Требования к все более компактным зубчатым колесам или более высокой плотности мощности неуклонно растут в зубчатой и трансмиссионной промышленности. Это относится как к мобильным, так и к стационарным приложениям. В дополнение к различным типам коробок передач или оптимизированной конструкции с помощью модификаций, всегда возникает вопрос о материале и его свойствах. Становится ясно, что свойства материала играют все более важную роль в разработке коробки передач. Закаленная сталь 18CrNiMo7-6 очень часто используется для высокопроизводительных коробок передач, закаленных в корпусе. В течение некоторого времени шведская компания Ovako Stahl предлагает в этом случае закаливающуюся сталь более высокого качества или в версиях высокой чистоты. Каковы возможности для проектирования цилиндрических зубчатых колес и на что следует обратить внимание?
Картинная галерея
Картинная галерея с 7 картинками
Интегрированные стали высокой чистоты
Шведская компания Ovako, среди прочего, является производителем инженерных сталей для подшипников качения и зубчатой передачи, а также входит в японскую сталелитейную группу Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation. В тесной координации с Ovako GWJ Technology интегрировала две высокочистые стали 159X и 159Q в свои программные решения для выключения зубчатых колес, то есть в веб-решение Eassistant, в настольном приложении TBK и в специальном программном обеспечении Gearengineer для 5-осевого фрезерования зубчатых колес.
расчет
Новая сталь для передач
Связь между качеством стали и сроком службы компонентов
Качество стали оказывает большое влияние на срок службы компонента. Опыт показал, что неметаллические включения могут инициировать постоянные разрывы. Если проанализировать данные, становится ясно, что для более крупного дефекта требуется более низкое напряжение, чтобы инициировать усталостный разрыв по сравнению с более мелким дефектом.
Если сравнить чистоту обычной стали и стали высокой чистоты с использованием ультразвукового сканирования с частотой 10 МГц, различия будут очевидны. Для обычной стали содержание серы обычно составляет от 200 до 400 ч / млн (ч / млн = частей на миллион). Для высокочистых сталей класса качества Ovako содержание серы составляет от 80 до 100 частей на миллион. Благодаря сверхвысокой чистоте стали IQ качества Ovako содержание серы составляет всего около 10 частей на миллион.
Положительный эффект высокочистых сталей
159X и 159Q основаны на закаленной стали 18CrNiMo7-6. Стали BQ (или роликовые подшипниковые стали), такие как 159X, являются высокочистыми сталями, в которых размер дефектов уменьшается. Влияние уменьшенного размера отложений позволяет уже существующим компонентам увеличить срок службы и / или увеличить передаваемый крутящий момент.
Стали IQ, такие как 159Q, представляют собой изотропные стали высокой чистоты с небольшими и изолированными отложениями. Чистота сравнима с переплавленной или переплавленной сталью. Небольшие ровные отложения приводят к изотропным свойствам. Сталь IQ устойчива к высоким нагрузкам во всех направлениях и идеально подходит для сложных нагрузок, таких как зубчатые передачи.
Прокаливаемость и обрабатываемость высокочистых сталей
Прокаливаемость и обрабатываемость аналогичны обычным сталям. Поскольку две стали 159X и 159Q основаны на 18CrNiMo7-6, они также сопоставимы с этим с точки зрения прокаливаемости и обрабатываемости. Обрабатываемость также может быть лучше (в зависимости от используемых инструментов), в любом случае не хуже. Для сопоставимой обрабатываемости важно, чтобы используемый инструмент был пригоден для высоких температур обработки. Загрязнение в обычных сталях приводит к кратковременному разрушению стружки во время обработки. Очень низкая доля примесей в стали высокой чистоты значительно усложняет разрушение стружки, поскольку стружка не может просто сломаться. Для этого чип должен светиться при более высокой скорости подачи и, следовательно, при более высоких температурах, чтобы он откололся.
Коробка передач / сборник
Разрабатывать, оптимизировать и разбираться в коробках передач
Изменяя пропорции легирующих элементов, т.е. уменьшая Si, Mn и Cr, которые по существу ответственны за внутреннее окисление, и одновременно увеличивая Ni и Мо, которые поддерживают прокаливаемость, получают сталь с мартенситной микроструктурой.
Более высокая боковая поверхность зуба и несущая способность корня зуба
Из-за значительно меньшего количества примесей высокочистые стали имеют модифицированные кривые Вёлера. Другими словами, в статической области обе стали сопоставимы с 18CrNiMo7-6. В диапазоне усталостной прочности 159Q предлагает примерно на 30% более высокую производительность для боковой нагрузки и на 60% большую прочность для корня зуба.
