Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА КИНЕМАТИЧЕСКОГО ТОРЦЕВОГО ВОЛНОВОГО РЕДУКТОРА С МОДИФИЦИРОВАННЫМ ЗУБОМ УЛУЧШЕННОЙ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОЛНОВЫХ ТОРЦЕВЫХ
РЕДУКТОРОВ 12
1.1 Анализ современных тенденций развития передач зацеплением 12
1.1.1 Эвольвентное зацепление 15
1.1.2 Зацепление Новикова 16
1.1.3 Многопарное зацепление 17
1.2 Волновые редукторы с многопарным зацеплением 23
1.2.1 Волновые редукторы с гибким звеном 23
1.2.2 Волновые редукторы с жесткими звеньями 28
1.2.3 Волновые торцевые редукторы 33
1.3 Выводы по главе 1 37
ГЛАВА 2 СТРУКТУРА И КИНЕМАТИКА ВОЛНОВОГО ТОРЦЕВОГО
КИНЕМАТИЧЕСКОГО РЕДУКТОРА 39
2.1 Структура и геометрическая модель волнового торцевого кинематического
редуктора 39
2.2 Принцип работы 40
2.3 Определение передаточного отношения 42
2.4 Анализ влияния угла нутации в на геометрию блока шестерен 48
2.5 Анализ влияния угла нутации в на скорость нутации и абсолютную угловую
скорость блока шестерен 52
2.6 Выводы по главе 2 53
ГЛАВА 3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЗАЦЕПЛЕНИЯ И
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОФИЛЯ ЗУБЬЕВ 54
3.1 Аналитическое описание сферического движения блока шестерен волнового
торцевого кинематического редуктора 54
3.2 Математическая модель зацепления 60
3.3 Выводы по главе 3 73
ГЛАВА 4 ПРОФИЛИРОВАНИЕ ЗУБЬЕВ С ПОМОЩЬЮ САПР И АНАЛИЗ
ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЗАЦЕПЛЕНИЯ НА
ФОРМУ ПРОФИЛЯ 74
4.1 Профилирование зубьев блока шестерен и колеса 74
4.2 Влияние числа зубьев на их профиль 76
4.3 Влияние угла нутации в на профиль зубьев 77
4.4 Влияние угла раствора дугового профиля зубьев блока шестерен Р на
профиль зубьев 79
4.5 Влияние угла аксоида расположения зубьев блока шестерен 5 на профиль
зубьев 81
4.6 Аналитическое определение многопарности зацепления 83
4.7 Влияние геометрических параметров на многопарность зацепление е 87
4.7.1 Влияние числа зубьев Z на многопарность зацепления е 87
4.7.2 Влияние угла нутации 0 на многопарность зацепления е 88
4.7.3 Влияние угла раствора дугового профиля зубьев блока шестерен р на
многопарность зацепления е 89
4.7.4 Влияние угла конического аксоида 5 на многопарность зацепления е .... 90
4.8 Кривизна контактирующих поверхностей зубьев 91
4.8.1 Пространственный радиус кривизны профиля неподвижного и
подвижного колес 91
4.8.2 Разность радиусов кривизны боковых поверхностей зубьев в контакте . 96
4.9 Выводы по главе 4 98
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 99
РЕКОМЕНДАЦИИ 101
ОБОЗНАЧЕНИЯ 103
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 104
ПРИЛОЖЕНИЕ № 1 113
ПРИЛОЖЕНИЕ № 2 130
ПРИЛОЖЕНИЕ № 3. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ 134
ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОЛНОВЫХ ТОРЦЕВЫХ
РЕДУКТОРОВ 12
1.1 Анализ современных тенденций развития передач зацеплением 12
1.1.1 Эвольвентное зацепление 15
1.1.2 Зацепление Новикова 16
1.1.3 Многопарное зацепление 17
1.2 Волновые редукторы с многопарным зацеплением 23
1.2.1 Волновые редукторы с гибким звеном 23
1.2.2 Волновые редукторы с жесткими звеньями 28
1.2.3 Волновые торцевые редукторы 33
1.3 Выводы по главе 1 37
ГЛАВА 2 СТРУКТУРА И КИНЕМАТИКА ВОЛНОВОГО ТОРЦЕВОГО
КИНЕМАТИЧЕСКОГО РЕДУКТОРА 39
2.1 Структура и геометрическая модель волнового торцевого кинематического
редуктора 39
2.2 Принцип работы 40
2.3 Определение передаточного отношения 42
2.4 Анализ влияния угла нутации в на геометрию блока шестерен 48
2.5 Анализ влияния угла нутации в на скорость нутации и абсолютную угловую
скорость блока шестерен 52
2.6 Выводы по главе 2 53
ГЛАВА 3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЗАЦЕПЛЕНИЯ И
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОФИЛЯ ЗУБЬЕВ 54
3.1 Аналитическое описание сферического движения блока шестерен волнового
торцевого кинематического редуктора 54
3.2 Математическая модель зацепления 60
3.3 Выводы по главе 3 73
ГЛАВА 4 ПРОФИЛИРОВАНИЕ ЗУБЬЕВ С ПОМОЩЬЮ САПР И АНАЛИЗ
ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЗАЦЕПЛЕНИЯ НА
ФОРМУ ПРОФИЛЯ 74
4.1 Профилирование зубьев блока шестерен и колеса 74
4.2 Влияние числа зубьев на их профиль 76
