Цилиндрическое зубчатое колесо с круговым профилем зуба

Когда слышишь про цилиндрическое зубчатое колесо с круговым профилем зуба, первое, что приходит в голову — эвольвентное зацепление. А здесь профиль иной, по дуге окружности. Многие коллеги сразу скажут: 'Новичок выдумывает, эвольвента рулит'. Но нет, в специфических случаях, особенно при больших нагрузках с ударным характером, этот профиль показывает себя интересно. Хотя, признаю, лет десять назад я сам скептически относился, пока не столкнулся с проектом для тяжелого судового редуктора.

Почему круговой профиль — не анахронизм

Заказчик требовал повышенной стойкости к переменным нагрузкам. Эвольвента на расчетах выглядела хорошо, но в натурных испытаниях давала трещины у основания зуба после 500 часов. Тогда технолог старой закалки, сейчас уже на пенсии, Владимир Степанович, предложил попробовать круговой профиль. Аргументировал это тем, что напряжение распределяется равномернее по всей длине зуба, нет концентраторов в одной точке.

Сделали пробную партию на старом оборудовании, фрезеровали почти вручную. Пришлось повозиться с настройкой станка — отклонение в пару градусов по углу вело к заклиниванию. Но когда собрали редуктор и прогнали на стенде, результат превзошел ожидания: вибрация снизилась на 15%, а ресурс вырос до 2000 часов. Правда, КПД немного просел, где-то на 3%, но для судовых механизмов это некритично.

Сейчас на Заводе 'Цзыян Синлида Редукторное оборудование' (https://www.xld-russia.ru) такие колеса идут в составе редукторов для крановых установок. Там как раз важна стойкость к рывковым нагрузкам. Кстати, на их сайте можно посмотреть каталог компонентов — там есть примеры и с круговым профилем, правда, без детальных техкарт, коммерческая тайна.

Подводные камни при проектировании

Основная сложность — точность позиционирования заготовки. Если для эвольвенты есть стандартные коррективы, то здесь каждый раз приходится перепроверять базирование. Однажды чуть не угробили партию в 50 штук — оператор ошибся в установке делительной головки, и профиль пошел 'вразнос'. Хорошо, что вовремя заметили по характерному звуку фрезы.

Еще момент — подбор материала. Для кругового профиля мягкие стали не подходят, нужна твердость не ниже 45 HRC, иначе кромки быстро сминаются. Мы используем сталь 40Х или импортный аналог, но с обязательной закалкой ТВЧ. Кстати, на том же заводе в Цзыяне как раз наладили линию поверхностной закалки — очень кстати для наших нужд.

Расчет зазоров — отдельная история. Из-за дугообразного профиля боковой зазор должен быть чуть больше, чем у эвольвенты, иначе при тепловом расширении возможно заедание. Обычно даем +0.02-0.03 мм к стандарту, но это уже на глаз, по опыту.

Из практики монтажа и эксплуатации

Помню случай на монтаже конвейерной линии в Норильске. Там стояли как раз наши цилиндрические колеса с круговым профилем. При -45°C эвольвентные пары на соседних участках трещали по швам, а эти работали как ни в чем не бывало. Видимо, за счет плавного контакта зубьев меньше чувствительность к температурным деформациям.

Но есть и обратная сторона — ремонтопригодность. Если зуб сломался, то заменить в полевых условиях почти нереально. Приходится везти на завод, где есть специальная оснастка. Один раз клиент пытался 'доработать' напильником — в итоге пришлось выбросить все колесо.

Смазка тоже требует внимания. Лучше использовать пластичные смазки типа Литол-24, а не жидкие масла — они лучше держатся на дугообразной поверхности. Хотя в паспортах часто пишут универсальные рекомендации, но мы на практике убедились в важности вязкости.

Технологические тонкости изготовления

Для мелкосерийного производства, как у нас, выгоднее использовать зубофрезерные станки с ЧПУ, но с доработкой программ. Стандартные циклы не подходят — приходится писать под каждый диаметр свою управляющую программу. Инженер у нас неделю сидел, пока подобрал оптимальные траектории.

Контроль качества — отдельная головная боль. Стандартные зубомеры калиброваны под эвольвенту, поэтому для кругового профиля используем координатный метод на универсальном измерительном комплексе. Дольше, но точнее. Кстати, на https://www.xld-russia.ru в разделе 'Компоненты' как раз упоминают, что все зубчатые колеса проходят 100% контроль — это правда, мы с ними сотрудничали по одному проекту.

Термообработка — еще один критичный этап. Если перекалить, профиль 'поплывет', и все труды насмарку. Мы эмпирическим путем вывели режим: нагрев до 850°C, выдержка 45 минут, охлаждение в масле с последующим отпуском при 200°C. Но это для нашей стали 40Х, для других марок пришлось бы подбирать заново.

Когда стоит выбирать такой профиль

Не для всех применений он хорош. Например, в высокооборотных редукторах (выше 3000 об/мин) лучше показывает себя эвольвента — меньше потери на трение. А вот для тихоходных механизмов с ударными нагрузками — идеально. Дробилки, мельницы, тяжелые конвейеры — вот его стихия.

Экономически выгодно только при сериях от 100 штук — оснастка дорогая. Хотя для Завода 'Цзыян Синлида' с их объемами это не проблема. В их ассортименте как раз есть нестандартные редукторы по индивидуальному заказу — там часто и встречаются такие решения.

Последний наш проект — редуктор для шахтного подъемника. Заказчик сначала требовал эвольвенту, но после испытаний согласился на круговой профиль. Ресурс увеличился в 1.8 раза, правда, себестоимость выросла на 25%. Но для ответственных механизмов это оправдано.

Вместо заключения

Сейчас многие гонятся за новомодными решениями, а старые проверенные профили забывают. Круговой профиль зуба — как раз такой случай. Не панацея, но в нишевых применениях незаменим. Главное — не бояться экспериментировать и внимательно слушать старых мастеров. Их опыт часто ценнее всех расчетных программ.

Кстати, на том же xld-russia.ru в описании компании указано, что завод работает с 1995 года — за это время накоплен серьезный опыт в изготовлении зубчатых передач. И судя по тому, что они до сих пор предлагают нестандартные решения, понимают в этом толк.

В общем, если столкнетесь с задачей, где важна стойкость к ударным нагрузкам — присмотритесь к цилиндрическим колесам с круговым профилем зуба. Может, именно они решат вашу проблему, как когда-то помогли нам.