4 Konstrukcija z

Presjek A-A

A

3

1

  1

2    2

2

2 1

2    1

1

A

4

elementi konstrukcije prenosnika

Zupčanici i zupčani prijenosi

 Elementi konstrukcije prenosnika

4.1 IZVEDBA PRENOSNIKA 4.1.1 Postupak konstruiranja para zupčanika Postupak konstruiranja zupčanog prenosnika ovisi o tome koji ulazni podaci su dostupni.  Najčešće je poznata snaga  P 1 koju treba prenositi uz zadanu ulaznu brzinu vrtnje n1 i prijenosni omjer i. Zadatak konstruktora je za te ulazne podatke konstruirati zupčani par, tj. odrediti sve relevantne materijale, dimenzije i parametre; propisati tolerancije kako bi prijenos snage za zadane pogonske uvjete mogao teći pouzdano, tj. bez ikakvog narušavanja integriteta prenosnika u cjelini kao i svakog njegovog pojedinog dijela. Preporuča se sljedeći postupak: 1. Odabrati materijal, kvalitetu ozubljenja, način izrade zupčanika i njegovu toplinsku ili kemijsko–toplinsku obradu. 2. Odabrati broj zubi manjeg zupčanika. Broj zubi ovisi i o prijenosnom omjeru jer veći  prijenosni omjer znači veći broj opterećenja u jedinici vremena, tj. manju trajnost, odnosno čvrstoću. Izbor se može provesti iz iskustvene tablice 4.1 u ovisnosti o prijenosnom omjeru i materijalu, odnosno obradi.

Tablica 4.1 Materijal zupčanika

Orijentacijske vrijednosti za izbor broja zubi manjeg zupčanika z 1 Prijenosni omjer i 1

2

4

 poboljšano ili kaljeno 32 do 60 20 do 55 25 do 50 do 230 HB iznad 300 HB 30 do 50 27 do 45 23 do 40 sivi lijev 26 do 45 23 do 40 21 do 35 nitrirano 24 do 40 21 do 35 19 do 31 rotacijsko kaljenje 21 do 32 19 do 29 16 do 25 korijena  Napomena: manje manje vrijednosti birati za n1 < 1000 min-1, a veće za n1 > 3000 min-1

8 22 do 45 20 do 35 18 do 30 16 do 26 14 do 22

Ovako određen broj zubi manjeg zupčanika je konačan. 3. Odrediti broj zubi većeg zupčanika: 2

≈ i ⋅ z 1  

(4.1)

koja vrijednost se treba zaokružiti na cijeli broj zubi. Da bi se smanjila učestalost zahvata istih zubi te da bi se smanjila mogućnost pobude vibracija, poželjno je da  z 2 ne bude višekratnik od  z 1. Poželjno je čak da brojevi zubi oba zupčanika ne budu parni brojevi. Da bi se ovo postiglo, može se z 2 zaokružiti na proizvoljni cijeli broj, ali tako da stvarni prijenosni omjer i

=

2

 z 1

 

(4.2)

 po mogućnosti ne odstupa od zadanog više od 2,5 %. Odstupanje ukupnog prijenosnog omjera,  bez obzira na broj stupnjeva, ne bi smio prelaziti vrijednost od 3 %.

- 246 -

Zupčanici i zupčani prijenosi

 Elementi konstrukcije prenosnika

Ovako određen broj zubi većeg zupčanika je konačan. 4. Odabrati omjer dimenzija zupčanika. Bira se samo jedan omjer dimenzija: ψ  = b1 d 1 (tablica 4.2) u ovisnosti o materijalu i uležištenju zupčanika ili ψ  = b mn (tablica 4.3) u ovisnosti o obradi, uležištenju i brzini vrtnje zupčanika. Omjer dimenzija ψ  = b1 d 1

Tablica 4.2 Materijal i toplinska obrada zupčanika Konstrukcijski čelici Čelični, sivi i nodularni lijev < 230 HB Poboljšani čelici ≥ 230 HB Cementirani i kaljeni čelici Površinski kaljeni čelici  Nitrirani i karbonitrirani čelici

Tablica 4.3

 Način uležištenja pogonskog zupčanika obostrano obostrano konzolno simetrično nesimetrično b1/d 1 ≤ 1,8

b1/d 1 ≤ 1,5

b1/d 1 ≤ 1,0

b1/d 1 ≤ 1,6

b1/d 1 ≤ 1,8

b1/d 1 ≤ 0,8

b1/d 1 ≤ 1,4

b1/d 1 ≤ 1,8

b1/d 1 ≤ 0,7

b1/d 1 ≤ 1,1

b1/d 1 ≤ 0,9

b1/d 1 ≤ 0,6

b1/d 1 ≤ 0,8

b1/d 1 ≤ 0,6

b1/d 1 ≤ 0,4

Orijentacijske vrijednosti za omjer dimenzija ψ  = b mn

Zubi lijevani, neobrađeni

ψ   = 6...10

Zubi obrađeni, konzolno uležajnje vratila manjeg zupčanika

ψ   = 10...15

Zubi dobro obrađeni, uležajnje u kućištu reduktora

ψ   = 15...25

Zubi vrlo dobro obrađeni, uležajnje i podmazivanje u kućištu reduktora, n1 ≤ 3000 min-1 Isto kao gore, pri n1 > 3000 min-1 Zubi kaljeni i brušeni

