2011-05-17

1

Podstawy Konstrukcji Maszyn

• Część 2

• Wykład nr.6

1. Przekładnie ślimakowe

Przekładniaślimakowa (rysunek), jest mechanizmem napędowym o wichrowatych osiach. Kątmiędzy osiami wynosi na ogół 90°. Podstawowymi elementami przekładni ślimakowej sąślimak i koło ślimakowe, zwane także ślimacznicą. Ślimak z wyglądu podobny jest dośruby ogwincie trapezowym i skoku będącym wymierną częścią liczby n (skok modułowy). Kołoślimakowe natomiast jest kołem walcowymśrubowym o specjalnie ukształtowanym wieńcu.

Rozpowszechnienie przekładniślimakowychjest spowodowane ich ważnymi zaletami, jak:

- duża powierzchnia przyporu zębów przy ichstyku liniowym,

- możliwość uzyskania dużych przełożeń(l :50 i więcej),

- równomierność przeniesienia ruchu icichobieżność,

- możliwość uzyskania przekładnisamohamownej (wiąże się to jednak zeznacznym spadkiem sprawności).

Do podstawowychwad przekładni ślimakowych zaliczamy: niską sprawność (a w związku z tym nagrzewanie się przekładni).

2011-05-17

2

(Koło to obrabiany odlew!)

Rodzaje przekładni ślimakowych

W zależności od kształtu ślimaka rozróżniamy:

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 naślimak i koło ślimakowe jestuzyskanie możliwie małego współczynnikatarcia. Wynika to z faktu występowania wewspółpracy zwojówślimaka z zębami kołaślimakowego dużych prędkości poślizgu.Poślizg występuje tu nie tylko wzdłużzarysów zębów, lecz ze względu nawichrowatość osi kół występuje także wzdłużzęba. Wraz ze wzrostem kąta wzniosu liniizwoju ślimaka prędkość poślizgu możeosiągać znaczne wartości, co przy większychobciążeniach grozi zatarciem zębów.

2011-05-17

3

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.

( )

( )γ

γπ

tg

pp

pp

mp

xt

xn

xx

=

==

cos ( )

( )γ

γπ

tg

mm

mm

pm

xt

xn

xx

=

=

=

cos

1

2

1 71

z

zu

z

=

÷=Zalecana liczba zębów ślimaka:

Przełożenie przekładni ślimakowej:

2011-05-17

4

( )

( ) xs

ff

aa

x

mzl

hdd

hdd

tg

mzd

2

11

11

11

12

2

2

+=

−=+=

=γ

γ

222

222

22

2

2

ff

aa

x

hdd

hdd

mzd

−=+=

=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°

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

2011-05-17

5

Zastosowanie przekładni ślimakowychPrzekładnieślimakowe są stosowane do przenoszenia mocy, a także do celów

podziałowych, sterowania itp., na ogół wszędzie tam, gdzie potrzebne jest duże przełożenielub samohamowność.

Reduktoryślimakowe mają zastosowanie w różnego rodzaju urządzeniach, jakwciągarki, wózki suwnicowe, przenośniki, obrotnice, walcarki itp. Ze względu namożliwość osiągnięcia dużego przełożenia (zazwyczaj od 5 do 60), najczęściej stosuje sięreduktory jednostopniowe. Przy bardzo dużych przełożeniach trzeba stosować reduktorydwustopniowe. Przy przełożeniach pośrednich (od 30 do 300) stosuje się zespól składającysię z reduktoraślimakowego oraz przekładni pasowej lub zębatej.

W przekładniachślimakowych ogólnie dostępnych na rynku spotyka się parametry:prędkość obrotowan = 750 - 3000 obr/min, mocN = do 200 kW, przełożenie od 10 do 60,rozstaw osi a = od 100 do 500 mm.

Szczytowe osiągnięcie wytwórców współczesnych przekładniślimakowych charakteryzująparametry: n = 40000obr/min, prędkości poślizgów na zębach v= 69 m/s , momentprzenoszonyM = 700 000 Nm , mocN = 1100 kW.

