3_2024_s_6

Название статьи ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И РАСЧЕТА ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС ДЛЯ НОВЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ (ОБЗОР)
Авторы

С.В. ШИЛЬКО, канд. техн. наук, доц., заведующий лабораторией «Механика композитов и биополимеров», Институт механики металлополимерных систем имени В.А. Белого НАН Беларуси, г. Гомель, Республика Беларусь, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.">Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

В.Е. СТАРЖИНСКИЙ, д-р техн. наук, доц., Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.">Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

В.В. ДУБРОВСКИЙ, научный сотрудник, Институт механики металлополимерных систем имени В.А. Белого НАН Беларуси, г. Гомель, Республика Беларусь, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.">Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Е.В. ШАЛОБАЕВ, канд. техн. наук, проф., президент, Международный консорциума фундаментального образования, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.">Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

М.В. ЧЕРНЕЦ, д-р техн. наук, проф., главный научный сотрудник научно-исследовательской части, Национальный авиационный университет, г. Киев, Украина, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.">Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
В рубрике ДИНАМИКА, ПРОЧНОСТЬ МАШИН И КОНСТРУКЦИЙ
Год 2024
Номер журнала 3(68)
Страницы 53–62
Тип статьи Научная статья
Индекс УДК 539.4; 621.833.678
Идентификатор DOI https://doi.org/10.46864/1995-0470-2024-3-68-53-62
Аннотация Описаны новые приложения и современные методы изготовления зубчатых колес из полимерных композитов с использованием аддитивных технологий (3D-печати) и технологий микроэлектроники (выжигания и быстрого прототипирования из фотополимеров). Рассмотрены методы расчета несущей способности, износа и долговечности полимерных и металлополимерных зубчатых передач (прямо- и косозубых цилиндрических, конических), основанные на методологии механики композитов и феноменологической модели усталостного изнашивания при трении скольжения. Показано применение аналитических решений для быстрого параметрического анализа напряженно-деформированного состояния зубчатых колес, а также использование их пространственной дискретизации конечными и граничными элементами, учитывающей реальную геометрию зацепления. Рассмотрено применение зубчатых колес в приводах микроэлектромеханических систем и специфика расчетов, обусловленная усилением адгезионного взаимодействия в контакте зубьев сверхминиатюрных зубчатых колес. Отмечены особенности деформирования полимерных композитов как структурно-неоднородных и физически нелинейных материалов, что следует учитывать при определении кинематической точности передач. В этой связи обсуждаются возможности трехуровневого метода проектирования зубчатых колес из дисперсно-наполненных полимерных композитов по критериям прочности, деформативности и износостойкости. Предлагаемый метод предусматривает итерационную процедуру оптимизации состава материала и параметров зубчатого зацепления, каждый этап которой включает аналитическое моделирование используемых дисперсно-армированных композитов (микроуровень), расчетно-экспериментальную проверку микромеханических моделей на тест-образцах (мезоуровень) и численный анализ напряженно-деформированного состояния зубчатых колес методом конечных элементов (макроуровень).
Ключевые слова зубчатые колеса, полимерные композиты, аддитивные технологии, прочность, микроэлектромеханические системы, деформативность, износостойкость, методы расчета металлополимерных передач
  Полный текст статьи Вам доступен
Список цитируемой литературы
  1. Элементы привода приборов. Расчет, конструирование, технологии / В.Е. Старжинский [и др.]; под общ. ред. Ю.М. Плескачевского. — Минск: Беларус. навука, 2012. — 769 с.
  2. Зубчатые передачи и трансмиссии в Беларуси: проектирование, технология, оценка свойств / В.Б. Альгин [и др.]; под ред. В.Б. Альгина, В.Е. Старжинского. — Минск: Беларус. навука, 2017. — 406 с.
  3. Thermoplastic gear wheels – Materials, material selection, production methods, production tolerances, form design: VDI 2736 Blatt 1:2016-07. — Germany, 2016. — 73 p.
  4. Старжинский, В.Е. Технология производства зубчатых колес из термопластичных полимерных материалов (обзор) / В.Е. Старжинский, С.В. Шилько, Е.В. Шалобаев // Полимерные материалы и технологии. — 2018. — Т. 4, № 2. — С. 6–31.
