Autor: Jakub Łuszczek Promotor: dr inż. Krzysztof Grzelak

Projektowanie jednostopniowych przekładni zębatych o dużym przełożeniu wytwarzanych z użyciem technologii addytywnych w zastosowaniach napędów maszyn inżynieryjnych

Celem pracy było zaprojektowanie dwóch przekładni obiegowych (walcowej oraz cykloidalnej) o określonych parametrach konstrukcyjnych oraz porównanie ich pod względem geometrycznym i funkcjonalnym. Obie przekładnie projektowano jako zwolnice w układzie napędowym jazdy minikoparki jednonaczyniowej na podwoziu gąsienicowym (z gąsienicami elastomerowymi).

Celem utylitarnym pracy było opracowanie procesu wytwarzania poszczególnych elementów przekładni z zastosowaniem technik przyrostowych na potrzeby analizy funkcjonalnej. Przeprowadzono również badania wytrzymałościowe pozwalające na określenie możl iwości wytwarzania kół zębatych techniką przyrostową SLM (Select ive Laser Mel t ing) .

Przekładnia planetarna walcowa Przekładnia planetarna cykloidalna

Obliczenia inżynierskie podstawowych elementów przekładni oraz opracowanie modeli geometrycznych CAD

1

1,2

3

1

2 rwej v z

gj

M K qm

z K k kel

× × ×

׳

× × ×

( )`min

`1,2 2,3

11 obl nvs

M

p zBPKKp

b m K z ze d

ć ö= + Łç ÷ç ÷

č ř

×× × ××

× ×

ssj

x

Mk

WŁ 3

16 swej

sj

Md

kp

×=

×

( ) ( ) ( )( )

( ) ( )

21 1 1

32 2

1 1

1 2 cos 1

112cos

e

e

g z z ze

z z

l l h l

l h l

× × - × + × × + × +ł

é ů+ × - × × × +ë ű

( ) ( ) ( )( )( ) ( )( )

( )1

1 1 21

cos cos 11 cos cos 1

12coseke

zx z z g

z

h l hr h l r h

l h l

- × + ×= × + × - × × + × + ×

- × × × +

( ) ( ) ( )( )( ) ( )( )

( )1

1 1 21

sin sin 11 sin sin 1

12coseke

zy z z g

z

h l hr h l r h

l h l

- × + ×= × + × - × × + × + ×

- × × × +

( ) ( )22

R ix Qn iyF F F F= + -ĺ ĺ ĺ

1X

Ki

W

MF

r=ĺ 0 2td d e= + × max

3

32 g

s

gj

Md

kp

×=

×

Opracowanie procesu wytwarzania elementów przekładni z zastosowaniem techniki FDM (Fused Deposition Modeling)

oraz ocena funkcjonalności przekładni

• wyznaczenie rzeczywistej wartości

• porównanie ogólnych gabarytów obu przekładni,

• określenie wpływu wielkości luzów na prace przekładni,

• ocenę oporów ruchu, a także wyznaczenie stref największego tarcia,

• ocenę możliwości montażu samej przekładni.

przełożenia i porównanie jej z wartością założoną w obliczeniach,

Ocena funkcjonalności obejmowała: a) b)

Rys.3 Wytworzone elementy przy pomocy technik przyrostowej: a) jarzmo przekładni cykloidalnej, b) epicykl przekładni obiegowej walcowej oraz

przekładnia cykloidalna

Rys.1 Model geometryczny CAD przekładni obiegowej walcowejRys.2 Model geometryczny CAD przekładni cykloidalnej

Badania wytrzymałościowe elementów wykonanych przy użyciu techniki SLM

Wnioski końcowe

• Przekładnie planetarne walcowe uzyskują dużo niższe wartości przełożeń oraz charakteryzują się dużymi wymiarami geometrycznymi w stosunku do przekładni cykloidalnej.

• Przy przyjętych założeniach średnica podziałowa koła centralnego przekładni cykloidalnej jest o 30% niższa w stosunku do średnicy podziałowej epicykla przekładni planetarnej walcowej.

• Drgania spowodowane ruchem masy osadzonej mimośrodowo wymusza konieczność zastosowania drugiego koła cykloidalnego równoważącego niekorzystne oddziaływanie siły bezwładności co powoduje wzrost wartości wymiarów w kierunku osiowym.

• Zastosowanie technik Rapidprototyping redukuje stanowczo koszty oraz czas wytworzenia prototypu, co bywa kłopotliwe przy użyciu tradycyjnych metod z uwagi na ekonomiczne i czasowe aspekty wytwarzaniu pojedynczych elementów przekładni.

• Technologie przyrostowe w tym technika Rapidtooling mogą znaleźć zastosowanie w przypadku gdy pojawia się problem z dostępnością części zamiennych dla maszyn i urządzeń produkowanych kilkanaście lat temu. Zastosowanie techniki Rapidtooling pozwala na wykonywanie pojedynczych części bez konieczności opracowywania złożonego procesu technologicznego.

• Wytrzymałość na rozciąganie stali w postaci elementu wytworzonego techniką SLM jest o ok. 10% niższa niż w przypadku stali w formie pół wyrobu hutniczego po obróbce cieplnej.

• Najbardziej wytężonym elementem przekładni cykloidalnej jest łożysko koła obiegowego, które w dużym stopniu decyduje o jej trwałości.

• Techniki przyrostowe wykorzystujące polimer pozwalają wytworzyć większość elementów różnych przekładni jednak nie są to elementy czysto użytkowe, a jedynie modele. Pozwala to jednak w duży stopniu określić wiele cech konstrukcji i ułatwić proces projektowania.

ź Technologia druku przestrzennego pozwala na zastosowanie techniki Rapid Manufacturing, dzięki czemu istnieje możliwość wytwarzania małych serii elementów poszczególnych mechanizmów, bez wznawiania linii produkcyjnej.

b) model przekładni wytworzony przy użyciu FDMRys.4 Zestawienie przekładni cykloidalnej a) rzeczywista przekładnia

a) b)

Sposób obróbki

cieplnej

Bez obróbki

cieplnej

Chłodzenie w oleju,

jednokrotne

starzenie

Chłodzenie w

powietrzu,

jednokrotne starzenie

Chłodzenie w

powietrzu,

dwukrotne starzenie

Wartość Rm [MPa] 810 1172 1157 1143

Maksymalne

odkształcenie [mm]8,22 5,31 4,74 5,25

Przeprowadzone badania pozwoliły na sprawdzenie wytrzymałości na rozciąganie elementów wytworzonych ze stali 17-4PH (proszku metalicznego) techniką SLM. Dodatkowo elementy zostały poddane obróbce cieplnej (utwardzaniu wydzieleniowemu) w celu zwiększenia war tośc i paramet ru Rm. Obróbkę wykonywano w kilku wariantach (sposób chłodzenia po przesycaniu o r a z k r o t n o ś ć s t a r z e n i a ) c o p o z w o l i ł o n a o k r e ś l e n i e n a j k o r z y s t n i e j s z y c h w a r u n k ó w. Rys.5 Próbki ze stali 17-4PH wytworzone przy

użyciu maszyny SLM 125 HL

Rys.6 Wykres statycznej próby rozciągania stali 17-4PH przed obróbką cieplną