ψ   = 25...45 ψ   = 45...100 ψ   = 5...15

5. Odrediti kut nagiba zuba na diobenom promjeru  β . Preporuka je izračunati ga iz uvjeta da suma dodirnih linija bude konstantna, tj. da prekrivanje koraka εβ bude cijeli broj. Tada se iz izraza (2.254) dobiva β. 6. Odrediti ekvivalentne brojeve zubi  z 1n 1n i z2n. Ovo je potrebno za određivanje faktora oblika zuba u izrazima za dimenzioniranje. 7. Iz uvjeta čvrstoće, izrazi (3.58) do (3.60) ili (3.98 do 3.100), ili iz nekih drugih valjanih izraza, odrediti jednu dimenziju zupčanika, npr. modul mn kojeg treba zaokružiti na konačnu, standardnu vrijednost, tablica 2.1. 8. Odabrati prethodnu vrijednost sume faktora pomaka profila  xΣ = x1 + x2 prema uputstvima u  poglavlju 10.8, npr. iz dijagrama na slici slici 2.58. 9. Iz izraza (2.219) izračunati osni razmak i zaokružiti ga na konačnu vrijednost koja ne mora biti standardna, tablica 4.4, ali je poželjno da bude zaokružena barem na parni broj milimetara.

- 247 -

Zupčanici i zupčani prijenosi

 Elementi konstrukcije prenosnika

10. Iz istog izraza (2.219), na osnovi konačne vrijednosti osnog razmaka, izračunati stvarnu vrijednost zahvatnog kuta αw. 11. Iz izraza (2.222) odrediti konačnu vrijednost sume faktora pomaka profila i raspodijeliti je na  x1 i x2 tako da se po opisanoj proceduri očita  x1 , a x2 ovako:  x2 = ( x1+ x2 ) – x1.

Tablica 4.4 50 63 (280) 315

80 (355)

100 400

125 (450)

(140) 500

160 (560)

Standardni osni razmaci, mm (180) 200 (224) 250 630 710 800 1000

12. Odrediti sve konačne dimenzije zupčanika potrebne za njihovu izradu. 13. Dovršiti konstrukciju reduktora i svih njegovih dijelova uključivši sustav podmazivanja. 14. Izračunati gubitke reduktora i stupanj iskoristivosti. i skoristivosti. 15. Izračunati temperaturu ulja i usporediti je s dopuštenom. 16. Provjeriti čvrstoću zupčanika na boku i u korijenu zuba. 17. Provjeriti sigurnost zupčanika prema zaribavanju i prema probijanju uljnog filma. 18. Provjeriti integritet svih elemenata reduktora, naročito vratila i ležajeva. 19. Odrediti tolerancije, tj. granična odstupanja kontrolnih mjera, debljine zuba i druge, prema  potrebi, tj. primjeni zupčanika. zupčanika.

4.1.2 Raspodjela prijenosnog omjera Pri raspodjeli prijenosnog omjera kod višestupanjskih prenosnika treba imati na umu da višegodišnja iskustva u projektiranju ukazuju da u jednom stupnju prijenosni omjer ne bi trebao  biti veći od i = 8. Razlog tome su velike deformacije većeg zupčanika, tj. nestabilnost njegovog  položaja na vratilu. Kod dvostupanjskih reduktora, ukupni prijenosni omjer ne bi smio prelaziti vrijednost i = 45, a kod trostupanjskih i = 100. Kod višestupanjskih reduktora potrebno je podijeliti ukupni prijenosni omjer na parcijalne. Jedan od starijih načina podjele kod kojeg ova raspodjela ovisi samo o ukupnom prijenosnom omjeru,  jest onaj prema profesoru Niemannu:  – prijenosni omjer prvog prvog stupnja za 2-stupanjski 2-stupanjski reduktor: iI

0, 8 ⋅ i 2 3   ≈ 0,8

(4.3)

 – prijenosni omjer prvog prvog stupnja za 3-stupanjski 3-stupanjski reduktor: iI

≈ 0, 6 ⋅ i 4 7  

(4.4)

 – prijenosni omjer drugog drugog stupnja za 3-stupanjski 3-stupanjski reduktor: iII

≈ 1,1 ⋅ i 2 7  

- 248 -

(4.5)

Zupčanici i zupčani prijenosi

 Elementi konstrukcije prenosnika

 – prijenosni omjer drugog stupnja za nisko i srednje opterećeni 3-stupanjski reduktor može se odrediti i prema izrazu: iII

= 1, 98 ⋅ 3 i ψ  ⋅ b − 1,

(4.6)

iII

= 2, 36 ⋅ 3 i ψ  ⋅ b −1 .