Toczenie obwiedniowe nożem Fellowsa

2011-05-17

6

2. Uszkodzenia, wady i mechanizmy zużywanie się kół zębatych (wybrane)

Rysy hartownicze

Znaczna liczba przekładni zębatych wyposażona jest w koła (zwłaszcza mniejszychrozmiarów, szczególnie w pojazdach) z hartowanymi bokami.W razie źle prowadzonegoprocesu obróbki cieplnej lub też przy złej jakości tworzywa mogą powstać powierzchnioweuszkodzenia —rysy hartownicze(ang. cracking). Uszkodzenia te mogą być początkieminnych znaczniejszych uszkodzeń (odprysków i złamań).

Uszkodzenie interferencyjne

Błędy w doborze zarysów zębów, wymiarów kół i odległości między nimi, błędywykonawcze, jak np. nadmierne odchyłki zarysu iśrednic lub zły montaż mogą byćprzyczyną występowania interferencji, czyli wzajemnego podcinania zębów.

W tym przypadku wierzchołek głowy zębów jednegokoła atakuje stopę zęba drugiego w taki sposób,żegdyby nie występował, opór towarzystwa wierzchołekzęba zająłby miejsce stopy zęba drugiego. Jest toprzyczyną nadmiernych nacisków, które wywołująróżnego rodzaju zniekształcenia boków, które nazywaćbędziemy uszkodzeniami interferencyjnymi (ang.interference,niem. Yerschlezft Eingriffstorung). Przyinterferencji mogą wystąpić obciążenia będąceprzyczyną łamania się zębów.

Odpryski

Na rysunku widoczne są miejsca, z których odprysnęły maleńkie płytki. Odpryskina ogół sątypu zmęczeniowego, a więc jedną z przyczyn ich powstawania jest zmienność obciążeńcharakterystyczna dla obciążenia zębów. Z tego wynika,że odpryski mogą pojawić siędopiero po pewnym czasie pracy przekładni. Ich istotną przyczyną są rysy i pęknięciahartownicze, nie występują więc odpryski w kołach zębatych z „miękkimi" zębami. Odpryskinależy odróżniać od pittingu, który jest zjawiskiem odmiennym.

2011-05-17

7

Wytarcie i wydarcie

Bezpośrednie dotykanie cząstek stałych w trakcie wzajemnego ichślizgania się, czyli wtechnice 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 zębachjednoczesne, wycierane cząsteczki rozpraszają się (wędrują do oleju, jeżeli nie przeoczonokonieczność napełnienia przekładni olejem). Wytarciem nazywamy skutek równomiernegościerania boków, najczęściej wywołanego zawiesiną wytworzoną przez olej i drobnecząsteczki zanieczyszczeń. Tymi drobno-cząstkowymi zanieczyszczeniami mogą byćcząsteczki nie oddzielone z oleju w trakcie produkcji pyły obcego pochodzenia oraz pyłmetalowy wytworzony w trakcie wygładzania powierzchni roboczych, czyli podczas takzwanego docierania. Wydarcie (ang. abrasive wear) jest ubytkiem na ogół nierównomiernymwywoływanym obecnością miedzy zębami znaczniejszych cząsteczek stałych, które mogąpochodzić z łożysk lub też zębów (odpryski, nie usunięte przy wykańczaniu zębów, nadmiaryna 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 znacznychprędkościach obwodowych i dużych względnych obciążeniach. Oprócz tych czynników mająznaczenie: chropowatość powierzchni bocznych, wielkość poślizgu (a więc i wielkość zęba),rodzaj tworzyw (konieczna jest różnica między rodzajami tworzyw, przy zębach stalowychszczególne znaczenie ma różnica twardości powierzchni bocznych około 40 HB). Szczególnąrolę odgrywa rodzaj oleju. Stosując specjalne oleje można znacznie zmniejszyć zagrożeniezatarciem.

Innego rodzaju uszkodzeniem jestprzegrzanie(ang.burning).Wskutek chwilowych wzrostówtemperatur postępują zmiany w stanie hartowanych powierzchni bocznych i następujeodpuszczenie, a więc zmniejszenie twardości powierzchni. Zewnętrznymi objawami są napoczątku zmiany barwy powierzchni bocznych. Jeżeli nie jest to wywołane nadmiernyminaciskami, np. z przyczyn braku luzu między zębnego, to przyczyną przegrzania może byćnieodpowiedni olej. Przegrzanie powierzchni bocznych może być przyczyną zasadniczegozmniejszenia nośności.

