ГЛОБОИДНЫЕ ПЕРЕДАЧИ: ОТ ЛЕОНАРДО ДА ВИНЧИ ДО ВАЛЕРИЯ ПАРУБЦА

ВВЕДЕНИЕ

В настоящей работе автором вниманию научно-технических специалистов России представлен анализ современного состояния ключевых тенденций перспектив развития и применения глобоидных передач в России. Основу исследования составили поиск и системный анализ глубокие теоретические проработки автора и его практический опыт полученный им в ходе прикладных работ. Особое внимание уделено критическому осмыслению эффективности существующих методик проектирования.

Яркой иллюстрацией актуальности этой темы служит работа по модернизации глобоидного привода механизма подъема лифта для российской АЭС выполненная автором по заказу ПО «Ижорские заводы» в 1990 году и полученные впечатляющие практические результаты. Несмотря на более ранние расчеты и проектирование привода с применением существующих методик и действующих ГОСТов, а также выполненные ведущими специалистами (НИИ МетМаш им. А. И. Целикова ЦНИИТМАШ; Б. Ф. Федотов Л. И. Сагин П. С. Зак и др.) три последовательные попытки усовершенствования зацеплений глобоидных передач GAU GH GAUH устойчивого решения достичь не удалось: каждый раз привод выходил из строя из-за катастрофического износа зубьев колеса уже через несколько десятков часов его работы.

Прорыв был достигнут автором лишь после фундаментального пересмотра им подходов — изменения формы и сопряжения поверхностей глобоидной передачи. Реализованные решения обеспечили устойчивую и бесперебойную эксплуатацию привода свыше 11 последующих лет наглядно продемонстрировав потенциал оптимизации, лежащий за рамками традиционных методик.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Чтобы максимально повысить интерес к публикации представим вниманию читателей основные результаты исследований. Они сформулированы в виде готовых выводов. Такая форма подачи материала упростит его восприятие и поэтому привлечет к нему внимание всех, кто применяет глобоидные передачи или интересуется этой темой.

1. По результатам исследований глобоидных передач сделан вывод о том, что в бывшем СССР (далее — в России) наблюдается значительное отставание от зарубежных стран — как в области теории зацепления технологии зубообработки экспериментальных исследований, так и в области промышленного применения глобоидных передач. Ведущие зарубежные фирмы в содружестве со специалистами по глобоидным передачам разработали и освоили серийное производство новых видов высокомощных глобоидных передач, которые по уровню передаваемых нагрузок в 2.5-3 раза превышают российские достижения. В российских промышленных проектах с 1945 года устойчиво и до настоящего времени применяются глобоидные передачи, построенные с применением базового глобоидного червяка GB. Аналогичные глобоидные передачи применялись, но затем были отвергнуты или существенно изменены зарубежной редукторной практикой еще в 30-х годах прошлого века.
2. Соответственно в российской литературе в том числе в справочной и даже в специальной содержится безнадежно устаревшая информация о глобоидных передачах. Сведения о многих видах глобоидных передач в том числе прогрессивных в этой литературе отсутствуют. Новая информация недоступна широкому кругу российских специалистов и это существенно сдерживает научно-технический прогресс там, где применяются глобоидные передачи.
3. Отставание в области разработок и использования глобоидных передач явилось следствием тех общих процессов, которые многие годы развивались в бывшем СССР — в его экономике промышленности науке и обществе и которые в итоге привели к кризису экономической и политической систем страны. Монополизм отсутствие реальной конкуренции промышленной продукции породили технический застой консерватизм и незаинтересованность предприятий и специалистов в том числе головных предприятий отраслей и ведомств в усовершенствовании техники привода.
   Вплоть до 90-х годов прошлого века в российской промышленности были востребованы только те глобоидные передачи на производство которых предполагалось затратить минимальные усилия то есть глобоидные передачи с максимально возможным упрощением технологий обработки зубьев (глобоидные передачи GB GAU GH GAUH и др.). Но как уже было сказано именно такие глобоидные передачи были давно отвергнуты зарубежной практикой как технически несовершенные и неэкономичные.
4. Отсутствие социального заказа на исследование и внедрение новых видов глобоидных передач привело к тому что предложения российской редукторной науки (сосредоточенной в основном в вузах) по усовершенствованию глобоидных зацеплений не были приняты. Разобщенность вузовской науки оторванность ее от производства игнорирование научно-технических прогнозов и неглубокое изучение зарубежной технической и патентной литературы привели к тому что она стала продуцировать мелкотемье либо решать частные задачи по заказам отдельных промышленных предприятий.