(4.7)

gdje je ψ  b omjer b/d 1, tablica 4.2. Za visokoopterećene reduktore je:

4.1.3 Materijali zupčanika Izbor materijala ovisi o svojstvima koja zupčanici moraju imati: opteretivost, pouzdanost, trajnost i točnost prijenosa gibanja za zadane uvjete pogona. Zbog zahtjevnosti postupka izrade s obzirom na kvalitetu ozubljenja, vrlo važno svojstvo materijala jest njegova obradivost. Značajnu ulogu ima i cijena materijala, posebno kod serijske proizvodnje. Cijena ovisi i o tehnološkom  postupku kojim se može dobiti zupčanik tražene kvalitete i svojstava, a tehnološki postupak,  pored ostalog, i o materijalu. Budući da je manji zupčanik više opterećen od velikog, običaj je vlačnu čvrstoću njegovog materijala uzeti za oko 50 N/mm 2 veću od vlačne čvrstoće velikog zupčanika:  Rm1

≈ Rm2 + 50  N/mm2 

(4.8)

Za materijale zupčanika upotrebljavaju se: metali, sinterirani materijali i polimeri.

4.1.3.1 Metalni materijali i njihova toplinska ili toplinsko-kemijska obrada Metalni zupčanici se izrađuju najčešće iz čelika kao cementirani, cijanizirani, nitrirani, kaljeni s  popuštanjem na niskim temepraturama ili površinski kaljeni pri čemu se toplinska obrada izvodi  poslije izrade ozubljenja, a deformacije nastale toplinskom obradom otklanjaju završnom obradom zubi. Zupčanici pojedinačne ili maloserijske proizvodnje izrađuju se obično od čeličnih otkivaka ili otpresaka, odljevaka ili zavarivanjem. Radni predmet se poboljšava ili normalizira do malih tvrdoća pri kojima se obrada zubi može obaviti i poslije toplinske obrade.  Neobrađeni ili izrađeni kopirnim postupkom, sporohodni zupčanici, izrađuju se od ljevanog željeza, čelika ili čeličnog lijeva i ne podvrgavaju se toplinskoj obradi. Veliki čelični odljevci se  ponekad normaliziraju radi dobivanja strukture najpogodnije za obradu. Pored navedenih, željeznih materijala, za izradu zupčanika se još upotrebljava temper (kovkasti) lijev te bakarne, aluminijske i cinkove legure (za velike brzine klizanja). Pored čelika, zupčanici se izrađuju i od nodularnog lijeva, sivog lijeva, crnog tremper lijeva te  bakarnih, aluminijskih i cinkovih legura (za velike brzine klizanja).

