Методика расчета зубчатого зацепления из композиционных материалов

Современные отрасли машиностроения, включая аэрокосмическую, автомобильную и робототехнику, характеризуются динамичным развитием, что предъявляет к механическим передачам все более высокие требования. Основными аспектами проектирования таких передач становятся не только традиционные параметры прочности и надежности, но и минимизация массы и габаритных размеров, снижение уровня шума и вибраций, а также увеличение ресурса в условиях экстремальных нагрузок. В этом контексте традиционные материалы на основе металлов и сплавов зачастую достигают эксплуатационных пределов. Предложена усовершенствованная методика расчета контактной прочности зубчатых передач, в которых одно зубчатое колесо изготовлено из композиционных материалов, а другое — из стали. Существующие подходы, основанные на классической теории Герца, не в полной мере учитывают анизотропные свойства композиционных и функционально-градиентных материалов. Разработана механико-математическая модель, которая рассматривает контакт зуба жесткого (стального) колеса с зубом колеса из композиционного материала как задачу о вдавливании жесткого цилиндра в ортотропную или градиентную полуплоскость. Выведены аналитические выражения для определения напряженно-деформированного состояния, включая распределение нормальных и максимальных касательных напряжений по глубине зуба. Методика апробирована на примере расчета зубьев из ортотропного материала (армированного стекловолокном) и функционально-градиентного материала с переменным модулем упругости.
EDN: JGRURH, https://elibrary/jgrurh

Литература

[1] Belousov Yu.V., Shambina S.L., Rekach F.V. Development of methodology for calculation of permissible stresses for evaluation of contact strength of cylindrical gears in case of overload. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 2019, vol. 675, art. 012068, doi: https://doi.org/10.1088/1757-899X/675/1/012068

[2] Polyakov S.A., Kuksenova L.I., Alekseeva M.S. Methodological foundations for choosing the materials for gears according to wear resistance criteria. J. Mach. Manuf. Reliab., 2019, vol. 48, no. 4, pp. 328–335, doi: https://doi.org/10.3103/S1052618819040125

[3] Zakharov M.N., Ermolaev M.M., Kuralina N.N. Using plastic pinions with a steel wrapper in planetary cycloid gears. Russ. Engin. Res., 2023, vol. 43, no. 10, pp. 1173–1117, doi: https://doi.org/10.3103/S1068798X23100398

[4] Старжинский В.Е. Пластмассовые зубчатые колеса в механизмах приборов. Санкт-Петербург, Гомель, ИММС, 1998. 537 с.

[5] Фролов К.В., ред. Теория механизмов и механика машин. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. 566 с.

[6] Каргин П.А. Проектирование и испытание самотормозящейся зубчатой передачи. Вестник машиностроения, 2008, № 12, с. 3–6.

[7] Красовский А.Б. Основы электропривода. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019. 408 с.

[8] Тимофеев Г.А. Варианты самоторможения и модификации цилиндрических самотормозящихся зубчатых передач. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2023, № 4, с. 55–67. EDN: HRKFVE

[9] Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. Москва, Альянс, 2008. 639 с.

[10] ГОСТ Р 50779.27–2017. Статистические методы. Распределение Вейбулла. Анализ данных. Москва, Стандартинформ, 2017. 57 с.

[11] Шишмарев В.Ю. Надежность технических систем. Москва, Юрайт, 2018. 306 с.

[12] Когаев В.П., Махутов Н.А., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность. Москва, Машиностроение, 1985. 224 с.

[13] Lin C., Xia X., Li P. Geometric design and kinematics analysis of coplanar double internal meshing non-circular planetary gear train. Adv. Mech. Eng., 2018, vol. 10, no. 12, doi: https://doi.org/10.1177/1687814018818910

[14] Набатников Ю.Ф. Обеспечение точности соединений деталей машин методом межгрупповой взаимозаменяемости. Вестник машиностроения, 2012, № 11, с. 43–51.

[15] Нейдорф Р.А., Черногоров И.В., Полях В.В. и др. Экспериментальное исследование возможностей решения многоэкстремальных задач оптимизации эвристическими методами. Вестник ДГТУ, 2015, т. 15, № 4, с. 82–93, doi: https://doi.org/10.12737/16074