Πρόλογος Η παρούσα διπλωματική εργασία όπως αναφέρεται και στον τίτλο είναι ο σχεδιασμός ενός μειωτήρα με ατέρμονα κοχλία και τοποθετείται στο επιστημονικό κομμάτι των στοιχείων μηχανών καθώς επίσης και της αντοχής των υλικών. Η εργασία χωρίζεται σε δυο μέρη. Το πρώτο μέρος είναι το θεωρητικό το οποίο υποδιαιρείται σε έξι κεφάλαια στα οποία περιγράφεται όλη η θεωρία γύρο από τους οδοντωτούς τροχούς δηλαδή τα είδη των οδοντωτών τροχών οι μέθοδοι κατασκευής αλλά και τα συστήματα λίπανσης καθώς επίσης και οι διαδικασίες χύτευσης αλλά και μηχανουργικών κατεργασιών. Επιπλέον στο τελευταίο κομμάτι του θεωρητικού μέρους γίνεται μια εκτενής αναφορά στα κυριότερα είδη φθορών αλλά και αστοχιών που εμφανίζονται στους οδοντωτούς τροχούς. Το δεύτερο μέρος είναι το υπολογιστικό. Στο υπολογιστικό κομμάτι με βάση συγκεκριμένα δεδομένα εισόδου που έχουμε γίνεται αναλυτικός υπολογισμός των κατασκευαστικών στοιχείων του ατέρμονα μειωτήρα επιπλέον μαζί με τους υπολογισμούς παρουσιάζεται και το πλήρες μηχανολογικό σχέδιο της κατασκευής. Preface The present paper is placed in the scientific field of the strength of materials and in machine elements design and analyses the complete formula of calculations for the design of a reducer gearbox. The paper is divided in two parts. The first part is the theoretical part which is divided in six chapters in which is described the hole theory of the gear tooth more specifically the categories of the gear tooth the different methods of production but also the different kinds of lubricants and the lubrication systems are used in the industry. They presented the main methods of casting but also the machining processes for the production of the gear tooth. Furthermore in the last chapter a thorough report is done in the main kinds of wears and failures in the gear tooth. In the second part is presented the complete formula for calculations in order to acquire the data for the design. In the calculations part for a given number of input variables we calculate all the working parts of the reducer gearbox additionally is presented the complete mechanical drawing of the reducer gearbox. [1]
Ιδιαίτερες ευχαριστίες στον καθηγητή μας Ιωάννη Αραμπατζή για την βοήθεια του στο να εκπονήσουμε την εργασία μας. Μυλωνάς Απόστολος Πάσκος Γεώργιος [2]
Περιεχόμενα Εισαγωγή 1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1 Κεφάλαιο 1 1 1.1 ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ 1 1.1.1 ΜΕΤΩΠΙΚΟΙ ΟΔΟΝΤΩΤΟΙ ΤΡΟΧΟΙ 1 1.1.1.1 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ 3 1.1.1.2 ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ 3 1.1.1.3 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΕΤΩΠΙΚΩΝ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ 4 1.1.2 ΕΛΙΚΟΕΙΔΕΙΣ ΟΔΟΝΤΩΤΟΙ ΤΡΟΧΟΙ 5 1.1.2.1 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΕΛΙΚΟΕΙΔΩΝ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ 6 1.1.3 ΚΩΝΙΚΟΙ ΟΔΟΝΤΩΤΟΙ ΤΡΟΧΟΙ 7 1.1.4 ΥΠΟΕΙΔΗΣ ΟΔΟΝΤΩΤΟΙ ΤΡΟΧΟΙ 9 1.1.5 ΟΔΟΝΤΩΤΟΙ ΤΡΟΧΟΙ ΜΕ ΑΤΕΡΜΟΝΑ ΚΟΧΛΙΑ 10 1.1.6 ΜΗ ΚΥΚΛΙΚΟΙ ΟΔΟΝΤΩΤΟΙ ΤΡΟΧΟΙ 11 1.1.6 ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ 12 Κεφάλαιο 2 14 2.1 ΛΙΠΑΝΣΗ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ 14 2.1.1 ΛΙΠΑΝΣΗ ΜΕ ΕΜΒΑΠΤΙΣΗ 14 2.1.2 ΛΙΠΑΝΣΗ ΜΕ ΠΤΕΡΩΤΗ 15 2.1.3 ΛΙΠΑΝΣΗ ΜΕ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ 16 2.1.4 ΔΙΑΚΟΠΤΟΜΕΝΗ ΛΙΠΑΝΣΗ 21 2.1.5 ΧΕΙΡΟΚΙΝΗΤΗ ΛΙΠΑΝΣΗ ΜΕ ΣΠΡΕΙ 21 2.1.6 ΑΥΤΟΜΑΤΗ ΛΙΠΑΝΣΗ ΜΕ ΣΠΡΕΙ 22 2.1.6.1 ΔΙΑΤΑΞΗ ΑΚΡΟΦΥΣΙΩΝ 23 2.1.6.2 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΛΙΠΑΝΤΙΚΟΥ 25 2.1.6.3 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΨΕΚΑΣΜΟΥ 27 2.1.6.4 ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΑΚΡΟΦΥΣΙΩΝ 31 Κεφάλαιο 3 33 3.1 ΤΥΠΟΙ ΛΙΠΑΝΤΙΚΩΝ 33 3.1.1 ΒΑΡΕΟΥ ΤΥΠΟΥ ΟΡΥΚΤΕΛΑΙΑ (ADHESIVE RESIDUAL TYPES FOR OPEN GEARS) 33 3.1.1.1 ΒΑΡΕΟΥ ΤΥΠΟΥ ΟΡΥΚΤΕΛΑΙΑ (ADHESIVE RESIDUAL STRAIGHT MINERAL) 33 3.1.1.2 RESIDUAL (COMPOUNDED) 33 3.1.1.3 RESIDUAL (CUTBACK WITH SOLVENT) 34 [3]
3.1.1.4 RESIDUAL (EXTREME PRESSURE) 34 3.1.2 ΓΡΑΣΑ ΓΙΑ ΑΝΟΙΚΤΟΥΣ ΚΑΙ ΚΛΕΙΣΤΟΥΣ ΟΔΟΝΤΩΤΟΥΣ ΤΡΟΧΟΥΣ 34 3.1.3 ΛΙΠΑΝΤΙΚΑ ΕΝΔΙΑΜΕΣΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΓΙΑ ΚΛΕΙΣΤΟΥΣ ΟΔΟΝΤΩΤΟΥΣ ΤΡΟΧΟΥΣ 34 3.1.3.1 ΑΠΛΟ ΟΡΥΚΤΕΛΑΙΟ (STRAIGHT MINERAL OIL) 34 3.1.3.2 ΟΡΥΚΤΕΛΑΙΑ ΜΕ ΛΙΠΑΡΑ Ή ΠΟΛΙΚΑ ΠΡΟΣΘΕΤΑ (MINERAL OIL WITH OILINESS OR POLAR ADDICTIVES) 35 3.1.3.3 ΛΙΠΑΝΤΙΚΟ ΑΚΡΑΙΩΝ ΠΙΕΣΕΩΝ (MILD TYPE) 35 3.1.3.4 ΛΙΠΑΝΤΙΚΟ ΑΚΡΑΙΩΝ ΠΙΕΣΕΩΝ (ACTIVE TYPE) 35 Κεφάλαιο 4 36 4.1 ΜΕΘΟΔΟΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ 36 4.1.1 ΣΦΥΡΗΛΑΤΗΣΗ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ 36 4.1.1.1 ΣΦΥΡΗΛΑΤΗΣΗ ΑΚΡΙΒΕΙΑΣ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ (PRECISION FORGING) 39 4.1.1.2 ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΣΦΥΡΗΛΑΤΗΣΗΣ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ 41 4.1.1.3 ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ ΣΦΥΡΗΛΑΤΗΣΗ ΑΚΡΙΒΕΙΑΣ ΓΙΑ ΕΛΙΚΟΕΙΔΕΙΣ ΚΑΙ ΜΕΤΩΠΙΚΟΥΣ ΟΔΟΝΤΩΤΟΥΣ ΤΡΟΧΟΥΣ 42 4.1.1.4 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΗΤΡΑΣ 42 4.1.1.5 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΟΥ ΑΡΧΙΚΟΥ ΟΓΚΟΥ ΚΑΙ ΤΗΣ ΑΡΧΙΚΗΣ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑΣ 43 4.1.1.6 ΑΚΡΙΒΕΙΑ ΣΤΗ ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ 44 4.1.1.7 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΦΟΡΤΙΩΝ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 46 4.1.1.8 ΣΦΥΡΗΛΑΤΟΙ ΟΔΟΝΤΩΤΟΙ ΤΡΟΧΟΙ ΓΙΑ ΧΡΗΣΗ ΣΕ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ 48 4.1.1.9 ΚΩΝΙΚΟΙ ΟΔΟΝΤΩΤΟΙ ΤΡΟΧΟΙ 51 4.1.1.10 ΚΕΝΑ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ 52 4.1.1.11 ΜΕΤΩΠΙΚΟΙ ΚΑΙ ΕΛΙΚΟΕΙΔΕΙΣ ΤΡΟΧΟΙ 56 4.1.2 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ ΜΕ ΚΟΝΙΟΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ 59 4.1.3 ΣΥΝΟΠΤΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ 62 4.1.4 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ ΜΕ ΧΥΤΕΥΣΗ 63 4.1.4.1 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ ΠΟΥ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΖΟΝΤΑΙ ΜΕΣΩ ΧΥΤΕΥΣΗΣ ΜΕ ΑΜΜΟ. 64 4.1.4.2 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ ΠΟΥ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΖΟΝΤΑΙ ΜΕΣΩ ΧΥΤΕΥΣΗΣ ΜΕ ΕΠΕΝΔΥΣΗ. 66 4.1.5 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ ΠΟΥ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΖΟΝΤΑΙ ΜΕΣΩ ΣΥΣΣΩΜΑΤΩΣΗΣ. 66 4.2 ΑΣΤΟΧΙΕΣ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗΣ ΤΩΝ ΚΥΡΙΟΤΕΡΩΝ ΑΙΤΙΩΝ ΑΣΤΟΧΙΑΣ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ 67 [4]