- 249 -

Zupčanici i zupčani prijenosi

 Elementi konstrukcije prenosnika

Zupčanici koji se toplinski ili toplinsko-kemijski obrađuju poslije izrade zubi. Kod ovih zupčanika dubinsko kaljenje s niskim popuštanjem bez prethodnog cementiranja ne osigurava visoku tvrdoću radnih površina zubi i dovoljnu žilavost jezgre zuba. Pri površinskom kaljenju strujom visoke frekvencije – indukcijskom kaljenju, mogu se pojaviti u  površinskom sloju znatna vlačna naprezanja. Da bi se izbjegla ova zaostala naprezanja, potrebno  je za svaki slučaj posebno, pažljivo odabrati režim kaljenja. Cijanirani i nitrirani zupčanici ne zaostaju u pogledu tvrdoće za cementiranim zupčanicima, ali zbog male debljine tvrdog  površinskog sloja, ne mogu izdržati veća preopterećenja.  Nitriranje  zupčanika radi se u onim slučajevima kada je nemoguće brušenje zubi (primjerice, zupčanici s unutrašnjim ozubljenjem) što znači da je deformacije zubi nastale pri toplinskoj obradi potrebno smanjiti na što manju mjeru. Zupčanici koji rade pod velikim optrećenjima i koji su izloženi udarnim opterećenjima, moraju imati veliku dinamičku čvrstoću jezgre i veliku otpornost na kontaktna naprezanja. Najbolja kombinacija ovakvih osobina dobiva se kod cementiranih zupčanika iz čelika za cementiranje i od novijih vrsta čelika legiranih borom koji im daje veliku prokaljivost. Kemijski sastav čelika ima daleko manji utjecaj na čvrstoću zupčanika od načina toplinske obrade i vrste završnih operacija obrade zubi, posebice od njihovog brušenja. Prema tome, svrsishodnije je odabrati jeftiniji čelik s boljom toplinskom obradom negoli obrnuto. Da bi se smanjile deformacije i dodaci za brušenje, primjenjuje se izotermičko ili stupnjevito kaljenje, a također i kaljenje u ulju zagrijanom na temperaturu 180 do 200 oC. Minimalne deformacije daje kaljenje naugljičene površine strujom visoke frekvencije.  Neki režimi toplinske obrade koji daju malu deformaciju cementiranih zupčanika mogu dovesti do smanjenja zaostalih tlačnih naprezanja u površinskom sloju, tj. do smanjenja otpornosti zubi na gnječenje. Kaljenje u ulju iz plinske cementne peći daje najmanje zaostalih naprezanja. Lagano hlađenje,  ponovno zagrijavanje i kaljenje u ulju povećava zaostala naprezanja. Još je veći porast zaostalih naprezanja pri kaljenju u solnim rastvorima. Pored toga, pri složenom obliku zupčanika, ovakvo kaljenje povezano je s rizikom od pojave pukotina. Pri cementiranju u čvrstim sredstvima za cementiranje i pri kaljenju poslije ponovnog zagrijavanja, zaostala naprezanja su manja od takvog kaljenja pri plinskoj cementaciji. Plinsku cementaciju velikih zupčanika treba završiti periodom difuzije bez uvođenja plina. Ovim se  postiže ravnomjerniji prelaz cementiranog sloja u masu jezgre, što povećava čvrstoću zubi. S obzirom na čvrstoću korijena, optimalna debljina cementiranog sloja iznosi ∼ 0,2 mm, ali, zbog  povećanja tlačne čvrstoće zubi ona treba biti veća: za mn = 1,5 do 4 mm oko 15% debljine zubi u  blizini kinematskog pola i 0,5 √mn – za mn = 4 do 30 mm. Da bi se povećala tvrdoća površinskih slojeva zubi zupčanika koji rade bez preopterećenja,  primjenjuje se hladna obrada na – 50 do – 55 oC.  Nitriranje  je

postupak pri kojemu se površinski sloj obogaćuje dušikom na temperaturi od 500–  590 C, u struji amonijaka (tvrdo nitriranje) ili u solnoj kupki s kalijevim nitratom (meko nitriranje). Rezultat je tvrdi, tanki površinski sloj debljine 0,02 do 0,5 mm u ovisnosti o veličini o

- 250 -

Zupčanici i zupčani prijenosi

 Elementi konstrukcije prenosnika

kontaktnih naprezanja za vrijeme rada prenosnika. Nitrirani zupčanici pri velikim brojevima ciklusa opterećenja izdržavaju znatno veća opterećenja od cementiranih, ali loše podnose  preopterećenja, udarna ili vibracijska, koja se pojavljuju pri prelazu prenosnika kroz rezonancijsku zonu. Oni mogu raditi na temperaturama do 450 do 500 oC s čvrstim sredstvima  podmazivanja.  Nitriranje se provodi na niskim temperaturama pa se zupčanici ne deformiraju. Zbog toga nitriranje može biti, i najčešće jest, zadnji korak obrade. Nitriranje zupčanika od lijevanog željeza ne daje veći efekt. Kada je zbog velikih dimenzija zubi praktički neizvedivo kaljenje zubi, npr. kod velikih brodskih reduktora, često se manji zupčanik cementira i kali, a veliki nitrira.  Meko nitriranje se

provodi na zupčanicima koji rade bez trošenja, sa sredstvima podmazivanja koja ne sadrže abrazivne čestice. Izvodi se u solnoj kupci koja sadrži preko 30% cijanoksid kalija u trajanju od 1,5 do 2 sata na temperaturama od 550 do 580 oC. Radi povećanja tvrdoće površinskog sloja zubi zupčanika koji su izrađeni od čelika sa srednjim sadržajem ugljika (legiranih ili nelegiranih) primjenjuje se cijaniziranje. To je ustvari nitriranje, ali u posebnoj solnoj kupci, kojim se dobiva tvrdi sloj male dubine (0,1 do 0,3 mm), tvrdoće oko 70 HRC. Zbog toga, brušenje zubi poslije cijaniziranja nije dopušteno. Potrebno je poduzeti mjere da bi se smanjile deformacije pri kaljenju: provodi se kaljenje u kalupima koji sprečavaju deformacije. U novije vrijeme usvojen je proces dubokog cijaniziranja na visokim temperaturama s debljinom sloja do 2 mm.