  5. Polymer gears: design, technology, application (review) / V.E. Starzhinsky [et al.] // Актуальные вопросы машиноведения: cб. науч. тр. / Объедин. ин-т машиностроения НАН Беларуси; редкол.: С.Н. Поддубко [и др.]. — Минск, 2019. — Вып. 8. — С. 195–198.
  6. Comprehensive areal geometric quality characterisation of injection moulded thermoplastic gears / U. Urbas [et al.] // Polymers. — 2022. — Vol. 14, iss. 4. — DOI: https://doi.org/10.3390/polym14040705.
  7. Шалобаев, Е.В. Аддитивные технологии в машиностроении / Е.В. Шалобаев, Ф.А. Перепелица, Н.С. Красноруцкая // Приборостроение в XXI веке-2016. Интеграция науки, образования и производства: сб. матер. XII Междунар. научно-технич. конф., Ижевск, 23–25 нояб. 2016 г. — Ижевск, 2017. — С. 319–323.
  8. Modelling and testing of spur gear made of different 3D printed materials / T. Kotkar [et al.] // International Journal of Scientific Research in Science, Engineering and Technology. — 2018. — Vol. 4, iss. 4. — Pp. 1389–1394.
  9. Rohit, A. Design and fabrication of spur gear using 3D printing technology / A. Rohit, G.S. Sasank, P.V.R.C. Kishore // International Research Journal of Engineering and Technology. — 2020. — Vol. 7, iss. 6. — Pp. 454–464.
  10. Перепелица, Ф.А. Отечественное программное обеспечение для аддитивных технологий / Ф.А. Перепелица, Е.В. Шалобаев, С.В. Шилько // Перспективы развития аддитивных технологий в Республике Беларусь: сб. докл. Междунар. научно-практ. симп., Минск, 24 мая 2017 г. — Минск, 2017. — С. 128–135.
  11. Plastic Gears: State-of-the-art design and technology (Review) / V. Starzhinsky [et al.] // Power Transmissions 2020: Proc. of the 7th Int. BAPT Conf., Borovets, Bulgaria, June 10–13, 2020. — Bulgaria, 2020. — Pp. 27–34.
  12. 3D-печать как «природоподобный» способ производства оптимизированных эндопротезов / С.В. Шилько [и др.] // Междисциплинарные проблемы аддитивных технологий: докл. IV Всеросс. научн. сем. с междунар. участием, Томск, 29–31 окт. 2018 г. — Томск: НТИУ, 2019. — С. 94–99.
  13. Применение полимерных связующих при изготовлении керамических изделий методами аддитивных технологий / Г.А. Демидов [и др.] // Полимерные материалы и технологии. — 2019. — Т. 5, № 3. — С. 85–90.
  14. Kapelevich, A. Plastic gearing for small engine applications / A. Kapelevich, T. MсNamara // Small Engine Technology Conference & Exposition: Proc. of the Int. SAE Conf. — 2006. — DOI: https://doi.org/10.4271/2006-32-0038.
  15. Материалы и источники излучения для стереолитографии (обзор) / Н.К. Толочко [и др.] // Материалы, технологии, инструменты. — 2000. — Т. 5, № 3. — С. 35–38.
  16. Шилько, С.В. Разработка технологии зубчатых колес для микромеханических систем / С.В. Шилько, В.Е. Старжинский // Современные информационные технологии. Проблемы исследования, проектирования и производства зубчатых передач: сб. докл. межд. научн. семинара, Ижевск, 31 янв.–2 февр. 2001 г. / ИжГТУ. Ин-т механики; под ред. И.В. Абрамова [и др.]. — Ижевск, 2001. — С 159–162.
  17. Шалобаев, Е.В. Технология изготовления зубчатых колес и передач для микроэлектромеханических систем. Зубчатые микромеханизмы МЭМС: опыт производства и постановка задач на перспективу / Е.В. Шалобаев, В.Е. Старжинский, С.В. Шилько // Микросистемная техника. — 2003. — № 10. — С. 2–5.
  18. Анализ методов геометрического расчета параметров формообразующих матриц для пластмассовых зубчатых колес / В.Е. Старжинский [и др.] // Вестник машиностроения. — 1995. — № 6. — С. 3–7.
  19. Tsukamoto, N. Investigation about the strength of plastic gears: 4th Report; abrasion and state of tooth profile change of driven nylon gear / N. Tsukamoto // Bulletin of JSME. — 1983. — Vol. 26, iss. 219. — Pp. 1661–1669. — DOI: https://doi.org/10.1299/jsme1958.26.1661.