4.2.1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΚΑΙ ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΑΣΤΟΧΙΩΝ ΣΤΟΥΣ ΟΔΟΝΤΩΤΟΥΣ ΤΡΟΧΟΥΣ 68 Κεφάλαιο 5 69 5.1 WEAR 69 5.1.1 ΕΙΔΗ ΦΘΟΡΩΝ 69 5.1.1.1 ABRASIVE WEAR 69 5.1.1.2 ADHESIVE WEAR 70 5.1.1.3 SCUFFING WEAR 71 5.1.1.4 SCRATCHING 72 5.1.1.6 SCORING 73 5.1.2 ΒΑΘΜΟΙ ΦΘΟΡΑΣ 74 5.1.2.1 POLISHING OR LIGHT WEAR 74 5.1.2.2 MODERATE WEAR 75 5.1.2.3 EXCESSIVE OR DESTRUCTIVE WEAR 75 5.1.3 ΦΘΟΡΕΣ ΛΟΓΟ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΚΑΤΑΠΟΝΗΣΗΣ 76 5.1.3.1 PITTING 76 5.1.3.2 INITIAL (CORRECTIVE) PITTING 76 5.1.3.3 DESTRUCTIVE OR PROGRESSIVE PITTING 77 5.1.3.4 NORMAL DEDENDUM PITTING DEDENDUM WEAR 78 5.1.3.5 SPALLING 79 5.1.3.6 CASE CRUSHING 80 5.1.4 ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΑΛΛΕΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΑΣΤΟΧΙΩΝ 81 5.1.4.1 WELDING 81 5.1.4.2 SURFACE BUMPS 82 5.1.4.3 WEAR PADS 82 5.1.5 PLASTIC FLOW 83 5.1.5.1 COLD FLOW 83 5.1.6 PEENING 83 5.1.7 BREAKAGE 84 5.1.7.1 CLASSICAL TOOTH ROOT FILLET FATIGUE FRACTURE 84 5.1.7.2 LOW CYCLE FATIGUE OR IMPACT FRACTURES 85 5.1.8 RIPPLING 86 5.1.9 RIDGING 87 5.1.10 ΦΘΟΡΕΣ ΠΟΥ ΟΦΕΙΛΟΝΤΑΙ ΣΤΑ ΣΥΝΕΡΓΑΖΟΜΕΝΑ ΜΕΡΗ 87 [5]
5.1.10.1 TOOTH TIP CHIPPING 87 5.1.11 ΑΣΤΟΧΙΕΣ ΟΙ ΟΠΟΙΕΣ ΣΧΕΤΙΖΟΝΤΑΙ ΜΕ ΤΗΝ ΘΕΡΜΙΚΗ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ 88 5.1.11.1 QUENCHING CRACKS 88 5.1.11.2 GRINDING CRACKS 89 Κεφάλαιο 6 90 6.1 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΜΗΧΑΝΟΥΡΓΙΚΗΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ. 90 6.1.1 HOBBING 90 6.1.2 SHAPING 91 6.1.3 MILLING 91 6.1.4 BROACHING 92 6.1.5 GENERATION GRINDING 93 6.1.6 FORM GRINDING 94 6.1.7 SKIVE HOBBING 94 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΩΝ 96 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΑΤΕΡΜΟΝΑ ΚΟΧΛΙΑ 96 ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕΙΩΤΗΡΑ 96 1. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕΙΩΤΗΡΑ 97 1.1 ΣΧΕΣΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ 97 1.2 ΔΙΑΣΤΑΣΕΙΣ ΑΤΕΡΜΟΝΑ ΚΟΧΛΙΑ ΟΔΟΝΤΩΤΟΥ ΤΡΟΧΟΥ 98 1.3 ΈΛΕΓΧΟΣ ΣΕ ΠΙΕΣΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΤΟΥ ΟΔΟΝΤΑ 104 1.4 ΈΛΕΓΧΟΣ ΤΟΥ ΟΔΟΝΤΑ ΣΕ ΘΡΑΥΣΗ 109 1.5 ΈΛΕΓΧΟΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΥΠΕΡΘΕΡΜΑΝΣΗ 110 1.6 ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΠΟΥ ΕΝΕΡΓΟΥΝ ΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ 113 2. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕΙΩΤΗΡΑ (Ατρακτοι συστήματος ) 114 2.1 Γενικά 114 2.2 ΣΧΕΔΙΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ΡΟΠΩΝ ΣΧΗΜΑΤΑ-ΣΧΕΔΙΑ 116 2.3 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΑΤΡΑΚΤΟΥ ΑΤΕΡΜΟΝΑ ΚΟΧΛΙΑ 117 2.3.1 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΔΙΑΜΕΤΡΟΥ ΑΤΡΑΚΤΟΥ 118 2.4 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΑΤΡΑΚΤΟΥ ΚΟΡΩΝΑΣ (Οδοντωτού τροχού) 121 2.4.1 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΔΙΑΜΕΤΡΟΥ ΑΤΡΑΚΤΟΥ 122 3. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕΙΩΤΗΡΑ (Εδρανα κύλισης) 126 3.1 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΕΔΡΑΝΩΝ ΚΥΛΙΣΗΣ ΑΤΡΑΚΤΟΥ ΑΤΕΡΜΟΝΑ 126 3.2 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΕΔΡΑΝΩΝ ΚΥΛΙΣΗΣ ΑΤΡΑΚΤΟΥ ΚΟΡΩΝΑΣ 130 [6]
4. ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΜΕΙΩΤΗΡΑ 133 (Διαμόρφωση των μειωτήρων) 133 Βιβλιογραφία 136 [7]
Πίνακας εικόνων Εικόνα 1 Μετωπικοί οδοντωτοί τροχοί σε συνεργασία... 1 Εικόνα 2 Καμπύλη εξελιγμένης... 2 Εικόνα 3 Ελικοειδείς οδοντωτοί τροχοί σε συνεργασία... 5 Εικόνα 4 Ελικοειδής οδοντωτός τροχός τύπου ψαροκόκαλο... 6 Εικόνα 5 Κωνικοί μετωπικοί οδοντωτοί τροχοί σε συνεργασία... 7 Εικόνα 6 Ζεύγος κωνικών ελικοειδών οδοντωτών τροχών... 8 Εικόνα 7 Υποειδής οδοντωτοί τροχοί... 9 Εικόνα 8 Ζεύγος ατέρμονα κοχλία σε συνεργασία... 10 Εικόνα 9 Μη κυκλικοί οδοντωτοί τροχοί... 11 Εικόνα 10 Μειωτήρας ατέρμονα κοχλία και σχέδια οδοντωτών τροχών... 13 Εικόνα 11 Μέθοδοι λίπανσης οδοντωτών τροχών... 16 Εικόνα 12 Απεικόνιση διαφορετικών μεθόδων λίπανσης... 17 Εικόνα 13 Ορθός τρόπος λίπανσης σε κλειστό σύστημα λειτουργίας οδοντωτών τροχών.... 18 Εικόνα 14 Μέθοδος απόθεσης λιπαντικού στο πινιόν... 19 Εικόνα 15 Ολοκληρωμένο σύστημα λίπανσης με πτερωτή... 20 Εικόνα 16 Απεικόνιση ολοκληρωμένου συστήματος λίπανσης... 21 Εικόνα 17 Πιστολέτο εφαρμογής για την χειροκίνητη λίπανση... 22 Εικόνα 18 Τοποθέτηση ακροφυσίων ψεκασμού... 24 Εικόνα 19 Βέλτιστη τοποθέτηση ακροφυσίων ψεκασμού λιπαντικού... 25 Εικόνα 20 Διαγράμματα κατανάλωσης λιπαντικού με βάση τον τύπο οδόντωσης... 27 Εικόνα 21 Συστήματα τροφοδοσίας λιπαντικού... 28 Εικόνα 22 Ολοκληρωμένο κύκλωμα τροφοδοσίας λιπαντικού.... 28 Εικόνα 23 Διάγραμμα λειτουργίας κυκλώματος λίπανσης... 29 Εικόνα 24 Αποτύπωμα λιπαντικού σε οδοντωτούς τροχούς... 30 Εικόνα 25 Διάγραμμα λειτουργίας κυκλώματος λίπανσης... 31 [8]
Εικόνα 26 Έλεγχος λειτουργίας ακροφυσίων... 32 Εικόνα 27 Διαδικασία παραγωγής τεμαχίου με σφυρηλάτηση... 37 Εικόνα 28 Μήτρα για την σφυρηλάτηση κωνικού οδοντωτού τροχού.... 38 Εικόνα 29 Μήτρα για την σφυρηλάτηση μετωπικών και ελικοειδών οδοντωτών τροχών... 42 Εικόνα 30 Σύγκριση θεωρητικού και πειραματικού προφίλ οδοντωτού τροχού... 46 Εικόνα 31 Μεταβολή της σχετικής πίεσης σφυρηλάτησης με την παραμόρφωση για διαφορετικό αριθμό οδόντων στην σφυρηλάτηση μετωπικών οδοντωτών τροχών.... 47 Εικόνα 32 Οδοντωτοί τροχοί σε κιβώτιο ταχυτήτων αυτοκινήτου.... 48 Εικόνα 33 Διαδικασία παραγωγής τεμαχίου με την μέθοδο της συσσωμάτωσης... 49 Εικόνα 34 Οδοντωτοί τροχοί που παρήχθησαν με την μέθοδο της συσσωμάτωσης.. 49 Εικόνα 35 Διαδικασία παραγωγής οδοντωτών τροχών... 51 Εικόνα 36 Μήτρα για την κατασκευή κωνικών οδοντωτών τροχών... 52 Εικόνα 37 Οδοντωτοί τροχοί που παρήχθησαν με την διαδικασία της ψυχρής σφυρηλάτησης... 53 Εικόνα 38 Οδοντωτός τροχός κατασκευασμένος με την μέθοδο της συνεχής εξώθησης... 53 Εικόνα 39 Σφυρήλατοι οδοντωτοί τροχοί με κενά και μεγάλους κωνικούς οδόντες.. 54 Εικόνα 40 Κενός οδοντωτός τροχός... 55 Εικόνα 41 Διαδικασία σφυρηλάτησης οδοντωτών τροχών με κενά... 56 Εικόνα 42 Εξέλιξη της τεχνολογίας ανάπτυξης οδοντωτών τροχών για την αυτοκινητοβιομηχανία... 57 Εικόνα 43 Σφυρήλατος οδοντωτός τροχός για αυτοκίνητα με την διαδικασία σφυρηλάτησης κλειστής μήτρας... 58 Εικόνα 44 Σφυρήλατος ελικοειδής οδοντωτός τροχός με την διαδικασία σφυρηλάτησης κλειστής μήτρας... 58 Εικόνα 45 Παραγωγή τεμαχίων με την διαδικασία της συσσωμάτωσης... 60 Εικόνα 46 Διαδικασία χύτευσης με άμμο... 64 Εικόνα 47 Διαδικασια χυτευσης με πιεση... 65 [9]