 Nitrokarburiranje i karbonitriranje su

postupci obogaćivanja tankog sloja boka zuba dušikom i ugljikom, u različitim omjerima, na temperaturama od 560 do 590 0C. Prednost ovih postupaka  jest što se mogu primijeniti na sve vrste čelika te na sivi i nodularni lijev. Za površinsko  plameno kaljenje  najpogodniji je ugljični čelik Č 1531. Zagrijavanje se izvodi rotacijom zupčanika kojega se kali ili zagrijavanjem svakog zuba posebno (pri mn ≥ 8 mm). Ako se kale samo radne površine zubi, znatno se smanjuje čvrstoća zubi na savijanje (do 50%). Prema tome, pri površinskom kaljenju plamenom ili strujom visoke frekvencije treba kaliti i podnožja zubi. Pojedinačno kaljenje svakog zuba pri zagrijavanju visoke frekvencije može se primijeniti  pri mn ≥ 2,5 mm. Da bi se izbjeglo dubinsko prokaljivanje zubi i njihovih podnožja, kaljenje sa zagrijavanjem uz okretanje zupčanika zahtijeva pravilan izbor kemijskog sastava čelika i režima kaljenja. Ako se kaljenje pojedinih zubi vrši zagrijavanjem strujom visoke frekvencije, režim toplinske obrade mora biti tako izabran da u površinskim slojevima zaostanu tlačna naprezanja. Upotreba slabo prokaljivih čelika daje isti učinak. Naknadna površinska deformacija (tzv. "nakivanje") podnožja zubi može povećati čvrstoću zubi do čvrstoće koja se dobije cementiranjem. Tvrdi površinski sloj na zubu može se dobiti i kaljenjem na ograničenu dubinu u toploj kupci ili  površinskim plamenim kaljenjem. Tvrdoća jezgre, pri bilo kojem gore opisanom načinu dobivanja tvrde površine, ne smije biti veća od HRC 45 za ugljične čelike ili HRC 50 za legirane čelike koji sadrže nikal ili molibden jer je  pri većim tvrdoćama znatno smanjena otpornost na udare.

- 251 -

Zupčanici i zupčani prijenosi

 Elementi konstrukcije prenosnika

Čelici za zupčanike toplinski obrađene prije izrade zubi. Prokaljivost i obradivost su osnovni faktori koji utječu na izbor čelika za zupčanike toplinski obrađene prije izrade zubi. Ako su veći promjeri i širina zupčanika i ukoliko je potrebna veća točnost zahvata, utoliko je potrebnije birati tvrdoću pri kojoj je obrada najpogodnija, budući da je gubljenje reznih svojstava alata za izradu zupčanika ograničeno tolerancijama ozubljenja i zahtijevanom hrapavošću bočnih površina zubi. Vijenci velikih i brzohodnih zupčanika izrađeni od ugljičnog čelika obično se prije obrade normaliziraju, pri čemu se sadržaj ugljika bira tako da se dobiva vlačna čvrstoća  Rm = 500 do 600 ili 550 do 650 N/mm 2. Pri povišenim tvrdoćama dobro se obrađuju i normalizirani čelici. Najmanja tvrdoća manjeg zupčanika ne bi trebala biti manja od najveće tvrdoće većeg zupčanika. Za zupčanike s kosim i strelastim zubima ranije se uzimala razlika u tvrdoći manja od HB 50. Međutim, bolji efekt daje veća razlika u tvrdoćama. Prema tome, ako je za veći zupčanik neostvariva ili nepogodna obrada zubi koji imaju veliku tvrdoću, treba cementirati, nitrirati ili  površinski kaliti manji zupčanik. Prenosnik će moći prenijeti tim veće opterećenje što je  postignuta veća tvrdoća zubi manjeg zupčanika. Za veće zupčanike s ravnim zubima koji se toplinski obrađuju poslije izrade zubi, preporučuju se čelici koji poslije poboljšavanja imaju tvrdoću HB 280 do 320, a za manje oni čelici koji imaju  poslije popuštanja tvrdoću HB 320 do 350. Takav zupčasti par treba obraditi postupcima završnih obrada koje daju srednju hrapavost površina zubi manju od 0,8 µm. U otvorenim prijenosima primjenjuju se zupčanici od sivog ili nodularnog lijeva. Opasnost od zaribavanja i brzog trošenja pri nedovoljnom podmazivanju znatno je manja kod zupčastih sprega lijevano željezo po lijevanom željezu ili lijevano željezo po čeliku, od sprege u kojoj su zupčanici izrađeni od čelika. Prema tome, izbor ljevanog željeza za otvorene prenosnike je potpuno opravdan, unatoč maloj čvrstoći na savijanje. Završna obrada toplinski obrađenih zupčanika je brušenje (odvalno ili kopirno) te lepanjeglačanje brusnim prahom. Za kvalitetnije toplinski neobrađene zupčanike završna obrada je  brijanje (grecanje).  Najvažnija mehanička svojstva češće upotrebljavanih metalnih i ostalih materijala za zupčanike  prikazana su u tablici 4.4.