4.3 Влияние угла нутации в на профиль зубьев 77
4.4 Влияние угла раствора дугового профиля зубьев блока шестерен Р на
профиль зубьев 79
4.5 Влияние угла аксоида расположения зубьев блока шестерен 5 на профиль
зубьев 81
4.6 Аналитическое определение многопарности зацепления 83
4.7 Влияние геометрических параметров на многопарность зацепление е 87
4.7.1 Влияние числа зубьев Z на многопарность зацепления е 87
4.7.2 Влияние угла нутации 0 на многопарность зацепления е 88
4.7.3 Влияние угла раствора дугового профиля зубьев блока шестерен р на
многопарность зацепления е 89
4.7.4 Влияние угла конического аксоида 5 на многопарность зацепления е .... 90
4.8 Кривизна контактирующих поверхностей зубьев 91
4.8.1 Пространственный радиус кривизны профиля неподвижного и
подвижного колес 91
4.8.2 Разность радиусов кривизны боковых поверхностей зубьев в контакте . 96
4.9 Выводы по главе 4 98
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 99
РЕКОМЕНДАЦИИ 101
ОБОЗНАЧЕНИЯ 103
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 104
ПРИЛОЖЕНИЕ № 1 113
ПРИЛОЖЕНИЕ № 2 130
ПРИЛОЖЕНИЕ № 3. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ 134
В настоящее время проблема создания новых видов механических передач и систем зацеплений является особо актуальной. При решении этой важнейшей задачи существенный эффект может быть достигнут за счет совершенствования конструкции традиционных передач, увеличения твердости рабочих поверхностей зубьев, применения планетарных зубчатых механизмов с разветвлением потока мощности или новых систем многопарных зацеплений с использованием принципа равномерного распределения нагрузки между сопряженными зубьями.
Анализ современных тенденций совершенствования систем зацеплений, числовых характеристик и требований потребителей к техническому уровню выпускаемых редукторов показал целесообразность исследования и разработки волновых прецессионных передач с новым видом многопарного зацепления.
Анализ проведенных исследований в России и за рубежом показал, что повышение нагрузочной способности механических передач ведется по следующим направлениям: совершенствование конструкции традиционных
передач; увеличение твердости рабочих поверхностей зубьев; применение планетарных передач с разветвлением потока мощности; разработка новых разновидностей передач; создание новых систем зацеплений, в основном многопарных, с использованием принципа равномерного распределения нагрузки между сопряженными зубьями.
Волновые прецессионные передачи не нашли широкого применения в России и за рубежом, несмотря на их компактность и малую массу, из-за непостоянства передаточной функции, связанного с особенностями сферического движения сателлитов и технологическими трудностями, в частности с нарезанием зубьев конических колес с внутренним зацеплением.
Кроме того, незначительная информация, касающаяся опыта проектирования и эксплуатации волновых прецессионных передач, не позволяет дать необходимые рекомендации для их практического применения, а также применение внутреннего конического зацепления, не учитывающего многогранность особенностей взаимодействия зубьев со сферическим движением, является одним из недостатков волновых прецессионных передач.
В настоящее время наблюдается повышенный интерес к передачам, обеспечивающим высокие передаточные отношения и одновременно отличающиеся компактностью конструкции, и небольшой материалоемкостью.
Интенсивное развитие робототехники направлено на совершенствование или создание новых типов передач, позволяющих реализовать большие передаточные отношения в компактных редукторах.
Актуальность темы диссертации. Создание и внедрение новой техники и новых технологий является важным фактором в ускорении научно-технического прогресса. Успешное решение этой задачи во многом зависит от обеспечения новой техники надежным и долговечным приводом, основу которого составляют редукторы. Разнообразие требований, предъявляемых потребителями к редукторам, сводится в основном к повышению надежности и долговечности, КПД и нагрузочной способности, кинематической точности и виброакустических показателей при одновременном снижении их массы и габаритов.
