Ανάλυση Μηχανικής Συμπεριφοράς Συστημάτων Μετάδοσης Κίνησης με Κωνικούς Οδοντωτούς Τροχούς

Abstract

Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία επιχειρείται μία πρώτη προσέγγιση προς το σχεδιασμό συστημάτων μετάδοσης κίνησης με κωνικούς οδοντωτούς τροχούς. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, αρχικά στο Κεφ. 1 περιγράφονται τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των κωνικών οδοντωτών τροχών με ευθείς οδόντες. Δίνονται στοιχεία για τις μεθόδους κατασκευής των τροχών αυτών και παρατίθενται τα βασικά κριτήρια βάσει των οποίων γίνεται η εκλογή των διαστάσεών τους. Στη συνέχεια περιγράφεται η ανάλυση δυνάμεων που ασκούνται στους οδόντες των τροχών κατά τη λειτουργία και προτείνονται βασικές μέθοδοι υπολογισμού των αναπτυσσομένων τάσεων προς υπολογισμό της αντοχής τους. Στο τέλος του κεφαλαίου δίνονται γενικές οδηγίες που αφορούν στις εδράσεις των τροχών αυτών και το σχεδιασμό των ακατέργαστων τεμαχίων από τα οποία κόβονται οι κωνικοί τροχοί. Επίσης, δίνονται στοιχεία για την εκτίμηση του βαθμού απόδοσης συστημάτων μετάδοσης που χρησιμοποιούν κωνικούς τροχούς. Στο Κεφ. 2 γίνεται μία λεπτομερέστερη περιγραφή των ιδιαίτερων τύπων κωνικών τροχών με κεκλιμένους οδόντες ή αλλιώς σπειροειδών κωνικών τροχών. Η ανάλυση των βασικών συστημάτων που ακολουθούνται από τη βιομηχανία συνοδεύεται από υπολογιστικά παραδείγματα για καλύτερη κατανόηση του τρόπου εφαρμογής των παρατιθέμενων τύπων. Ανάλογα παραδείγματα υπάρχουν και στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας. Μία ερευνητική προσέγγιση του σχεδιασμού σπειροειδών κωνικών τροχών περιγράφεται αρκετά αναλυτικά στο Κεφ. 3 της εργασίας. Η αναπτυσσόμενη μέθοδος, που στηρίζεται σε πρόσφατες έρευνες πρωτοπόρων ερευνητών του αντικειμένου, οδηγεί στην δημιουργία μη τυποποιημένων κωνικών τροχών οι οποίοι διαθέτουν εξαιρετικά λειτουργικά χαρακτηριστικά και βελτιωμένη αντοχή. Στο τελευταίο κεφάλαιο της εργασίας, γίνεται εφαρμογή της υπολογιστικής Μεθόδου των Πεπερασμένων Στοιχείων για την ανάλυση των τάσεων σε κωνικούς τροχούς ευθέων οδόντων. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με αυτά των αναλυτικών μεθόδων του πρώτου κεφαλαίου και διερευνάται η επίδραση της μεταβολής των υπολογιστικών παραμέτρων της μεθόδου. Τέλος, παρέχεται στο πρώτο παράρτημα κώδικας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό, βάσει διεθνούς προτύπου, των γεωμετρικών χαρακτηριστικών σπειροειδών κωνικών τροχών, καθώς και πίνακας με συνήθη υλικά κατασκευής οδοντωτών τροχών και τις μηχανικές ιδιότητες αυτών.

The present Diploma dissertation attempts a first approach towards the design of bevel gear drives. For this purpose, the geometric features of straight bevel gears are described initially in Chapter 1. Moreover, we give details on bevel gears manufacturing and the fundamental criteria for selection of their basic dimensions are listed. Analysis of the gear-tooth forces during gear meshing is described next and basic stress calculations for the estimation of gear strength are recommended. At the end of the chapter, guidelines for the proper design of gear bearings and blanks are presented. Furthermore, we give basic relations for the estimation of the efficiency of bevel gear drives. In Chapter 2, we give a detailed description of the special types of spiral bevel gears. The analysis of the basic spiral bevel gearing systems used in industrial applications is followed by numerical examples for better understanding of the presented formulae. Analogous examples are also given in the first chapter of this dissertation. A research approach for the spiral bevel gears design is described in detail in Chapter 3. The presented method, which is based on recent research of gear design pioneers, results to the generation of non standards bevel gears that provide outstanding functional characteristics and enhanced strength. In the last chapter of the dissertation, the Finite Element Method is applied for the stress analysis of a straight bevel gear pair. Results of this computational method are compared to the results of the analytical method of the first chapter and we investigate the effect of variation of computational parameters of the former method. Finally, we provide a MATLAB source code in the first appendix which can be used for the calculation of the basic geometric characteristics of spiral bevel gears, based on international standard. Also, a table with common gear materials and the respective mechanical properties is presented in the second appendix.