Εικόνα 48 Φθορά στην επιφάνεια οδοντωτού τροχού που οφείλεται στο φαινόμενο του (ABRASIVE WEAR)... 70 Εικόνα 49 Φθορά στην επιφάνεια οδοντωτού τροχού που οφείλεται στο φαινόμενο του (ADHESIVE WEAR)... 70 Εικόνα 50 Σημάδια στην επιφάνεια του δοντιού που προέρχονται από φθορά συγκολλητικής μορφής... 71 Εικόνα 51 Φθορές που προέρχονται από το φαινόμενο του SCUFFING... 72 Εικόνα 52 Σημάδια στην επιφάνεια του δοντιού που προέρχονται από το φαινόμενο SCRATCHING... 72 Εικόνα 53 Σημάδια στην επιφάνεια του δοντιού που προέρχονται από το φαινόμενο SCORING... 74 Εικόνα 54 Φθορά ελαφριάς μορφής... 74 Εικόνα 55 Φθορά μέτριας μορφής... 75 Εικόνα 56 Εκτεταμένη φθορά... 76 Εικόνα 57 Εκτεταμένες φθορές που οφείλονται στο φαινόμενο του PITTING... 78 Εικόνα 58 Μέτριες φθορές που οφείλονται στο φαινόμενο του PITTING... 79 Εικόνα 59 Φθορές που οφείλονται στο φαινόμενο του SPALLING... 80 Εικόνα 60 Ρωγμές στις πλευρές των δοντιών που οφείλονται στο φαινόμενο του CASE CRUSHING... 81 Εικόνα 61 Φθορά οδοντώσεων που οφείλονται στο φαινόμενο του WELDING... 82 Εικόνα 62 Φθορά η οποία έχει την μορφή αυλακώσεων και οφείλονται στο φαινόμενο του WEAR PADS... 82 Εικόνα 63 Πλαστική παραμόρφωση δοντιών οδοντωτού τροχού.... 83 Εικόνα 64 Φθορές που οφείλονται στο φαινόμενο του PEENING... 83 Εικόνα 65 Ρωγμή στην βάση του δοντιού προερχόμενη από κόπωση.... 85 Εικόνα 66 Θραύση δοντιών σε οδοντωτό τροχό.... 86 Εικόνα 67 Σημάδια στα πλευρά των δοντιών που οφείλονται στο φαινόμενο του Rippling... 86 Εικόνα 68 Σημάδια στα πλευρά των δοντιών που οφείλονται στο φαινόμενο RIDGING... 87 [10]
Εικόνα 69 Παρουσία ρωγμών λόγο του φαινομένου (TOOTH TIP CHIPPING)... 88 Εικόνα 70 Ρωγμές στα δόντια του τροχού (QUENCHING CRACKS)... 89 Εικόνα 71 Ρωγμές στα πλευρά του οδοντωτού τροχού (GRINDING CRACKS)... 89 Εικόνα 72 Διαμόρφωση οδοντωτού τροχού με την διαδικασία του Hobbing... 90 Εικόνα 73 Διαμόρφωση οδοντωτού τροχού με την διαδικασία του Shaping... 91 Εικόνα 74 Δίσκος κοπής στην κατεργασία του Miling... 92 Εικόνα 75 Κοπτικό για τον σχηματισμό οδοντωτών τροχών με την διαδικασία του Broaching... 93 Εικόνα 76 Λειαντικοί τροχοί οδοντωτών τροχών.... 94 Εικόνα 77 Δίσκοι κοπής φρέζας... 95 Εικόνα 78 Δίσκος κοπής για φρέζα κάθετης κοπής... 95 [11]
Εισαγωγή Στην παρούσα πτυχιακή που τιτλοφορείται πλήρης σχεδιομελέτη συστήματος μειωτήρα με ατέρμονα κοχλία και οδοντωτό τροχό (κορώνα) έχουμε δυο μέρη. Στο πρώτο μέρος γίνεται μια θεωρητική εισαγωγή για το αντικείμενο της εργασίας όπου παρουσιάζονται εκτενώς: Κατηγορίες οδοντωτών τροχών. Λίπανση οδοντωτών τροχών και τύποι λιπαντικών. Μέθοδοι κατασκευής οδοντωτών τροχών. Είδη φθορών και αστοχίες οδοντωτών τροχών. Διαδικασίες μηχανουργικής κατεργασίας για την παραγωγή οδοντωτών τροχών. Στο δεύτερο μέρος έχουμε μια εκτενή υπολογιστική μελέτη ενός συστήματος μειωτήρα ατέρμονα κοχλία-οδοντωτού τροχού η οποία περιλαμβάνει: Αναλυτικούς υπολογισμούς των στοιχείων του ατέρμονα κοχλία και τις κορώνας. Υπολογισμό των ατράκτων του ατέρμονα και της κορώνας. Υπολογισμό των εδράνων κύλισης της ατράκτου του ατέρμονα και της ατράκτου της κορώνας. Κατασκευαστική διαμόρφωση του μειωτήρα.
ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Κεφάλαιο 1 1.1 ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ Οι οδοντωτοί τροχοί διαχωρίζονται ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους στις παρακάτω κατηγορίες. 1.1.1 ΜΕΤΩΠΙΚΟΙ ΟΔΟΝΤΩΤΟΙ ΤΡΟΧΟΙ Εικόνα 1 Μετωπικοί οδοντωτοί τροχοί σε συνεργασία Εικονα από: science.howstuffworks.com Οι μετωπικοί οδοντωτοί τροχοί είναι οι τροχοί που χρησιμοποιούνται συνήθως στις διάφορες εφαρμογές. Οι συγκεκριμένοι τροχοί έχουν ευθεία δόντια που κόβουν παράλληλα προς τον άξονα περιστροφής. Η μορφή των οδόντων βασίζεται στην καμπύλη εξελιγμένης που φαίνεται στο σχήμα. 1
Εικόνα 2 Καμπύλη εξελιγμένης Εικονα από: www.brighthubengineering.com Πρακτικά έχει αποδειχθεί ότι αυτός ο σχεδιασμός ευνοεί την κυλιόμενη επαφή αντί της συρόμενης επαφής των οδόντων. Η καμπύλη εξελιγμένης δημιουργείται κατά τη μηχανική διαμόρφωση των τροχών με τη χρήση κοφτών δοντιών με ευθείες πλευρές. Κοντά στη ρίζα του οδόντα όμως το εργαλείο ανιχνεύει ένα τροχοειδές μονοπάτι. Εξαιτίας αυτής της γεωμετρίας η επαφή μεταξύ των δοντιών δημιουργείται κατά κύριο λόγο με κύλιση. Η απόδοση των μετωπικών τροχών είναι ιδιαίτερη υψηλή δεδομένου ότι κατά την κύλιση των οδόντων παράγεται μικρότερη ποσότητα θερμότητας. Επειδή η επαφή γίνεται ταυτόχρονα στο εσωτερικό πάχος των οδόντων δημιουργείται στους τροχούς μια συνεχής σειρά απότομων κραδασμών που προκαλούν θόρυβο και ταλαντώσεις. Επιπλέον, τα φορτία κραδασμών σε υψηλές ταχύτητες προκαλούν φθορά των οδόντων. Τόσο ο θόρυβος όσο και η φθορά στους μετωπικούς τροχούς αντιμετωπίζονται με την κατάλληλη λίπανση διότι έτσι μειώνεται η επιφάνεια επαφής καθώς επίσης και τα αντίστοιχα φορτία κραδασμών. Οι μετωπικοί τροχοί είναι οι πιο φθηνοί οδοντωτοί τροχοί στην κατασκευή και χρησιμοποιούνται ευρέως σε εφαρμογές με παράλληλους άξονες. Υπάρχουν τρεις βασικές κατηγορίες τροχών: με εξωτερικούς οδόντες, με εσωτερικούς οδόντες και με οδοντωτό πινιόν. Η πιο συνηθισμένη κατηγορία μετωπικών τροχών είναι αυτή των εξωτερικών οδόντων. Στο σχήμα παρουσιάζεται το σχήμα των οδοντωτών τροχών με εξωτερικούς οδόντες. Ο μεγαλύτερος τροχός ονομάζεται οδοντωτός ενώ ο μικρότερος πινιόν. Η απλούστερη διευθέτηση των μετωπικών οδοντωτών τροχών είναι ένα απλό ζεύγος 2
τροχών που ονομάζεται απλό επίπεδο μείωσης και στο οποίο η εξωτερική περιστροφή είναι αντίθετη από την εσωτερική. Εικόνα από: science.howstuffworks.com 1.1.1.1 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Οι μετωπικοί οδοντωτοί τροχοί έχουν υψηλή απόδοση στην μετάδοση ισχύος. Είναι συμπαγείς και εύκολοι στην εγκατάσταση. Παρουσιάζουν μεγάλη ευκολία στην παραγωγή τους. Δεν παρουσιάζουν μεγάλες αξονικές ωστικές δυνάμεις. Προσφέρουν σταθερή αναλογία ταχύτητας. Σε αντίθεση με ιμάντες κίνησης, οι μετωπικοί οδοντωτοί τροχοί δεν έχουν καμία ολίσθηση. Οι μετωπικοί οδοντωτοί τροχοί είναι ιδιαίτερα αξιόπιστοι. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μετάδοση υψηλών τιμών ισχύος (της τάξης των 50 000 kw ). 1.1.1.2 ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Οι μετωπικοί οδοντωτοί τροχοί είναι αρκετά θορυβώδεις όταν λειτουργούν σε μεγάλες ταχύτητες. 3
Έχουν μεγαλύτερο κόστος σε σχέση με τους ιμάντες. Τα δόντια των μετωπικών οδοντωτών τροχών υφίστανται μεγάλη καταπόνηση από δυνάμεις που εφαρμόζονται σε αυτά κατά την λειτουργία. Οι απόσταση από τα κέντρα τους είναι περιορισμένη και αυτό διότι σε ένα κιβώτιο ταχυτήτων με μετωπικούς οδοντωτούς τροχούς αυτοί θα πρέπει να είναι σε εμπλοκή αλλά και σε άμεση επαφή μεταξύ τους. Δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μετάδοση ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις. 1.1.1.3 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΕΤΩΠΙΚΩΝ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ Οι μετωπικοί οδοντωτοί τροχοί βρίσκουν εφαρμογή : Μηχανές κοπής μέταλλων. Κιβώτια ταχυτήτων σε οχήματα. Κινητήρες πλοίων. Μηχανισμοί ρολογιών. Αντλίες υγρών. Χαλυβουργία. 4
