W Zakładzie Tribologii Instytutu Technologii Eksploatacji – Państwowego Instytutu Badawczego w Radomiu postanowiono opracować urządzenie do badania tarcia i zużycia kół zębatych stożkowych. Założono, że układ sterowania, układy pomiarowe, zbierania danych i integracja wszystkich układów zostaną opracowane w Instytucie. Część mechaniczną stanowiska zlecono do zaprojektowania firmie invenio Sp. z o.o. w Bielsku-Białej.

Jerzy Mydlarz, Bartosz Kiser

Przekładnie stożkowe są powszechnie stosowanymi elementami układów przenoszenia mocy, zarówno w motoryzacji, w przemyśle obrabiarkowym, jak i w wielu innych dziedzinach. W samochodach osobowych klasy wyższej, w samochodach dostawczych i ciężarowych stosowane są w przekładniach głównych. W motocyklach z wałem napędowym jest podobnie. W wyjątkowych przypadkach przekładnie stożkowe są stosowane do napędu wałka rozrządu umieszczonego w głowicy (Rys. 1). Rozwiązanie to nosi wdzięczną, historyczną nazwę „wałka królewskiego”.

Rys. 1 Motocykl Kawasaki W800  z wałkiem rozrządu napędzanym za pomocą wałka królewskiego (fot. Kawasaki)

Składa się ono z dwóch przekładni stożkowych (Rys. 2). Nie jest rozwiązaniem najtańszym, lecz bardzo trwałym i w ocenie autora pięknym.

Rys. 2  Wałek królewski, górna przekładnia (fot. Kawasaki)

Szkic postaci konstrukcyjnej całego napędu wałkiem królewskim pokazano na rysunku 3.

Rys. 3  Wałek królewski (opracowanie własne)

Ciągły rozwój tego typu przekładni zębatych sprowadza się obecnie raczej do doskonalenia technologii wytwarzania i stosowanych materiałów. Podstawy teoretyczne w zakresie geometrii zazębienia są dość dobrze opracowane. Prowadzone prace rozwojowe wymagają weryfikacji praktycznej. Najlepszą metodą jest wytworzenie zmodyfikowanej przekładni i poddanie jej próbom pod obciążeniem. Stanowiska badawcze do tego typu badań są kosztowe i dlatego niezbyt często spotykane.

Stanowiska badawcze przemysłowe
Przekładnie zębate kompletne, np. przemysłowe, są często badane pod obciążeniem u producenta. W przeszłości, badana na stanowisku przekładnia była napędzana przez silnik napędowy i obciążana przez hamulec np. wodny. Energia w hamulcu była zamieniana na ciepło i tracona. Współcześnie większość stanowisk ma układ napędowy i obciążający w postaci dwóch maszyn elektrycznych z odzyskiwaniem energii obciążania.
Innym energooszczędnym rozwiązaniem jest zastosowanie układu z tzw. mocą krążącą. W rozwiązaniu tego typu dwie przekładnie zębate są połączone przez układ napinający w postaci drążków skrętnych, które wywołują obciążenie pomiędzy zębami. Silnik napędowy wprawiający cały układ w ruch dostarcza tylko moc niezbędną do pokonania strat tarcia w zazębieniu, łożyskach, uszczelnieniach itd.

Stanowisko FZG
Stanowisko to służy w zasadzie do badania olejów przekładniowych. Może jednak być (i jest) stosowane również do badania wpływu parametrów zazębienia kół zębatych walcowych na proces zacierania. Skrótowe omówienie stanowiska FZG jest istotne, ponieważ zastosowana w nim metodyka badań została przeniesiona na stanowisko badawcze do kół stożkowych. Stanowisko FZG należy do najpowszechniej stosowanych w Europie. Zostało ono zbudowane wg projektu Politechniki w Monachium (Forschungstelle für Zahnräder und Getriebiebau). W Anglii stosowane jest stanowisko IAE (Institute of Automobile Engineers), a w USA stanowisko Ryder Gear Erdco Universal Tester [1] Na rysunku 4 przedstawiono przekrój przekładni zębatych stanowiska FZG.

Rys. 4  Stanowisko FZG [1]

Przekrój przedstawia stanowisko bez silnika napędowego, który przez sprzęgło podatne wprawia w ruch wał wejściowy, widoczny w prawej górnej części rysunku. Elementem napędzającym jest silnik elektryczny o obrotach znamionowych 1500 obr/min. Przekładnia badawcza znajduje się po lewej stronie, a napędowa po prawej. Przekładnie są połączone wałkami w postaci drążków skrętnych, umożliwiającymi wywołanie obciążenia wstępnego. Jest to stanowisko z tzw. mocą krążącą. Widoczny w środkowej części wałek skrętny (dolny na rysunku 4) jest przedzielony sprzęgłem specjalnym, służącym do wywoływania napięcia wstępnego. Napinanie układu polega na unieruchomieniu jednej części sprzęgła (lewej na rysunku 4) i na przekręceniu drugiej za pomocą specjalnego ramienia z obciążnikami, a następnie na skręceniu obu tarcz sprzęgła śrubami i zdemontowaniu dźwigni obciążającej.

