Comparison of sinusoidal and involute spur gears by meshing characteristics

Abstract

Стаття присвячена актуальному завданню створення зачеплень, які є альтернативними до евольвентного (традиційного), та можуть бути застосовані в силових приводах машин. Найпоширенішою вимогою до альтернативних видів зачеплень є більша у порівнянні з традиційним навантажувальна здатність та довговічність. Для забезпечення зазначеної вимоги може бути використано синусоїдальне зачеплення. Метою даної роботи є встановлення його переваг у порівнянні з традиційною передачею. Для досягнення мети було виконано теоретичне дослідження якісних показників працездатності, які відносяться до трьох рівнів – одиничні, комплексні та інтегральний. Для зубчастих зачеплень якісними показниками є швидкість ковзання, швидкість руху точок контакту у напрямку, нормальному до контактної лінії, відносні ковзання та приведена кривизна. Ці показники відносяться до групи геометро-кінематичних, оскільки залежать від геометрії зубців та кінематики передачі. Їх віднесено до одиничних та вони входять до складу комплексних показників, до яких зазвичай відносять контактну міцність активних поверхонь зубців, стійкість проти заїдання, зносостійкість, товщина масляного шару та питома робота сил тертя. Комплексні показники разом з геометро-кінематичними визначають втрати у зачепленні. Цей показник за своєю суттю є мірою ефективності зачеплення, а за алгоритмом його визначення – інтегральним показником. Встановлено, що у крайніх точках поля зачеплення синусоїдальні передачі мають щонайменше у 10,14 рази більший показник контактної міцності; у 10,13 рази менший показник заїдання; у 21,58 рази менший показник зносу поверхонь зубців шестірні; у 36,81 рази менший показник зносу поверхонь зубців колеса; у 6,57 рази більший показник товщини мастильної плівки; у 8,3 рази меншу питому роботу сил тертя на поверхні зубців шестірні; у 14,16 рази меншу питому роботу сил тертя на поверхні зубців колеса. Втрати у зачепленні синусоїдальної передачі у 2,13 рази менші. Таким чином підтверджено припущення розробника синусоїдального зачеплення Е. Вільдгабера (Ernest Wildhaber) про підвищену навантажувальну здатність, а також попередні результати, отримані першим дослідником цього зачеплення Ю.В. Анікіним. Результати роботи можуть бути використані для подальших експериментальних досліджень, зокрема для вибору рівнів навантаження редукторів при випробуваннях.

The article deals with the relevant task of development of gears, that are alternative to the involute (conventional) ones, and can be applied in power drives of machines. The most common requirement for alternative types of gearing is higher comparing with traditional load capacity and durability. To provide this requirement, a sinusoidal gearing can be used. The purpose of this work is to detect its advantages comparing with conventional transmissions. In order to achieve the goal, the theoretical study of qualitative meshing characteristics, which relate to three levels - single, complex and integral, was performed. For gearings the meshing characteristics are the sliding velocity, the velocity of contact points in normal to the contact line direction, relative sliding and reduced curvature. These characteristics belong to the geometric-kinematic group, because they depend on the teeth geometry and the transmission kinematics. They are classified as single and they form part of complex characteristics, which usually include the surface strength of teeth, resistance to scuffing, wear resistance, the oil film’s thickness and the specific work of frictional forces. The complex characteristics, together with geometric-kinematic, determine the gearing power loss. This characteristic is inherently a measure of gearing effectiveness and it is an integral characteristic by its algorithm of definition. It is established that at the extreme points of the line-of-action, the sinusoidal gearing have the characteristic of surface strength at least 10.14 times greater; the characteristic of scuffing at least 10.13 times less; the characteristic of wear of pinion’s teeth surfaces at least 21.58 times less; the characteristic of wear of gear’s teeth surfaces at least 36.81 times less; the characteristic of oil film’s thickness at least 6.57 times more; specific work of frictional forces on the surface of the pinion’s teeth at least 8.3 times less; the specific work of frictional forces on the surface of gear in at least 14.16 times less. The gearing power loss of sinusoidal meshing 2.13 times less. Therefore, the assumption of sinusoidal gearing developer Ernest Wildhaber about the increase of load capacity, as well as the previous results obtained by the first researcher of this gearing Yu.V. Anikin, were approved. The results of the work may be used for further experimental studies, in particular, for the reducers’ load levels selecting during the experiments.