18 декабря 2016г.
В настоящее время практически каждое машиностроительное предприятие использует системы автоматизированного проектирования (САПР) для решения задач инженерного проектирования в условиях современного конкурентоспособного производства. В современном машиностроении САПР, который применяют при конструкторском проектировании, называется CAD системой. Использование CAD систем значительно помогает решать различные инженерные работы и задачи, например, одной из самых сложных и актуальных направлений в отечественном машиностроении – проектирование зубчатых передач и зацеплений [3]. Зубчатые передачи являются самыми распространенными и широко применяемыми механизмами в машиностроении и приборостроении Зубчатыми передачами называют механизмы, в которых движение между звеньями передается с помощью последовательно зацепляющихся зубьев [1]. Зубчатая передача является одной из разновидностей механических передач, функцией которых является передача механического движения от двигателя к исполнительным органам машины. Зубчатое зацепление является самым эффективным способом передачи механического движения в машиностроении при КПД ≈ 98 % [2]. Практически каждая машина имеет в своем составе зубчатые передачи, которые играют важную роль в их работе, и зарекомендовали себя как надежные и долговечные механизмы при больших вариациях скоростей и мощностей. По неофициальным источникам зубчатое зацепление двух шестерней символизирует собой сферу машиностроения, что подтверждает свою значимость и актуальность применения в современном производственном мире.
Одним из основных недостатков использования зубчатых передач и зацеплений является сложность и точность их проектирования, учитывая широкий диапазон скоростей и мощностей, зубчатые передачи и зацепления могут иметь огромные вариации передаточного отношения и соответственно различных параметров зацепления. Отсюда в современных условиях производства можно выделить следующие четыре основныепроблемы [4]:
Первая проблема заключается в том, что проектирование зубчатой передачи или зацепления вызывает большую сложность. При проектировании зубчатого зацепления параметры зацепления обладают определенными зависимостями и выражаются в виде формул. Геометрия такого зацепления обусловлена построениями кривых старшего порядка, в основе которых лежит теория эвольвентного зацепления. Данный тип зацепления обладает весьма высокой трудоемкостью.
Вторая проблема вытекает из первой, т.к. проектирование зубчатого зацепления вызывает не только повышенную сложность при построении, но и подразумевает достаточно большие затраты времени. К тому же еще требует должной внимательности и неторопливости, при этом вероятность допущения ошибки все равно остается.
Третья проблема выражается тем, что зубчатая передача как вид механической передачи обладает значительным количеством параметров, которые взаимосвязаны друг с другом, при изменении одного из них – меняются остальные параметры всех входящих элементов (звеньев) в передаче. Отсюда образуется невозможность быстрого и удобного редактирования и адаптивности модели зубчатой передачи, появляется ограниченность при вариативности и регулировании основного параметра зубчатого зацепления – передаточного отношения передачи, что влечет за собой отсутствие оптимизации выбора точных параметров для определенного диапазона скоростей и мощностей проектируемой машины.
Четвертая проблема исходит из огромнейшего разнообразия видов зубчатых передач и зацеплений: они отличаются как типом зацепления, так и методом и принципом работы. Вследствие этого геометрия зубчатых зацеплений отличается друг от друга, основным отличием принято считать профиль и наклон зуба в зацеплении, параметры которого имеют различные расчетные формулы и зависимости. Поэтому возникает ограниченность при оптимальном выборе и определении, а также замене или изменению необходимого вида зубчатой передачи и зацепления для применения в работе проектируемой машины.
Для решения этих проблем предлагается использовать возможность параметризации современных CAD систем. Возможность параметризации позволит добиться высшего уровня автоматизации в среде автоматизированного проектирования при моделировании зубчатых передач и зацеплений.
Что же такое параметризация? Параметризация или параметрическое моделирование — это моделирование или проектирование с использованием созданных параметров элементов модели и зависимостей между этими параметрами. Параметрическое моделирование значительно отличается от привычного 2D-черчения или 3D-моделирования. Конструктор создаёт математическую модель объектов с параметрами, при изменении которых происходят изменения конфигурации изображения, модели детали, взаимных перемещений деталей в сборке и т. д. При помощи параметризации можно быстро и эффективно, используя метод изменения определенных геометрических соотношений или значений параметров, произвести анализ различных конструктивных решений и выбрать из них наиболее оптимальное.
История параметрического моделирования началась в 1989 году. Первыми такими системами были САПР «Pro/ENGINEER» (трёхмерное твердотельное параметрическое моделирование) от американской компании «PTC» и «T-FLEX CAD» (двухмерное параметрическое моделирование) от российской компании «Топ Системы». Именно одной из самых успешных на российском рынке САПР в области параметризации зарекомендовала себя система «T-FLEX CAD 3D». В основе этой CAD системы лежит метод параметрического моделирования, который предоставляет возможности для решения описываемых проблем.
Под параметрическим моделированием зубчатых передач и зацеплений следует использовать геометрическую параметризацию, при которой геометрия каждого параметрического объекта пересчитывается в зависимости от положения родительских объектов, его параметров и переменных. Параметрическая модель, в случае геометрической параметризации, состоит из элементов построения и элементов изображения. Элементы построения задают параметрические связи. К элементам изображения относятся линии изображения, а также элементы оформления. Одни элементы построения могут зависеть от других элементов построения. Элементы построения могут содержать и параметры. При изменении одного из элементов модели все зависящие от него элементы перестраиваются в соответствии со своими параметрами и способами их задания [5]. Процесс создания параметрической модели методом геометрической параметризации выглядит следующим образом:
– на первом этапе конструктор задаёт геометрию профиля конструкторскими линиями, отмечает ключевые точки;
– затем проставляет размеры между конструкторскими линиями. На этом этапе можно задать зависимость размеров друг от друга;
– затем обводит конструкторские линии линиями изображения — получается профиль, с которым можно осуществлять различные трёхмерные операции.
Геометрическая параметризация даёт возможность более гибкого редактирования модели. В случае необходимости внесения незапланированного изменения в геометрию модели не обязательно удалять исходные линии построения, можно провести новую линию построения и перенести на неё линию изображения.
Решение этих проблем с помощью параметрического моделирования позволит облегчить проектирование зубчатых передач и зацеплений, вследствие чего увеличится производительность труда и снизится трудоемкость на производстве за счет более эффективного и экономичного использования автоматизированного проектирования зубчатых передач и зацеплений, что подтверждает собой актуальность и высокую востребованность исследования избранного направления.
Список литературы
1. Гинзбург Е.Г., Голованов Н.Ф., Фирун Н.Б., Халебскнй Н.Т., Зубчатые передачи: Справочник/ Под общ. ред. Е.Г. Гинзбурга. — 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1980. — 416 с., ил.
2. Павлов А.И., «Современная теория зубчатых зацеплений». – Харьков: ХНАДУ, 2005. – 100 с.
3. Погребняк Г.Е., Белов В.В., 3D-моделирование изделий машиностроения в "T-FLEX CAD 3D", Вторая международная научно-практическая конференция «Актуальные вопросы технических наук в современных условиях». - г. Санкт-Петербург, 2015, с. 7 – 12.
4. Погребняк Г.Е., Белов В.В., Разработка методов моделирования и проектирования зубчатых соединений изделий машиностроения в среде "T-FLEX CAD 3D", Вторая международная научно- практическая конференция «Наука и образование в современной конкурентной среде». – г. Уфа, 2015, с. 87-89.
5. Рыжов Н.Н., «Параметрическая геометрия». - М.: МАДИ, 1988, - 56 с. : ил.
