Контроль точности зубчатых колес

        Отклонение шага f_Ptr - дискретное значение кинематической погрешности, зубчатого колеса при его повороте на один угловой шаг (см. рисунок 1.1, б). Измеряют отклонения всех окружных шагов на правых и левых боковых поверхностях зубьев относительно первого измеренного шага. Отклонения шага могут иметь как положительные, так и отрицательные значения [2].

        Разность шагов f_uPtr - разность между двумя отклонениями шагов в любых участках зубчатого колеса (см. рисунок 1.1, б). При определении разности шагов их отклонения на соседних зубьях с разными знаками (положительные и отрицательные) складываются, а с одинаковыми знаками - вычитаются из большего меньшее. Плавность зацепления зубьев цилиндрических передач в значительной степени зависит от наибольшей разности соседних окружных шагов.

        Колебание измерительного межосевого расстояния на одном зубе f_ir” - разность между наибольшим и наименьшим действительными межосевыми расстояниями при двухпрофильном зацеплении измерительного зубчатого колеса с контролируемым колесом при повороте последнего на один угловой шаг. Измерение осуществляют на приборах для комплексного двухпрофильного контроля в беззазорном зацеплении (см. рисунок 1.2, в).

        Погрешность направления зуба Fb_r - расстояние между двумя ближайшими друг к другу номинальными делительными линиями зуба в торцовом сечении, между которыми размещается действительная делительная линия зуба, соответствующая рабочей ширине зубчатого венца или полушеврона. Контроль на измерительных центрах позволяет установить числовые значения погрешности направления зуба, а также по графической записи оценить продольную форму зуба на длине измерения (рисунок 1.3, а) - наличие конусности, бочкообразности, вогнутости, среза или фаски. При измерении теоретически точное прямолинейное направление зуба представляет собой прямую линию 1. Изогнутая линия 2 характеризует направление зуба с суммарной погрешностью Fb_r, которая может быть рассмотрена как погрешность формы f_fb и погрешность угла f_Hb [3].

        Контроль суммарного пятна контакта на зубьях проверяемого колеса обычно проводят при взаимном обкате в паре с сопряженным или измерительным колесом на контрольно-обкатном станке на номинальном межосевом расстоянии под нагрузкой. Относительные размеры суммарного пятна контакта задают в процентах от длины и высоты зуба. Для высоконагруженных зубчатых передач длину пятна контакта выбирают короче, чем для низконагруженных. Пятно контакта должно располагаться в центре по высоте и длине зуба и быть одинаковым на всех зубьях (рисунок 1.3, б).

     Правильная модификация зубьев предохраняет пятно контакта от выхода его на кромку зуба под нагрузкой. Суммарное пятно контакта, имеющее отклонения по форме и расположению, является причиной повышенного уровня шума и снижения долговечности работы зубчатой передачи [2].

Рисунок 1.3 -Схемы измерения норм контакта зубьев и бокового зазора.

        Гарантированный боковой зазор j_n min - наименьший предписанный боковой зазор (рисунок 1.3, в).

         Контроль бокового зазора между зубьями двух сопряженных колес выполняют на контрольно-обкатном станке (при номинальном межосевом расстоянии) с помощью индикатора.

        Измерительный  наконечник индикатора устанавливают перпендикулярно поверхности зуба. Покачивая колесо в пределах зазора при неподвижном сопряженном колесе, по индикатору определяют боковой зазор. Измерение осуществляют на четырех равномерно расположенных по окружности зубьях. Разность между наименьшим и наибольшим значениями будет соответствовать колебанию бокового зазора в передаче.

        Отклонение толщины зуба Е_Сs от заданного значения измеряют прямыми и косвенными методами. При больших допусках на боковой зазор и наладочных работах часто применяют прямой метод измерения кромочным зубомером. У прямозубых цилиндрических колес в торцовом сечении, а у косозубых в нормальном сечении измеряют толщину зуба по хорде на высоте зуба до хорды (рисунке 1.3, г). Так как контроль производят от поверхности вершин зубьев диаметром d_a, изготовляемой с отклонениями, то результаты измерения не отличаются высокой точностью.

