Двухступенчатый планетарный редуктор с модифицированным профилем зуба и его виртуальное моделирование

Работа посвящена созданию компактной конструктивной схемы планетарного редуктора, с максимально возможным передаточным отношением и имеющего два выходных вала. 3D моделирование, модификация профиля зубьев шестерни, балансировка редуктора, потери на трение и КПД, определение смазки и динамический анализ работы редуктора.

Введение ……………………………………………………………………………………………………………… 14
Актуальность работы …………………………………………………………………………………………. 15
Цель работы ……………………………………………………………………………………………………… 15
Научная новизна ……………………………………………………………………………………………….. 16
Практическая значимость …………………………………………………………………………………… 16
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ………………………………………………………………………………….. 17
1.1 Планетарно-цевочный редуктор ……………………………………………………………………. 17
1.2 Передача Новикова и эвольвентное зацепление: основные различия …………….. 19
1.2.1 Достоинства и недостатки передач с зацеплением Новикова …………………… 21
1.3 Принцип балансировки …………………………………………………………………………………. 22
1.3.1 Типы дисбаланса ……………………………………………………………………………………. 23
1.4 Патентный обзор ………………………………………………………………………………………………………………. 25
1.4.1 Безводильный планетарный редуктор (патент №2169867) …………………… 25
1.4.2 Планетарный циклоидальный редуктор с предварительной ступенью
(патент №2506477) …………………………………………………………………………………….. 26
1.4.3 Планетарная передача с псевдоцевочным зацеплением
(патент №2502904) …………………………………………………………………………………….. 28
1.4.4 Планетарная передача (патент №2520887) …………………………………………. 29
1.4.5 Двухступенчатая планетарная передача (патент №2402707) ………………… 30
1.4.6 Зубчатая планетарная передача (патент №2520728) ……………………………. 31
2. РАСЧЁТЫ И АНАЛИТИКА …………………………………………………………………………………… 32
2.1 Конструктивная схема …………………………………………………………………………………… 32
2.2 Область применения – “Двухступенчатый планетарный редуктор с двумя
выходными валами” …………………………………………………………………………………………… 33
2.3 Принцип работы редуктора, представленный в данной работе ……………………….. 34
2.4 Передаточное отношение ………………………………………………………………………………. 37
2.4.1 Определение передаточного отношения для выходов 1 и 2 …………………… 38
2.5 Модифицированный зуб Новикова …………………………………………………………………. 41
2.5.1 Изучение предлагаемой модификации профиля зуба …………………………….. 43
2.5.2 Первый этап – определение общих размеров ступень редукции …………….. 44
2.5.2.1 Первая ступень редуктора………………………………………………………… 44
2.5.2.2 Вторая ступень редуктора ……………………………………………………….. 45
2.5.2.3 Второй этап – Интерференционный анализ и устранение
конструктивной интерференции ………………………………………………………….. 46
2.6 Модификация зуба для устранения интерференции ……………………………………….. 48
2.7 Проверка равномерного вращения …………………………………………………………………. 55
2.8 Расчет несущей способности зубьев редуктора ………………………………………………. 57
2.9 Распределение Пуассона ………………………………………………………………………………. 64
2.10 Расчет несущей способности зубьев редуктора …………………………………………….. 66
2.11 Расчет потерь на трение планетарного редуктора с двумя коаксиальными
выходами скорости ………………………………………………………………………………………………… 70
2.11.1 Скольжение зубьев ……………………………………………………………………………. 70
2.11.2 Качение зубьев …………………………………………………………………………………. 74
2.12 КПД планетарного редуктора с двумя скоростными выходами ……………………….. 78
2.13 Математическое моделирование ………………………………………………………………….. 79
2.13.1 Характеристики дисбаланса редуктора ………………………………………………. 81
2.13.2 Определение количества неуравновешенной массы …………………………… 82