Комплексное удовлетворение указанных требований частичным совершенствованием традиционных передач становится все труднее. Более того, расширение функциональных и кинематических возможностей передач нередко выходит за переделы возможностей обычных эвольвентных зацеплений в отношении их нагрузочной способности, отсутствия зазоров и мертвого хода, кинематической точности и др. Возможности повышения нагрузочной способности обычного эвольвентного зацепления за счет его рациональной геометрии, применения более качественных материалов, термообработки и совершенной технологии не безграничны. Поэтому в настоящее время проблема создания новых видов механических передач и систем зацеплений является особо актуальной. При решении этой важнейшей задачи существенный эффект может быть достигнут за счет применения новых систем многопарных зацеплений с использованием принципа равномерного распределения нагрузки между сопряженными зубьями.
В настоящее время область применения перспективных вариантов волнового торцового кинематического редуктора (ВТКР) в современной технике ограничена наличием факторов как конструктивного, так и технологического характера. Обладая хорошими характеристиками, ВТКР, тем не менее, имеет сложную конструкцию. Наличие внутреннего конического зацепления, не учитывающего многогранность особенностей взаимодействия зубьев со сферическим движением, и также незначительная информация, касающаяся опыта проектирования и эксплуатации волнового торцового кинематического редуктора, не позволяют дать необходимые рекомендации для его практического применения.
Решать указанные проблемы можно путем модификации зубьев колес редуктора, т. е. путем применения выпукло-вогнутого профиля зубьев, который обеспечивает повышение несущей способности передачи в целом, улучшение энергетических и массогабаритных показателей, повышение кинематической точности, снижение уровня напряжений в контакте.
В связи с вышесказанным, создание волнового торцевого кинематического редуктора с многопарным зацеплением и решение связанных с этим задач, является актуальным.
Степень проработанности исследования
Методы кинематического анализа и нагрузочные способности кривошипноконических редукторов с внутренним зацеплением зубьев, которые обеспечивают широкий диапазон передаточных отношений при величине крутящего момента на тихоходном валу не более 2000 Н-м, рассмотрены в работах А.Г. Опря, Э.П. Амосова, О.А. Чихачева, В.Е. Дулгеру. Отечественные ученые: Л.А. Маленький, В.Н. Сызранцев, В.А. Алымов, В.Я. Котликова, В.Н. Колесников, внесли огромный вклад в разработку геометрии кривошипно-конических передач с выпукловогнутым зацеплением для соосных редукторов. В работах зарубежных ученых: W. Coleman, R.D. Foskett, J.C. Singleton. D.H. VcCullough, T.S. Zajac, H.E. George, описана методика определения кинематических характеристик прецессионных редукторов с эвольвентным зацеплением. Исследования по улучшению несущей способности редукторов рассмотрены в работах ученых ТПУ: А.Е. Беляева, Ан-И- Кана, П.Я. Крауиньша, Э.Н. Панкратова и др.
Целью диссертационной работы является исследование возможностей повышения несущей способности волнового торцевого кинематического редуктора путем модификации профилей зубьев.
В соответствии с поставленной целью объектом исследований является волновой торцевой кинематический редуктор, а предметом исследований - математические модели зацепления с учетом особенностей взаимодействия зубьев при сферическом движении, модификация профиля зубьев позволяет повысить его нагрузочную способность.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач
1. Провести информационно-аналитический обзор имеющихся технических решений и методик расчета волнового торцевого кинематического редуктора.
2. Провести многокритериальный анализ влияния геометрических параметров зацепления на профиль зубьев для волнового торцевого кинематического редуктора.
3. Разработать методику проектирования волнового торцевого кинематического редуктора с выпукло-вогнутым контактом зубьев, учитывающую кинематику, взаимодействие зубьев и особенности преобразования движения.
4. Создать методику обоснованного выбора геометрических параметров
зацепления и провести оценку условия существования многопарного зацепления.
Методологическая и теоретическая основы исследования
Для решения поставленных задач применялись основные положения расчета зубчатых передач и деталей машин, теории зубчатого зацепления, математическое моделирование зубчатого зацепления и экспериментальные исследования. Геометрические, кинематические и силовые характеристики редуктора исследовались с применением методов теоретической механики, теории механизмов и машин. При решении поставленных задач применялись современные программы, такие как SolidWork, MathCAD Professional, CAD/CAM/CAE CATIA V5R7 и MS Excel.
Научная новизна исследования
1. Разработана методика проектирования волнового торцевого кинематического редуктора с выпукло-вогнутым контактом зубьев, учитывающая кинематику, взаимодействие зубьев и особенности преобразования движения.
