Modificarea Angrenajelor și Analiza Contactului de Angrenare: Inima Transmisiei Precise

1. De ce au nevoie roțile dințate de modificări?

• Erori de fabricație și montaj : Abaterile dimensionale în prelucrarea roților dințate sau nealinierea în timpul asamblării determină angrenarea neuniformă.
• Deformare elastică : Sub sarcină, roțile dințate și arborii se îndoaie sau se răsucesc, provocând o deplasare a contactului.
• Impact dinamic : În timpul angrenării și decuplării, modificările bruște ale poziției de contact generează un impact, care deteriorează filmele de ulei și poate cauza chiar griparea suprafeței dinților în condiții de temperatură ridicată.

2. Tipuri de modificare a roților dințate

Detalii importante privind modificările comune

• Modificarea urmei dintelui : Se concentrează asupra direcției lățimii dintelui. Denumirea tehnică (modificare de formă cilindrică) este cea mai comună – creează o formă ușor "în tobă" pe suprafața dintelui pentru a compensa încovoierea arborelui sub sarcină, asigurând un contact uniform. Formula tipică pentru cantitatea de denumire este: \(C_β = 0,5 × 10^{-3}b + 0,02m_n\) (unde b = lățimea dintelui în mm; \(m_n\) = modulul normal în mm).
• Modificarea profilului dintelui : Optimizează direcția înălțimii dintelui. Include modificarea lungă (de la începutul/sfârșitul angrenării până la tranziția dintre un singur dinte și doi dinți) și modificarea scurtă (jumătate din lungimea modificării lungi). Roțile dințate metalice utilizează în general modificarea scurtă pentru o eficiență mai bună, în timp ce roțile dințate din plastic adoptă frecvent modificarea lungă.
• Modificare compozită : Combină modificările direcției și profilului dintelui. Pentru scenarii complexe precum cutiile de viteze pentru energie eoliană, această metodă echilibrează distribuția sarcinii, reducerea impactului și stabilitatea dinamică, obținând rezultate mai bune decât modificarea individuală.

3. Principii de proiectare pentru o modificare eficientă

1. Principiul compensării încărcării : Cantitatea de modificare ≈ deformare elastică + eroare de fabricație, asigurând o potrivire perfectă a suprafeței dinților în condiții reale de sarcină.
2. Principiul neteții dinamice : Eroarea de transmisie de vârf la vârf ≤ 1μm/grad, minimizând excitația vibrațiilor.
3. Principiul echilibrului de contact : Raportul ariei de contact ≥ 60%, evitând concentrarea tensiunilor.

4. Analiza Contactului angrenării: Evaluarea efectelor modificării

Teorii și metode de bază

• Teoria contactului Hertz : Calculează lățimea semicontactului și distribuția tensiunii între suprafețele dinților, punând bazele analizei tensiunilor.
• Metode de analiză numerică :
  • Metodă analitică: Rapidă, dar aproximativă, potrivită pentru estimarea preliminară.
  • Metoda elementului finit: Precizie ridicată, ideală pentru analiza detaliată a tensiunilor.
  • Metoda elementului de frontieră: Eficientă pentru calculul tensiunilor de contact.
  • Dinamica sistemelor multibody: Evaluează performanța dinamică a sistemului în condiții de funcționare.

Indicatori principali de evaluare

• Tensiunea maximă de contact (σHmax) : Corelată direct cu durata de viață la oboseală a suprafeței dinților.
• Factorul de formă al zonei de contact (λ) : Raportul lungime-lățime al ariei de contact, care reflectă uniformitatea sarcinii.
• Eroare de transmisie (ET) : Distanța suplimentară necesară pentru angrenare cauzată de deformare/erori, o sursă principală de vibrații.

5. Efectele practice ale modificării: Studii de caz

• Cutii de viteze pentru energie eoliană (lățimea dintelui 200 mm) : Odată cu creșterea cantității de bombare (0→30 mm), tensiunea maximă de contact a scăzut de la 1250 MPa la 980 MPa, iar accelerația vibrațiilor a scăzut de la 15,2 m/s² la 9,5 m/s².
• Transmisii auto (modul 3,5) : Modificarea profilului parabolic a redus impactul cu 35% și zgomotul cu 3,2 dB; modificarea cu curbă de ordin superior a realizat o reducere a impactului de 52%.
• Roți dințate aeronautice : Modificarea compozită a redus neuniformitatea tensiunii de contact de la 58% la 22%, eroarea de transmisie vârf la vârf de la 2,4μm la 1,1μm, iar energia de vibrație la 2000rpm cu 68%.

6. Aplicație inginerească și verificare

• Metoda statică de amprentare : Se utilizează vopsea de minium (grosime de 10-20μm) sub un cuplu nominal de 30% pentru a observa zonele de contact.
• Sisteme de testare dinamică : Senzori de deplasare cu fibră optică (rezoluție de 0,1μm) și termometre infraroșii rapide (eșantionare de 1kHz) monitorizează angrenarea în timp real.

• Reductoare pentru vehicule electrice : Modificarea asimetrică a profilului (+5μm pe partea activă) și teșiturile de 30°×0,2mm la capetele dinților au redus zgomotul cu 7,5dB(A) și au îmbunătățit eficiența cu 0,8%.
• Cutii de viteze navale : Dantelarea mare (40μm) și corecția unghiului de angrenare compensatorie (β'=β+0,03°) au îmbunătățit uniformitatea efortului de contact la <15% și au crescut durata de funcționare cu de 2,3 ori.

Concluzie

• Cantitatea optimă de dantelare este de obicei de 1,2-1,5 ori deformarea elastică.
• Modificarea compozită este cu 30-50% mai eficientă decât modificarea simplă.
• Modificarea trebuie să se bazeze pe spectre reale de sarcină și să fie validată prin teste de contact.