Полимерни зъбни предавки – част 2

Механични системиСп. Инженеринг ревю - брой 1/2019 • 05.03.2019

Полимерни зъбни предавки – част 2
Полимерни зъбни предавки – част 2

В първата част на материала, публикувана в брой 9/2018 на списание Инженеринг ревю, бяха разгледани спецификите на полимерните зъбни предавки, характеристиките на използваните материали, както и техните предимства и недостатъци. Продължението на статията поставя акцент върху различните им сфери на приложение, както и върху някои технологични особености и специфики при тяхното производство.

 

Област на приложение

Различните видове полимери са подходящи за различни приложения. Шприцованите зъбни колела и детайли за зъбни предавки от ацетали са често използвани в домакински уреди като шредери за хартия, диспенсери за лед в хладилници, мастилено-струйни принтери и електрически инструменти за домашна употреба. Ацеталовите съединения са предпочитан избор за такива приложни употреби поради ниската цена за формоване на хиляди еднакви детайли, а материалът се отличава с висока здравина при различни условия на работната среда, включително ниски температури.

Произведените чрез механична обработка елементи за зъбни механизми от полиамид са препоръчителни за приложения, при които се изискват по-голям въртящ момент и по-висока мощност на предавката. Такива приложения са механизми в лентови транспортни системи, опаковъчно оборудване, средства за индустриална автоматизация и др.

Основни предимства на полиамидите в тези системи са по-безшумната работа на зъбните предавки и по-добрите свойства на елементите да поглъщат вибрации. Полиамидни зъбни колела могат да се използват и като предпазни механизми в сложни задвижвания, осигуряващи системата срещу преустановяване на действието поради повреда на отделни елементи.

Когато се проектират с такава функция, пластмасовите зъбни колела или предавки служат като лесно заменим елемент на системата, който може да я предпази (особено по-скъпите й компоненти) от фатална повреда. Когато системата бъде подложена на пиково натоварване, надвишаващо допустимото, първият елемент, който ще се повреди, е полиамидното зъбно колело. Така с цената на един изключително евтин детайл може да се защити критично комплексно задвижване, струващо хиляди.

 

Технологични особености

Зъбното колело, което се използва за предаване на въртеливото движение заедно с основното пластмасово зъбно колело в един предавателен механизъм, може да е изработено от пластмаса или от метал. Двойка пластмасови зъбни колела в предавката се използват само в по-леки приложения с по-малки натоварвания.

За по-големи натоварвания е добре зъбното колело на входящия вал да бъде изработено от закалена стомана, тъй като тя бързо разсейва топлината, генерирана вследствие на триенето. Колкото по-твърда е стоманата, толкова по-бавно се износват зъбните колела. Специалистите препоръчват качество на повърхността (дълбочина на грапавините) Rt = 8 до 10 mm както за сухи, така и за приложения със смазване.

Задвижващият пиньон обикновено е подложен на по-високо натоварване и е препоръчително да бъде изработен от по-износоустойчив материал (например стоманен пиньон и пластмасово колело на изходния вал или полиамиден пиньон и ацеталово зацепващо колело). Автоматичното смазване е ключово за значително подобряване на устойчивостта на счупване и жизнения цикъл на зъбния предавателен механизъм.

Разликата в нивата на работния шум между предавка със стоманено и пластмасово зъбно колело в сравнение с механизъм, при който и двете зъбни колела са метални, може да достигне 9 dB. Стоманените зъбни двойки могат да генерират до три пъти повече шум в сравнение със смесените предавки. А в практиката шумът означава и износване.

Полимерните материали, които съдържат добавени масла, осигуряват по-дълга експлоатация на зъбните колела в сравнение с останалите пластмаси. Непрекъснатото смазване с масло може да доведе до по-добро разсейване на топлината, генерирана вследствие на триенето, и по-продължителен полезен живот на механизма в комбинация с по-висока устойчивост на натоварвания. При смазване с греси периферната скорост не трябва да е по-голяма от 5 м/сек, така че предавката да не изхвърли греста. Полиамидните зъбни механизми не е препоръчително да бъдат охлаждани с вода, тъй като материалът може да абсорбира част от водата и размерите му да се променят, което да доведе до повреда или отказ на механизма.