Istnieje dwanaście stopni obciążenia od momentu 3,34 Nm do 534,7 Nm. Na górnym drążku skrętnym jest umieszczony mechaniczny wskaźnik momentu napięcia wstępnego. Przekładnia badawcza ma grzałkę o mocy 700 W do podgrzewania oleju. Ponieważ niektóre testy wymagają rozpoczęcia badań z określoną podwyższoną temperaturą, dlatego przekładnia badawcza jest wyposażona również w układ pomiaru temperatury.
Do badań właściwości przeciwzatarciowych olejów wykorzystuje się specjalne, opisane normą koła zębate. Ich cechą szczególną jest szlifowanie zębów technologią MAAG. Tzw. krzyżowy ślad po szlifowaniu na bokach zęba ułatwia zaobserwowanie zmian powierzchni wskutek zużycia. Każda para kół jest używana dwukrotnie, w celu wykorzystania obu boków zębów. Koła badawcze do różnych rodzajów testów zacierania różnią się szerokością. W zależności od rodzaju testu wynosi ona 20 lub 10 mm. Początkowo stosowano wyłącznie koła o szerokości 20 mm, jednak wprowadzenie olejów o coraz lepszych własnościach smarnych wymusiło zmniejszenie szerokości kół, celem zwiększenia nacisków jednostkowych i tendencji do zacierania.
Proces badawczy jest pracochłonny. Norma DIN 51354 ustala bardzo dokładnie przebieg badań. Jak wspomniano, istnieje dwanaście stopni obciążenia i tyleż biegów badawczych. Bieg na każdym stopniu trwa 15 min. lub 7 min. 30 s. Po każdym biegu koła wyjmuje się, studzi, myje i waży. Ponadto przeprowadza się obserwację powierzchni boków zębów z odległości 25 cm. W przypadku stwierdzenia zmian na powierzchni zębów przeprowadza się pomiar chropowatości i wykonuje zdjęcia. Następnie koła zabudowuje się ponownie do przekładni, napełnia ją tym samym olejem i prowadzi się następny bieg dla kolejnego, zwiększonego stopnia obciążenia. Pełna procedura badawcza nie będzie tu przytaczana w całości. Istotne jest to, że metoda FZG jest powszechnie znana i stosowana. Opracowując koncepcję nowego stanowiska przyjęto założenie, że metoda badawcza na nim stosowana będzie bardzo zbliżona do standardu FZG.

Koncepcja nowego stanowiska
Schemat kinematyczny nowego stanowiska przedstawiono na rysunku 5.

Rys. 5  Schemat kinematyczny (opracowanie własne)

Jak widać koncepcja stanowiska co do zasady przypomina stanowisko FZG. Jest to stanowisko z mocą krążącą. Oprócz przekładni napędowej walcowej jest jeszcze przekładnia stożkowa napędowa i przekładnia stożkowa badawcza. O ile układ napinający zaadaptowano ze stanowiska FZG, to w miejsce mechanicznego wskaźnika momentu napinającego wprowadzono bezstykowy momentomierz 1. Urządzenie to oprócz kontroli napięcia wstępnego umożliwia obserwację jego zmian w czasie trwania testu, wskutek ścierania się kół zębatych. Momentomierz 2 pozwala na dokładne wyznaczenie mocy pobieranej przez stanowisko.

Obliczenia wytrzymałościowe
Prace związane z kształtowaniem nowego stanowiska zostały poprzedzone kilkukrotnymi obliczeniami. Obliczenia przekładni stożkowej badawczej o przełożeniu 7/18 opierają się na istotnym założeniu. Jest nim zamiar uzyskania w przekładni badawczej współczynników bezpieczeństwa na zużycie powierzchniowe SH i złamanie zęba SF zbliżonych do kół FZG o szerokości 10 mm, które wyznaczono w pierwszej kolejności. Wyznaczenie współczynników bezpieczeństwa SH i SF dla przekładni stożkowej badawczej przeprowadzono za pomocą programu Kisssoft dla następujących parametrów:

• moment obciążenia 535 [Nm] tj. w przybliżeniu 12 stopień wg. FZG,
• obroty zębnika n1 = 3000 [obr/min], koła n2 = 1166,7 [obr/min],
• moc przenoszona przez przekładnię N = 168 [kW],
• moduł czołowy zewnętrzny mcz = 8,7041,
• liczby zębów zębnika i koła z1 = 7, z2 = 18,
• szerokość czynna uzębienia b = 29 [mm].

