Фиксы на зубьях шестерни. Технология и конструкция

     Пока всё ещё не модная, но одна из важнейших тем в машиностроении.


 16.08.08.
ФИКСЫ НА ЗУБЬЯХ

В середине прошлого века появились несколько модных тогда тем в области зубчатых передач.
Помнится, журнал «Техника-молодёжи» тогда что-то с восторгом писал о бесшумных шестернях. Шум на высоких оборотах означает плохую работу передачи вследствие не очень точного изготовления зубьев. Жёсткость зубьев вызывает микроскопические ускорения и торможения масс в машине с очень высокой частотой таких крутильных колебаний. Выше какой-то частоты оборотов зубчатых колёс некоторой степени точности зубчатая передача становится практически неработоспособной. Повышать же точность изготовления зубчатых колёс – проблема технологическая, исключительно трудная. Она связана с весьма дорогостоящей общей культурой всего производства прецизионной техники.
Полвека назад появились новые типы пластмасс, некоторые из которых стало возможно применять даже для изготовления недолговечных шестерён, мягко работавших при малых нагрузках на зубья, но с довольно высокой частотой оборотов, создавая мало шума.
За полвека появились материалы, много лучше тех, что были когда-то.
 
Один из существенных недостатков пластмассовых шестерён – быстрое истирание зубьев. Вот если бы они имели слой износостойкого металла на своей поверхности! Накатать бы из упругой металлической трубки венец полых зубьев и заполнить его полость менее прочным материалом, например, той же пластмассой.
Разумеется, предлагать легче, чем освоить такое производство.
 
Другой технологический приём для решения задачи изготовления зубьев, бронированных слоем металла – экструзия зубчатого венца. Упругость зубьев обеспечивается двумя приёмами: 1. Полым профилем зубьев; 2. Тонким ободом венца, служащим упруго деформируемым на изгиб основанием для зубьев, профиль каждого из которых не является полым.
 
В восьмидесятых годах модно стало производство особо тонкостенных изделий, например, гофрированных трубок, изготовленных методом гальваники. Такая гофрированная трубка, диаметром, например, в сотни миллиметров, изготовленная по технологии наращивания гальванического слоя, может иметь толщину стенки в десятые доли миллиметра.
 
Почему бы не обеспечить пластмассовой шестерне такое металлическое покрытие нагруженной поверхности её зубьев.
 
В восьмидесятых годах Советский Союз на весь мир разрекламировал своё технологическое достижение. В прокатном производстве чёрной металлургии было освоено изготовление стальных профилей для зубчатых колёс. Эта технически реализованная в СССР идея такой технологии – для массового производства зубчатых колёс, - пожалуй, себя не оправдала. Зубья имеет смысл изготовлять горячей накаткой штампованных колёс, а не профильным прокатом длинных прутов.
 
А что если горячей накаткой изготовлять зубья в тонком ободе, выполненном из пружинной стали, насаженном на толстый обод заготовки зубчатого колеса. Эту заготовку стоит изготовлять всего лишь из недорогого материала, например, из чугуна.
 
Разогрев материала для накатки зубьев обеспечивается током высокой частоты. Размягчённый так металл заготовки, деформирующийся вместе с насаженным на неё ободом, при накатке зубьев выдавливается в стороны торцов заготовки.
 
Зубчатый венец, таким образом, оказывается пружиной, выгнутой из стальной упругой ленты, как бы замкнутой в кольцо. Способность к достаточно большим деформациям таких зубьев обеспечивает возможность малошумной работы колёс при сравнительно высоких оборотах и значительной нагрузке.
Пружинящие зубья колёс такой конструкции особенно эффективны для зацепления Новикова. И освоить такую технологию легче для  зубьев Новикова. Возможно, именно это решит вопрос о реализации резервов этого, в принципе, таки более прогрессивного направления в редукторостроении.
 
Эвольвентный профиль зубьев потребует сошлифовать лишь чуть больший припуск.
 
___
 
Используя повод, мне, профану в области зубчатых передач, всё же хочется именно философически высказать своё, особое мнение о том, почему зубья Новикова за полвека так и не нашли достаточно широкого применения во всём мире, да и в России, в большинстве её отраслей машиностроения.
 
Более полувека исключительно на русском языке идут дискуссии о том, не ошибочно ли в машиностроении одно из важнейших его направлений – механизмы с неэвольвентным зацеплением зубчатых колёс. Сегодня споры об этом ведутся на страницах журнала «Редукторы и приводы». Свои мнения по этой теме высказывают там крупнейшие специалисты не России, а всего мира (поскольку в других странах зацеплением Новикова вряд ли кто-нибудь занимается всерьёз).
 
В своей статье «Тупик» и ряде других статей я показал на примере одношаровых вариаторов, что принципиальных преимуществ какого-либо технического направления над техникой аналогичного назначения вовсе не достаточно для реализации этих преимуществ.
Вся индустриальная и научная мощь советского государства десятилетиями была направленная на широкое использование в промышленности вариаторов Светазарова в качестве основной продукции такого назначения. Это, однако, не убедило ни одну страну в мире отказаться от давным-давно морально устаревших шаровых вариаторов схемы Коппа, одной из основных в промышленности всего мира, кроме стран бывшего соцлагеря.  Схема Коппа (шары на конусах) даже почти и не упоминалась в технической литературе соцстран. Точно так же схема Светозарова (диски на чашках) почти не упоминается в технической литературе остальных стран мира. Обе схемы явно глупые, но схема Коппа много глупее, что очевидно и ребёнку.  Чем это объяснить (см «Тупик»), кроме принципа «домино»?
 
Это относится и к зацеплению Новикова, всё же, в принципе, превосходящему зацепление эвольвентное. Всей индустриальной и научной мощи великой России недостаточно для того, чтобы доказать, а тем более реализовать в имперских масштабах очевидные преимущества зацепления Новикова.
 
Такой парадокс относится почти к любой технике, включая военную.
-----------------------
Концепция пружинящих зубьев сулит ещё много весьма существенных достоинств таким зацеплениям.
В существующих зубьях, - жёстких, - передача крутящего момента лишь номинально (т.е. в абстрактном математическом идеале) осуществляется через две или три контактные точки нагружения. Реально же всю нагрузку передаёт лишь одна из этих точек. В мгновение перехвата нагрузки от одной к другой, следующей такой точке происходит или некий удар, или ослабление нагрузки на такую точку, но с последующим резким нагружением следующей такой точки контакта.

А ежели зубья у нас пружинящие, - достаточно эластичные, - то крутящий момент реально передаётся  через все эти номинальные три или две точки нагружения, причем с равномерной нагрузкой, без упомянутых мгновенных перегрузок.
Такие зубья не столь хрупкие, как зубья жёсткие. Поскольку они прочнее на излом, то угол зацепления можно уменьшить, предположим, с обычных 20-ти градусов до 15-ти градусов. Число точек, воспринимающих нагрузку, таким образом, ещё увеличится, скажем, до четырёх, и передача будет работать ещё мягче и равномернее.
Уменьшатся так и нагрузки на оси валов, то есть на их подшипники, что повысит их ресурс работоспособности.

Пружинящие зубья, таким образом, обеспечивают не только повышение предельной частоты оборотов зубчатой передачи, но и существенное повышение допустимых крутящих моментов.
То есть при тех же габаритах редуктора так существенно возрастает допустимая мощность передачи.
По сравнению с существующими зубьями  запас прочности у пружинящих зубьев несравнимо больше.
Поэтому редукторы (и единичного, и массового производства), требуемые по мощности, будут компактнее, легче, дешевле.