Компания Ovako провела различные испытания, чтобы продемонстрировать улучшенные механические свойства сталей высокой чистоты. Испытание на изгиб при циркуляции показывает явные отличия от обычной стали. Дальнейшие попытки, такие как B. Испытания пульсатора в WZL Aachen и FZG Munich подтвердили внутренние расследования Овако.
Для существующих конструкций
Сталь 159Х имеет немного меньшее увеличение производительности по сравнению с 18CrNiMo7-6 и поэтому хорошо подходит, среди прочего, для улучшения существующих конструкций. Потенциал 159Q может быть использован, в частности, с новыми проектами. Это может быть преимуществом, чтобы сосредоточиться на оптимизированной несущей способности. В дополнение к более высокой плотности мощности это обычно приводит к повышению эффективности передачи и, следовательно, снижению потерь мощности.
Преимущества, особенно в диапазоне усталостной прочности
Чтобы сделать эти высокочистые стали доступными для расчета несущей способности зубчатых колес, в дополнение к обычным параметрам материала, необходимы прочностные характеристики для бокового давления Sigma_Hlim и напряжения изгиба корня зуба Sigma_Flim.
Однако следует также отметить ход кривой Вёлера для этих сталей высокой чистоты, который отличается от ISO 6336. В статическом или квазистатическом диапазоне стали высокой чистоты не лучше, чем обычные стали. Другими словами, преимущества действительно вступают в действие только в конце (последней трети) диапазона усталостной прочности или, в частности, в диапазоне усталостной прочности.
Каковы потенциалы в дизайне?
Чтобы выяснить потенциал высокочистых сталей, был проведен сравнительный расчет на основе цилиндрической зубчатой передачи и планетарной ступени, а затем проведено сравнение. В первом примере рассматриваются различные варианты пары цилиндрических зубчатых колес. Все четыре варианта были разработаны таким образом, чтобы были соблюдены указанные минимальные уровни безопасности. На картинке напротив показаны соответствующие результаты.
- Геометрические размеры, такие как модуль, межосевое расстояние и количество зубьев, идентичны для варианта 1 и варианта 2. Разница, однако, заключается в выборе материала. В то время как вариант 1 использует 18CrNiMo7-6 закаленный материал для колеса и шестерни, вариант 2 использует сталь Ovako 159Q. В результате крутящий момент в варианте 2 может быть увеличен с 300 Нм до 560 Нм. Здесь значительное увеличение производительности почти вдвое может быть достигнуто путем замены материала на сталь высокой чистоты.
- Вариант 3 и вариант 4 изменяют не только материал, но и геометрию, чтобы добиться уменьшения компонентов при сохранении той же нагрузки. Во-первых, только вариант уменьшен с 3 до 2,25 в варианте 3. Как видите, межцентровое расстояние было уменьшено из-за меньшего нормального модуля. Эффективность минимально ниже. Это 98,4684%.
- В варианте 4 модуль теперь дополнительно уменьшен до 1,5, и в то же время число зубьев (z1 = 27, z2 = 89) увеличено. Ширина зуба затем уменьшается с 40 мм до 35 мм, нагрузка остается прежней. В результате вариант 4 даже имеет улучшенную эффективность 99,0259%.
- Существуют также значительные различия с точки зрения массы. Для варианта вывода 1 модуль 3 дает массу для шестерен 395 г, в варианте 3 и модуле 2,25 массу можно уменьшить до 212 г, а в варианте 4 с модулем 1,5 - даже 144 ГРАММ.
Как насчет материальных затрат?
Чтобы ответить на вопрос о материальных затратах, полезно проиллюстрировать это на следующем примере. С гипоидным зубчатым колесом материал шестерни заменяется. Это недорогая альтернатива, и вся конструкция может быть использована без каких-либо геометрических изменений. Если вы посмотрите на коробку передач с этой точки зрения, вы можете легко получить простое сравнение общей стоимости. Следует отметить, что здесь используются относительные числа, чтобы облегчить сравнение. Однако опыт показал, что это имеет смысл и является достаточно масштабируемым для легких и тяжелых коммерческих автомобилей.
Более высокая стоимость за счет улучшенного напряжения при изгибе корня зуба
Стоимость готовой к сборке шестерни, изготовленной из обычной стали, установлена на значение индекса 100. Цена на сталь относится к прокатным стальным пруткам, включая сборы за отходы и сплав. Приведенная ниже таблица показывает, что, хотя затраты на сталь BQ и сталь IQ несколько выше, чем на обычную сталь, напряжение изгиба корня зуба увеличивается на 20% и 64% соответственно. Таким образом, сталь высокой чистоты обеспечивает значительное улучшение характеристик в диапазоне усталостной прочности. Это позволяет уменьшить размеры отдельных компонентов и систем при сохранении производительности или продлить срок службы существующей конструкции.