4.1.3.2 Sinterirani materijali Sinterirani materijali nisu standardarizirani, ali u DIN–u su podijeljeni na šest grupa prema  postotku poroznosti. Izrađuju se od mješavine metalnog praha koji se preša u odgovarajućim kalupima, a zatim sinterira. Za izradu zupčanika se primjenjuju sinter materijali grupa C (s 20 %  poroznosti), za zupčanike i strojne dijelove velike čvrstoće materijali grupe D (s 15 % poroznosti) i grupe E (s 10 % poroznosti) te za zupčanike i strojne dijelove vrlo velike čvrstoće materijali grupe F (s 5 % poroznosti). Postoji mogućnost da se cementiranjem i kaljenjem zubi sinteriranih zupčanika poveća opteretivost njihovih bokova. Mehaničke osobine najčešće primjenjivanih sinter–materijala prikazane su tablici 4.5, a dinamička čvrstoća korijena i boka zuba zupčanika iz sinter–materijala na bazi željeza s 1,5 %  bakra i 0,4 % ugljika u tablici 4.6.

- 252 -

Zupčanici i zupčani prijenosi

 Elementi konstrukcije prenosnika

Tablica 4.5

Materijal

Sivi lijev

 Nodularni lijev Crni temper lijev Čelični lijev Konstrukcijski čelici

Čelici za  poboljšanje

Č. za poboljšanje,  plameno ili indukcijski kaljeni Čelici za  poboljšavanje, nitrirani

Oznaka po HRN

SL 20 SL 25 SL 35  NL 40 NL 60 NL 80  NL 100 CTe L 35 CTe L 65 ČL 0545 ČL 0645 Č 0462 Č 0545 Č 0645 Č 0745 Č 1331 Č 1531 Č 1731 Č 4130 Č 4131 Č 4731 Č 5431 Č 1531 Č 4131 Č 4732

Č 1531 Č 4732 Č 4732 Č 1220 Č 4320 Čelici za Č 4321 cementiranje Č 4721 Č 5420 Č 4520 Sintermetal: Fe + 1,5% Cu + 0,4% C Duroplast grubi Poliamid 6.6

Trajne dinamičke čvrstoće i tvrdoće boka zuba zupčanika Trajna dinamička čvrstoća Tvrdoća korijena Toplinska obrada  boka zuba  boka zuba zuba, σHlim σFlim 2  N/mm 2  N/mm 180 HB 40 300 220 HB 55 360  – 240 HB 70 380  – 180 HB 185 370  – 250 HB 245 490  – 290 HB 300 580  poboljšano 350 HB 350 700 150 HB 160 320  – 220 HB 230 460 160 HB 140 320  – 180 HB 160 380  – 130 HB 140 290  – 160 HB 160 370  – 190 HB 175 430  – 208 HB 205 460  poboljšano 140 HV10 170 440 normalno 190 HV10 200 530  poboljšano 210 HV10 220 530  poboljšano 260 HV10 250 580  poboljšano 260 HV10 250 580  poboljšano 280 HV10 260 530  poboljšano 310 HV10 300 630  površina zakaljena, uključivo korijen zuba

560 HV10 610 HV10 650 HV10

270 300 360

1.030 1.100 1.070

nitrirano u kupki nitrirano u kupki nitrirano u plinu

400 HV10 500 HV10 550 HV10 720 HV10 720 HV10 720 HV10 720 HV10 720 HV10 740 HV10 80…100 HV10 –

300 380 380 400 430 440 380 460 500

1.000 1.100 1.070 1.400 1.470 1.500 1.500 1.490 1.510

250

400

50 40

110 70

cementirano i kaljeno

 – – - 253 -

-

Zupčanici i zupčani prijenosi

 Elementi konstrukcije prenosnika

Prednost zupčanika iz sinter-metala jest što su upotrebljivi kod manjkavog podmazivanja. Naime, oni se natope mazivom koje ispuni pore pa ulje stalno pomalo vlaži spregnute bokove zubi. Sinterirani zupčanici se uspješno sprežu s čeličnim zupčanicima i sa zupčanicima iz polimernih materijala.