1.1.2 ΕΛΙΚΟΕΙΔΕΙΣ ΟΔΟΝΤΩΤΟΙ ΤΡΟΧΟΙ Εικόνα 3 Ελικοειδείς οδοντωτοί τροχοί σε συνεργασία Εικόνα από: science.howstuffworks.com Οι ελικοειδής οδοντωτοί τροχοί διαφέρουν από τους μετωπικούς ως προς τη μορφή των οδόντων. Στους ελικοειδής οι οδόντες έχουν ελικοειδή μορφή και διαμορφώνονται στην πρόσοψη του τροχού σε γωνία και όχι επίπεδοι. Κατά συνέπεια, η γραμμή επαφής εξελίσσεται στους οδόντες κατά μήκος της πρόσοψης από το άκρο του ενός στη ρίζα του άλλου μειώνοντας το θόρυβο και τα χαρακτηριστικά ταλάντωσης των μετωπικών τροχών. Επίσης κάθε στιγμή βρίσκονται σε επαφή διαφορετικοί οδόντες παράγοντας ένα βαθμιαίο φορτίο στον οδόντα που μειώνει βαθμιαία τη φθορά τους. Η αυξανόμενη ολίσθηση ανάμεσα στους οδόντες του ελικοειδούς οδοντωτού τροχού όμως απαιτεί μεγαλύτερη λίπανση για να αποτραπεί η επαφή ανάμεσα στις μεταλλικές επιφάνειες που έρχονται σε επαφή και έχουν ως αποτέλεσμα την αστοχία του τροχού. Επίσης, ενώ οι οδόντες διαμορφώνονται υπό γωνία, κατά μήκος του άξονα του τροχού παράγεται ένα πλευρικό αξονικό φορτίο. Κατά συνέπεια είναι απαραίτητη η χρήση εδράνων κύλισης για την απορρόφηση αυτού του φορτίου έτσι ώστε να διατηρούν οι τροχοί την κατάλληλη ευθυγράμμιση. Υπάρχουν τρεις βασικές κατηγορίες ελικοειδών οδοντωτών τροχών: οι διπλής έλικας, διάταξης ψαροκόκαλου (herring bone) και διασταυρούμενης ελίκωσης. Στους οδοντωτούς τροχούς ελαχιστοποιείται το αξονικό φορτίο χρησιμοποιώντας διπλή ελίκωση στην οποία οι γωνίες των οδόντων είναι αντίθετες μεταξύ τους. Με 5
αυτόν τον τρόπο το πλευρικό αξονικό φορτίο του ενός τροχού ακυρώνει το αξονικό φορτίο στον άλλο τροχό. Αυτοί οι αντίθετοι τροχοί συνήθως διαμορφώνονται με ένα κενό ανάμεσα στα αντίθετα ζεύγη των οδόντων. Οι οδόντες στους οδοντωτούς τροχούς herringbone μοιάζουν με τη σπονδυλική στήλη ψαριού με νευρώσεις που επεκτείνονται από τις αντίθετες πλευρές σε παράλληλες γραμμές. Οι συγκεκριμένοι οδοντωτοί τροχοί έχουν αντίθετους οδόντες που ελαχιστοποιούν τα αξονικά φορτία όπως και οι διπλής ελίκωσης αλλά στην περίπτωση αυτή οι αντίθετοι οδόντες συνδέονται στο μέσο της περιφέρειας του τροχού. Αυτή η διαμόρφωση καθιστά τους συγκεκριμένους τροχούς πιο συμπαγείς από τους διπλής ελίκωσης. Όμως απαιτείται τα κέντρα των τροχών να είναι πολύ καλά ευθυγραμμισμένα για να αποφεύγονται οι παρεμβολές ανάμεσα στις εμπλεκόμενες έλικες. Εικόνα 4 Ελικοειδής οδοντωτός τροχός τύπου ψαροκόκαλο Εικόνα από: www.globalspec.com Οι οδοντωτοί τροχοί διασταυρούμενης έλικας χρησιμοποιούνται σε σπάνιες εφαρμογές όπου τα φορτία είναι σχετικά ελαφριά. Επειδή η επαφή ανάμεσα στους οδόντες είναι ένα σημείο εκτός γραμμής τα υψηλά αξονικά φορτία που δημιουργούνται με την ολίσθηση των οδόντων απαιτεί εκτεταμένη λίπανση. Κατά συνέπεια, με τις διασταυρούμενες ελικώσεις μπορεί να μεταφερθεί πολύ μικρό φορτίο ισχύος. 1.1.2.1 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΕΛΙΚΟΕΙΔΩΝ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ Μερικά επιπλέον πλεονεκτήματα Είναι κατάλληλα για λειτουργία σε υψηλές ταχύτητες. 6
Οι ελικοειδής οδοντωτοί τροχοί μπορούν να μεταφέρουν μεγαλύτερη ροπή στρέψης και αυτό οφείλεται στον σχεδιασμό τους. Δηλαδή σε αντίθεση με τους μετωπικούς οδοντωτούς τροχούς στους ελικοειδείς λόγο του σχεδιασμού η δύναμη εφαρμόζεται σε περισσότερα από ένα δόντια. Δεν παρουσιάζουν μεγάλες φθορές. Δεν χρειάζονται μεγάλη συντήρηση. Λόγο του σχεδιασμού τους έχουν καλύτερη συμπεριφορά κατά την λειτουργία τους και αυτό το διαπιστώνουμε από δυο παράγοντες. Χαμηλά επίπεδα θορύβου και κραδασμών. Ο θόρυβος που παράγει ένας ελικοειδής οδοντωτός τροχός είναι 10 με 12 db χαμηλότερος σε σχέση με έναν μετωπικό οδοντωτό τροχό. Ο δεύτερος παράγοντας είναι η θερμότητα που παράγεται κατά την λειτουργία. Όσο καλύτερος είναι ο σχεδιασμός ενός οδοντωτού τροχού τόσο λιγότερο θερμαίνεται κατά την λειτουργία του και αυτό σημαίνει λιγότερη απόρριψη θερμότητας προς το περιβάλλον οπότε έχουμε μεγαλύτερη εξοικονόμηση ενέργειας. Οι ελικοειδείς οδοντωτοί τροχοί είναι κατά 20% με 30% ποιο αποδοτικοί σε σχέση με τις άλλες κατηγορίες οδοντωτών τροχών. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα χαμηλότερες θερμοκρασίες λειτουργιάς. 1.1.3 ΚΩΝΙΚΟΙ ΟΔΟΝΤΩΤΟΙ ΤΡΟΧΟΙ Εικόνα 5 Κωνικοί μετωπικοί οδοντωτοί τροχοί σε συνεργασία Εικόνα από: science.howstuffworks.com 7
Αντίθετα με τους μετωπικούς και τους ελικοειδής τροχούς με οδόντες, διαμορφώνονται από ένα κενό κυλινδρικό κωνικό τροχό με τους οδόντες να κόβονται σε γωνιακή ή κωνική επιφάνεια. Οι κωνικοί οδοντωτοί τροχοί χρησιμοποιούνται όταν οι κεντρικές γραμμές των αξόνων εισόδου και εξόδου διασταυρώνονται. Οι οδόντες δημιουργούνται με τέτοια γωνία ώστε οι άξονες να διασταυρώνονται κάθετα. Μια ειδική κατηγορία των κωνικών οδοντωτών τροχών είναι οι τροχοί λοξότμησης στους οποίους οι τροχοί έχουν το ίδιο μέγεθος με τους άξονες στις δεξιές τους γωνίες. Επειδή οι άξονες διασταυρώνονται συνήθως οι κωνικοί οδοντωτοί τροχοί δεν εδράζονται και στα δύο μέρη τους. Έτσι ο ένας ή και οι δύο τροχοί προεξέχουν από τους υποστηρικτικούς άξονες. Αυτό το φορτίο προεξοχής μπορεί να εκτρέψει τον άξονα και να χαλάσει την ευθυγράμμιση των τροχών, που προκαλούν μικρή επαφή ανάμεσα στους οδόντες και επιταχύνει τη φθορά τους. Η απόκλιση του άξονα μπορεί να ξεπεραστεί τοποθετώντας ένα έδρανο σε κάθε πλευρά του τροχού όπου υπάρχει κενό που να το επιτρέπει. Υπάρχουν δύο βασικά είδη κωνικών οδοντωτών τροχών: με ευθύγραμμους οδόντες και σπειροειδή. Εικόνα 6 Ζεύγος κωνικών ελικοειδών οδοντωτών τροχών Εικόνα από: www.arrowgear.com Οι τροχοί με ευθύγραμμους οδόντες είναι γνωστοί και ως επίπεδοι κωνικοί τροχοί με οδόντες που είναι διαμορφωμένοι κατά μήκος της πρόσοψης του τροχού. Εξαρτώνται από τις ίδιες συνθήκες λειτουργίας με τους μετωπικούς οδοντωτούς τροχούς. Οι ευθύγραμμοι οδόντες των κωνικών τροχών είναι αποδοτικοί αλλά προκαλούν θόρυβο. Επιπλέον, παράγουν αξονικά φορτία στην κατεύθυνση που τείνει να διαχωρίσει τους τροχούς. Στους σπειροειδής κωνικούς τροχούς οι καμπύλοι οδόντες δημιουργούν μια δράση παρόμοια με τους ελικοειδής τροχούς. Οι συγκεκριμένοι τροχοί παράγουν ομαλότερη 8
και πιο ήσυχη λειτουργία σε σχέση με τους κωνικούς τροχούς ευθύγραμμων οδόντων. Τα αξονικά φορτία εξαρτώνται από την κατεύθυνση περιστροφής και ενώ η σπειροειδής γωνία στην οποία διαμορφώνονται οι οδόντες είναι θετική ή αρνητική. 1.1.4 ΥΠΟΕΙΔΗΣ ΟΔΟΝΤΩΤΟΙ ΤΡΟΧΟΙ Εικόνα 7 Υποειδής οδοντωτοί τροχοί Εικόνα από: commons.wikimedia.org Οι υποειδής οδοντωτοί τροχοί μοιάζουν με τους σπειροειδείς κωνικούς οδοντωτούς τροχούς αλλά οι άξονες του πινιόν και του οδηγού τροχού δεν διασταυρώνονται. Αυτή η διαμόρφωση επιτρέπει και στους δυο άξονες να στηριχθούν και στα δύο άκρα. Στους υποειδής τροχούς το σημείο σύμπλεξης του πινιόν με τον οδηγό τροχό είναι περίπου στο μέσο ανάμεσα στην κεντρική θέση του πινιόν σε ένα σπειροειδή κωνικό τροχό και στην ακραία πάνω ή κάτω θέση του ατέρμονα. Η συγκεκριμένη γεωμετρία επιτρέπει να τοποθετηθούν στο τέλος των οδηγούμενων και οδηγών αξόνων τα ρουλεμάν. Αυτά τα έδρανα παρέχουν μεγαλύτερη ακαμψία σε σχέση με τις προβόλους στήριξης που χρησιμοποιούνται σε μερικούς κωνικούς τροχούς. Επιπλέον, εκτός από τη στιβαρότητα και την υψηλή αντοχή του υποειδή τροχού, το υποειδές πινιόν έχει μεγαλύτερη διάμετρο και μεγαλύτερη βάση από το πινιόν ενός κωνικού ή σπειροειδή κωνικού τροχού ισοδύναμου λόγου. Παρά το γεγονός πως οι υποειδής τροχοί είναι πιο συμπαγείς και πιο ανθεκτικοί από τους περισσότερους τύπους οδοντωτών τροχών αλλά είναι πιο δύσκολη η λίπανσή τους εξαιτίας των υψηλών πιέσεων που αναπτύσσονται στην επαφή των οδόντων. Επιπλέον, η μεγάλη ολίσθηση που αναπτύσσεται ανάμεσα στους οδόντες μειώνει την απόδοση. Στην πραγματικότητα ο υποειδής τροχός συνδυάζει την ολίσθηση του 9