Ниже представлены различные виды глобоидных передач, отобранные в процессе аналитического поиска. Сравнение этой информации с той которая доступна читателям позволит сделать самостоятельно выводы о неполноте и низком уровне новизны сведений о глобоидных передачах, содержащихся в общедоступной российской научно-технической литературе. Одновременно по этой информации можно ясно судить об общем низком уровне применения идеи глобоидных передач в промышленности России.

Представленные материалы позволят каждому промышленному предприятию России применяющему или желающему применить глобоидные передачи оценить степень их несоответствия современным конкурентным требованиям. А это уже возможность предпринять адекватные шаги по преодолению технологического отставания и повышению конкурентоспособности выпускаемой продукции.

1. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ГЛОБОИДНЫХ ПЕРЕДАЧ

Сведения о глобоидных передачах и их видах в российской технической литературе не полны разобщены и недоступны широкому кругу специалистов так как в справочной и даже в специальной технической литературе приведен далеко не полный их перечень. В публичной и специальной литературе утверждается что глобоидную передачу изобрел Леонардо да Винчи (рис. 1).

Подробное рассмотрение известных видов глобоидных передач приведено в последовательности отражающей общий эволюционный путь развития идеи глобоидной передачи — от Леонардо да Винчи и простейших до более сложных современных видов.

1.1. Классическая глобоидная передача (по ГОСТ 18498-89 — глобоидная передача GB)

Побудительным мотивом применения глобоидных передач были недостатки цилиндрических червячных передач, имеющих минимальный коэффициент перекрытия. Применение глобоидных червяков GB отвечало новому качеству — значительно увеличенному коэффициенту перекрытия. Одновременно со значительно увеличенным коэффициентом перекрытия было установлено особое отличное от цилиндрических червячных передач расположение контактных линий между зацепляющимися поверхностями глобоидной передачи: по направлению от основания к вершине зуба создающее более благоприятные условия для возникновения устойчивой смазочной пленки и для отвода тепла.

Эти два новых качества зацепления, отвечающие новым потребностям развития техники в 30-50-х годах ХХ века способствовали интенсивному исследованию и внедрению в промышленное производство глобоидных передач. Поскольку на первом этапе применения глобоидных передач основным методом воспроизведения винтовой поверхности являлся резец глобоидный червяк был образован резцом с наиболее простой его формой — прямолинейной режущей кромкой (рис. 2).

Первое описание этого вида глобоидной передачи найдено в работе проф. М. Н. Берлова опубликованной еще в 1929 году. Исследования и описание зацепления классической глобоидной передачи содержатся в работах Я. И. Дикера П. С. Зака Н. И. Колчина Л. И. Сагина В. А. Шишкова и др. Наиболее полное с учетом более ранних исследований описание этого вида зацепления глобоидной передачи приводится в доступных широкому кругу читателей книгах П. С. Зака и Ф. Л. Литвина. Данный вид глобоидной передачи называют классическим либо глобоидной передачей Кона, а по терминологии ГОСТ 18498-89 — базовой глобоидной передачей GB.

1.2. Модифицированные глобоидные передачи

Зацепление поверхностей классической глобоидной передачи наряду с ее превосходствами (повышенный коэффициент перекрытия и благоприятное расположение линий контакта) характеризуется весьма ощутимыми недостатками.

Контактирование витка червяка с зубом колеса происходит по линии перелома. Кроме этого постоянного контакта происходит еще периодический контакт входного ребра витка (первой кромки) с подрезной поверхностью зуба колеса. Подробное описание этих нежелательных особенностей контактирования классической глобоидной передачи дано в книге П. С. Зака (см. Библиографию).

Контактирование поверхностей классической глобоидной передачи по линии перелома зуба и режущее действие входной кромки витка червяка не допускают передачи больших нагрузок приводят к интенсивному нагреву и износу классической глобоидной передачи.

Для устранения этих недостатков поверхности классической глобоидной передачи модифицируют. Поскольку в российской технической литературе зарубежный опыт модификации поверхностей глобоидных передач не учитывался восполним этот пробел включив в общий перечень ранее неизвестные широкому кругу специалистов методы модификации.

1.2.1. Глобоидная передача Хиндлея

Для этого технического решения, подробно описанного в работе проф. И. Н. Берлова червяк нарезают резцом за два прохода.

Первый проход выполняют по технологии нарезания витка классического червяка (рис. 2): резец устанавливают в средней осевой плоскости червяка и вращают вокруг оси колеса при межосевом расстоянии передачи α₀ = α_W при этом заготовка червяка и резец вращаются с тем же передаточным отношением что и у глобоидной передачи, то есть u₀=u₂₁.

Второй проход тем же резцом, продвинутым радиально на небольшую величину Δα межосевом расстоянии (рис. 3) α₀ = α_W + Δα. Происходит дополнительное срезание материала тела витка — преимущественно на участках, удаленных от середины червяка; рабочие стороны витка модифицируются по шагу. Зубья колеса нарезают фрезой, обработанной точно так же, как и червяк.