        Косвенные методы измерения являются более точными. Отклонение толщины зуба можно определить при измерении длины общей нормали. Контроль выполняют между двумя (левой и правой) боковыми поверхностями зубьев, расположенными между несколькими зубьями, что исключает влияние погрешности изготовления заготовки. Измерения можно проводить непосредственно на зубообрабатывающем станке. При модификациях по длине зуба и несимметричных модификациях профиля измерять длину общей нормали не рекомендуется.

        Если зубчатая передача имеет маленький боковой зазор, то отклонение толщины зуба контролируют косвенно с установкой проверяемого колеса 4 (рисунке 1.3, д) по оси вращения, чтобы учесть биение и другие погрешности зубьев. При последовательном заглублении измерительного шарика 3 диаметром D_м во впадины вращающегося колеса определяют радиальный

размер по шарику М_rk. При этом шарик контактирует с поверхностями зубьев по окружности d_м .

        Измерительные приборы могут быть стационарными и переносными для контроля колес непосредственно на зубообрабатывающих станках.

        Косвенные измерения отклонения толщины зуба можно осуществлять приборами для комплексного двухпрофильного контроля в паре с измерительным колесом.

        У косозубых цилиндрических колес с узкими венцами невозможно точно измерить длину общей нормали. Отклонение толщины зуба у таких колес можно оценить контролем диаметрального размера М по роликам(шарикам). Измерение зубчатых колес с внешним и внутренним зацеплением выполняют микрометрами 1 (рисунке 1.4, а) со сменными вставками 2 или стационарными измерительными устройствами [3].

Рисунок 1.4 -Схемы измерения диаметрального размера по роликам (шарикам):

d_k – диаметр окружности, проходящей через центры роликов (шариков);

a_k – угол профиля на окружности d_k

     При четном числе зубьев колеса 4 (рисунок 1.4, 6) измерительные ролики 3 и 5 (шарики) устанавливают в две диаметрально противоположные впадины зубьев. При нечетном числе зубьев колеса 7 (рисунок 1.4, в) один ролик 6 смещают относительно другого ролика на угол π/2z . Этим методом можно контролировать зубья с модификациями по профилю и по длине зуба.

       Затруднительно  измерение зубьев в торцовом сечении непосредственно на станке. Диаметры роликов (шариков) можно принять: для колес внешнего D_м ≥ 1,68 т и внутреннего зацепления D_м > 1,5 т [2].

2 Современные тенденции в конструкции зубчатых колес и технологии их обработки

        Требования к точности изготовления зубчатого венца определяются эксплуатационными требованиями к зубчатому зацеплению. К этим требованиям укрупненно можно отнести: износостойкость, виброустойчивость, шумность, передаваемый крутящий момент, надежность и плавность. Все эти требования ужесточаются по мере развития техники. Соответственно, ужесточаются и требования по точности к зубчатым венцам и совершенствуются методы контроля этих требований.

        В настоящий момент совершенно  четко прослеживаются несколько  тенденций в изменении технологических  и точностных требований к зубчатым колесам. В основе лежит ужесточение требований к зубчатым передачам, обусловленное повышенными требованиями к конечному продукту, куда входят детали с зубчатым венцом (редукторам, коробкам передач):

• снижение стоимости;
• снижение уровня шума;
• снижение веса;
• снижение габаритных размеров;
• повышение надежности;
• увеличение передаваемого момента, мощности;
• улучшение динамических характеристик;
• повышение коэффициента полезного действия;
• увеличение срока службы;
• увеличение ремонтопригодности.

        Повышенные требования к изделиям  определяют соответствующее повышение  требований к зубчатым колесам, входящим в состав современных изделий. Отклонения отдельных параметров зуба и зубчатого венца влияют на функциональные возможности зубчатого колеса или пары колес в зубчатом зацеплении. Проще говоря, только зубчатое колесо с правильным эвольвентным профилем и точным шагом обеспечивает передачу вращения с постоянной угловой скоростью.

        Основные характеристики зубчатых колес, которые должны быть обеспечены конструктивными и технологическими методами:

• точность (динамика, плавность работы);
• долговечность;
• надежность;
• передача больших моментов (трение, высокие нагрузки,знакопеременные нагрузки);
• минимальная стоимость;
• дополнительные функции (синхронизация — наличие дополнительных венцов).

