Сравнительная оценка антифрикционных свойств трансмиссионных масел для спироидных передач

Рис. 1. Спироидная цилиндрическая передача: α_w – межосевое расстояние, В₁ – удаление ближнего торцевого сечения спироидного червяка от межосевой линии передачи; b 1 – длина зацепляющейся части червяка; М – расчетная точка; ω₁ и ω₂ – угловые скорости червяка и колеса.

При проектировании передач с перекрещивающимися осями валов и редукторов на их основе необходимо исключить характерные виды отказов и повреждений активных поверхностей звеньев.

Работоспособность передач червячного типа (в т.ч. спироидной) может быть обеспечена, если в процессе проектирования и изготовления будут устранены причины выхода их из строя.

Для передач червячного типа различают следующие вероятные виды отказов [1]: поломка зубьев колеса или, в редких случаях, витков червяка;

пластическое разрушение рабочих поверхностей зубьев колеса от действия пиковых нагрузок; усталостное разрушение рабочих поверхностей зубьев колес от действия циклических нагрузок; износ рабочих поверхностей зубьев колес и витков червяка (витки изнашиваются значительно меньше); заедание – наиболее опасный вид отказа передач червячного типа. В случае применения высокооловяни-стых бронз этот вид повреждения встречается редко. Для безоловянистых бронз и сталей он лимитирует передаваемую нагрузку. При заедании резко повышается коэффициент трения в зацеплении и, если не снизить нагрузку, за очень короткий период времени происходит интенсивный износ и заклинивание передачи.

Причиной возникновения заедания является разрушение (разрыв) масляной пленки, которое наступает вследствие пластической деформации и потери смазывающих свойств масла при повышенных температурах в зоне контакта. Для появления заедания необходимо удаление окисных и адсорбционных пленок, пластическое деформирование контактирующих поверхностей, в результате которого возникает непосредственный контакт чистых (ювенильных) поверхностей [2].

Широкое распространение для оценки качества смазочных масел получили натурные испытания редукторов. Несмотря на явные преимущества натурных исследований по достоверности получаемых результатов, им присущи и недостатки: длительность и высокая стоимость, низкая производительность, невозможность изучения влияния отдельных параметров на изучаемый процесс и др. Физическое моделирование позволяет восполнить указанные недостатки. Его в разное время с успехом для изучения процессов трения и изнашивания применяли известные ученые М.М. Хрущов, М.Д. Генкин, В.Н. Кудрявцев, Ю.Н. Дроздов, М.В. Райко и другие исследователи. Метод физического моделирования базируется на общности физико-механических процессов, происходящих в зоне контакта звеньев передачи и экспериментальных образцов. Исследование на моделях позволяет резко повысить производительность исследований, снизить материальные затраты, изучить влияние отдельных параметров на процесс взаимодействия элементов передачи зацеплением.

Для оценки качества трансмиссионных масел применительно к спироидным передачам в Сибирском государственном университете путей сообщения на кафедре «Механизация путевых, погрузочноразгрузочных и строительных работ» спроектирован и изготовлен дисково-роликовый стенд (рис._2), узел трения которого показан на рис. 3.

Основными узлами стенда (рис.3) являются регулируемые приводы диска 2 и ролика 3, насосная станция 4. Рама 1 представляет собой сварную металоконструкцию, установленную на виброизоли- рующих опорах. Привод диска жестко закреплен к корпусу (раме) стенда.

Привод ролика установлен на поворотной платформе, подвижность которой обеспечивает контакт образцов и их нагружение при испытаниях. При необходимости привод может быть смещен относительно платформы в перпендикулярном к оси привода направлении. Смещение ролика относительно диска в указанном направлении изменяет угол между линией контакта образцов и скоростью скольжения в интервале 450 – 900.

Рис. 2. Дисково-роликовый стенд:

1 – рама; 2 – привод диска; 3 – привод ролика; 4 – насосная станция.

На дисково-роликовом стенде могут проводиться экспериментальные исследования при нагрузках на образцы до 3000 Н с точностью до 5 Н. Привод обеспечивает частоту вращения от 500 до 3000 об/мин.