В глобоидной передаче Хиндлея устраняется ребро перелома на поверхности зуба колеса. Контакт поверхностей передачи в среднем сечении зуба колеса частично устраняется, но образуется более благоприятное их контактирование на краях зуба колеса.

Идентичность поверхностей червяка и производящей поверхности фрезы как отмечено в работе проф. И. Н. Берлова не гарантирует непосредственно благоприятных условий зацепления для достижения которых требуется тщательная приработка глобоидной передачи под нагрузкой.

1.2.2. Глобоидная передача Ланчестера

Данное техническое решение является усовершенствованием глобоидной передачи Хиндлея в части формы поверхности витка червяка.

Червячная фреза, обработанная точно так же, как и для передачи Хиндлея служит не только для окончательной нарезки зубьев колеса, но и для нарезания зубьев на стальном диске одинаковых с колесом размеров который затем превращают во фрезу. Этой особой фрезой-колесом нарезают рабочий червяк при α₀ = α_W и u_O=u₂₁. Благодаря техническому усовершенствованию достигается правильное сопряжение поверхностей червяка с колесом что обеспечивает высокий уровень эксплуатационных показателей данного вида глобоидной передачи: при u₂₁ ≤ 6 КПД передачи — η=0.92–0.97. Схема образования зацепления передачи Ланчестера показана на рис. 4.

1.2.3. Глобоидная передача Лоренца

Зубья колеса передачи Лоренца нарезаются двумя резцами с односторонними режущими кромками (рис. 5). Нарезание осуществляют при постепенном уменьшении станочного межосевого расстояния до его значения α₀ = α_W и станочном передаточном отношении u₀=u₂₁. Витки червяка нарезаются резцом с прямолинейной режущей кромкой. Модифицирующее поверхность витка движение резца выполняют посредством специального устройства содержащего дуговой сегмент и две стальные ленты, скатывающиеся по этому сегменту и соединенные с резцом.

Способ нарезания зубьев колеса по методу Лоренца разработан в Германии еще в 1898 году (патент № 114211 кл. 49 d — 6) и практическое применение находил до 30-х годов XX века. По данным приведенным в книге проф. М. Н. Берлова опубликованной еще в 1929 году и обобщающей в частности результаты зарубежных исследований по глобоидным передачам теоретически правильного зацепления глобоидной передачи при нарезании зубьев колеса по методу Лоренца получить нельзя; условия зацепления такой передачи менее совершенны чем при цилиндрических червяках, а испытания, выполненные Моогом показали примерно такие же результаты, как и для червячной передачи.

Следует заметить, что ввиду библиографической редкости книги М. Н. Берлова приведенные в ней подробные сведения о несовершенстве зацепления глобоидной передачи Лоренца до российских разработчиков глобоидных передач не дошли так как в более поздних отечественных публикациях по глобоидным передачам ссылки на обзор и выводы проф. М. Н. Берлова не приводились. И только в 60-х годах В. Л. Журавлев пришел к такому же выводу — о нецелесообразности применения метода нарезания зубьев колеса двумя боковыми резцами.

1.2.4. Глобоидная передача Дикера

В России на 50-60 лет позже чем за рубежом были разработаны и внедрены технические решения, модифицирующие форму поверхностей глобоидной передачи и характер их сопряжения.

Одной из первых была глобоидная передача завалами витков червяка у его торцов разработанная Я. И. Дикером в 1950 году. Техническую сущность предложенного решения иллюстрирует рис. 6. Завалы витка червяка на входе и выходе исключают из первоначального контакта наиболее неблагоприятные участки зацепления классической глобоидной передачи: контакт входной кромки витка с подрезной поверхностью зуба и контакт средней части витка с зубом по его линии перелома.

Заметим, что в 50–60-х годах XX века происходили ожесточенные технические споры по поводу того следует ли данное техническое решение причислять к модифицированным глобоидным передачам.

На этот вопрос можно дать однозначный ответ: согласно принятой по ГОСТ 18498-89 терминологии разработанную Я. И. Дикером глобоидную передачу с завалами витка необходимо отнести к модифицированным глобоидным передачам. Отличие ее от других модифицированных глобоидных передач состоит лишь в особом законе продольной модификации.

1.2.5. Глобоидная передача с естественной формой модификации

В ходе исследований и замеров изношенных глобоидных передач было установлено что при эксплуатации происходит постепенное изменение исходной геометрической формы сопряженных поверхностей, приближающихся вследствие существенно неодинаковых условий трения и неодинаковой интенсивности изнашивания к некоторым новым их геометрическим формам, устойчиво затем воспроизводимым в течение всего последующего срока службы передачи.