2011-05-17

8

Pitting

Nie znaleziono stosownego własnego terminu na uszkodzeniepowierzchni bocznych którenależy uznać za najpospolitsze i przyczyniające wiele trudności wykonawcom iużytkownikom przekładni. Francuzi i Niemcy mają co prawda własne określenia, lecz pittingjest terminem używanym niemal równolegle.Pitting jest uszkodzeniem zmęczeniowym.Niektórzy badacze twierdzą, że pitting prawie nie występuje, jeśli liczba obciążeń nieprzekroczyła 10 000, to znaczy jeśli nie było tyleż wejść w przypór.

Mamy wiele informacji o warunkach, w których powstaje pitting. Umiemy w wieluprzypadkach skonstruować przekładnię, w której z dużym stopniem prawdopodobieństwa niewystąpi pitting. Trudno jednak twierdzić, że prócz hipotez można coś więcej przedstawić wprzedmiocie fizycznej strony zjawiska pittingu. Uszkodzenie spowodowane pittingiemprzedstawia sobą ubytki na powierzchni bocznej, powstałe po odpadnięciu maleńkichpłyteczek, po których zostają dołeczki O dość nieregularnym kształcie. Płytki mają postaćostrych łusek. Przy pittingu przemijającym wielkość dołków wynosi do paru milimetrów.Gorsze wypadki pittingu wykazują znacznie większe wymiary dołków. Pittingowi podlegająmiejsca w pobliżu koła podziałowego lub też poniżej na stopie zębów kół napędzających. Jakpowiedziano, pitting powstaje po pewnym okresie pracy przekładni i jak dotychczas możnastwierdzić zawsze przy obecności oleju. Początkiem pittingu jest pęknięcie w które wnikaolej. Pęknięcie to po pewnym czasie powiększa się i wreszcie nadpęknięta część odpada ipowstaje ubytek. Na ogół pitting zaczyna występować na stopie koła napędzającego, wmiejscu rozpoczynania się jedno-punktowego przyporu. Jak łatwo wykazać, w miejscu tymwystępują największe naciski.

2011-05-17

9

Zgniot i złom

W przypadku „miękkich" zębów, z tworzyw o wyraźnej i stosunkowo niskiej granicyplastyczności, spotyka się uszkodzenia zębów, polegające na zgniocie (ang. rolling,peanning)powierzchni bocznych. Zgniot połączony z „rozwalcowywaniem" pod wpływemnadmiernych nacisków może mieć jednocześnie charakter płynięcia, co charakteryzujesię„wypływem" materiałuna wierzchołku zęba. Zgniot może być również lokalny, co na ogółwystępuje z powodu działania sił udarowych (gwałtowne chwilowe obciążenia zewnętrzne).

Występowanie nadmiernych naprężeń w podstawie zęba może być przyczynązłomu zmęczeniowego(ang. fatigue breakage)lub też złomu doraźnego (ang. overloadbreakage)wskutek odpadnięcia części zęba. Zjawisko to jest ogólnie znane. Biorąc poduwagę możliwości tego rodzaju uszkodzenia, trzeba pamiętać o różnych możliwychobciążeniach przekładni. Można przewidywać stałe mniej więcej równomierne obciążeniacyklicznie działające na ząb i obciążenia chwilowe, większe od obciążenia stalewystępującego. Z tych względów koła zębate powinny być w niektórych przypadkachobliczane ze względu na obciążenia zmienne stale występujące (ze względu naniebezpieczeństwo złomu zmęczeniowego) oraz ze względu na doraźne przeciążenia (złomdoraźny). Zgniot i złom są wywołane przeciążeniami przekładni.Środkami zaradczymi są:zmiana stanu obciążenia lub zmiana tworzywa lub też, jeżeli to możliwe zmiana wymiarówzębów. Stan obciążenia w niektórych przypadkach można zmienić przez zastosowanieodpowiedniego sprzęgła.