2. Проведен многокритериальный анализ влияния геометрических параметров зацепления на профиль зубьев для волнового торцевого кинематического редуктора.
3. Создана методика обоснованного выбора геометрических параметров зацепления и проведена оценка условия существования многопарного зацепления.
Практическое значение исследования
1. Разработана методика выбора оптимальных геометрических параметров зацепления с выпукло-вогнутым контактом зубьев и проведена оценка условия существования многопарного зацепления волнового торцевого кинематического редуктора.
2. Предложена методика профилировании выпукло-вогнутого зацепления волнового торцевого кинематического редуктора.
3. Обоснованы условия существования многопарного зацепления.
Соответствие паспорту заявленной специальности
Тема и содержание диссертационного исследования соответствуют паспорту специальности 2.5.2 - Машиноведение, а именно пунктам:
1. Синтез структурных и кинематических схем механизмов и обобщенных структурных схем машин, оптимизация параметров.
2. Теория и методы проектирования машин и механизмов, систем приводов, узлов и деталей машин.
5. Методы исследования и оценки технического состояния объектов машиностроения, в том числе на основе компьютерного моделирования.
Положения, выносимые на защиту
1. Методика проектирования волнового торцевого кинематического редуктора с выпукло-вогнутым контактом зубьев, учитывающая кинематику, взаимодействие зубьев и особенности преобразования движения.
2. Многокритериальный анализ влияния геометрических параметров зацепления на профиль зубьев для волнового торцевого кинематического редуктора.
3. Методика обоснованного выбора геометрических параметров зацепления и оценка условия существования многопарного зацепления.
Личный вклад автора
- подготовка литературного анализа по теме диссертационной работы;
- постановка задач исследования;
- создание виртуальной и математической моделей волнового торцевого кинематического редуктора для исследования многопарного зацепления при сферическом взаимодействии зубьев;
- проведение экспериментов на виртуальные модели с последующим анализом
полученных результатов, сопоставленных с опубликованными
экспериментальными данными других авторов.
Благодарности. Автор выражает огромную благодарность и признательность научному руководителю, д.т.н. профессору отделения машиностроения Томского политехнического университета П.Я. Крауиньшу за ценные советы, поддержу, помощь на всех этапах написания диссертации, индивидуальный подход и прививание интереса к научной работе. Признательность и благодарность автор выражает к.т.н., доцентам отделения машиностроения Томского Политехнического университета Е.А. Ефременкову и В.Н. Дерющевой за отзывчивость, терпение, ценные советы и помощь в написании работы. Автор благодарит за ценные советы, участие на различных этапах работы над диссертацией, поддержку и отзывчивость к.т.н., доцента отделения машиностроения Томского Политехнического университета Е.Н. Пашкова, а также всех сотрудников отделения машиностроения Томского Политехнического университета за рекомендации, направленные на улучшение работы.
Степень достоверности результатов.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на VIII Всероссийской конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» (г. Томск, 2018); VII Международной конференции «Проблемы механики современных машин» (г. Улан-Удэ, 2018); VII, VIII Международной научнотехнической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике» (г. Томск, 2018, 2019); VI
международной конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» (г. Иркутск, 2019); XII, XIII Международной научно-практической конференции «Современные проблемы машиностроения» (г. Томск 2019, 2020); I
Международной научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов» (г. Томск, 2021).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 16 научных работ, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ; 8 работ в сборниках трудов международных и всероссийских научно-технических конференций; 3 статьи в журналах, индексируемых в базе данных Scopus; 1 публикация в материалах конференций на английском языке, входящих в базу Scopus; 1 статья в других изданиях, 1 учебное пособие на английском языке.
Опубликованные материалы охватывают все научные результаты, полученные во время работы над диссертацией.
Структура и содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 102 наименования. Диссертация содержит 136 страниц текста, включает 1 таблицу и 38 рисунков.
В первой главе проведен литературно-патентный анализ исследований волновых торцевых передач, рассмотрены принципы их работы, а также преимущества и недостатки. Анализ показал, что волновые торцевые передачи с внутренним эвольвентным зацеплением имеют высокие показатели по металлоемкости, обеспечивают в компактных конструкциях реализацию широкого диапазона передаточных отношений, кинематика не накладывает ограничения на выбор модулей пар зубчатых колес и выполнение условий межосевых расстояний, что расширяет область их оптимального конструирования. Однако волновые торцевые передачи не нашли широкого промышленного применения как в России, так и за рубежом. Это объясняется рядом присущих им недостатков, обусловленных применением внутреннего конического эвольвентного зацепления, которое не учитывает многогранность взаимодействия зубьев при сферическом движении.
