Как стоманите с висока чистота помагат за оптимизиране на скоростните кутии

2023 Автор: Hannah Pearcy | [email protected]. Последно модифициран: 2023-08-25 03:36

Изискванията за все по-компактни предавки или все по-голяма плътност на мощността непрекъснато нарастват в индустрията на предавки и трансмисии. Това се отнася както за мобилни, така и за стационарни приложения. В допълнение към различни видове редуктори или оптимизираната конструкция с помощта на модификации, винаги стои въпросът за материала и неговите свойства. Става ясно, че свойствата на материала играят все по-важна роля в развитието на скоростната кутия. Втвърдената в корпуса стомана 18CrNiMo7-6 много често се използва за закалени в корпуса силови трансмисии или редуктори с висока товароносимост. От известно време компанията Ovako Stahl от Швеция предлага този случай втвърдяваща стомана с по-високи качества или във висококачествени версии. Какви са възможностите за проектиране на зъбни зъбни колела и какво трябва да внимавате?

Галерия с картини

Галерия с картини със 7 снимки

Вградени стомани с висока чистота

Шведската компания Ovako е производител на инженерни стомани, за индустрията на търкалящите се лагери и зъбни колела, и е част от японската стоманена група Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation. В тясна координация с Ovako, GWJ Technology интегрира двете стомани с висока чистота 159X и 159Q в своите софтуерни решения за счупване на зъбни колела, т.е. в уеб решението Eassistant, в настолното приложение TBK и в специалния софтуер за фрезоване на зъбни колела на Gearengineer.

изчисление

Нова стомана за предавки

Връзка между качеството на стоманата и живота на компонентите

Качеството на стоманата има голямо влияние върху живота на компонента. Опитът показва, че неметалните включвания могат да инициират постоянни разкъсвания. Ако анализираме данните, става ясно, че по-големият дефект изисква по-ниско напрежение, за да се предизвика прекъсване на умората в сравнение с по-малък дефект.

Ако сравните чистотата на конвенционалната стомана и висококачествената стомана, използвайки 10 MHz ултразвукови сканирания, разликите са ясно разпознаваеми. За конвенционалната стомана съдържанието на сяра обикновено е от 200 до 400 ppm (ppm = части на милион). За висококачествената BQ качество на стоманата от Evoko, съдържанието на сяра е около 80 до 100 ppm. С висококачествената IQ стомана IQ с високо чистота, съдържанието на сяра е само около 10 ppm.

Положителен ефект на стоманите с висока чистота

159X и 159Q са базирани на стоманата за закаляване на корпуса 18CrNiMo7-6. BQ стомани (или ролкови носещи стомани) като 159X са стомани с висока чистота, в които размерът на дефекта е намален. Ефектът от намаления размер на включванията прави възможно съществуващите компоненти да увеличат експлоатационния живот и / или да увеличат предавателния въртящ момент.

IQ стомани, като 159Q, са високочисти изотропни стомани с малки и изолирани отлагания. Чистотата е сравнима с топена или топена стомана. Малки, равномерни отлагания водят до изотропни свойства. IQ стомана е устойчива на високи натоварвания във всички посоки и е идеална за сложни случаи на натоварване, като например предавки.

Втвърдяемост и обработваемост на стомани с висока чистота

Втвърдимостта и обработваемостта са подобни на конвенционалните стомани. Тъй като двете стомани 159X и 159Q са базирани на 18CrNiMo7-6, те са сравними и по отношение на закаляемостта и обработваемостта. Обработваемостта също може да бъде по-добра (в зависимост от използваните инструменти), но определено не е по-лоша. За сравнима обработваемост е важно използваният инструмент да е подходящ за високи температури на обработка. Замърсяването в конвенционалните стомани кара стружките да се разпадат за кратко по време на обработката. Поради много ниския дял на примеси в стомана с висока чистота, чупенето на чипове е много по-трудно, чиповете не могат просто да се откъснат. За тази цел чипът трябва да бъде направен да свети с по-бърза скорост на подаване и по този начин при по-високи температури, така че да се откъсне.

Скоростна кутия / компендиум

Разработване, оптимизиране и разбиране на скоростните кутии

Чрез промяна на пропорциите на легиращите елементи, т.е. намаляване на Si, Mn и Cr, които по същество са отговорни за вътрешното окисление и едновременно увеличаване на Ni и Mo, които поддържат втвърдяването, се получава стомана с мартензитна микроструктура.

По-висок зъбен фланг и натоварване на корена на зъба

Поради значително по-ниските примеси, стоманите с висока чистота са модифицирали криви на Wöhler. С други думи, в статичния диапазон и двете стомани са сравними с 18CrNiMo7-6. В диапазона на якост на умора обаче 159Q предлага около 30% по-висока производителност за капацитета на натоварването на фланга и 60% по-висока якост за товароносимост на корена на зъба.