2.13.3 Определение коэффициентов жесткости и демпфирования ………………… 87
2.13.3.1 Определение коэффициентов жесткости C1 и С2 …………………… 87
2.13.3.2 Расчеты для определения коэффициента С3 и h3, ссылаясь на
подшипник эксцентрикового вала ……………………………………………………….. 95
2.13.3.3 Определение коэффициентов жесткости C4 …………………………… 99
2.13.3.4 Определение демпфирующей константы и …………………….. 99
2.13.4 Определение двигательного дисбаланса ………………………………………….. 101
2.13.5 Математическое моделирование – Двигатель х Кронштейн ………………… 102
2.13.5.1 Результаты математического моделирования – Двигатель и
Кронштейн в Simulink ……………………………………………………………………….. 105
2.13.5.2 Вибродиагностика ………………………………………………………………. 107
2.13.5.3 АЧХ системы ………………………………………………………………………. 108
2.13.6 Определение характеристик смазочного масла ………………………………….. 109
2.13.6.1 Описание масла ………………………………………………………………….. 112
2.13.7 Исследование динамического отклика системы без смазки ……………….. 114
2.13.7.1 Математическое моделирование – Двигатель и кронштейн с
демпфированием трения – Кулон ………………………………………………………………. 114
2.13.7.2 Результаты математического моделирования для условия с
кулоновским трением – Двигатель и Кронштейн в Simulink…………………… 117
2.13.8 Математическое моделирование – Редуктор и Кронштейн ………………….. 119
2.13.8.1 Результаты математического моделирования – Редуктор и
Кронштейн в Simulink ……………………………………………………………………….. 123
2.13.8.2 Определение собственной частоты редуктора ……………………….. 124
2.14 Влияние вибрации редуктора на руки пользователя ……………………………………. 124
2.15 Компактность коробки редуктора ………………………………………………………………… 127
3. Финансовый менеджмент ресурсоэффективность и ресурсосбережение …………….. 129
Введение
3.1 Потенциальные потребители результатов исследования ………………………………. 130
3.2 Анализ конкурентных технических решений ………………………………………………….. 131
3.3 SWOT – анализ ……………………………………………………………………………………………. 133
3.4 Планирование научно-исследовательских работ ………………………………………….. 135
3.4.1 Структура работ в рамках научного исследования ……………………………….. 135
3.4.2 Определение трудоемкости выполнения работ ……………………………………. 136
3.4.3 Бюджет научного исследования ………………………………………………………….. 141
3.4.4 Расчет материальных затрат НТИ ………………………………………………………. 141
3.4.5 Расчёт затрат на специальное оборудование для научных работ …………. 142
3.4.6 Расчет амортизации специального оборудования ………………………………… 142
3.4.7 Основная заработная плата исполнителей ………………………………………….. 143
3.4.8 Дополнительная заработная плата …………………………………………………….. 147
3.4.9 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) …………….. 147
3.4.10 Накладные расходы………………………………………………………………………….. 148
3.4.11 Расчет общей бюджета разработки …………………………………………………… 148
3.5 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования. ………………………………… 149
3.6 Ориентировочная стоимость планетарный редуктор с двумя скоростными
выходами путем сравнения сходства с аналогом ………………………………………………….. 151
3.7 Заключение ………………………………………………………………………………………………… 153
4. Социальная ответственность ……………………………………………………………………………. 155
4.1 Введение …………………………………………………………………………………………………….. 155
4.2 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ……………….. 155
4.3 Производственная безопасность ………………………………………………………………….. 157
4.3.1 Анализ выявленных вредных и опасных факторов……………………………….. 158
4.3.2 Обоснование мероприятий по снижению воздействи ……………………………. 161
4.4 Экологическая безопасность ………………………………………………………………………… 163
4.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ……………………………………………………… 164