ατέρμονα τροχού με την περιστροφική κίνηση και την υψηλή πίεση οδόντων που σχετίζονται με τον σπειροειδή κωνικό τροχό. Επιπλέον τόσο οι οδηγοί όσο και οι οδηγούμενοι τροχοί κατασκευάζονται από χάλυβα που αυξάνει περισσότερο τις απαιτήσεις για λίπανση. Κατά συνέπεια, απαιτούνται ειδικά λιπαντικά εξαιρετικά μεγάλης πίεσης και με αντιδιαβρωτικές ιδιότητες προκειμένου να διατηρούνται οι μεγάλες επιφανειακές πιέσεις και οι ταχύτητες τριβής στους υποειδής τροχούς. Παρά τις απαιτήσεις για ειδική λίπανση, οι υποειδής τροχοί χρησιμοποιούνται εκτενώς στους πίσω άξονες των αυτοκινήτων όπως επίσης και σε βιομηχανικές μηχανές. 1.1.5 ΟΔΟΝΤΩΤΟΙ ΤΡΟΧΟΙ ΜΕ ΑΤΕΡΜΟΝΑ ΚΟΧΛΙΑ Εικόνα 8 Ζεύγος ατέρμονα κοχλία σε συνεργασία Εικόνα από: en.wikipedia.org Τα ζεύγη των οδοντωτών τροχών με ατέρμονα αποτελούνται από έναν ατέρμονα σαν κοχλία άξονα (worm) που συνδυάζεται με έναν μεγαλύτερο οδοντωτό τροχό που ονομάζεται τροχός. O ατέρμονας λειτουργεί ως κοχλίας, οι πολλές στροφές του οποίου σπρώχνουν τον τροχό σε μια απλή περιστροφή. Με αυτόν τον τρόπο με μια απλή μείωση μπορεί να επιτευχθεί ένα μεγάλο εύρος λόγων ταχυτήτων, μεγαλύτερων από 60:1. Οι περισσότεροι ατέρμονες είναι κυλινδρικού σχήματος με ομοιόμορφη διάμετρο βήματος. Όμως ένας διπλός ατέρμονας έχει μεταβλητή διάμετρο που είναι στενότερη στο μέσο και μεγαλύτερη στα άκρα. Αυτή η διαμόρφωση επιτρέπει στον ατέρμονα να δεσμεύει περισσότερους οδόντες στον τροχό αυξάνοντας το ωφέλιμο φορτίο. 10
Στα ζεύγη των οδοντωτών τροχών με ατέρμονα, ο ατέρμονας είναι συνήθως το οδηγό στοιχείο. Όμως ένας αντιστρεπτός τροχός με ατέρμονα διατηρεί σε αναλογία το βήμα ανάμεσα στον ατέρμονα και τον τροχό έτσι ώστε η κίνηση του τροχού να θέτει σε περιστροφή τον ατέρμονα. Στους περισσότερους οδοντωτούς τροχούς με ατέρμονα ο τροχός έχει παρόμοιους οδόντες με τους ελικοειδής τροχούς αλλά το πάνω μέρος των οδόντων καμπυλώνει προς τα μέσα για να τυλιχθεί ο ατέρμονας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ο ατέρμονας να ολισθαίνει αντί να κυλάει καθώς οδηγεί τον τροχό. Λόγω της μεγάλης τριβής που αναπτύσσεται ανάμεσα στους οδόντες του τροχού και του ατέρμονα η απόδοση των συγκεκριμένων οδοντωτών τροχών είναι μικρότερη από τους άλλους βασικούς τύπους των οδοντωτών τροχών. Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα των οδοντωτών τροχών με ατέρμονα είναι η μικρή φθορά που υφίστανται εξαιτίας του πλήρους στρώματος λιπαντικού που τείνει να σχηματιστεί ανάμεσα στις επιφάνειες των οδόντων από την ολίσθηση του ατέρμονα. Η τριβή στον οδοντωτό τροχό με ατέρμονα μειώνεται περαιτέρω με τη χρήση μετάλλων που έχουν χαμηλούς συντελεστές τριβής. Για παράδειγμα ο τροχός συνήθως κατασκευάζεται από μπρούντζο και ο ατέρμονας από χάλυβα. Και τα δύο αυτά υλικά έχουν χαμηλό συντελεστή τριβής και μπορούν να χρησιμοποιηθούν στους οδοντωτούς τροχούς με ατέρμονα επειδή η κατανομή των επιφανειακών πιέσεων στους οδόντες είναι περισσότερο ομοιόμορφη σε σχέση με τα υπόλοιπα είδη οδοντωτών τροχών. Οι άξονες των οδοντωτών τροχών με ατέρμονα είναι κάθετοι, δεν τέμνονται και μπορούν να τοποθετηθούν σε διαφορετικούς προσανατολισμούς. 1.1.6 ΜΗ ΚΥΚΛΙΚΟΙ ΟΔΟΝΤΩΤΟΙ ΤΡΟΧΟΙ Εικόνα 9 Μη κυκλικοί οδοντωτοί τροχοί Εικόνα από: www.cunningham-ind.com 11
Αν και συχνά παραβλέπεται, οι μη κυκλικοί οδοντωτοί τροχοί μπορεί να αποδώσουν διάφορους τύπους ασυνήθιστων κινήσεων ή χαρακτηριστικών ταχυτήτων. Αυτές οι ιδιαίτερες απαιτήσεις κίνησης μπορούν να αποδοθούν από έκκεντρα και τις διασυνδέσεις τους, αλλά οι μη κυκλικοί οδοντωτοί τροχοί συχνά αντιπροσωπεύουν μια απλούστερη, πιο συμπαγή και ακριβέστερη λύση. Οι μη κυκλικοί οδοντωτοί τροχοί μετατρέπουν τη σταθερή ταχύτητα εισόδου σε μεταβλητή ταχύτητα εξόδου και αποδίδουν διάφορα τμήματα σταθερής ταχύτητας κατά τη διάρκεια ενός κύκλου λειτουργίας. Άλλες εφαρμογές απαιτούν τη συνδυαστική μετατροπή και περιστροφή ή κίνηση με σταμάτημα και στάση. Διάφοροι τύποι μη κυκλικών οδοντωτών τροχών ειδικότερα οι ελλειπτικοί τροχοί παράγουν μεταβλητές ταχύτητες εξόδου. Άλλοι τύποι που χρησιμοποιούνται λιγότερο είναι οι τριγωνικοί και οι τετράγωνοι οδοντωτοί τροχοί. Ένα ζεύγος ελλειπτικών οδοντωτών τροχών μπορούν να είναι τοποθετημένοι σε μια σταθερή κεντρική απόσταση αλλά μεταφέρουν μια μεταβαλλόμενη ταχύτητα εξόδου καθώς περιστρέφονται. Οι ελλειπτικοί τροχοί μπορούν να περιστρέφονται είτε γύρω από ένα είτε από δύο σταθερά σημεία ή γύρω από το κέντρο της έλλειψης. 1.1.6 ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ Στα παρακάτω σχέδια επεξηγούνται τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά για κάθε τύπο οδοντωτού τροχού. Εικονα από : www.roymech.co.uk 12
Εικονα από : www.vibratesoftware.com Εικόνα 10 Μειωτήρας ατέρμονα κοχλία και σχέδια οδοντωτών τροχών Εικόνα από: www.speedreducer.org 13
Κεφάλαιο 2 2.1 ΛΙΠΑΝΣΗ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ Σε αυτή την ενότητα θα γίνει αναφορά αλλά και ανάλυση των μεθόδων λίπανσης των οδοντωτών τροχών. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται σήμερα για την λίπανση των οδοντωτών τροχών είναι οι παρακάτω. Για την λίπανση των οδοντωτών τροχών υπάρχουν δυο βασικές μέθοδοι οι όποιες διαχωρίζονται στις παρακάτω υποκατηγορίες. Η μέθοδος της συνεχής λίπανσης Η μέθοδος της διακοπτόμενης λίπανσης Μέθοδος λίπανσης Ενδιάμεση λίπανση Συνεχής λίπανση Λίπανση με ψεκασμό Λίπανση με εμβάπτιση Λίπανση με κυκλοφορία Λίπανση με πτερωτή 2.1.1 ΛΙΠΑΝΣΗ ΜΕ ΕΜΒΑΠΤΙΣΗ Σε γενικές γραμμές, η λίπανση με εμβάπτιση είναι μία από τις πιο ασφαλείς μεθόδους για την εφαρμογή του λιπαντικού στο κινούμενο άκρο ενός γραναζιού. Αυτό όμως εξαρτάται από το πόσο συχνά συμπληρώνεται το λουτρό του λιπαντικού έτσι ώστε να διατηρείται σε μια συγκεκριμένη στάθμη επίσης το κάλυμμα του κιβωτίου μέσα στο οποίο είναι τοποθετημένοι οι οδοντωτοί τροχοί πρέπει να είναι κατάλληλα 14