Ovako е провел различни тестове, за да демонстрира подобрените механични свойства на стоманите с висока чистота. Тестът за циркулация на огъване показва ясните разлики от конвенционалната стомана. По-нататъшни опити, като напр Б. Пулсаторни тестове и др. В WZL Aachen и FZG Мюнхен потвърдиха вътрешните разследвания на Ovako.

За съществуващи конструкции

Стоманата 159X има малко по-малко увеличение на производителността в сравнение с 18CrNiMo7-6 и следователно е много подходяща, освен всичко друго, ако съществуващите конструкции трябва да бъдат подобрени. Потенциалът на 159Q може да се използва по-специално с нови дизайни. Може да бъде предимство да се съсредоточите върху оптимизирана товароносимост. В допълнение към по-високата плътност на мощността, това обикновено води до по-добра ефективност на предавката и по този начин по-ниски загуби на мощност.

Предимства, особено в диапазона на якост на умора

За да се направят тези стомани с висока чистота достъпни за изчисляване на носещата способност на зъбните колела, в допълнение към обичайните параметри на материала, се изискват издръжливостта на страничното налягане Sigma_Hlim и напрежението на огъване на корен на зъба Sigma_Flim.

Трябва обаче да се отбележи и ходът на кривата на Вьолер за тези стомани с висока чистота, която се отклонява от ISO 6336. В статичния или квазистатичния диапазон стоманите с висока чистота не са по-добри от конвенционалните стомани. С други думи, ползите наистина се появяват в края (последната трета) на диапазона на якост на умора или по-специално в диапазона на якост на умора.

Какви са потенциалите в дизайна?

За да се изясни потенциалът на стоманите с висока чистота, беше направено сравнително изчисление на базата на двойка зъбни колела и планетарен етап и след това сравнено. В първия пример се разглеждат различни варианти на двойка зъбни колела. И четирите варианта са проектирани по такъв начин, че да са спазени определените минимални нива на сигурност. Снимката отсреща показва съответните резултати.

• Геометричните размери, като модул, централно разстояние и брой на зъбите, са идентични за вариант 1 и вариант 2. Разликата обаче е изборът на материал. Докато вариант 1 използва 18CrNiMo7-6 закален материал за колелото и зъбното колело, вариант 2 използва стомана ovako 159Q. В резултат въртящият момент във вариант 2 може да бъде увеличен от 300 Nm на 560 Nm. Тук може да се постигне значително увеличение на производителността с почти двойно, като се промени материалът в стомана с висока чистота.
• При вариант 3 и вариант 4 не само материалът се променя, но и геометрията се настройва, за да се намали размерът на компонента, като се поддържа същото натоварване. Първо, само модулът е намален от 3 на 2,25 във вариант 3. Както можете да видите, разстоянието до центъра е намалено поради по-малкия нормален модул. Ефективността е минимално по-ниска. Тя е 98.4684%.
• Във вариант 4 модулът вече се намалява до 1,5 и в същото време броят на зъбите (z1 = 27, z2 = 89) се увеличава. След това ширината на зъба се намалява от 40 мм на 35 мм, натоварването остава същото. В резултат на това вариант 4 дори има подобрена ефективност от 99.0259%.
• Съществуват и значителни разлики по отношение на масата. За изходен вариант 1 модул 3 дава маса за предавките 395 g, при вариант 3 и модул 2,25, масата може да бъде намалена до 212 g, а при вариант 4 с модул 1.5, дори може да бъде намалена до 144 Г.

Какво ще кажете за материалните разходи?

За да отговорите на въпроса относно материалните разходи, е полезно да илюстрирате това, като използвате следния пример. С хипоидна предавка материалът на зъбното колело се заменя. Това е евтина алтернатива и цялата конструкция може да се използва без геометрични промени. Ако погледнете скоростната кутия от тази гледна точка, лесно можете да получите просто сравнение на общите разходи. Трябва да се отбележи, че тук се използват относителни числа, за да се направи сравнението по-лесно за разбиране. Опитът обаче показва, че това има смисъл и е доста мащабируемо за леките до тежките търговски превозни средства.

По-високи разходи с подобрено напрежение на огъване на корен на зъба

Цената на готовото за сглобяване зъбно колело, изработено от конвенционална стомана, се определя на стойност на индекса 100. Цената на стоманата се отнася до валцувани стоманени пръти, включително доплащания за отпадъци и сплави. Таблицата по-долу показва, че въпреки че разходите за BQ стомана и IQ стомана са малко по-високи, отколкото за конвенционалната стомана, напрежението при огъване на корен на зъба се увеличава съответно с 20% и 64%. Следователно висококачествената стомана предлага значително подобрение на производителността в диапазона на якост на умора. Това дава възможност да се намалят отделните компоненти и системи, като се запази производителността или се удължи живота на съществуващ дизайн.