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………….. 166
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ……………………………………………………………………………………. 169
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………………………………………………….. 170
Приложение А …………………………………………………………………………………………………… 173
Приложение Б …………………………………………………………………………………………………… 187
Приложение В …………………………………………………………………………………………………… 188
Приложение Г …………………………………………………………………………………………………… 189
Приложение Д…………………………………………………………………………………………………… 190
Приложение Е …………………………………………………………………………………………………… 191
Приложение Ж ………………………………………………………………………………………………….. 192
Приложение З …………………………………………………………………………………………………… 193
Приложение И ………………………………………………………………………………………………….. 194

В результате проведенной работы был предоставлен литературный обзор
основных концепций, необходимых для разработки и понимания планетарной коробки
передач, а именно: определение планетарного редуктора, информация о передачах
с профилем зуба Новикова и концепции балансировки ротора. Был также проведен
анализ шести патентов на планетарные редукторы, и стоит отметить, что во всех
проанализированных патентах ни в одном из них нет конструктивных характеристик
редуктора разработанного в этой работе, что доказывает, что планетарный редуктор
с двумя скоростными выходами, можно рассматривать как инновацию для
промышленного сегмента прецизионных редукторов.
После того, как радиус зуба шестерни был установлен на 2 мм, были
разработаны ступени редуцирования с целью обеспечения максимально возможного
передаточного числа в компактной коробке передач. Поэтому было возможно
получить передаточное число 1/441 для выхода 1 редуктора, а для выходного 2 было
получено передаточное число 1/8,51. Также были определены другие настройки для
редуктора, и, следовательно, было определено передаточное число для каждой
конфигурации коробки передач, в дополнение к основной конфигурации, где колесо
Z1 зафиксировано, также было возможно получить функциональные конфигурации с
фиксацией Z3, Z6 или оставив все колеса и шестерни без фиксации, все эти
возможности показали универсальность редуктора, поскольку при минимальных
изменениях в коробке передач мы можем получить другие передаточные числа.
Зубья колес и шестерни были разработаны на основе профиля Новикова. Для
редуктора этой работы было предложено упростить профиль Новикова, получив зуб
с полукруглым профилем, тем самым упростив его производство и сохранив качества,
обнаруженные в профиле Новикова. Также было необходимо внести исправления в
профили зубьев колес, чтобы устранить интерференцию при монтаже. Параметры,
выбранные для модификаций, такие как высота зуба и радиус основания зуба,
оказались эффективными при устранении интерференцию , так как их значения были
изменены, в результате мы получили полное устранение интерференцию при сборке.
Исследование несущей способности зубьев шестерни показало, что с
увеличением нагрузки на зубчатые передачи, трансмиссия работает лучше. Однако
максимально допустимая нагрузка на редуктору оказалась равной 0,03 градуса.
Анализ конечных элементов, а также проведенные расчеты показали, что нагрузки
выше 0,03 вызывают пластические деформации зубьев зубчатых колес. Для нагрузки
0,03 редуктор имеет от 3 до 6 зубьев, разделяющих нагрузки на зубья, и его работа
происходит плавно.
Изучение потерь на трение скольжения и качения показало, что редуктор
имеет небольшие потери благодаря качеству сборки ступеней редуцирования.
Коэффициент полезного действия, полученный для редуктора, составил 92,86%, что
является оптимальным значением, учитывая, что редуктор имеет две скорости
вращения.
Математическое моделирование, выполненное между двигателем и
кронштейном, показало, что возможная допустимая несбалансированная масса в
роторе двигателя не вызывает проблем с вибрацией в сборке, а смещение,
полученное в валу, полностью поглощается упругой муфтой. Также было обнаружено,
что если крепление двигателя на кронштейне не имеет смазки между поверхностями,
сухое трение между поверхностями, характеризуемое как кулоновское трение, может
быть проблемой при частотах двигателя ниже 50 Гц, генерируя амплитуды вибрации
выше поглощается муфтой.
Были рассчитаны кинематические характеристики вязкости масла между
поверхностями, и было получено значение 3,11 сСт, и было найдено коммерческое
масло 5 сСт, которое будет применяться между поверхностями, обслуживающими
демпфер, и защищающими поверхности от коррозии и износа.
Результат математического моделирования редуктора и кронштейна показал,
что вибрации, вызванные неуравновешенными массами на эксцентриковой оси, не
вызывают углового перемещения корпуса редуктора выше пределов, которые
поглощаются муфтой. Собственная частота редуктора была рассчитана равной
122,78 Гц, а частота возбуждения равна 2,38 Гц. Сделан вывод, что резонанс не
должен возникать в корпусе редуктора.
Изучение влияния вибрации редуктора на руки пользователя показало, что
редуктор абсолютно безопасен для работы в контакте с телом человека.
Несбалансированные массы в редуторе не вызывали вибраций, которые
нарушали правильное функционирование коробки передач. Следовательно, можно
устранить дисбалансы которые были изначально установлены в коробке передач и
сделать коробку передач более компактной как минимум на 12,74%.
Финансовый анализ показал, что проект является многообещающим и может
удовлетворить высокий спрос на рынке с высокой нагрузкой, высокой редукцией,
точностью и компактностью коробок передач. Его стоимость продажи по сравнению с
аналогичным проектом рассчитана как минимум на половину стоимости конкурента.
Для изучения социальной ответственности были представлены руководящие
принципы для различных видов, чтобы гарантировать здоровье и безопасность
конструктора в его рабочей среде. Я упоминаю, например, руководство по утилизации
материалов и разделению отходов, руководство по допустимым уровням шума в
рабочей среде, а также по защите от поражения электрическим током и руководство
по психофизическим факторам. Необходимое освещение для рабочего места было
рассчитано, и в конце был представлен план эвакуации с рабочего места конструктора
на случай пожара или других чрезвычайных ситуаций.
Все результаты, представленные в этой работе, позволяют сделать вывод, что
конструкция планетарного редуктора с двумя скоростными выходами вляется
жизнеспособной. Следовательно, следующие шаги должны состоять в том, чтобы
выполнить конструирование прототипа и провести необходимые испытания, чтобы
проверить, совпадают ли его реальные функциональные характеристики с
найденными теоретически. Если прототип показывает реальные качества редуктора,
теоретически разработанного в данной работе, патентная заявка на оборудование
может быть предложена, и, в конце концов, поставит проект на рынок точных коробок
передач.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

Статья «ДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРИВОДНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПЛАНЕТАРНОГО
РЕДУКТОРА» Дос Сантос Ф.Ж., Крауинньш П.Я. в X Всероссийская научно-
практическая конференция “Научная инициатива иностранных студентов и
аспирантов российских вузов”(г.Томск, 24 апреля 2020г.) под ред. Л.А. Анатольевна. –
Томск.

Статья «REDUTOR DE VELOCIDADE CICLOIDAL DE TRÊS ESTÁGIOS COM DOIS
EIXOS DE SAÍDA COAXIAIS» Дос Сантос Ф.Ж., Крауинньш П.Я. в техническом
бюллетене технологического факультета Сан-Паулу: Симпозиум по Научно-
техническому Инициированию (г.Сан Пауло, 10 октября 2019г.) под ред. Д. Морейра –
Сан Пауло: (ISSN 1518-9082), 2019-54с.