В второй главе представлены структура, принцип работы и кинематика волнового торцевого кинематического редуктора.
Третья глава посвящена геометро-кинематической теории зацепления волнового торцевого кинематического редуктора. Для этого была разработана математическая модель зацепления с учетом особенностей взаимодействия зубьев при пространственно-сферическом движении; описан профиль зубьев системой уравнений в нормальном сечении зубьев для внутреннего зацепления.
В четвертой главе представлено описание профилирования зубьев блока шестерен и колес волнового торцевого кинематического редуктора с помощью САПР и проведен анализ влияния геометрических параметров зацепления на форму профиля и на многопарность зацепления.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы ра
Анализ современных тенденций совершенствования систем зацеплений, числовых характеристик и требований потребителей к техническому уровню выпускаемых редукторов показал целесообразность исследования и разработки волновых прецессионных передач с новым видом многопарного зацепления.
Анализ проведенных исследований в России и за рубежом показал, что повышение нагрузочной способности механических передач ведется по следующим направлениям: совершенствование конструкции традиционных
передач; увеличение твердости рабочих поверхностей зубьев; применение планетарных передач с разветвлением потока мощности; разработка новых разновидностей передач; создание новых систем зацеплений, в основном многопарных, с использованием принципа равномерного распределения нагрузки между сопряженными зубьями.
Волновые прецессионные передачи не нашли широкого применения в России и за рубежом, несмотря на их компактность и малую массу, из-за непостоянства передаточной функции, связанного с особенностями сферического движения сателлитов и технологическими трудностями, в частности с нарезанием зубьев конических колес с внутренним зацеплением.
Кроме того, незначительная информация, касающаяся опыта проектирования и эксплуатации волновых прецессионных передач, не позволяет дать необходимые рекомендации для их практического применения, а также применение внутреннего конического зацепления, не учитывающего многогранность особенностей взаимодействия зубьев со сферическим движением, является одним из недостатков волновых прецессионных передач.
В настоящее время наблюдается повышенный интерес к передачам, обеспечивающим высокие передаточные отношения и одновременно отличающиеся компактностью конструкции, и небольшой материалоемкостью.
Интенсивное развитие робототехники направлено на совершенствование или создание новых типов передач, позволяющих реализовать большие передаточные отношения в компактных редукторах.
Актуальность темы диссертации. Создание и внедрение новой техники и новых технологий является важным фактором в ускорении научно-технического прогресса. Успешное решение этой задачи во многом зависит от обеспечения новой техники надежным и долговечным приводом, основу которого составляют редукторы. Разнообразие требований, предъявляемых потребителями к редукторам, сводится в основном к повышению надежности и долговечности, КПД и нагрузочной способности, кинематической точности и виброакустических показателей при одновременном снижении их массы и габаритов.
Комплексное удовлетворение указанных требований частичным совершенствованием традиционных передач становится все труднее. Более того, расширение функциональных и кинематических возможностей передач нередко выходит за переделы возможностей обычных эвольвентных зацеплений в отношении их нагрузочной способности, отсутствия зазоров и мертвого хода, кинематической точности и др. Возможности повышения нагрузочной способности обычного эвольвентного зацепления за счет его рациональной геометрии, применения более качественных материалов, термообработки и совершенной технологии не безграничны. Поэтому в настоящее время проблема создания новых видов механических передач и систем зацеплений является особо актуальной. При решении этой важнейшей задачи существенный эффект может быть достигнут за счет применения новых систем многопарных зацеплений с использованием принципа равномерного распределения нагрузки между сопряженными зубьями.
В настоящее время область применения перспективных вариантов волнового торцового кинематического редуктора (ВТКР) в современной технике ограничена наличием факторов как конструктивного, так и технологического характера. Обладая хорошими характеристиками, ВТКР, тем не менее, имеет сложную конструкцию. Наличие внутреннего конического зацепления, не учитывающего многогранность особенностей взаимодействия зубьев со сферическим движением, и также незначительная информация, касающаяся опыта проектирования и эксплуатации волнового торцового кинематического редуктора, не позволяют дать необходимые рекомендации для его практического применения.
Решать указанные проблемы можно путем модификации зубьев колес редуктора, т. е. путем применения выпукло-вогнутого профиля зубьев, который обеспечивает повышение несущей способности передачи в целом, улучшение энергетических и массогабаритных показателей, повышение кинематической точности, снижение уровня напряжений в контакте.
В связи с вышесказанным, создание волнового торцевого кинематического редуктора с многопарным зацеплением и решение связанных с этим задач, является актуальным.