στεγανοποιημένο για να αποφευχθούν απώλειες από το λιπαντικό. Αν είναι δυνατόν, θα πρέπει να χρησιμοποιούνται σύγχρονα λιπαντικά, τα οποία είναι ανώτερα από άποψη αποδοτικότητας ορίων λειτουργίας. Η καλή απόδοση αυτού του συστήματος βασίζεται στην εξαναγκασμένη λήψη του λιπαντικού από το πινιόν ή από το περιστρεφόμενο χείλος του γραναζιού από ένα λουτρό ελαίου. Για την εξασφάλιση της καλής λειτουργίας του συστήματος πρέπει να γίνεται έλεγχος τακτικά για διαρροές αλλά και να συμπληρώνεται η στάθμη του λαδιού αν έχει διαρρεύσει ποσότητα λιπαντικού. Επίσης πρέπει όλο το κέλυφος που περιβάλει τους οδοντωτούς τροχούς να είναι πολύ καλά στεγανοποιημένο έτσι ώστε να αποφευχθεί τυχόν είσοδος στο λιπαντικό εξωτερικών παραγόντων άμμος,υγρά ή σκόνη τα οποία θα επηρεάσουν την ποιότητα του λιπαντικού και αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα την φθορά των γραναζιών. Για να αποτραπούν σημαντικές φθορές στις πλευρές του δοντιού πρέπει να ελέγχεται συχνά η στάθμη στο λουτρό ελαίου και να αντικαθιστάται όταν είναι αναγκαίο. Όταν αντικαθίσταται το λουτρό ελαίου το δοχείο θα πρέπει να καθαρίζεται και να αφαιρούνται όλα τα υπολείμματα. Το λάδι το οποίο προορίζεται για λίπανση θα πρέπει να ικανοποιεί τα παρακάτω κριτήρια έτσι ώστε να διασφαλίζεται η ασφαλής λειτουργία των οδοντωτών τροχών. Να έχει κατάλληλη συμπεριφορά σε σχέση με την θερμοκρασία έτσι ώστε το λουτρό να μην έχει ούτε πολύ υψηλή θερμοκρασία αλλά ούτε πολύ χαμηλή. Να μην έχει απώλειες λόγο εξατμίσεως. Να απορρίπτεται εύκολα. Να είναι απαλλαγμένο από διαλύτες. Να έχει καλή ροη. Δηλαδή να μην παρουσιάζει το φαινόμενο σχηματισμού καναλιών σε θερμοκρασίες λειτουργίας και ιδιαίτερα σε οδοντωτούς τροχούς οι οποίοι είναι βυθισμένοι σε λουτρό ελαίου. 2.1.2 ΛΙΠΑΝΣΗ ΜΕ ΠΤΕΡΩΤΗ Η λίπανση με πτερωτή είναι μια ειδική παραλλαγή της μεθόδου λίπανσης με εμβάπτιση. Σε αντίθεση με την μέθοδο που περιγράψαμε πριν όπου το πινιόν ή το γρανάζι έπαιρναν μια ποσότητα λαδιού από το λουτρό ελαίου αύτη η μέθοδος χρησιμοποίει μια πτερωτή η οποία μεταφέρει το λιπαντικό στο πινιόν ή στο γρανάζι. Αυτή η μέθοδος έχει το πλεονέκτημα ότι μικρότερη ποσότητα λαδιού μεταφέρεται στα πλευρά του κάθε δοντιού και αυτό έχει ως αποτέλεσμα να μην υπάρχει περίσσεια λαδιού στο δόντι που περιστρέφεται. Στην μέθοδο λίπανσης με εμβάπτιση αλλά και στην μέθοδο λίπανσης με μεταφορά το λιπαντικό πρέπει να εφαρμόζεται στο πινιόν και όχι στο άκρο του κύριου γραναζιού. Αν η εφαρμογή του λιπαντικού γίνεται στο άκρο του κύριου οδοντωτού τροχού τότε η παροχή λιπαντικού στη πλευρά του 15
δοντιού που φέρει το φορτίο μπορεί να είναι ανεπαρκής ειδικά σε χαμηλές θερμοκρασίες διότι το χείλος του οδοντωτού τροχού σχηματίζει κανάλι μέσα στο λιπαντικό όταν αυτό είναι ιδιαιτέρα παχύρρευστο σε χαμηλές θερμοκρασίες. Άλλος ένας τρόπος λίπανσης με μεταφορά είναι η εφαρμογή του λιπαντικού στον αφαλό ενός πινιόν μεταφοράς και από εκεί το λιπαντικό κατευθύνεται στο γρανάζι κίνησης μέσω οπών. Αυτή η μέθοδος βρίσκει εφαρμογή τόσο για στερεού όσο και για υγρού τύπου λιπαντικά. 2.1.3 ΛΙΠΑΝΣΗ ΜΕ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ Στην λίπανση με κυκλοφορία το λιπαντικό τροφοδοτείται από μια εξωτερικά καθοδηγούμενη αντλία. Το κυριότερο πλεονέκτημα σε σύγκριση με το σύστημα λίπανσης με εμβάπτιση είναι το γεγονός ότι το λιπαντικό φιλτράρεται και στην συνέχεια εφαρμόζεται στη πλευρά του δοντιού που φέρει το φορτίο σε άφθονη ποσότητα χωρίς την παρουσία ξένων υλών. Για την ορθή λειτουργία αυτού του συστήματος απαραίτητη προϋπόθεση είναι η σωστή στεγανοποίηση για να αποτραπούν τυχόν διαρροές αλλά και η είσοδος ξένων υλών στο σύστημα. Εικόνα 11 Μέθοδοι λίπανσης οδοντωτών τροχών 16
Εικόνα 12 Απεικόνιση διαφορετικών μεθόδων λίπανσης 17
Εικόνα 13 Ορθός τρόπος λίπανσης σε κλειστό σύστημα λειτουργίας οδοντωτών τροχών. 18
Εικόνα 14 Μέθοδος απόθεσης λιπαντικού στο πινιόν 19
Εικόνα 15 Ολοκληρωμένο σύστημα λίπανσης με πτερωτή 20
Εικόνα 16 Απεικόνιση ολοκληρωμένου συστήματος λίπανσης 2.1.4 ΔΙΑΚΟΠΤΟΜΕΝΗ ΛΙΠΑΝΣΗ Με τον όρο διακοπτόμενη λίπανση ονομάζεται η λίπανση κατά την οποία το λιπαντικό εφαρμόζεται σε τακτά χρονικά διαστήματα. Αυτού του είδους η λίπανση θεωρείται σαν μια συνεχής απώλεια λαδιού και αυτό έχει αποτέλεσμα στο συνολικό κόστος συντήρησης. Όπως και στην μέθοδο της συνεχής λίπανσης υπάρχουν διαφορετικές μέθοδοι εφαρμογής. Για την λίπανση οδοντωτών τροχών μεγάλης διαμέτρου υπάρχουν δυο μέθοδοι εφαρμογής. Αυτόματη λίπανση με σπρέι. Χειροκίνητη λίπανση με σπρέι. 2.1.5 ΧΕΙΡΟΚΙΝΗΤΗ ΛΙΠΑΝΣΗ ΜΕ ΣΠΡΕΙ Είναι ο ποιο αποτελεσματικός τρόπος λίπανσης για οδοντωτούς τροχούς μεγάλης διαμέτρου η εφαρμογή του λιπαντικού γίνεται με πιστολέτο βαφής. Βρίσκει 21
εφαρμογή σε περιπτώσεις όπου είναι αδύνατη η αυτόματη λίπανση με στατικά μέσα και είναι απαραίτητη η λίπανση κατά την λειτουργία. Το σύστημα λίπανσης είναι φορητό εύκολο στην χρήση και λειτουργεί με πίεση αέρα. Με το πιστολέτο ψεκασμού δίνεται η δυνατότητα να εφαρμοστεί το λιπαντικό με διαφορετικούς τρόπους. Λίπανση κατά την λειτουργιά με ένα εξαιρετικά λεπτό φιλμ λιπαντικού έτσι ώστε να επιτευχτεί μεγίστη οικονομία λιπαντικού. Λίπανση για συντήρηση των κινούμενων επιφανειών. Λίπανση σε ανοικτούς οδοντωτούς τροχούς έτσι ώστε να γίνεται και έλεγχος των επιφανειών τον δοντιών που φέρουν φορτία. Εικόνα 17 Πιστολέτο εφαρμογής για την χειροκίνητη λίπανση 2.1.6 ΑΥΤΟΜΑΤΗ ΛΙΠΑΝΣΗ ΜΕ ΣΠΡΕΙ Πολλοί κατασκευαστές σήμερα χρησιμοποιούν συστήματα αυτόματης λίπανσης τεχνολογίας αιχμής διαφορετικού σχεδιασμού τα οποία είναι σε θέση να χειριστούν κάθε τύπο λιπαντικού από λιπαντικά με ειδικά πρόσθετα έως λιπαντικά μεγάλου ιξώδους. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό των αυτόματων συστημάτων λίπανσης είναι ο κατάλληλος σχεδιασμός έτσι ώστε να ανταποκρίνονται σε κάθε περίπτωση στις απαιτήσεις των μηχανημάτων. Δηλαδή το αυτόματο σύστημα λίπανσης θα πρέπει να είναι έτσι σχεδιασμένο ώστε να λειτουργεί σε συνεχή βάση και να μην παρουσιάζει εύκολα βλάβες. Επίσης σε μια τέτοια διαδικασία εάν το αυτόματο σύστημα λίπανσης είναι βέλτιστα ρυθμισμένο επιτυγχάνεται η ελάχιστη ποσότητα λιπαντικού που είναι απαραίτητη για την τροφοδότηση. Επιπλέον για να έχουμε την ελάχιστη κατανάλωση λίπανσης αυτή πρέπει να εφαρμόζεται ανά διαστήματα. 22
Για τον σωστό σχεδιασμό ενός τέτοιου συστήματος καλό είναι να καθορίζεται από πριν η συνολική ποσότητα λιπαντικού που απαιτείται για την λίπανση του μηχανισμού. Οι απαιτήσεις σε λιπαντικό καθορίζονται αποκλειστικά από τις ανάγκες του μηχανισμού δηλαδή την επιφάνεια των οδοντωτών τροχών τις διαμέτρους το πάχος της οδόντωσης τον αριθμό των οδοντωτών τροχών αλλά και την ταχύτητα περιστροφής τους. Επιπλέον πρέπει να ληφθεί υπόψη και η θερμοκρασία των οδοντωτών τροχών. Για τον καθορισμό της απαιτούμενης ποσότητας λιπαντικού υπάρχει το παρακάτω διάγραμμα το οποίο έχοντας ως μεταβλητές την πλευρική επιφάνεια του δοντιού αλλά και την κατανάλωση προκύπτει η τελική ποσότητα που απαιτείται για την λίπανση. 2.1.6.1 ΔΙΑΤΑΞΗ ΑΚΡΟΦΥΣΙΩΝ Στην εικόνα διακρίνεται η διάταξη των ακροφυσίων η οποία έχει αποδειχτεί ότι έχει την μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Οι θέσεις 1 και 2 είναι αυτές που συνήθως προτιμούνται. Ο ψεκασμός στο άκρο του γραναζιού από την θέση 3 θα πρέπει να επιλέγεται μόνο αν μπορεί από αυτή την θέση να καλυφτεί με λιπαντικό όλη η περιφέρεια του οδοντωτού τροχού κατά την διάρκεια του ψεκασμού. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε οδοντωτούς τροχούς που περιστρέφονται με χαμηλή ταχύτητα. Σε οδοντωτούς τροχούς με διαμέτρους μεγαλύτερες από 30 χιλιοστά το λιπαντικό μπορεί να εφαρμοστεί στα πλευρά των δοντιών που φέρουν το φορτίο. Λόγο της διατομής του δοντιού του οδοντωτού τροχού είναι ευκολότερη η κατά μήκος ροη του λαδιού. Αυτή η μέθοδος βρίσκει εφαρμογή ακόμη και σε λάδια υψηλού ιξώδους. Ανάλογα με το σχεδιασμό τα ακροφύσια τοποθετούνται στις παρακάτω θέσεις όπως φαίνονται στα σχήματα. Τα ακροφύσια πρέπει να είναι με τέτοιο τρόπο τοποθετημένα ώστε να μην ψεκάζουν προς τα πάνω διότι σε αύτη την περίπτωση υπάρχει κίνδυνος να φράξουν οι κεφαλές των ακροφυσίων. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα την ελλιπή λίπανση και αλλά και την απολυτή ανεπάρκεια του συστήματος να λειτουργήσει σωστά. 23