Uzyskane wyniki zestawiono w tabeli 1. W celu ułatwienia porównania wartości uzyskane dla kół walcowych FZG, dla tych samych warunków obciążenia, podano w nawiasach.

Otrzymane wyniki wskazują, że uzyskano duże podobieństwo współczynników SF. W przypadku współczynnika SH (pitting) jest on większy dla kół stożkowych, w szczególności dla koła o większej liczbie zębów. Jak wykazano w tabeli 1, dla przekładni badawczej warunek SH < SF jest spełniony. W obliczeniach założono olej mineralny z dodatkami uszlachetniającymi. Zastosowanie w testach oleju bez dodatków spowoduje znaczący wzrost niebezpieczeństwa zatarcia przekładni.

Tab. 1

Obliczenia sprawdzające przekładni stożkowej napędowej wykazały pożądane, wysokie współczynniki bezpieczeństwa mające na celu zapewnienie trwałości stanowiska. Podobnie było w przypadku przekładni napędowej walcowej. Zachowany w niej moduł uzębienia jest taki jak w stanowisku FZG. Dzięki wzrostowi liczby zębów wynikających z większej odległości osi, jej trwałość znacząco przewyższa trwałość przekładni badawczej. Negatywnym aspektem wzrostu średnic kół zębatych przekładni napędowej był wzrost prędkości liniowej kół wymagający smarowania natryskowego. Na rysunku 6 widoczna jest pompa oleju wraz z silnikiem umieszczona obok głównego silnika napędowego.

Rys. 6  Zdjęcie urządzenia T-30 do badania kół zębatych stożkowych, z systemem sterująco-pomiarowym (po lewej stronie) oraz wymiennikiem ciepła w zamkniętym, obiegowym układzie wody dejonizowanej (po prawej stronie) [2]

Postać konstrukcyjna
Przekładnia stożkowa badawcza i napędowa tworzą jeden zespół. Korpus jest wykonany technologią spawania. Widok zespołu przekładni pokazano na rysunku 7.

Rys. 7  Część mechaniczna stanowiska T-30

Przekrój przekładni badawczej i napędowej pokazano na rysunku 8.

Rys. 8  Przekrój przekładni badawczej i napędowej

Obie przekładnie są oddzielone od siebie podwójnym uszczelnieniem, aby uniemożliwić przenikanie środków smarnych. Pod kołami badawczymi widoczne są grzałki do wstępnego podgrzewania oleju. W dnie korpusu przekładni badawczej umieszczony jest, nie widoczny na rysunku, wymiennik ciepła. Umożliwia on chłodzenie przekładni, jeśli specyfikacja testu wymaga utrzymania stałej temperatury.
W pokrywie przekładni badawczej widoczne są gwintowane otwory służące do zamocowania akcelerometrów.

System sterująco-pomiarowy [2]
Ogólny schemat systemu przedstawiono na rysunku 9.

Rys. 9  Schemat ogólny systemu sterująco-pomiarowego urządzenia T-30 do badania kół zębatych stożkowych [2]

Przeznaczenie i parametry stanowiska [2]
Urządzenie do badania stożkowych kół zębatych nosi oznaczenie T-30 i przeznaczone jest do badania wpływu środków smarowych, materiałów konstrukcyjnych oraz technologii modyfikacji warstwy wierzchniej zęba na odporność na zacieranie (ang. scuffing, scoring) i powierzchniowe zużycie zmęczeniowe (ang. pitting, spalling) kół zębatych stożkowych.
Badania mogą być wykonywane następującymi metodami, opracowanymi w ITeE - PIB:
T-30 ZAC STOŻK-Ł-7,7-90 – badanie odporności na zacieranie;
T-30 PIT STOŻK-Ł-3,8-90/8 – badanie odporności na powierzchniowe zużycie zmęczeniowe;
Parametry stanowiska T-30 dostarczanego na zamówienie do jednostek przemysłowych, badawczych i wyższych uczelni przez ITeE - PIB są następujące:

• koła testowe – stożkowe o zębach łukowych
• prędkość obrotowa silnika – do 6000 obr/min
• prędkość obwodowa średnia – 7,7 m/s (przy prędkości silnika 3000 obr/min)
• kierunek obrotów – z możliwością zmiany (lewo/prawo)
• maks. stopień obciążenia – 14 (odpowiada momentowi na zębniku 726 Nm)
• maks. nacisk Hertza na zębniku – 1,8 GPa
• pocz. temp. badanego oleju – do 90 ºC (z możliwością stabilizacji układem – chłodzenia)
• rodzaj smarowania – zanurzeniowe (lub natrysk za pomocą układu smarowania obiegowego)
• gabaryty (S x W x G) – 2550 x 1700 x 850 mm
• orientacyjna masa urządzenia – 500 kg (+2500 kg - masa postumentu urządzenia)
• zasilanie – 380 V / 50 Hz
• maksymalny pobór mocy – 32 kW

