Расчет усталостной прочности и срока службы зубчатых передач

Проектирование конических передач – довольно сложная задача. В отличие от цилиндрических передач, конические передачи всегда проектируются парами. Инженер-конструктор должен принять во внимание множество противоречивых задач, включая минимальные размеры, максимальную грузоподъемность, снижение шума и простоту производства на станках в цеху. Но один аспект часто упускается из виду:

А как насчет усталостной прочности шестерни?

Если максимальная нагрузка на зуб не превышает пределов нагрузки материала, то после снятия нагрузки зуб возвращается в исходное состояние. Это предположение справедливо для нескольких сотен приложений нагрузки. Но когда мы говорим о нескольких миллионах приложений нагрузки, повреждение произойдет при гораздо меньших нагрузках, чем пределы нагрузки материала. Это явление известно как усталость.

Испытания на усталостную прочность, основная компетенция OEM-производителей и поставщиков зубчатых передач Tier1, выполняются посредством трудоемких испытаний трансмиссий. Эти испытания проводятся с эмпирически определенным спектром нагрузки, который вызывает тот же ущерб, который может возникнуть в практических условиях эксплуатации. Одной из машин, используемых для испытаний конических зубчатых колес на долговечность, является испытательный стенд для конических зубчатых колес Oerlikon TS 30.

Что, если бы мы могли рассчитать срок службы конической передачи вместо того, чтобы подвергать каждую конструкцию дорогостоящим и трудоемким испытаниям?

В последней версии KIMoS (Klingelnberg Integrated Manufacturing of Spiral Conical Gears) компания Klingelnberg позволяет рассчитывать срок службы конической передачи для конкретных эксплуатационных нагрузок, а также для проектирования торцевой обработки и торцевого фрезерования.

Чтобы рассчитать усталостную прочность конической шестерни, необходимо знать три основных элемента: точную форму шестерни, свойства материала и условия эксплуатации зубчатой ​​передачи. Все эти элементы учтены в KIMoS. Усталостная прочность рассчитывается по правилу Майнера, основанному на гипотезе линейного кумулятивного повреждения.

Совокупное повреждение зубчатой ​​пары можно прогнозировать, комбинируя спектр нагрузки, концентрацию нагрузки на поверхности зуба, а также изгибающее напряжение в корне зуба и циклические напряженно-деформированные свойства материала. Если известен общий совокупный ущерб от точечной коррозии и поломок, KIMoS может рассчитать срок службы комплекта конических шестерен.

Чтобы сформировать спектр нагрузки с крайне ограниченным числом вариантов нагрузки, необходимо использовать один из методов подсчета циклов нагрузки. Если для начала используются условия реальной нагрузки, включающие множество различных циклов нагрузки (например, с помощью метода дождевых потоков), эти циклические события можно подсчитать, что позволяет преобразовать реальные рабочие циклы нагрузки с чрезвычайно уменьшенным количеством вариантов нагрузки в нагрузку. спектр.

Заменит ли в будущем расчет срока службы зубчатых колес испытания на долговечность?

Ответ однозначный: нет. Но расчет усталостной прочности позволяет чрезвычайно эффективно сравнивать различные конструкции. Ожидаемый срок службы пары геваров можно оценить достаточно точно при наличии данных ресурсных испытаний одной из конструкций.

Именно поэтому KIMoS дает инженеру-конструктору возможность создать конструкцию, которая не только соответствует требованиям по геометрии и шуму, но и учитывает усталостную долговечность.

В следующем примере показаны две конструкции с одинаковыми размерными данными, но разными, с показанными модификациями формы боковой поверхности и без них. Данные зубчатой ​​передачи — z=13/38 зубьев, наружный делительный диаметр коронной шестерни — 250 мм, гипоидное смещение — 20 мм. Этот пример показывает возможность модификации боковой поверхности зуба. Срок службы конструкции слева составляет ок. 14 000 ч, что ограничивается нагрузкой на корень зуба шестерни. Срок службы конструкции справа составляет ок. 34 000 ч, но и здесь расчетной причиной неисправности будет поломка зубьев на шестерне.

KIMoS не только дает инженеру-конструктору возможность оптимизировать шумовые характеристики и грузоподъемность, но также позволяет оптимизировать срок службы зубчатого ряда для конкретных случаев нагрузки. Это открывает путь к новому потенциалу облегченных конструкций и позволяет создавать более эффективные и надежные конструкции зубчатых передач.