2011-05-17

10

Korozja

Korozję zębów należy traktować również jako uszkodzenie. Prócz zwykłego zaniedbania(brak lub zły rodzaj oleju) przyczyną korozji może być specjalny stan przekładni. Jeśliprzekładnia w stanie spoczynku jest pod ciężarem i występują przy tym drgania w miejscuprzyporu zębów, to pojawia się pył (ścier) brunatnej rdzy. Nazywa się to korozją cierną.Znaczne dolegania zębów podczas postoju przekładni i drgania mechaniczne mogądoprowadzić do wytworzenia na zębie śladu przylegania aż do postaci głębokiego karbu,szczególnie, gdy obok opisanych Przyczyn wystąpią dodatkowe czynniki, jak wilgoć czy teżkwasy zawarte w oleju.

2011-05-17

11

2011-05-17

12

3. Obróbka wykańczająca walcowych kół zębatych

Zęby nacięte metodami dotychczas opisanymi nie wykazujądostatecznej gładkości bocznych powierzchni zębów. Gdy koła ponacięciu zębów są poddane obróbce cieplnej, wówczas uzębienie stajesię jeszcze mniej dokładne.

Te niedokładności są przyczynami hałasów, nieprzyjemnych dla uchaludzkiego, ponadto zaś powodują zwiększanie się obciążeń przezprzyspieszenia i opóźnienia mas wirujących; powstają więcdodatkowe obciążenia dynamiczne, niejednokrotnie znacznieprzewyższające obciążenia statyczne. Z tych więc przyczyn zaistniałakonieczność staranniejszego wykańczania kół zębatych.

Wyróżniamy kilka metod wykańczających i to zarówno w stanie miękkim, jak też po utwardzającej obróbce cieplnej.

2011-05-17

13

3.1. Wykańczanie zębów w stanie miękkimWykańczanie zębów w stanie miękkim ma na celu usunięcie nierówności

(chropowatości) powierzchni, a także poprawienie dokładności zarysu ipodziałki. Wykańczanie w stanie miękkim może być przeprowadzane dwomasposobami:

1. DogniatanieDo dogniatania służą 3 hartowane kołazębate — dogniataki, między którewkłada się dogniatane koło. Dogniataknapędzany jest przez silnik i przenosiruch obrotowy na dogniatane koło, aono na pozostałe dwa dogniataki, któresą osadzone w odchylnej dźwigniobciążonej odpowiednimi ciężarami.Ponieważ w trakcie dogniataniawytwarza się dość znaczna ilość ciepła,oraz w celu lepszego wygładzeniazębów, doprowadza się do miejsc stykuzębów strumień nafty.

2. WiórkowanieWiórkowanie polega na współpracy obrabianego koła z narzędziem o kształciezębatki lub koła zębatego przy skrzyżowanych wichrowatych osiach. Obrabianekoło i narzędzie stanowią więc śrubową przekładnię. Przez skrzyżowanie osiuzyskuje 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 zębatkaosadzona na stole maszyny wykonującymruch posuwisto-zwrotny, koło zaś osadzonemiędzy kłami jest dociskane do tegonarzędzia.

Narzędzie składa się z pojedynczych zębówz naciętymi wzdłuż boków rowkami,których krawędzie stanowią ostrzaskrawające.

2011-05-17

14

Schemat pracy wiórkarki z wiórkownikiemzębatkowym. Płytki zamocowane są na stole maszyny.Obrabiane koło 4 jest zamocowane między kłamiuchwytu 5. Koło zazębia się z zębatką i znajduje się podokreślonym naciskiem wywieranym przez tłok6. Abyzęby obrabianego koła nie zostały zbytniościenione,skrajne położenie koła jest ograniczone zderzakiem.Aby uzyskać równomierne tępienie się narzędzia nacałej jego szerokości, koło obrabiane jest przesuwanepoprzecznie przy końcu każdego skoku.

