) a 8–10-es osztály ajánlott. A költséghatékonyság szintén fontos tényező – a nagy pontosságú fogaskerekek (0–5-ös osztály) fejlett gyártási eljárásokat, például fogazóköszörülést és alapos ellenőrzést igényelnek, ami növeli a költségeket, ezért kerülendő túlméretezni, kivéve, ha szükséges. Végül, a fogaskerékpárak összehangolása optimalizálhatja a teljesítményt és a költségeket: a hajtókerék lehet eggyel magasabb osztályú, mint a hajtott kerék (például egy 6-os osztályú hajtókerék párosítva egy 7-es osztályú hajtott kerekkel).
4. Gyakorlati tűréshatár-beállítás és optimalizálás
4.1 Kritikus tűrésszámítások
A játék (jn) a fogvastagság tűréseinek összege, melyet a következő képlet alapján számolnak: jn = Esns₁ + Esns₂ ± Tsn, ahol Esns a fogvastagság felső eltérése, Esni a fogvastagság alsó eltérése és Tsn a fogvastagság tűrése. Nagy sebességű fogaskerekek esetén a játék általában (0,02–0,05) × m, ahol m a modul. Ferde fogazat esetén a spirál eltérés (fβ) legyen ≤ 0,1 × b (ahol b a fogszélesség), hogy biztosítsa az egyenletes terheléseloszlást a fogfelület mentén.
4.2 Műszaki rajz aláírás példa
A pontos tűrésfeltüntetés műszaki rajzokon elengedhetetlen a gyártás irányításához. Egy 6-os osztályú fogaskerék jellemző aláírása lehet: „Fogaskerék pontossága: ISO 6; Teljes osztáshiba (Fp): 0,025 mm; Teljes profilkülnbség (Fα): 0,012 mm; Teljes spirál eltérés (Fβ): 0,015 mm; Fogvastagság eltérések: Esns = -0,05 mm, Esni = -0,10 mm.” Ez a részletesség biztosítja, hogy a gyártók pontosan megértsék a pontossági követelményeket.
4.3 Gyakori problémák és megoldásaik​
A túl nagy zaj a fogaskerékrendszerekben gyakran a nagy menetemelkedési eltérésből vagy a túl kicsi játékból adódik. A megoldás a menetemelkedés pontosságának javítása és a fogvastagság beállítása a játék növelése érdekében. A fogazat egyenlőtlen kopzása általában a csavarodási szög tűrésértéken kívüli eltéréséből fakad; ezt a gépi szerszámvezetés kalibrálásával és a szerszám felszerelési szögének beállításával lehet orvosolni. A hajtás elakadása általában a fogvastagság túl nagy méretéből vagy a túl kicsi játékból ered, amit a fogvastagság finomhangolásával vagy a nem összehangolt fogaskerékpár csere megoldhat.​
5. Következtetés​
A fogaskerék tűrésének tervezése a teljesítmény, költség és gyártási lehetőségek közötti kompromisszum. A megfelelő pontossági osztályok kiválasztásával, a fogtáv, profilkúlönbség és spirálkúlönbséghez hasonló kulcsfontosságú eltérések szabályozásával, valamint a játék optimalizálásával a mérnökök biztosíthatják, hogy a fogaskerekek megfeleljenek az alkalmazási követelményeknek, miközben minimalizálják a termelési költségeket. A modern mérési technológiák, például koordináta mérőgépek (CMM) és fogaskerék-elemzők, továbbá pontos tűrésellenőrzést tesznek lehetővé, támogatva a megbízható és hatékony mechanikai hajtásrendszereket.
Legyen szó nagy sebességű légi és űrhajózásban használt fogaskerekekről vagy kis terhelésű mezőgazdasági gépekről, a fogaskerék-tűrések ismerete alapvető a sikeres mechanikai tervezéshez.