Поскольку стенд предназначен для моделирования спироидного зацепления применительно к механизмам подъемно-транспортных машин периодического действия, то температура масла в редукторе является переменной величиной, зависящей от продолжительности включения. С этой целью предусмотрена централизованная система смазки 4 (рис. 2), обеспечивающая температуру подаваемого в зону контакта образцов масла от 20° до 120 С с

О погрешностью в 3 С.

Конструкция стенда позволяет производить предусмотренные методикой измерения: контроль нагрузки в контакте, крутящих моментов на валах образцов, их частот вращения и температуры масла вблизи зоны трения.

б                    (02

Рис. 3. Узел трения дисково-роликового стенда: а – фотография; б – схема; – сжимающая нагрузка (сила сдавливания в контакте);

- соответственно угловые скорости ролика и диска; – окружная скорость ролика;

– окружная скорость диска на радиусе в расчетной точке; - радиус ролика.

Нами проведены исследования по оценке трех сортов масел применительно к спироидной передаче. В качестве объекта для исследования выбрана цилиндрическая спироидная передача, основные характеристики которой следующие: передаточное число пары, ;- межосевое расстояние , мм – 31,5; материал червяка – сталь 40Х (HRC э = 48…53); материал венца колеса – бронза БрА9Ж4 ГОСТ1628-78; рабочие поверхности витков червяка обработаны шлифованием до шероховатости не более ; параметры червяка: модуль , мм – 1,375; число заходов ; угол подъема линии витков на делительном цилиндре ; (вид червяка – SZK1;) направление линии витков – правое; диаметр вершин витков , мм – 30; диаметр впадин , мм – 17,2; делительный осевой угол профиля витков: для правой стороны ; для левой стороны ; параметры колеса: внутренний диаметр , мм – 68,4; внешний диаметр , мм – 100.

Параметры узла трения (рис. 3) при моделировании находятся в тесной взаимосвязи с условиями контакта в спироидном зацеплении. Основными па- раметрами являются нагрузка , приходящаяся на единицу длины линии контакта, окружные скорости звеньев передачи и и скорость скольжения , расположение линии контакта по отношению к вектору скорости скольжения, а также температура смазочного масла t°C.

В качестве примера в табл.1 представлены результаты исследования для трансмиссионного масла SAE 80W-85.

Для наглядности результаты исследований представлены в виде графиков (рис._4).

Зависимость коэффициента трения от контактных напряжений и скорости скольжения при температуре

Зависимость коэффициента трения от контактных напряжений и скорости скольжения при температл ре

Рис. 4. Зависимость коэффициентов трения от контактных напряжений и скорости скольжения при температурах 20°С и 100°С.

Графики позволяют сделать ряд важных выводов:- коэффициент трения для пары сталь 40Х – бронза БрА9Ж4 ГОСТ1628-78: с увеличением скорости скольжения от 1 до 3,5 м/с, коэффициент трения уменьшается на 0,015;с увеличением температуры, коэффициент трения снижается несущественно; с увеличением нагрузки, коэффициент трения возрастает (в среднем на 0,01).

Допускаемые контактные напряжения в спиро-идной передаче могут быть существенно увеличены по сравнению с рекомендациями для червячных цилиндрических передач, являющихся аналогами спи-роидных. Согласно рекомендациям таких ученых, как М.Н. Иванов, Л.Д. Часовников, С.А. Чернав-ский, В.И.Анурьев, допускаемые контактные напряжения принимаются по формуле

. Это можно объяснить расположением контактных линий в зоне зацепления.

Последовательное расположение контактных ли-      Направление скорости скольжения в средней за- ний (1, 2, 3, ...) в процессе зацепления червячной штрихованной зоне почти совпадает с направлением пары показано на рис. 5.                             контактных линий, что ухудшает условия смазки.