1.2.5.1. Модифицированная глобоидная передача Зака

Изменяющаяся вследствие износа форма поверхности классической глобоидной передачи, впервые установленная П. С. Заком еще в 1950 году, впоследствии нашла описание и усовершенствование в целой серии отечественных публикаций.

Общая характерная закономерность рассматриваемых модификаций состоит в том, что витку червяка задают увеличенный шаг на входе в зацепление с зубом колеса и уменьшенный шаг на выходе из зацепления (рис. 7).

Вместе с червяком предусматривается как правило некий закон модификации производящей поверхности инструмента обрабатывающего зубья колеса; при этом закон модификации для инструмента принимают несовпадающим с законом модификации витка червяка и обеспечивающим отводы поверхности витка рабочего червяка на входе и выходе больше чем у инструмента (рис. 8) благодаря чему на участках витка рабочего червяка у его торцов контакта с зубом колеса на начальном этапе работы глобоидной передачи не происходит. И лишь по мере износа зубьев колеса идет постепенное распространение контакта к торцам витка червяка.

Как показали выполненные автором данного материала исследования участки зацепления модифицированной глобоидной передачи, прилегающие к торцам червяка наиболее неблагоприятны с точки зрения геометро-кинематических свойств зацепляющихся поверхностей. Притом отрицательные их свойства выражены даже более ярко чем у классической глобоидной передачи. Свойства же зоны зацепления в окрестности средней торцевой плоскости червяка более предпочтительны. Поэтому предотвращение начального контакта на торцах достигаемое соответствующим рассогласованием законов модификации у торцов и сосредоточение контакта на средних витках червяка являются одной из основных возможностей вероятного улучшения эксплуатационных свойств модифицированной глобоидной передачи.

Модифицированная глобоидная передача Зака запатентована в США (патенты № 3.266.344 и 3.292.447) Великобритании (патенты № 1.068.925 и 1.074.543) Франции (патенты № 1.389.980 и 1.389.981).

1.2.5.2. Модификация глобоидной передачи по Шульцу

В исследованиях П. С. Зака и других отечественных специалистов рассматривалась модификация поверхностей классической глобоидной передачи, выполненная по шагу витка, то есть продольная модификация. Что касается изменения профиля, то есть профильной модификации, согласованной с естественными законами изнашивания то исследования в этом направлении, не проводились. Можно лишь сослаться на техническое решение, опубликованное в авторском свидетельстве № 324426 суть которого — в различных величинах модификации, замеренных на различных уровнях высоты витка червяка: у вершины в средней части и у ножки. Соответственно разные законы модификации одновременно означают и некоторые изменения формы профиля.

Научно обоснованный ответ на данный вопрос дан в исследованиях доктора технических наук Н. Н. Шульца выполненных для цилиндрических червячных, но применимых и для глобоидных передач.

Согласно этим исследованиям оптимальное проектирование глобоидной передачи может быть осуществлено при условии выполнения профиля глобоидного червяка выпуклой или вогнутой формы.

Продолжение следует

Библиография

1. Зак П. С. Глобоидная передача. — М.: Машгиз, 1962. — 256 с.
2. Литвин Ф. Л. Теория зубчатых зацеплений. — М.: Наука, 1968. — 584 с.
3. Берлов М. Н. Детали машин. Вып. 5. Зубчатые колеса. Часть II. Передачи между скрещивающимися валами. Передачи гиперболоидальными и винтовыми колесами. Червячные передачи. — 3-е доп. изд. — М.: Гос. Тех. Изд-во, 1929. — 121 с.
4. ГОСТ 18498-89 (СТ СЭВ / 6498-88). Передачи червячные. Термины, определения и обозначения. — 85 с.
5. Журавлев В. Л. Технология изготовления глобоидных передач. — М.: Машиностроение, 1965.
6. Дикер Я. И., Сагин Л. И. Основы производства глобоидных передач. — М.: Машгиз, 1960. — 204 с.
7. А. С. 131176 (СССР). Модифицированная глобоидная передача / Сагин Л. И. — Опубл. в Б. И., 1960. — № 16.
8. А. С. 264129 (СССР). Способ нарезания модифицированных глобоидных червяков. — Опубл. в Б. И., 1970. — № 8.
9. А. С. 324426 (СССР). Модифицированная глобоидная передача / Сагин Л. И., Федотов Б. Ф. — Опубл. в Б. И., 1972. — № 2.
10. А. С. 564472 (СССР). Модифицированная глобоидная передача / Зак П. С. — Опубл. в Б. И., 1977. — № 25.
11. А. С. 853240 (СССР). Модифицированная глобоидная передача / Заблонский К. И., Попель О. Е., Гутыря С. С., Телис И. Я. — Опубл. в Б. И., 1981. — № 29.