Tablica 4.6 Materijal SINT B11 SINT C10 SINT D10 SINT E10

Mehaničke osobine važnijih sinter–materijala prema DIN–u, u N/mm2 Modul Trajna dinamička Granica tečenja Vlačna čvrstoća elastičnosti čvrstoća  Re

 Rm

 E

R-1

> 180 > 160 > 230 –

> 220 > 200 > 300 > 400

90.000 105.000 130.000 –

– > 85 105 120

4.1.3.3 Polimerni materijali Polimerni materijali (polimeri) se općenito dijele na dvije glavne skupine: na duroplaste i termoplaste. su termoreaktivni polimeri koji se dobiju natapanjem tekstilnih tkanina (tekstolit), tankih drvenih pločica (lignofol) ili staklenih vlakana u fenolformaldehidnoj smoli i prešanjem  pod pritiskom pri povećanoj temperaturi. Tako se dobivaju poluproizvodi u obliku ploča i okruglih profila od kojih se mehaničkom obradom mogu izrađivati zupčanici.  Duroplasti

Pri ponovnom zagrijavanju duroplasta (npr. u radu) ne dolazi do njihovog smekšavanja, tj.  proces omekšavanja i stvrdnjavanja nije reverzibilan.

 Neke mehaničke karakteristike važnijih duroplasta dane su u tablici 4.7.

Tablica 4.7 Materijal Hwg 2081 Hwg 2082 Hwg 2083

Mehaničke karakteristike važnijih duroplasta prema DIN – u Modul Postojanost Vlačna čvrstoća Savojna čvrstoća elastičnosti oblika do temperature, oC  Rm , N/mm2  Rms , N/mm2  E , N/mm2 50 80 100

100 130 150

7000 8000 9000

125 125 125

su takvi materijali koji se zagrijavanjem omekšavaju, a hlađenjem se stvrdnu (reverzibilan proces). Zupčanici od termoplasta manjih dimenzija, a pogotovo u velikim serijama,  proizvode se tako da se materijal zagrije do tekućeg stanja i ubrizgava pod pritiskom u kalupe. Termoplasti

- 254 -

Zupčanici i zupčani prijenosi

 Elementi konstrukcije prenosnika

Budući da i kod zupčanika iz termoplasta postoji mogućnost loma u korijenu zuba, pittinga te trošenja i zaribavanja, njihov proračun je identičan proračunu čeličnih zupčanika. Treba imati u vidu da se smanjenjem debljine radnog predmeta poboljšava mikrostruktura i povećava specifična čvrstoća. Zbog niskog koeficijenta toplinske provodljivosti polimernih materijala (i do 300 puta manja provodljivost od čelika), ne bi trebalo izrađivati oba zupčanika od polimera, već  jedan od njih, redovito manji, mora biti od lijevanog željeza ili čelika. Ovakvi zupčani parovi nužno ne zahtijevaju podmazivanje, rade praktički bez buke, a vijek trajanja im je tim veći što je kvalitetnija obrada površine metalnog zupčanika. Budući da trošenje zupčanika iz polimernih materijala ovisi o tvrdoći i hrapavosti površine njima spregnutog metalnog zupčanika, preporuča se da se ovi kale do tvrdoće HRC 45 i bruse. U slučaju da postoji opasnost da zupčanici u radu dođu u dodir s kiselinama, tada oba zupčanika treba izraditi iz odgovarajućih polimernih materijala. Loše strane zupčanika iz termoplasta su slaba provodljivost topline, visoki koeficijent toplinskog istezanja i higroskopnost zbog koje se mogu promijeniti dimenzije i mehanička svojstva zupčanika. Visoka savitljivost i toplinska dilatacija polimera može dovesti i do zaglavljivanja zubi. Da bi se to izbjeglo treba predvidjeti povećanu bočnu zračnost od oko 1,5 puta veću od zračnosti koja se propisuje čeličnim zupčanicima. Iz istog razloga se izrađuju zubi smanjene visine. Zupčanici iz termoplasta izvode se s ravnim zubima, jer kod njih kosi zubi ne daju mirniji rad niti im je čvrstoća veća. Važnija mehanička svojstva termoplasta za zupčanike data su u tablici 4.8, a dinamička čvrstoća korijena i boka zuba za poliamid 6.6 u tablici 4.4.

Tablica 4.8

Materijal

Poliamid 6 Poliamid 6.6 Polioksimetilen

Mehanička svojstva termoplasta za zupčanike Za temperature Trajna Koeficijent do dinamička trenja čvrstoća

Vlačna čvrstoća

Modul elastičnosti

 Rm ,

 E , N/mm2

µ

2800 3000 3300

0,41 0,33 0,34

2

 N/mm 80 85 70

o

C

 R-1,s N/mm2

120 120 120

32 27 –

4.1.4 Konstrukcija reduktora Dvostupanjski reduktori s cilindričnim zupčanicima izvode se u razvučenoj konstrukciji, slika 4.1a, ili kao koaksijalni, slika 4.1b. Obje konstrukcije dvostupanjskih reduktora mogu biti bez grananja i s grananjem snage, slika 4.1c i 4.1d. Trostupanjski reduktori s paralelnim vratilima obično su razvučene konstrukcije i to bez grananja, slika 4.2a, i s grananjem snage slika 4.2b.