Степень проработанности исследования
Методы кинематического анализа и нагрузочные способности кривошипноконических редукторов с внутренним зацеплением зубьев, которые обеспечивают широкий диапазон передаточных отношений при величине крутящего момента на тихоходном валу не более 2000 Н-м, рассмотрены в работах А.Г. Опря, Э.П. Амосова, О.А. Чихачева, В.Е. Дулгеру. Отечественные ученые: Л.А. Маленький, В.Н. Сызранцев, В.А. Алымов, В.Я. Котликова, В.Н. Колесников, внесли огромный вклад в разработку геометрии кривошипно-конических передач с выпукловогнутым зацеплением для соосных редукторов. В работах зарубежных ученых: W. Coleman, R.D. Foskett, J.C. Singleton. D.H. VcCullough, T.S. Zajac, H.E. George, описана методика определения кинематических характеристик прецессионных редукторов с эвольвентным зацеплением. Исследования по улучшению несущей способности редукторов рассмотрены в работах ученых ТПУ: А.Е. Беляева, Ан-И- Кана, П.Я. Крауиньша, Э.Н. Панкратова и др.
Целью диссертационной работы является исследование возможностей повышения несущей способности волнового торцевого кинематического редуктора путем модификации профилей зубьев.
В соответствии с поставленной целью объектом исследований является волновой торцевой кинематический редуктор, а предметом исследований - математические модели зацепления с учетом особенностей взаимодействия зубьев при сферическом движении, модификация профиля зубьев позволяет повысить его нагрузочную способность.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач
1. Провести информационно-аналитический обзор имеющихся технических решений и методик расчета волнового торцевого кинематического редуктора.
2. Провести многокритериальный анализ влияния геометрических параметров зацепления на профиль зубьев для волнового торцевого кинематического редуктора.
3. Разработать методику проектирования волнового торцевого кинематического редуктора с выпукло-вогнутым контактом зубьев, учитывающую кинематику, взаимодействие зубьев и особенности преобразования движения.
4. Создать методику обоснованного выбора геометрических параметров
зацепления и провести оценку условия существования многопарного зацепления.
Методологическая и теоретическая основы исследования
Для решения поставленных задач применялись основные положения расчета зубчатых передач и деталей машин, теории зубчатого зацепления, математическое моделирование зубчатого зацепления и экспериментальные исследования. Геометрические, кинематические и силовые характеристики редуктора исследовались с применением методов теоретической механики, теории механизмов и машин. При решении поставленных задач применялись современные программы, такие как SolidWork, MathCAD Professional, CAD/CAM/CAE CATIA V5R7 и MS Excel.
Научная новизна исследования
1. Разработана методика проектирования волнового торцевого кинематического редуктора с выпукло-вогнутым контактом зубьев, учитывающая кинематику, взаимодействие зубьев и особенности преобразования движения.
2. Проведен многокритериальный анализ влияния геометрических параметров зацепления на профиль зубьев для волнового торцевого кинематического редуктора.
3. Создана методика обоснованного выбора геометрических параметров зацепления и проведена оценка условия существования многопарного зацепления.
Практическое значение исследования
1. Разработана методика выбора оптимальных геометрических параметров зацепления с выпукло-вогнутым контактом зубьев и проведена оценка условия существования многопарного зацепления волнового торцевого кинематического редуктора.
2. Предложена методика профилировании выпукло-вогнутого зацепления волнового торцевого кинематического редуктора.
3. Обоснованы условия существования многопарного зацепления.
Соответствие паспорту заявленной специальности
Тема и содержание диссертационного исследования соответствуют паспорту специальности 2.5.2 - Машиноведение, а именно пунктам:
1. Синтез структурных и кинематических схем механизмов и обобщенных структурных схем машин, оптимизация параметров.
2. Теория и методы проектирования машин и механизмов, систем приводов, узлов и деталей машин.
5. Методы исследования и оценки технического состояния объектов машиностроения, в том числе на основе компьютерного моделирования.
Положения, выносимые на защиту
1. Методика проектирования волнового торцевого кинематического редуктора с выпукло-вогнутым контактом зубьев, учитывающая кинематику, взаимодействие зубьев и особенности преобразования движения.
2. Многокритериальный анализ влияния геометрических параметров зацепления на профиль зубьев для волнового торцевого кинематического редуктора.
3. Методика обоснованного выбора геометрических параметров зацепления и оценка условия существования многопарного зацепления.
Личный вклад автора
- подготовка литературного анализа по теме диссертационной работы;
- постановка задач исследования;
- создание виртуальной и математической моделей волнового торцевого кинематического редуктора для исследования многопарного зацепления при сферическом взаимодействии зубьев;
- проведение экспериментов на виртуальные модели с последующим анализом
полученных результатов, сопоставленных с опубликованными
экспериментальными данными других авторов.