Praca wiórkarki jest automatyczna z wyjątkiem mocowania i zdejmowaniaobrabianego koła. Po załączeniu opuszcza się suport przedmiotowy, uruchamia sięstół i wykonuje poprzednio nastawioną ilość skoków (od l do 50), po czym suportprzedmiotowy unosi się, a stół unieruchamia. Metoda la nie przyjęła się w praktycez następujących powodów: elementem napędzającym jest stół (z narzędziem)wykonujący ruch posuwisto-zwrotny, a więc w momentach zwrotnych występująwstrząsy odbijające się niekorzystnie na obrabianym kole, jest to metoda małowydajna, 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

2011-05-17

15

3.2. Wykańczanie kół w stanie twardym

Opisane dotychczas metody obróbki wykańczającej, a więc dogniatanie iwiór-kowanie, mogą być stosowane tylko wówczas, gdy koła zębate nie podlegająpo tej operacji obróbce cieplnej.

Na ogół jednak spotyka się w konstrukcjach koła nawęglane, od którychwymaga się twardości co najmniej HRC= 56. Gdy nawet bardzo dokładnieobrobione podda się obróbce cieplnej, koła te wykażą znaczne błędy wskutekodkształceń, jakie towarzyszą obróbce cieplnej. W tym przypadku w celu uzyskanieodpowiedniej dokładności usuwa się błędy za pomocą szlifowania. Do szlifowaniauciekamy się oczywiście wówczas, gdy wymagana dokładność mieści się w wąskichgranicach tolerancyjnych, a więc gdy mamy do czynienia z kołami szybkobieżnymilub 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 zębówdowolny kształt. Należy przy tym przypomnieć, że przy bardzo silnie obciążonychkołach zęby uginają się w momentach zazębiania, wskutek czego w kolenapędzanym wydłuża się podziałka, zaś w napędzającym skraca się, tak że wmomencie wchodzenia w pracę drugiej pary zębów następują przyspieszenia i inne ztym związane zaburzenia ruchu. Aby tego uniknąć, należy cofnąć nieco zarys uwierzchołka zęba w kole napędzanym.

2011-05-17

16

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 wydajnośćszlifowania jest pożądane, aby Jednocześnie były szlifowane dwa boki wrębu lubzębów.

Dodatnią stroną kształtowego szlifowania jest to,że operacja ta jest stosunkowoszybka. Ujemnymi stronami zaś są:

1) trudność ustawieniaściernicy względem szlifowanego koła, wskutek czego opłaca sięszlifować pojedynczych sztuk, lecz tylko większe serie,

2) konieczność stosowania dokładnych mechanizmów podziałowych ,

3) ponieważ ściernica styka się ze szlifowanym zębem na całej jego wysokości, istniejeniebezpieczeństwo odpuszczenia powierzchni zahartowanej a nawet pęknięćpowierzchniowych zwłaszcza,że przy tym szlifowaniu stosuje się obfite chłodzenie;

4) stąd też wynika ograniczenie co do wielkości modułu, jaki może być szlifowany.

Szlifowanie obwiednioweW obwiedniowych metodach szlifowania walcowych kół zębatych została

wykorzystana zasada strugania zębów wg metod Maaga, a ponadtofrezowania obwiedniowego. Metody te zestawiono w tabeli (następny slajd).

Z tego zestawienia widać, że szlifowanie może się odbywać za pomocą jednejdużej ściernicy (o średnicy ok. 750 mm), przy czym oś tarczy znajduje siędokładnie w połowie szerokości wieńca szlifowanego koła. Koło w danymprzypadku wykonuje jedynie ruchy toczne, a nie ma ruchu wzdłuż własnejosi, wskutek czego dno wrębów po oszlifowaniu ma kształt wklęsły tj. ząbjest najwyższy wśrodku szerokości wieńca, a niższy u obu czół. Wynika stądwniosek,że metodą tą można szlifować koła o niezbyt szerokich wieńcach,aby wynikła ze szlifowania różnica wysokości zęba. Ujemną stroną tejmetody jest przede wszystkim to,że ściernica jest bardzo duża i ciężka. naskutek czego trudno ją wykonać; poza tym wg tej metody zęby są obrabianew dwu kolejnych przejściach, (każdy bok wrębu oddzielnie), przy czym kołotrzeba dwukrotnie mocować, z czym jest związana znaczna strata czasuszlifowania, i tak Już dość długi, znacznie się wydłuża.

Zaletą dużej średnicyściernicy jest natomiast to,że nie zużywa się szybko

2011-05-17

17