  20. Крагельский, И.В. Основы расчетов на трение и износ / И.В. Крагельский, М.Н. Добычин, В.С. Комбалов. — М.: Машиностроение, 1977. — 526 с.
  21. Благодарный, В.М. Расчет мелкомодульных зубчатых передач на износ и прочность / В.М. Благодарный. — М.: Машиностроение, 1985. — 128 с.
  22. Справочник по триботехнике: в 3 т. / под общ. ред. М. Хебды, А.В. Чичинадзе. — М.: Машиностроение, 1989. — Т. 1. Теоретические основы. — 400 с.
  23. Шилько, С.В. Расчет износостойкости зубчатой передачи с колесами из армированных композиционных материалов / С.В. Шилько, В.Е. Старжинский // Трение и износ. — 1993. — Т. 14, № 3. — С. 444–451.
  24. Chernets’, M.V. A method for the evaluation of the influence of correction and wear of the teeth of a cylindrical gear on its durability and strength. Part 1. Service live and wear / M.V. Chernets’, R.Ya. Yarema, Ju.M. Chernets’ // Materials Science. — 2012. — Vol. 48, iss. 3. — Pp. 289–300. — DOI: https://doi.org/10.1007/s11003-012-9505-y.
  25. Чернец, М.В. Метод расчета триботехнических характеристик цилиндрической косозубой тяговой передачи локомотива ВЛ-10 / М.В. Чернец, Ю.М. Чернец // Трение и износ. — 2016. — Т. 37, № 6. — С. 728–736.
  26. Износостойкость стекло- и угленаполненных полиамидных композитов для металлополимерных зубчатых передач / М.В. Чернец [и др.] // Трение и износ. — 2018. — Т. 39, № 5. — С. 457–461.
  27. Chernets, M. Prediction of the service life of metal-polymer gears made of glass and carbon fibre-reinforced polyamide, considering the impact of height correction / M. Chernets, A. Kornienko // Advances in Science and Technology Research Journal. — 2020. — Vol. 14, iss. 3. — Pp. 15–21. — DOI: https://doi.org/10.12913/22998624/124553.
  28. Chernets, M. Calculated assessment of contact strength, wear and resource of metal-polymer gears made of dispersion-reinforced composites / M. Chernets., S. Shil’ko, A. Kornienko // Applied Engineering Letters. — 2021. — Vol. 6, no. 2. — Pp. 54–61. — DOI: https://doi.org/10.18485/aeletters.2021.6.2.2.
  29. Goldfarb, V.I. Direct digital simulation for gears / V.I. Goldfarb, S.V. Lunin, E.S. Trubachov. — Izhevsk, 2004. — Vol. 1. — 75 p.
  30. Двухуровневый метод расчета на прочность и деформативность зубчатых колес из дисперсно-армированных композитов / С.В. Шилько [и др.] // Вестник национального технического университета «ХПИ». — 2012. — Вып. 35. — С. 173–178.
  31. Двухуровневый метод расчета трибосопряжений из дисперсно-армированных композитов. Часть 1 / С.В. Шилько [и др.] // Трение и износ. — 2013. — Т. 34, № 1. — С. 82–86.
  32. Двухуровневый метод расчета трибосопряжений из дисперсно-армированных композитов: Часть 2 / С.В. Шилько [и др.] // Трение и износ. — 2014. — Т. 35, № 1. — С. 52–61.
  33. Моделирование контактного взаимодействия в сопряжениях микроэлектромеханических систем / С.В. Шилько [и др.] // Вестник ГГТУ им. П. О. Сухого. — 2002. — № 3–4. — С. 31–38.
  34. Особенности расчета сопряжений компонентов МЭМС / С.В. Шилько [и др.] // Микросистемная техника. — 2003. — № 6. — С. 16–20.
  35. Pogačnik, N. An accelerated multilevel test and design procedure for polymer gears / N. Pogačnik, J. Tavčar // Materials & Design. — 2015. — Vol. 65. — Pp. 961–973. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2014.10.016.
  36. Шилько, С.В. Применение двухуровневого прочностного анализа при подготовке CAD-моделей для 3D-печати градиентных материалов и изделий / С.В. Шилько, Т.В. Рябченко, В.В. Дубровский // Аддитивные технологии, материалы и конструкции: материалы науч.-технич. конф., Гродно, 4–6 окт. 2016 г. — Гродно, 2016. — С. 140–146.