 

Производство и конструкция

Пластмасовите зъбни колела се произвеждат посредством същите методи на механична обработка като металните им аналози, най-често фрезоване и нарязване с червячна фреза. Тези детайли обикновено се изработват на два етапа. В първия се получава ротационен детайл с формата на зъбното колело и с необходимите размери на диаметър и широчина.

Оформянето на зъбите и междузъбията става с помощта на специализирани инструменти и модулни фрези на зъбонарезни и зъбошлифовъчни машини. Ниските сили на рязане позволяват големи скорости на подаване на материал с цел намаляване на производствените разходи. Фрезоването с високи скорости на подаване може да доведе до вълнообразна, груба повърхност, която да изглежда недостатъчно добра с оглед на дългосрочната ефективност. Товароносещите повърхности на пластмасовите зъби на зъбните колела обаче ще се изгладят дори при работа без смазочна течност.

Подобна вълнообразна повърхност може да създаде и ниши, в които да се задържа смазочният флуид, но това на практика не влошава експлоатационните характеристики на зъбното колело. Така класът повърхностно качество на пластмасовите зъбни колела може да бъде доста по-нисък от този при металните поради пластичността и еластичността на първите. Хлабините при пластмасовите колела могат да бъдат увеличени при изработка с оглед на бъдещото влияние на температурата и влагата върху размерите на елемента.

Освен за цилиндрични колела, инженерните пластмаси могат да бъдат използвани и за производство на конични или червячни зъбни колела. Челната ширина на зъба на пластмасовото зъбно колело може да съвпада с диаметъра на колелото, като специалистите препоръчват тя да е поне шест до осем пъти по-голяма от модула на колелото (отношението на делителния диаметър към броя на зъбите). Минималната ширина е ограничена от аксиалната стабилност на зъбните колела.

 

Експлоатационни съображения

Винтовите зъбни колела обикновено работят по-тихо с по-малък ъгъл на наклон на зъбите в сравнение с цилиндричните колела с прави зъби. Увеличаването на капацитета на натоварване при такава конструкция обаче е по-малко в сравнение с резултатите, които биха могли да бъдат постигнати със стоманено зъбно колело. Линията на челен контакт при смесена двойка от стоманено и пластмасово зъбно колело може да бъде по-дълга и няколко зъба да зацепят едновременно, но така натоварването върху зъбите на пластмасовото колело ще се разпредели неравномерно и те ще се деформират.

Специфичните съображения при проектирането на хлабините във връзка с вида на полимерния материал е добре да се основават на точна информация за поведението му под въздействието на топлина и влага. Важно е да се гарантира минимален мъртъв ход.
Зъбните колела и елементи за зъбни предавки, изработени от термопласти, се повреждат преждевременно по същите причини, по които и стоманените им аналози. Ето защо изчисляването на прогнозния полезен живот на полимерните зъбни механизми следва същите принципи като този на металните.

Единствената разлика е, че се отчитат и някои специфични за полимерния материал свойства в ролята им на очаквани коригиращи фактори. Изчисленията по отношение на въртящия момент, периферна сила и скорост използват същите формули като тези при стоманените зъбни колела.

Що се отнася до очакваната температура на тялото на зъбите при непрекъсната работа, тя е определящ фактор за допустимото натоварване и деформация на основата на зъба. Температурата на челната повърхност на зъбите позволява приблизително изчисление на очакваните темпове на износване, но прецизното им определяне е трудно. Коефициентът на топлопредаване при въртящо се зъбно колело също може да бъде изчислен само приблизително.

Така понякога изчислението на очакваната температура на челната повърхност на зъбите при дадени работни условия може да доведе до получаване на много високи стойности, по-високи дори от температурата на топене на съответната пластмаса. На практика обаче такива явления са почти невъзможни. В сравнение с непрекъснатата работа периодичните натоварвания върху пластмасовите зъбни колела спомагат за по-малко генерирана топлина, което съдейства за по-голямата им устойчивост на натоварвания.

Top