Vaihdevälityksen ja kosketusanalyysin modifiointi: Tarkkanäköisen välityksen ydin

1. Miksi hammaspyöriä tarvitaan muokata?

• Valmistus- ja asennusvirheet : Hammastuotannon mittapoikkeamat tai kohdistusvirheet asennuksessa aiheuttavat epätasaisen kahden hammaspyörän kosketuksen.
• Kimmoisa muodonmuutos : Kuormitukseen hammaspyörät ja akselit taipuvat tai vääntyvät, mikä johtaa kosketuksen siirtymiseen.
• Dynaaminen isku : Kosketukseen tullessa ja siitä poistuttaessa äkilliset kosketuskohdan muutokset aiheuttavat iskun, joka vahingoittaa öljykalvoa ja voi korkeassa lämpötilassa aiheuttaa hammaspinnan karjottamista.

2. Hammaspyörämuokkauksen tyypit

Yleisten muokkauksien keskeiset tiedot

• Hampaan jäljen muokkaus : Keskittyy hampaan leveyssuuntaan. Yleisin muoto on hampaiden viimeistely (tambuurimainen muokkaus), jossa hampaan pintaan luodaan lievä "tambuuri"-muoto kompensoimaan akselin taipumista kuorman alla ja takaamaan tasaisen kosketuksen. Tyypillinen kaava viimeistelyn määrälle on: \(C_β = 0,5 × 10^{-3}b + 0,02m_n\) (jossa b = hammasleveys millimetreinä; \(m_n\) = normaalimoduuli millimetreinä).
• Hampaan profiilin muokkaus : Optimoi hampaan korkeussuuntaa. Se sisältää pitkän muokkauksen (siirtymä alusta/lopusta yhden/kaksoishampaaseen) ja lyhyen muokkauksen (puolet pitkän muokkauksen pituudesta). Metallihampaissa käytetään yleensä lyhyttä muokkausta tehokkuuden parantamiseksi, kun taas muovihampaissa suositaan pitkää muokkausta.
• Yhdistelmämuokkaus : Yhdistää hampaan jäljen ja profiilin muokkaukset. Monimutkaisissa tilanteissa, kuten tuulivoimapyörrejä vastaan, tämä menetelmä tasapainottaa kuorman jakautumista, iskujen vähentämistä ja dynaamista stabiilisuutta, saavuttaen parempia tuloksia kuin yksittäinen muokkaus.

3. Tehokkaan muokkauksen suunnitteluperiaatteet

1. Kuorman kompensointiperiaate : Muutoksen määrä ≈ kimmoisa muodonmuutos + valmistusvirhe, takaen hammaspinnan täydellisen istumisen todellisen kuorman alla.
2. Dynaaminen tasaantumisperiaate : Huipusta huippuun -välitysvirhe ≤ 1 μm/luokka, minimoimalla värähtelyn aiheuttamista.
3. Kontaktitasapainoperiaate : Kontaktialueen suhde ≥ 60 %, välttäen jännityskeskiöitä.

4. Hammasliitännän kontaktianalyysi: Muutosten vaikutuksen arviointi

Ydinteoriat ja menetelmät

• Hertzin kontaktiteoria : Laskee kosketuspuolikkaan leveyden ja jännitysjakauman hampaiden pintojen välillä ja luo pohjan jännitysanalyysille.
• Numeeriset analyysimenetelmät :
  • Analyyttinen menetelmä: Nopea mutta likimääräinen, sopii alustaviin arvioihin.
  • Elementtimenetelmä: Korkea tarkkuus, ideaali yksityiskohtaiselle jännitysanalyysille.
  • Reunaelementtimenetelmä: Tehokas kontaktijännityksen laskemiseen.
  • Monen kappaleen dynamiikka: Arvioi järjestelmän dynaamista suorituskykyä käyttöolosuhteissa.

Avainindikaattorit

• Maksimikosketusjännitys (σHmax) : Suoraan yhteydessä hampaanpinnan väsymisikään.
• Kosketusalueen muotokerroin (λ) : Kontaktialueen pituuden ja leveyden suhde, joka kuvaa kuorman tasaisuutta.
• Käyttövirhe (TE) : Väännettävyys/virheiden vuoksi tarvittava lisäetäisyys hammasparin kohdistamiseen, joka on tärkeä tärinän lähde.

5. Muokkauksen käytännön vaikutukset: Tapaustutkimukset

• Tuulivoimakilvet (hammasleveys 200 mm) : Kasaantumismäärän kasvaessa (0→30 mm), maksimikontaktijännitys laski 1250 MPa:sta 980 MPa:aan, ja tärinäkiihtyvyys laski 15,2 m/s²:sta 9,5 m/s²:een.
• Autojen vaihdelaatikot (moduuli 3,5) : Paraabelimainen profiilimuokkaus vähensi iskua 35 % ja melua 3,2 dB; korkeamman asteen käyrämuokkaus saavutti 52 %:n iskun vähennyksen.
• Ilmailuhammaspyörät : Komposiittimodifikaatio vähensi kontaktijännityksen epätasaisuutta 58 %:sta 22 %:iin, välitysvirheen huippu-arvosta huippuun 2,4 μm:stä 1,1 μm:iin ja värähtelyenergiaa 2000 kierroksella 68 %.

6. Koneenrakennuksen sovellukset ja verifiointi

• Staattinen paine-menetelmä : Käytetään punaista lyijyväriä (10–20 μm paksu) 30 %:n nimellisvääntöä varten tarkasteltaessa kontaktikuvioita.
• Dynaamiset testausjärjestelmät : Kuituoptiset siirtymäanturit (0,1 μm:n resoluutio) ja nopeat infrapunalämpömittarit (1 kHz:n näytteenotto) seuraavat reaaliaikaista hammaspyörävälitystä.

• Sähköautojen vähennyspyörät : Epäsymmetrinen profiilimuokkaus (+5 μm kuormituksessa) ja 30°×0,2 mm hampaanreunaviistot vähensivät melua 7,5 dB(A):lla ja paransivat hyötysuhdetta 0,8 %:lla.
• Merigear-pyörät : Suuri pyöristys (40 μm) ja kompensoiva hammaspyöräkulman korjaus (β' = β + 0,03°) paransivat jakauman tasaisuutta <15 % ja pidentivät käyttöikää 2,3-kertaiseksi.

Johtopäätös

• Optimaalinen pyöristysmäärä on tyypillisesti 1,2–1,5 kertaa joustavan muodonmuutoksen suuruinen.
• Yhdistelmämuokkaus on ylivoimainen yksittäiseen muokkaukseen verrattuna 30–50 %.
• Muokkauksen tulee perustua todelliseen kuormitusprofiiliin ja sen tulee olla vahvistettu kontaktikokein.