Благодарности. Автор выражает огромную благодарность и признательность научному руководителю, д.т.н. профессору отделения машиностроения Томского политехнического университета П.Я. Крауиньшу за ценные советы, поддержу, помощь на всех этапах написания диссертации, индивидуальный подход и прививание интереса к научной работе. Признательность и благодарность автор выражает к.т.н., доцентам отделения машиностроения Томского Политехнического университета Е.А. Ефременкову и В.Н. Дерющевой за отзывчивость, терпение, ценные советы и помощь в написании работы. Автор благодарит за ценные советы, участие на различных этапах работы над диссертацией, поддержку и отзывчивость к.т.н., доцента отделения машиностроения Томского Политехнического университета Е.Н. Пашкова, а также всех сотрудников отделения машиностроения Томского Политехнического университета за рекомендации, направленные на улучшение работы.
Степень достоверности результатов.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на VIII Всероссийской конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» (г. Томск, 2018); VII Международной конференции «Проблемы механики современных машин» (г. Улан-Удэ, 2018); VII, VIII Международной научнотехнической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике» (г. Томск, 2018, 2019); VI
международной конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» (г. Иркутск, 2019); XII, XIII Международной научно-практической конференции «Современные проблемы машиностроения» (г. Томск 2019, 2020); I
Международной научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов» (г. Томск, 2021).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 16 научных работ, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ; 8 работ в сборниках трудов международных и всероссийских научно-технических конференций; 3 статьи в журналах, индексируемых в базе данных Scopus; 1 публикация в материалах конференций на английском языке, входящих в базу Scopus; 1 статья в других изданиях, 1 учебное пособие на английском языке.
Опубликованные материалы охватывают все научные результаты, полученные во время работы над диссертацией.
Структура и содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 102 наименования. Диссертация содержит 136 страниц текста, включает 1 таблицу и 38 рисунков.
В первой главе проведен литературно-патентный анализ исследований волновых торцевых передач, рассмотрены принципы их работы, а также преимущества и недостатки. Анализ показал, что волновые торцевые передачи с внутренним эвольвентным зацеплением имеют высокие показатели по металлоемкости, обеспечивают в компактных конструкциях реализацию широкого диапазона передаточных отношений, кинематика не накладывает ограничения на выбор модулей пар зубчатых колес и выполнение условий межосевых расстояний, что расширяет область их оптимального конструирования. Однако волновые торцевые передачи не нашли широкого промышленного применения как в России, так и за рубежом. Это объясняется рядом присущих им недостатков, обусловленных применением внутреннего конического эвольвентного зацепления, которое не учитывает многогранность взаимодействия зубьев при сферическом движении.
В второй главе представлены структура, принцип работы и кинематика волнового торцевого кинематического редуктора.
Третья глава посвящена геометро-кинематической теории зацепления волнового торцевого кинематического редуктора. Для этого была разработана математическая модель зацепления с учетом особенностей взаимодействия зубьев при пространственно-сферическом движении; описан профиль зубьев системой уравнений в нормальном сечении зубьев для внутреннего зацепления.
В четвертой главе представлено описание профилирования зубьев блока шестерен и колес волнового торцевого кинематического редуктора с помощью САПР и проведен анализ влияния геометрических параметров зацепления на форму профиля и на многопарность зацепления.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы ра
Результаты, полученные в процессе подготовки данной диссертации к защите, позволили сформулировать несколько выводов и рекомендаций, которые могут быть полезны для разработки волнового торцевого кинематического редуктора с перспективой его более широкого практического применения во многих отраслях техники.
1. Проведен многокритериальный анализ влияния геометрических параметров зацепления на профиль зубьев для волнового торцевого кинематического редуктора по следующим критериям: а) угол нутации - 6; б) угол аксоида расположения зубьев блока шестерен - 8; в) угол раствора дугового профиля зубьев блока шестерен - в; г) радиус окружности дугового профиля зубьев блока шестерен - гр = #tg0; д) соотношение зубьев - 71,72), которые существенно влияют на форму профиля зубьев неподвижного колеса. Показано, что при конкурентных значениях угла раствора 0, угла нутации 0 , угла аксоида 5 и числе зубьев сопряженных колес (71, Z2) диаметр неподвижного колеса не оказывает влияния на форму профиля зубьев, т. е. форма зубьев не зависит от диаметра неподвижного колеса, а только от числа зубьев 72 в этом диаметре. Установлено влияние на профиль зубьев неподвижного колеса не радиуса зуба шестерни, а угла его конуса 0, что позволяет по одной профилограмме определить пропорцию кривизны сопряженных профилей или оценить их размеры при любом диаметре колес, при 0, 5 и Z2 - const. Угол нутации 0 оказывает определенное влияние на профиль зубьев. При известном диаметре d, угол нутации 0 предопределяет высоту зубьев.