        Эти требования должны быть обеспечены соответствующим контролем в процессе изготовления деталей с зубчатыми венцами.

         Для обеспечения указанных требований к зубчатым колесам изменяется конструкция самих колес. В первую очередь это касается точности: сегодня в мире основную массу составляют колеса 5…7-й степеней точности. Другой тенденцией является наличие модификаций по профилю и линии зуба  (конструктивных заданных отклонений от исходных параметров). В отдельных случаях вводятся топографические модификации на всей поверхности зуба.

         Ужесточение требований к деталям с  зубчатыми венцами привело к тому, что за прошедшие 30 лет существенно изменилась технология обработки зубчатых колес. Появилась возможность реализовать более высокие требования к точности колес, что, в свою очередь, привело к дальнейшему ужесточению допусков. Попутно отметим, что новые технологии не только обеспечивают более высокое качество обработки, но и существенно увеличивают ее производительность. Мировые тенденции в увеличении точности и производительности обработки зубчатых колес представлены на рисунке 2.1 [5].

Рисунке 2.1 -Тенденции повышения качества и производительности обработки

        Применение цифровых систем управления позволило напрямую применить результаты измерения зубчатых колес для повышения качества. В традиционных технологиях повышение точности требовало изменения технологии, изменения конструкции приспособлений, ремонта и модернизации станков. Для станков с ЧПУ достаточно ввести в корректоры значения погрешности обработанной детали и при обработке следующей детали погрешности уже будут скомпенсированы. Таким образом, полученные в результате измерения зубчатого венца значения отклонений применяются в современной технологии для корректировки наладки станка. Целью этой корректировки может быть не только повышение качества обработанного  венца, но и оптимизация параметров зубчатого зацепления. Как следствие, методы и оборудование для контроля зубчатых венцов все глубже интегрируются в производственный процесс механической обработки.

          Еще одной причиной глубокой интеграции современных методов контроля является необходимость паспортизации и сертификации изготавливаемых деталей, особенно при изготовлении деталей по кооперации. Получатель продукции хочет быть уверен в ее качестве и требует предоставления сертификатов международного образца, дающих исчерпывающую информацию о качестве зубчатого венца. В конечном итоге получатель готового изделия (редуктора, коробки передач) должен быть уверен в качестве отдельных компонентов и иметь соответствующее документальное подтверждение. Кроме этого, должна быть обеспечена прослеживаемость результатов контроля качества, т. е. методы контроля, применяемые различными поставщиками, должны иметь единую основу и, при повторении измерений в другом месте, результаты измерений должны быть идентичны. Традиционные средства контроля не могут обеспечить подобную сертификацию и прослеживаемость.

         Подводя итог, сформулируем основные современные тенденции в измерении зубчатых колес:

• не просто измерение детали с заключением «годная — негодная», а анализ отклонений с обратной связью с производством
• более высокая точность измерений
• более высокая скорость измерения (в автомобильной промышленности не более 3 минут на деталь)
• возможность контроля непосредственно в производстве (сокращение времени ожидания решения)
• возможность измерения модификаций и топографии зуба
• внедрение новых стандартов измерения и оценки
• достоверность измерений
• выдача стандартизованных протоколов (прослеживаемость результатов
• на различных стадиях производства и при поставке изделия потребителю).

Эти тенденции привели к появлению новых методов контроля зубчатых венцов – зубоизмерительные машины [6].

3 Зубоизмерительные машины

        Зубоизмерительная машина является средством аналитического контроля отклонений зубчатого венца. Применение этого средства контроля обеспечивает оптимальное качество контроля и представления результатов проверки параметров зубчатого венца. Получаемые результаты дают полную информацию о причинах возникновения погрешностей и позволяют использовать эту информацию для соответствующей корректировки технологии изготовления детали. К недостаткам данного метода проверки следует отнести длительный цикл измерения и сложность в применении зубоизмерительной машины непосредственно около станка - являясь метрологическим средством очень высокой точности, машина требует установки в специально подготовленное помещение.