Сравнение затрат на примере цилиндрического зубчатого колеса и ступени планеты
Аналогично предыдущему примеру для сравнения затрат, это было перенесено на пример с цилиндрической зубчатой передачей. На следующем рисунке показан обзор сравнения четырех различных вариантов пары цилиндрических зубчатых колес с точки зрения модуля, крутящего момента, эффективности, веса и цены материала. Вариант 4 с высококачественной сталью 159Q и наименьшим модулем обеспечивает максимальную эффективность 99,0259%. Вес 144 г., цена материала около 40% от первоначального варианта 1.
Другой пример - планетарная стадия. Рассматриваются два варианта. В варианте 1 материал 18CrNiMo7-6 используется для солнца и планет, для зубчатого колеса 31CrMoV9 выбран азотированный. Вариант 2 использует высокочистую сталь 159Q от Ovako для создания солнца и планет. Материал для зубчатого венца остается одинаковым для обоих вариантов. Крутящий момент составляет 300 Нм каждый. Указанные минимальные уровни безопасности были соблюдены.
Изменяя материал на сталь высокой чистоты, размер планетарной ступени может быть уменьшен при сохранении первоначальной нагрузки в 300 Нм. Для дальнейшей оптимизации планетарной ступени модуль можно постепенно уменьшить с 2 до 1,25, при этом количество зубьев на планетах, солнце и зубчатом колесе увеличивается. Углы спирали и давления остаются прежними. Ширина зуба затем оптимизируется. Результатом является планетарная стадия, которая имеет значительно меньшие размеры.
Пользователь встречает промышленные редукторы Как механический компонент, редуктор является элементарным элементом в трансмиссии. Как правильно выбрать коробку передач и как интеграция работает без ошибок, показано на нашей встрече с промышленными коробками передач.
Дополнительная информация: встреча пользователей промышленных редукторов
Меньший компонент - меньший вес - снижение затрат
Меньшие размеры компонентов также значительно уменьшают вес. В то время как вес первого варианта составляет 2,221 кг, вес второго варианта составляет всего 1,328 кг. Меньший и более компактный дизайн также отражается на стоимости материалов. Затраты на материалы для высокочистой стали составляют около 64% по сравнению с вариантом 1.
Высокочистые стали открывают новые возможности дизайна
В целом, надежность существующих компонентов может быть увеличена за счет использования сталей высокой чистоты. При условии, что причины возможного отказа не являются, например, B. плохие поверхности или смещение. В дополнение к повышению надежности возможная нагрузка на уже существующие компоненты также может быть уменьшена путем замены материала на стали высокой чистоты, например. Б. 159Q, увеличение. Это приводит к небольшому увеличению стоимости материалов, но обеспечивает дополнительный выигрыш в передаваемом крутящем моменте.
В качестве альтернативы, компоненты могут быть уменьшены при сохранении исходных нагрузок. Это приводит к соответствующему снижению материальных затрат из-за уменьшения массы компонента, как показывают представленные примеры. Таким образом, стали высокой чистоты открывают новые возможности дизайна и изготовления, которые могут привести к более высокой плотности мощности при тех же или меньших затратах.
Обзор 1-го совещания пользователей промышленного оборудования
С правильной коробкой передач для эффективной трансмиссии
Книга «Практическое руководство по проектированию привода» помогает в выборе основных компонентов систем электропривода: двигателя, коробки передач, привода, сетевого питания и их дополнительных компонентов. Расчет также ведется интенсивно.
Дополнительная информация по теме литературы
[1] Dipl.-Ing. Гюнтер Везер; GWJ Technology GmbH, Брауншвейг; Лекция на встрече пользователей IndustrieGETRIEBE 2019 "Тенденции развития трансмиссии: потенциал сталей высокой чистоты"
[2] документы компании Ovako AB; Овако А. Б.; www.ovako.com
[3] Эрик Клаэссон, Лили Камжу, Элиас Лотман; Овако А. Б.; «Усталость - общий враг компонентов силовой передачи»
[4] Лили Камжу, Патрик Олунд, Эрик Клаессон, Йоаким Фагерлунд, Гарри Викс, Матс Веннмо, Ханс Ханссон; Овако А. Б.; «Инновационный дизайн стали и механическая обработка передовых инженерных сталей»; Gear Gear, август 2016
[5] Пресс-релиз GWJ Technology GmbH «Новая сталь для зубчатых колес», март 2019 г.
[6] документы компании GWJ Technology GmbH; GWJ Technology GmbH; www.gwj.de
[7] www.eAssistant.eu, www.tbksoft.com, www. GearEngineer.eu
* Дипл.-инж. Гюнтер Везер, управляющий директор GWJ Technology GmbH, 38114 Брауншвейг