Εικόνα 18 Τοποθέτηση ακροφυσίων ψεκασμού 24
Εικόνα 19 Βέλτιστη τοποθέτηση ακροφυσίων ψεκασμού λιπαντικού 2.1.6.2 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΛΙΠΑΝΤΙΚΟΥ Σε ιδανικές συνθήκες η ποσότητα του λιπαντικού που ψεκάζεται πάνω στον οδοντωτό τροχό θα πρέπει να είναι αρκετή έτσι ώστε να εξασφαλίζεται ότι το φιλμ λιπαντικού το οποίο συνεχώς διαβρώνεται από την τριβή των σωμάτων διατηρεί σχεδόν πάντα το ελάχιστο πάχος ώστε να αποτρέπονται οι φθορές. Ωστόσο σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας αυτό δεν είναι εφικτό διότι αν εφαρμοστεί ποσότητα μεταξύ 1 και 14 κιλών λιπαντικού για μια περίοδο 24 ωρών τότε επόμενο είναι να μην έχουμε επαρκή ποσότητα λιπαντικού έτσι ώστε να διατηρείται συνεχώς ένα φιλμ λιπαντικού ιδανικού πάχους. Μια καλή λύση αποτελεί ο ψεκασμός ανά διαστήματα όπου σε τακτικές περιόδους θα υπάρχει περίσσεια λιπαντικού πάνω στον οδοντωτό τροχό. Για να υπάρχει αξιοπιστία αλλά και αποτελεσματικότητα στην διαδικασία λίπανσης ο ποιο καθοριστικός παράγοντας είναι η διάρκεια του ψεκασμού. Η βέλτιστη αξιοπιστία επιτυγχάνεται όταν όλη η περιφέρεια του πινιόν ή του οδοντωτού τροχού καλύπτεται με λιπαντικό σε ένα ψεκασμό. Η ποσότητα του λιπαντικού πρέπει να διασφαλίζει ένα φιλμ λιπαντικού αρκετά παχύ έτσι ώστε να παρέχει αξιόπιστη προστασία στα πλευρά των δοντιών που φέρουν φορτίο. 25
26
Εικόνα 20 Διαγράμματα κατανάλωσης λιπαντικού με βάση τον τύπο οδόντωσης (οι ποσότητες των διαγραμμάτων ισχύουν για το λιπαντικό της συγκεκριμένης εταιρίας ) 2.1.6.3 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΨΕΚΑΣΜΟΥ Στην εικόνα φαίνονται διαγράμματα από συστήματα ψεκασμού από διάφορους κατασκευαστές τα οποία χρησιμοποιούνται σήμερα. Αυτά τα συστήματα διαφέρουν με βάση τα παρακάτω κατασκευαστικά χαρακτηριστικά. Τις αντλίες οι οποίες αντλούν το λιπαντικό για παράδειγμα αντλίες πολλαπλών εμβόλων ηλεκτρομηχανικές αντλίες αυτόματης ή χειροκίνητης πλήρωσης Σύστημα με ένα ή με πολλαπλά ακροφύσια ψεκασμού. Η τροφοδοσία στα ακροφύσια γίνεται απευθείας από την αντλία η από ενδιάμεσο διανομέα. Αυτόματα ακροφύσια ψεκασμού τα οποία ελέγχονται από την ροη λαδιού ή από εξωτερική μονάδα ελέγχου. 27
Εικόνα 21 Συστήματα τροφοδοσίας λιπαντικού Εικόνα 22 Ολοκληρωμένο κύκλωμα τροφοδοσίας λιπαντικού. 28
Εικόνα 23 Διάγραμμα λειτουργίας κυκλώματος λίπανσης 29
Εικόνα 24 Αποτύπωμα λιπαντικού σε οδοντωτούς τροχούς 30
Εικόνα 25 Διάγραμμα λειτουργίας κυκλώματος λίπανσης 2.1.6.4 ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΑΚΡΟΦΥΣΙΩΝ Ένας ψεκασμός υπό γωνία 30 μοιρών είναι ο βέλτιστος έτσι ώστε να επιτευχτεί μια κατανομή λαδιού κατά μήκος της πλευράς του οδοντωτού τροχού που φέρει φορτίο. Η απόσταση του ακροφυσιού πρέπει να είναι στα 200 ± 50 χιλιοστά. Η ακριβής απόσταση εξαρτάται από την θέση και τον τύπο του ακροφυσιού. Κάθε τύπος ακροφυσιού απαιτεί συγκεκριμένη απόσταση από τα άλλα ακροφύσια η απόσταση αυτή εξαρτάται από την πίεση του κυκλώματος ψεκασμού τον αριθμό των ακροφυσίων και τον τύπο του λιπαντικού. Έτσι εξασφαλίζεται ότι όλη η πλευρά του κάθε δοντιού θα καλυφτεί με λιπαντικό. Αν τα ακροφύσια δεν είναι σωστά τοποθετημένα τότε διατρέχει σοβαρό κίνδυνο η ορθή λειτουργία του μηχανισμού. Ένας σημαντικός παράγοντας για να εξακριβώσουμε το κατά πόσο ένα σύστημα αυτόματης λίπανσης λειτουργεί ορθά είναι το ίχνος του ψεκασμού που αφήνει. Πρέπει το λιπαντικό να απλώνεται ομοιόμορφα πάνω στην επιφάνεια των δοντιών. Ακόμη και αν τα ακροφύσια ελέγχονται αυτόματα ο έλεγχος του ίχνους που αφήνουν πρέπει να γίνεται ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Λόγο του σχεδιασμού τους τα παλαιότερα συστήματα ψεκασμού είχαν το μειονέκτημα ότι το ίχνος τους μπορούσε να ελεγχθεί μόνο όταν οι οδοντωτοί τροχοί ήταν σταματημένοι. Τα νεότερα συστήματα ψεκασμού επιτρέπουν τον έλεγχο κατά την διάρκεια λειτουργίας αυτή η ιδιότητα μειώνει τις πιθανότητες βλάβης λόγο μη καλής λειτουργιάς του συστήματος αλλά είναι επίσης και ποιο ασφαλές διότι ο έλεγχος μπορεί να πραγματοποιηθεί χωρίς να αφαιρεθούν τα καλύμματα των τροχών. 31
Εικόνα 26 Έλεγχος λειτουργίας ακροφυσίων 32
Κεφάλαιο 3 3.1 ΤΥΠΟΙ ΛΙΠΑΝΤΙΚΩΝ Οι τύποι λιπαντικών που χρησιμοποιούνται σήμερα στην βιομηχανία για την λίπανση των οδοντωτών τροχών διαχωρίζονται με βάση τις ιδιότητες τους αλλά και το πεδίο εφαρμογής τους στις παρακάτω κατηγορίες: 3.1.1 ΒΑΡΕΟΥ ΤΥΠΟΥ ΟΡΥΚΤΕΛΑΙΑ (ADHESIVE RESIDUAL TYPES FOR OPEN GEARS) Σε αυτή την κατηγορία υπάγονται τέσσερις υποκατηγορίες λιπαντικών. 3.1.1.1 ΒΑΡΕΟΥ ΤΥΠΟΥ ΟΡΥΚΤΕΛΑΙΑ (ADHESIVE RESIDUAL STRAIGHT MINERAL) Η πρώτη υποκατηγορία ορυκτελαίων είναι αυτά των οποίων η σύσταση τους αποτελείται από τα βαρέα υπολείμματα της διύλισης. Αυτά τα ορυκτέλαια προέρχονται από τα υπολείμματα τα οποία παραμένουν στους πύργους απόσταξης μετά την απομάκρυνση των ελαφρότερων κλασμάτων από ορισμένους τύπους αργών πετρελαίων. Χρησιμοποιούνται ακόμη και σήμερα σε οδοντωτούς τροχούς ευθείας οδόντωσης και χαμηλών ταχυτήτων σε μύλους άλεσης τσιμέντου αλλά και σε μηχανές επεξεργασίας θερμού χάλυβα και σε χυτήρια όπου οι ταχύτητες δεν υπερβαίνουν τα 100 rpm. Αυτά τα προϊόντα ποικίλουν σε ιξώδες με τιμές από 200 έως και 10000 second στους 210 Fahrenheit. Οι ποιο βαριές από αυτές τις κατηγορίες λιπαντικού πρέπει πρώτα να θερμανθούν πριν εφαρμοστούν. Αυτό το προϊόν αφήνει ένα παχύ στρώμα λιπαντικού φιλμ στον οδοντωτό τροχό. Το φιλμ αποτρέπει εντελώς την επαφή μεταξύ των δοντιών και το λάδι υποστηρίζει την φόρτιση που δέχεται ο οδοντωτός τροχός μέσω της υδραυλικής δράσης. 3.1.1.2 RESIDUAL (COMPOUNDED) Αυτό το είδος ορυκτελαίου συχνά αναμιγνύεται με οργανικά λίπη αλλά και άλλου είδους πρόσθετα όπου η δομή τους περιέχει πολικούς δεσμούς έτσι ώστε το φιλμ λιπαντικού να έχει βελτιωμένη αντοχή αλλά και για να παρέχεται επαρκής λίπανση κάτω από άσχημες συνθήκες με μεγάλη παρουσία υγρασίας. 33