  37. Применение компьютерной механики при подготовке CAD моделей для 3D-печати градиентных материалов и изделий / С.В. Шилько [и др.] // Перспективы развития аддитивных технологий в Республике Беларусь: сб. докл. Междунар. научно-практич. симп., Минск, 24 мая 2017 г. — Минск, 2017. — С. 194–207.
  38. Computer-aided design and adoption of standard software on gearing / V.E. Starzhinsky [et al.] // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. — 2018. — Vol. 393. — DOI: https://doi.org/10.1088/1757-899X/393/1/012044.
  39. Методика проектирования и расчета малогабаритных зубчатых передач из композиционных материалов / В.М. Медунецкий [и др.] // Известия вузов. Приборостроение. — 2019. — Т. 62, № 2. — С. 192–194. — DOI: https://doi.org/10.17586/0021-3454-2019-62-2-192-194.
  40. Loaded behaviour of gear made of fibre reinforced PA6 / J. Cathelin [et al.] // Gears; International conference on gears: Europe invites the world. — Düsseldorf: VDI-Verlag, 2013. — Pp. 1221–1234.
  41. Tunalioglu, M.S. Wear and service life of 3-D printed polymeric gears / M.S. Tunalioglu, B.V. Agca // Polymers. — 2022. — Vol. 14, iss. 10. — DOI: https://doi.org/10.3390/polym14102064.
  42. Experimental investigation of the wear behaviour of coated polymer gears / B. Polanec [et al.] // Polymers. — 2021. — Vol. 13, iss. 20. — DOI: https://doi.org/10.3390/polym13203588.
  43. Chen, J.H. Factors affecting fatigue strength of nylon gears / J.H. Chen, F.M. Juarbe, M.A. Hanley // Journal of Mechanical Design. — 1981. — Vol. 103, iss. 2. — Pp. 543–548. — DOI: https://doi.org/10.1115/1.3254951.
  44. A new experimental approach for measuring thermal behaviour in the case of nylon 6/6 cylindrical gears / E. Letzelter [et al.] // Polymer Testing. — 2010. — Vol. 29, iss. 8. — Pp. 1041–1051. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2010.09.002.
  45. Wear behaviour of acetal gear pairs / A.R. Breeds [et al.] // Wear. — 1993. — Vol. 166, iss. 1. — Pp. 85–91. — DOI: https://doi.org/10.1016/0043-1648(93)90282-Q.
  46. Lin, A.-D. Dynamic interaction between contact loads and tooth wear of engaged plastic gear pairs / A.-D. Lin, J.-H. Kuang // International Journal of Mechanical Sciences. — 2008. — Vol. 50, iss. 2. — Pp. 205–213. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2007.07.002.
  47. An investigation on the wear behaviour of dissimilar polymer gear engagements / W. Li [et al.] // Wear. — 2011. — Vol. 271, nos. 9–10. — Pp. 2176–2183. — DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.wear.2010.11.019.
  48. The wear and thermal mechanical contact behaviour of machine cut polymer gears / K. Mao [et al.] // Wear. — 2015. — Vols. 332–333. — Pp. 822–826. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.wear.2015.01.084.
  49. Tavčar, J. Accelerated lifetime testing of reinforced polymer gears / J. Tavčar, G. Grkman, J. Duhovnik // Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing. — 2018. — Vol. 12, no. 1. — DOI: https://doi.org/10.1299/jamdsm.2018jamdsm0006.
  50. Singh, P.K. An investigation on the thermal and wear behavior of polymer based spur gears / P.K. Singh, Siddhartha, A.K. Singh // Tribology International. — 2018. — Vol. 118. — Pp. 264–272. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.triboint.2017.10.007.
  51. Tensile and flexural behaviors of additively manufactured continuous carbon fiber-reinforced polymer composites / T. Yu [et al.] // Composite Structures. — 2019. — Vol. 225. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.111147.
  52. A physical investigation of wear and thermal characteristics of 3D printed polyamide spur gears / Y. Zhang [et al.] // Tribology International. — 2020. — Vol. 141. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.triboint.2019.105953.
  53. Taywade, A.N. Design and analysis of plastic gear and its comparison with metallic gear in the gear box of moped / A.N. Taywade, V.G. Arajpure // International Journal of Research in Mechanical Engineering. — 2015. — Vol. 3, iss. 2. — Pp. 1–6.