По этой причине при больших нагрузках в этой зоне

Таблица 1 . Полученные значения коэффициентов трения для трансмиссионного масла SAE 80W-85

t°C Upk f трения при ан (МПа) 143,8 204.1 242.5 282.4 308.4 339,9 360.5 388.2 20° 1,06 м/с 0,03829 0,05162 0,0443 0,04799 0,04796 0,04767 0,05056 0,05256 1,4 м/с 0,03474 0,04155 0,03955 0,04383 0,04355 0,04298 0,04653 0,04769 1,94 м/с 0,03195 0,03945 0,03598 0,03989 0,04061 0,0395 0,04303 0,04386 2,65 м/с 0,02832 0,03399 0,03271 0,0355 0,03712 0,03647 0,03846 0,03887 3,53 м/с 0,02553 0,03189 0,02795 0,03375 0,03253 0,03254 0,03483 0,03504 40° 1,06 м/с 0,03888 0,04658 0,04311 0,04515 0,04429 0,04691 0,04572 0,0478 1,4 м/с 0,03888 0,0428 0,03955 0,0412 0,0419 0,0451 0,04398 0,04362 1,94 м/с 0,03043 0,03861 0,03449 0,03901 0,03767 0,04071 0,03927 0,04072 2,65 м/с 0,0279 0,03483 0,03271 0,03485 0,03473 0,03617 0,03604 0,03632 3,53 м/с 0,02451 0,03063 0,02825 0,03243 0,03344 0,03239 0,03335 0,03295 60° 1,06 м/с 0,04396 0,03945 0,03806 0,04449 0,04153 0,04192 0,04384 0,04757 1,4 м/с 0,03635 0,03735 0,03628 0,04186 0,03933 0,0398 0,04155 0,04386 1,94 м/с 0,0279 0,03315 0,03419 0,03748 0,03675 0,03662 0,03927 0,04003 2,65 м/с 0.02451 0,03022 0,03063 0,03463 0,03381 0,03344 0,0355 0,03713 3,53 м/с 0,02198 0,02686 0,02736 0,03134 0,02959 0,03133 0,03107 0,03388 80° 1,06 м/с 0,03635 0,03651 0,03628 0,03967 0,03712 0,03889 0,03886 0,03887 1,4 м/с 0,0355 0,03399 0,03509 0,03572 0,03583 0,03677 0,03792 0,03829 1,94 м/с 0,03043 0,03231 0,03211 0,03375 0,03381 0,03511 0,03591 0,03632 2,65 м/с 0,02705 0,03063 0,03122 0,03178 0,03216 0,03284 0,03402 0,03318 3,53 м/с 0,02451 0,02728 0,02706 0,0298 0,0294 0,02996 0,03039 0,03098 100° 1,06 м/с 0,03297 0,03693 0,03479 0,03397 0,03602 0,03511 0,03806 0,03922 1,4 м/с 0,03043 0,03189 0,03301 0,03243 0,03528 0,03344 0,03564 0,03666 1,94 м/с 0,03297 0,0298 0,03092 0,03068 0,03308 0,03133 0,03133 0,03388 2,65 м/с 0,02959 0.02686 0.02884 0,02959 0,03161 0,0286 0.02905 0,03214 3,53 м/с 0,02705 0,02476 0,02706 0,02805 0,02885 0,02694 0,02703 0,03005 начинается заедание, которое в дальнейшем распространяется на всю рабочую поверхность зуба.

Рис. 5. Последовательное расположение контактных линий в зоне зацепления.

грузочную способность спироидной передачи можно объяснить одновременным зацеплением большого числа зубьев и благоприятным расположением линий контакта. Приведенные результаты могут быть использованы при проектировании механизмов машин на основе спироидных передач. Информация о коэффициенте трения дает нам объективные данные в ходе расчетов при проектировании.

При достоверных данных коэффициента трения допускаемые напряжения можно принять значительно выше в сравнении с червячными цилиндрическими передачами, что позволяет нам уменьшать габариты привода, либо увеличить нагрузку и ресурс привода.

Из рис. 5 также видно, что со стороны входа червяка в зацепление контактные линии расположены менее благоприятно, чем со стороны выхода. В спи-роидной передаче линии контакта расположены более благоприятно с точки зрения образования масляного клина между контактирующими поверхностями звеньев передачи (рис. 6). Повышенную на-

б)

Рис. 6. Расположение контактных линий в спироидной передачи: а) для правой сторон витков червяка; б) левой сторон витков червяка.