3.1.1.3 RESIDUAL (CUTBACK WITH SOLVENT) Οι παραπάνω τύποι έχουν μερικές φορές στην σύσταση τους διαλύτες έτσι ώστε να παρέχουν ευκολία στην εφαρμογή τους. Όταν ο διαλύτης εξατμίζεται τα βαρέα υλικά παραμένουν. Τα λιπαντικά αυτά πρέπει να χρησιμοποιούνται μόνο εκεί όπου υπάρχει επαρκής εξαερισμός. Εάν ο διαλύτης μέσα περιέχει ενώσεις χλωρίου τότε μπορεί να έχει τοξικές επιδράσεις στο προσωπικό εργασίας εάν πάλι χρησιμοποιούνται διαλύτες με βάση πετρελαίου τότε μπορεί να παρουσιαστεί κίνδυνος ανάφλεξης ή έκρηξης. 3.1.1.4 RESIDUAL (EXTREME PRESSURE) Τα τελευταία χρόνια αναπτύχτηκαν λιπαντικά βαρέως τύπου με προσθήκες για αντοχή σε ακραίες πιέσεις με πεδίο εφαρμογής σε μύλους άλεσης τσιμέντου αλλά και για άλλους τύπους βαρέων οδοντωτών τροχών όπου καταπονούνται από μεγάλες πιέσεις. Τα λιπαντικά αυτού του τύπου μπορούν να εφαρμοστούν μέσω ψεκασμού στους οδοντωτούς τροχούς αλλά και στα έδρανα ολίσθησης όπου υπάρχει μεγάλη συγκέντρωση υγρασίας. 3.1.2 ΓΡΑΣΑ ΓΙΑ ΑΝΟΙΚΤΟΥΣ ΚΑΙ ΚΛΕΙΣΤΟΥΣ ΟΔΟΝΤΩΤΟΥΣ ΤΡΟΧΟΥΣ Γράσα κολλώδους τύπου βαθμονόμησης NLGI No 0, 1 ή 2 χρησιμοποιούνται σε κάποιες περιπτώσεις σε ανοικτούς οδοντωτούς τροχούς όπου εμφανίζονται υψηλές θερμοκρασίες ή η διαρροή ενός λεπτότερου λιπαντικού μπορεί να προκαλέσει ζημίες στα παραγόμενα προϊόντα. Τα γράσα τύπου EP ή αυτά που δεν είναι τύπου EP η εφαρμογή τους γίνεται με πινέλο, πτερωτή ή πιστολέτο πίεσης. Τα γράσα ελαφρού τύπου βαθμονόμησης NLGI No 0 χρησιμοποιούνται σε οδοντωτούς τροχούς κλειστού τύπου κυρίως σε εγκαταστάσεις ορυχείων άνθρακα όπου η υψηλή λειτουργικότητα και οι διαρροές είναι σημαντικοί παράγοντες. Η εφαρμογή τους γίνεται με πιστολέτο πίεσης. 3.1.3 ΛΙΠΑΝΤΙΚΑ ΕΝΔΙΑΜΕΣΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΓΙΑ ΚΛΕΙΣΤΟΥΣ ΟΔΟΝΤΩΤΟΥΣ ΤΡΟΧΟΥΣ 3.1.3.1 ΑΠΛΟ ΟΡΥΚΤΕΛΑΙΟ (STRAIGHT MINERAL OIL) Τα ορυκτέλαια χαμηλού ιξώδους από τουρμπίνες ή τα λιπαντικά κυλίνδρων λειτουργούν εξίσου καλά και στους κλειστού τύπου μετωπικούς οδοντωτούς τροχούς στους ελικοειδείς υψηλών ταχυτήτων ή μειωτήρες όπου το πινιόν μπορεί να 34
περιστρέφεται με μερικές χιλιάδες rpm. Τα λιπαντικά αυτής της κατηγορίας θα πρέπει να παρουσιάζουν μεγάλη αντοχή στην αλλοίωση που προκαλείται λόγο της θερμότητας κατά την διάρκεια της λειτουργίας. Το ιξώδες αυτών των λιπαντικών ποικίλλει από τα 300 second στους 100 Fahrenheit μέχρι τα 250 second στους 210 Fahrenheit. Τα λιπαντικά αυτά είναι κατάλληλα για την λίπανση όλων των ειδών οδοντωτών τροχών που λειτουργούν κάτω από μικρά φορτία και υψηλές ταχύτητες. 3.1.3.2 ΟΡΥΚΤΕΛΑΙΑ ΜΕ ΛΙΠΑΡΑ Ή ΠΟΛΙΚΑ ΠΡΟΣΘΕΤΑ (MINERAL OIL WITH OILINESS OR POLAR ADDICTIVES) Τα απλά ορυκτέλαια μεσαίας ρευστότητας συχνά αναμειγνύονται με μικρές ποσότητες λιπαρών ή άλλων υλικών που περιέχουν πολικούς δεσμούς στη δομή τους έτσι ώστε να παρέχουν βελτιωμένη λίπανση στου οδοντωτούς τροχούς που λειτουργούν κάτω από οριακές συνθήκες εκεί όπου ένα λιπαντικό τύπου EP δεν αρκεί. 3.1.3.3 ΛΙΠΑΝΤΙΚΟ ΑΚΡΑΙΩΝ ΠΙΕΣΕΩΝ (MILD TYPE) Κάτω από συνθήκες πολύ μεγάλων φορτίων όπου η οριακή λίπανση υπάρχει και τα απλά ορυκτέλαια αλλά και τα ορυκτέλαια με πολικούς δεσμούς στην δομή τους δεν είναι αποτελεσματικά τότε εφαρμόζονται τα λιπαντικά ακραίων συνθηκών. Αυτά τα λιπαντικά είναι διαθέσιμα σε ένα μεγάλο εύρος τιμών ιξώδους που ξεκινούν από τα 300 second στους 100 Fahrenheit έως και τα 1000 second στους 210 Fahrenheit. Τα πρόσθετα στα λιπαντικά ακραίων συνθηκών συνήθως περιέχουν ενώσεις μολύβδου στις ηπιότερες μορφές και χλώριο, θειο, ή φώσφορο μερικές φορές σε συνδυασμό με πρόσθετα μολύβδου στις ποιο ενεργές μορφές. 3.1.3.4 ΛΙΠΑΝΤΙΚΟ ΑΚΡΑΙΩΝ ΠΙΕΣΕΩΝ (ACTIVE TYPE) Τα λιπαντικά ακραίων πιέσεων χρησιμοποιούνται πρώτιστος σε εργοστάσια αυτοκινήτων στους οδοντωτούς τροχούς υποείδους τύπου. Τα ενεργού τύπου λιπαντικά ακραίων πιέσεων περιέχουν μόλυβδο σαπούνι και θειο. Είναι διαβρωτικά για τον χαλκό ενώ τα λιπαντικά ακραίων πιέσεων μεσαίου τύπου δεν είναι διαβρωτικά. 35
Κεφάλαιο 4 4.1 ΜΕΘΟΔΟΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ Στις παρακάτω παραγράφους περιγράφονται οι κυριότεροι μέθοδοι κατασκευής των οδοντωτών τροχών. 4.1.1 ΣΦΥΡΗΛΑΤΗΣΗ ΟΔΟΝΤΩΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ Η διαμόρφωση των οδοντωτών τροχών εξαρτάται από τα διαθέσιμα εργαλεία, τις ιδιαιτερότητες του σχεδιασμού, το κόστος παραγωγής και το είδος του υλικού από το οποίο θα κατασκευαστεί ο οδοντωτός τροχός. Για τη διαμόρφωση των οδοντωτών τροχών υπάρχουν διάφορες μέθοδοι όπως (ASM International, 2005): οι διαδικασίες αφαίρεσης μετάλλου (μορφοποίηση, φρεζάρισμα, λείανση, στίλβωση κτλ), διαδικασίες χύτευσης για το σχηματισμό τόσο των κενών των οδοντωτών τροχών όσο και για τη σχεδόν καθαρή διαμόρφωση του σχήματος των οδοντωτών τροχών, ψυχρή σφυρηλάτηση και διέλαση, διαδικασίες κονιομεταλλουργίας, τροχηλάτηση οδοντωτών τροχών και σφυρηλάτηση για την παραγωγή των διάκενων των οδοντωτών τροχών και με μεγάλη ακρίβεια διαμόρφωση του σχήματος τους. Οι περισσότερες από αυτές τις διεργασίες αφορούν στους οδοντωτούς τροχούς για τους οποίους απαιτείται μικρή φθορά, χαμηλές σχέσεις μετάδοσης και σχετικά μικρή ακρίβεια στην προς μετάδοση δύναμη (Krenzer and Coniglio, 1989). Όταν η εφαρμογή περιλαμβάνει υψηλότερες τιμές για ένα ή περισσότερα από τα παραπάνω χαρακτηριστικά χρησιμοποιούνται οι σφυρήλατοι οδοντωτοί τροχοί. Η σφυρηλάτηση προτιμάται και χρησιμοποιείται ευρέως στη διαμόρφωση των οδοντωτών τροχών για την παραγωγή των διάκενων των τροχών που μπορούν να κοπούν/ διαμορφωθούν στην τελική επιθυμητή διαμόρφωσή τους. Τα διάκενα των οδοντωτών τροχών μπορούν να παραχθούν με σφυρηλάτηση ανοικτής ή κλειστής μήτρας και θερμή σφυρηλάτηση. Μια από τις πρώτες διεργασίες σφυρηλάτησης για τη διαμόρφωση σχεδόν ή καθαρού σχήματος των οδοντωτών τροχών ήταν η διεργασία σφυρηλάτησης με υψηλό ρυθμό ενέργειας που αντιστοιχεί στη σφυρηλάτηση κλειστής μήτρας, θερμή ή ψυχρή, στην οποία το μέταλλο παραμορφώνεται σε ασυνήθιστα μεγάλες ταχύτητες. Στην ιδανική περίπτωση η τελική διαμόρφωση των σφυρήλατων οδοντωτών τροχών γίνεται με ένα χτύπημα ή αλλιώς με λίγα χτυπήματα. Η ταχύτητα του εμβόλου αντίθετα από τη μάζα του παράγει την κύρια δύναμη σφυρηλάτησης. 36
Εικόνα 27 Διαδικασία παραγωγής τεμαχίου με σφυρηλάτηση Εικόνα από: www.whtildesley.com Η παραγωγή των οδοντωτών τροχών είναι πιθανό να πραγματοποιηθεί με προγραμματισμένη ροή κόκκων που ακολουθεί τη διαμόρφωση των οδόντων χρησιμοποιώντας τη σφυρηλάτηση με μεγάλο ρυθμό ενέργειας. Στην περίπτωση των μετωπικών οδοντωτών τροχών αυτό επιτυγχάνεται με την πλευρική ροή του μετάλλου σε μια μήτρα που στην περιφέρεια της έχει την επιθυμητή διαμόρφωση του οδόντα. Η ελεγχόμενη ροή των κόκκων αυξάνει την δυνατότητα φορτίου χωρίς να αυξάνει το μέγεθος των οδόντων. Επιπλέον, η συγκεκριμένη διεργασία ελαχιστοποιεί την απαιτούμενη κατεργασία για την παραγωγή του τελικού τροχού. Παρά το γεγονός πως οι οδοντωτοί τροχοί είναι πιο εύκολο να σφυρηλατηθούν, οι ελικοειδής και οι σπειροειδείς κωνικοί τροχοί μπορούν επίσης να σφυρηλατηθούν αν οι διαμορφώσεις τους επιτρέπουν την εξώθηση των τροχών από τη μήτρα. Οι σφυρήλατοι τροχοί κατασκευάζονται από κράματα αλουμινίου, χάλυβα, χαλκό, τιτάνιο και κάποια κράματα που παρουσιάζουν ανθεκτικότητα από τη θερμότητα Οι τροχοί με διάμετρο από 5 έως 20mm είναι συνήθως σφυρήλατοι με μικρή μηχανουργική χάρη. Η ζωή της μήτρας μειώνεται σημαντικά όταν σφυρηλατούνται τροχοί λεπτότερου βήματος. 37