Сравнение на разходите с помощта на примера за предавка на шпора и планетен етап

Аналогично на предишния пример за сравнение на разходите, това беше прехвърлено към примера на двойната предавка. Следващата фигура показва преглед на сравнението на четирите различни варианта на двойната зъбна предавка по отношение на модула, въртящия момент, ефективността, теглото и цената на материала. С висококачествена стомана 159Q и най-малкия модул, вариант 4 постига най-високата ефективност от 99.0259%. Теглото е 144 g, цената на материала е приблизително 40% от първоначалния вариант 1.

Друг пример е планетарен етап. Разглеждат се два варианта. Във вариант 1 материалът 18CrNiMo7-6 се използва за слънцето и планетите, а за пръстеновидното колело 31CrMoV9 е избрано азотно. Вариант 2 използва висококачествената 159Q стомана от Ovako за създаване на слънцето и планетите. Материалът за зъбното колело остава еднакъв и за двата варианта. Въртящият момент е 300 Nm всеки. Посочените минимални нива на сигурност са изпълнени.

Чрез промяна на материала на стомана с висока чистота, размерът на планетарния етап може да бъде намален, като се запази първоначалното натоварване от 300 Nm. За да се оптимизира допълнително планетарният етап, модулът може постепенно да бъде намален от 2 до 1,25, като в същото време се увеличава броят на зъбите на планетите, слънцето и ринговата предавка. Ъглите на спиралата и налягането остават същите. След това ширините на зъбите се оптимизират. Резултатът е планетарен етап, който има значително по-малки размери.

Като механичен компонент, скоростната кутия е неразделна част от задвижващия механизъм. Как да изберем правилната скоростна кутия и как интеграцията работи безупречно, е показано от нашите потребители, отговарящи на индустриални скоростни кутии.

Повече информация: Потребителска среща за промишлени редуктори

По-малък компонент - по-малко тегло - намалени разходи

По-малките размери на компонентите също значително намаляват теглото. Докато теглото на първия вариант е 2.221 кг, теглото на втория вариант е само 1.328 кг. По-малкият и по-компактен дизайн се отразява и на материалните разходи. Материалните разходи за стомана с висока чистота са около 64% в сравнение с вариант 1.

Стоманите с висока чистота отварят нови възможности за дизайн

Като цяло надеждността на съществуващите компоненти може да се увеличи, като се използват стомани с висока чистота. При условие, че причините за възможна повреда не са напр. Б. лоши повърхности или несъответствие. В допълнение към увеличаване на надеждността, възможното натоварване върху вече съществуващи компоненти може да бъде намалено и чрез промяна на материала на стомани с висока чистота, като например. Б. 159Q, увеличение. Това води до леко увеличение на цената на материалите, но осигурява допълнителна печалба при прехвърляемия въртящ момент.

Като алтернатива, компонентите могат да бъдат съкратени, като се запазят първоначалните товари. Това води до съответно намаляване на материалните разходи поради намаляване на теглото на компонента, както показват представените примери. По този начин стоманите с висока чистота отварят нови възможности за дизайн и производство, които могат да доведат до по-голяма плътност на мощността при същите или по-ниски разходи.

Преглед на 1-ва потребителска среща с промишлени съоръжения

С правилната скоростна кутия за ефективно задвижване

Книгата "Практически ръчен дизайн на задвижването" помага при избора на основните компоненти на системите за електрическо задвижване: мотор, скоростна кутия, задвижване, захранване на мрежата и техните допълнителни компоненти. Изчисляването също се занимава интензивно.

Допълнителна информация по темата за литературата

[1] Dipl.-Ing. Гюнтер Везер; GWJ Technology GmbH, Брауншвайг; Лекция на потребителска среща IndustrieGETRIEBE 2019 „Тенденции в развитието на трансмисията: потенциал на висококачествени стомани“

[2] Фирмени документи на Ovako AB; Ovako AB; www.ovako.com

[3] Ерик Клесън, Лили Камжоу, Елиас Льотман; Ovako AB; „Умора - общият враг за компоненти на силовите агрегати“

[4] Лили Камжоу, Патрик Йолунд, Ерик Клесън, Йоаким Фагерлунд, Гари Уикс, Матс Венмо, Ханс Хансон; Ovako AB; „Иновативен дизайн на стомана и предавка за обработка на напреднали инженерни стомани“; Gear Technology, август 2016 г.

[5] Прессъобщение на GWJ Technology GmbH „Нова стомана за зъбни колела“, март 2019 г.

[6] Фирмени документи на GWJ Technology GmbH; GWJ Technology GmbH; www.gwj.de

[7] www.eAssistant.eu, www.tbksoft.com, www. GearEngineer.eu

* Dipl.-Ing. Гюнтер Везер, управляващ директор GWJ Technology GmbH, 38114 Брауншвайг