2. Разработана методика проектирования волнового торцевого кинематического редуктора с выпукло-вогнутым контактом зубьев, учитывающая кинематику, взаимодействие зубьев и особенности преобразования движения. Установлено, что при незначительном изменении угла нутации 0 с 2° до 4° достигается уменьшение длины блока шестерен, следовательно, и снижение массогабаритных параметров на 20-55 %.
3. Создана методика обоснованного выбора геометрических параметров зацепления и проведена оценка условия существования многопарного зацепления. Установлено, что наибольшее влияние на многопарность зацепления оказывает угол конического аксоида 5, изменение которого не ограничено передаточным отношением либо его влиянием на другие параметры ((Р, #,), также воздействующие на многопарность зацепления. Поэтому при проектировании волнового торцевого кинематического редуктора повышение многопарности зацепления представляется наиболее целесообразным путем поиска рационального угла конического аксоида 5. Установлено, что для повышения многопарности, следовательно, и несущей способности редуктора при любых значениях угла конического аксоида 5 следует принять соотношение числа зубьев, а углы (Р, в, Z) - минимальными. Проведенные теоретические исследования позволят обосновать диапазон рациональных геометрических параметров зацепления и наметить пути повышения многопарности сопряжения зубьев. Установлено, что при числах зубьев от 16 до 60, обеспечивающих передаточного отношения от 12 до 1900, многопарность зацепления сопряжения зубьев £ от 50 до 100% достигается при варьировании геометрических параметров в диапазонах: для 5 от 0°до 30°, для 0 от 2° до 6°, для 0 от 1,5° до 3°.
1. Проведен многокритериальный анализ влияния геометрических параметров зацепления на профиль зубьев для волнового торцевого кинематического редуктора по следующим критериям: а) угол нутации - 6; б) угол аксоида расположения зубьев блока шестерен - 8; в) угол раствора дугового профиля зубьев блока шестерен - в; г) радиус окружности дугового профиля зубьев блока шестерен - гр = #tg0; д) соотношение зубьев - 71,72), которые существенно влияют на форму профиля зубьев неподвижного колеса. Показано, что при конкурентных значениях угла раствора 0, угла нутации 0 , угла аксоида 5 и числе зубьев сопряженных колес (71, Z2) диаметр неподвижного колеса не оказывает влияния на форму профиля зубьев, т. е. форма зубьев не зависит от диаметра неподвижного колеса, а только от числа зубьев 72 в этом диаметре. Установлено влияние на профиль зубьев неподвижного колеса не радиуса зуба шестерни, а угла его конуса 0, что позволяет по одной профилограмме определить пропорцию кривизны сопряженных профилей или оценить их размеры при любом диаметре колес, при 0, 5 и Z2 - const. Угол нутации 0 оказывает определенное влияние на профиль зубьев. При известном диаметре d, угол нутации 0 предопределяет высоту зубьев.
2. Разработана методика проектирования волнового торцевого кинематического редуктора с выпукло-вогнутым контактом зубьев, учитывающая кинематику, взаимодействие зубьев и особенности преобразования движения. Установлено, что при незначительном изменении угла нутации 0 с 2° до 4° достигается уменьшение длины блока шестерен, следовательно, и снижение массогабаритных параметров на 20-55 %.
3. Создана методика обоснованного выбора геометрических параметров зацепления и проведена оценка условия существования многопарного зацепления. Установлено, что наибольшее влияние на многопарность зацепления оказывает угол конического аксоида 5, изменение которого не ограничено передаточным отношением либо его влиянием на другие параметры ((Р, #,), также воздействующие на многопарность зацепления. Поэтому при проектировании волнового торцевого кинематического редуктора повышение многопарности зацепления представляется наиболее целесообразным путем поиска рационального угла конического аксоида 5. Установлено, что для повышения многопарности, следовательно, и несущей способности редуктора при любых значениях угла конического аксоида 5 следует принять соотношение числа зубьев, а углы (Р, в, Z) - минимальными. Проведенные теоретические исследования позволят обосновать диапазон рациональных геометрических параметров зацепления и наметить пути повышения многопарности сопряжения зубьев. Установлено, что при числах зубьев от 16 до 60, обеспечивающих передаточного отношения от 12 до 1900, многопарность зацепления сопряжения зубьев £ от 50 до 100% достигается при варьировании геометрических параметров в диапазонах: для 5 от 0°до 30°, для 0 от 2° до 6°, для 0 от 1,5° до 3°.