Pierwsze sukcesy
Testy przeprowadzone na stanowisku potwierdziły poprawność przyjętych założeń i zaowocowały badaniami, a w ich efekcie publikacjami naukowymi [3-11].
Stanowisko zostało zaprezentowane między innymi w Moskwie w 2013 roku na Międzynarodowym Salonie Wynalazków i Innowacyjnych Technologii Archimedes 2013, gdzie zdobyło złoty medal. Okolicznościowy dyplom przedstawiono na rysunku 10.

Rys. 10  Dyplom

Jerzy Mydlarz
Bartosz Kiser

invenio Sp. z o.o.

Niniejszym składamy podziękowania Zakładowi Tribologii Instytutu Technologii Eksploatacji – PIB za przekazane materiały, życzliwe uwagi i wykaz publikacji.

Realizacja projektu została dofinansowana przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach projektu rozwojowego nr N R03 0019 06/2009.

Literatura:
Müller. L.: Przekładnie zębate badania. WNT. Warszawa 1984
Praca zbiorowa: Instrukcja obsługi – Urządzenie T-30 do badanie odporności na zacieranie i pitting kół zębatych stożkowych. Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2014
Michalczewski R., Kalbarczyk M., Tuszyński W., Szczerek M.: The scuffing resistance of WC/C coated spiral bevel gears. Key Engineering Materials, 2014, t. 604, s. 36-40
Tuszyński W., Kalbarczyk M., Michalak M.: Badania tribologiczne kół zębatych stożkowych. Cz. I – urządzenie i metodyka badawcza. Tribologia, 2012, nr 2, s. 83-96
Kalbarczyk M., Tuszyński W., Esparza Lastra M.A., Wulczyński J., Mydlarz J., Kiser B.: Friction reduction and improvement of the scuffing resistance of spiral bevel gears by a low-friction coating. Tribologia, 2014, nr 2, s. 67-77
Kalbarczyk M., Tuszyński W., Szczerek M., Michalczewski R.: Scuffing of spiral bevel gears. Materiały 40 Sympozjum Tribologicznego Leeds-Lyon i Forum Tribochemicznego 2013 w Lyon (Francja) 2013, s. 93 (materiał opublikowany w postaci elektronicznej)
Michalczewski R., Kalbarczyk M., Tuszyński W., Szczerek M.: The scuffing resistance of WC/C coated spiral bevel gears. Materiały 22 Międzynarodowej Konferencji Państw Bałtyckich BALTMATTRIB 2013 w Rydze (Łotwa) 2013
Tuszyński W., Kalbarczyk M., Esparza Lastra M.A., Michalak M., Osuch-Słomka E., Wulczyński J.: Effects of the deposition of low-friction coatings on the teeth of spiral bevel gears. Materiały Międzynarodowej Konferencji Asiatrib 2014 w Agra, Indie. 2014 (materiał opublikowany w postaci elektronicznej, nr art. TSI914655)
Tuszyński W., E. Hoyos de la Garza: Metody badania form zużywania kół zębatych walcowych i stożkowych. Seminarium Centrum Doskonałości Kół Zębatych w PWSZ w Kaliszu, 2014 (materiał niepublikowany)
 Kalbarczyk M., Tuszyński W., Esparza Lastra M., Wulczyński J., Mydlarz J., Kiser B.: Powłoka niskotarciowa a opory ruchu w przekładni stożkowej o zębach łukowych. Seminarium Centrum Doskonałości Kół Zębatych w PWSZ w Kaliszu, 2014 (materiał niepublikowany)
 Tuszyński W., Kalbarczyk M., Michalak M.: Urządzenie i metodyka badania przekładni zębatych stożkowych. Materiały IV Konferencji Naukowo-Technicznej „Środki Smarowe 2012”, Muszyna-Złockie, 2012, s. 19 (cały 19-stronicowy referat dostępny w postaci elektronicznej)

artykuł pochodzi z wydania 4 (91) kwiecień 2015

Czytaj także:

Projektowanie i produkcja barier drogowych metodą rotomouldingu

Obliczenia połączeń spawanych konstrukcji ramowych

Krzyżowy układ napędowy; cz. 1; Pojazd mechatroniczny – badania wirtualne

Tworzenie klimatu