- 255 -

Zupčanici i zupčani prijenosi

 Elementi konstrukcije prenosnika

4.1.4.1 Konstrukcija kućišta Kućišta su važan stacionarni dio reduktora. Osnovni oblici kućišta reduktora ovise o tipu reduktora, o vrsti ležaja kao i o tome da li je ono lijevano ili zavareno. Kućišta su obično dvodjelna, a za višestupanjske uspravne reduktore mogu biti i višedjelna. Pri tome, razdjelna ravnina mora prolaziti kroz osi vratila. Donji, nosivi dio kućišta koji čini osnovu čitavog reduktora, treba biti masivniji, dok se gornji dio, poklopac, izrađuje s tanjim stijenkama čija debljina ovisi o načinu proizvodnje (lijevanje, zavarivanje) i o potrebnoj krutosti radi sprečavanja vibracija i stvaranja buke. Poklopac treba biti smješten i dimenzioniran tako da omogućava vizuelni pregled unutrašnjosti prenosnika, posebno zupčanika. Dosjedni vijci ili još češće zatici, osiguravaju točan međusobni položaj obiju polovica kućišta. Ako je poklopac izrađen zavarivanjem, njegove stijenke mogu biti svega 3 do 4 mm, a ponekad i manje. U novije vrijeme, kada je riječ o uređajima široke potrošnje, malih snaga i opterećenja, sve više su u upotrebi reduktori koji su smješteni u kućišta izrađena od polimernih materijala,  pleksiglasa i sl.

 b)

a)

I

II

I

II

c)

d)

I Slika 4.1: Dvostupanjski reduktori s paralelnim vratilima a) razvučeni b) koaksijalni c) razvučeni s grananjem snage d) koaksijalni s grananjem snage

- 256 -

Zupčanici i zupčani prijenosi

 Elementi konstrukcije prenosnika

Pri projektiranju kućišta treba obratiti pozornost s jedne strane na njegovu kompaktnost, a s druge strane na dovoljnu prostranost, kako bi se jedno te isto kućište moglo upotrijebiti za više različitih prenosnih omjera, odnosno za reduktore različite snage. Ovo vrijedi za prenosnike  jednakog osnog razmaka. Oblik kućišta u mnogome ovisi o vrsti ležajeva koji se primjenjuju. Svako kućište sastoji se od stijenki, rebara, stopala, oboda itd., međusobno povezanih u jednu cjelinu. Za izradu kućišta najčešće se koristi lijevano željezo kao najjeftiniji materijal, a rjeđe, za veča opterećenja, čelični lijev. U nekim slučajevima kada je težina stroja ograničena (primjerice transportni strojevi), za kućišta se upotrebljavaju i lake legure na bazi aluminija.

a)

I

II

 b)

II

I Slika 4.2: Trostupanjski reduktori a) bez grananja b) s grananjem snage

U usporedbi s lijevanim, zavarena kućišta omogućuju bolje gospodarenje materijalom, a u  pojedinačnoj proizvodnji, primjena zavarivanja umjesto lijevanja omogućuje jeftiniju i bržu izradu kućišta. U srednjeserijskoj proizvodnji za zavarene konstrukcije primjenjuju se elementi dobiveni savijanjem lima, a u velikoserijskoj i masovnoj proizvodnji – presani elementi. Često je u primjeni kombinacija zavareno-lijevanih konstrukcija kućišta od čeličnog lijeva i lima, zavarenih u jednu cjelinu.

- 257 -

Zupčanici i zupčani prijenosi

 Elementi konstrukcije prenosnika

4.1.4.1.1 Lijevana kućišta Pri korištenju lijevanih kućišta mora se posebno voditi računa o debljini stijenki. Proces lijevanja završava se hlađenjem rastaljenog metala do temperature okoline. Za vrijeme hlađenja rastopljena masa se skuplja što kao posljedicu može imati nastajanje šupljine u unutrašnjim slojevima izlivene mase te pukotine u vanjskim slojevima stijenke. Može doći čak do razdvajanja ohlađenih slojeva, tj. do loma stijenki, a redovno nastaju i zaostala naprezanja u odljevku. Ukoliko je stupanj skupljanja materijala veći, tim lakše dolazi do spomenutih pojava pa je potrebno obratiti veću pažnju konstruiranju kućišta. Budući da je sivi lijev najjeftiniji materijal, a uz to mu je stupanj skupljanja relativno malen, on je najpogodniji materijal za izradu lijevanih kućišta. Istovremeno stvrdnjavanje lijevanog materijala  postiže se kompleksom konstrukcijskih i tehnoloških mjera. Potrebno je pridržavati se sljedećih  pravila: 1. Stijenke odljevaka trebaju imati, po mogućnosti, ravnomjernu debljinu; 2. Elementima odljevaka koji se sporije hlade (unutrašnje stijenke), treba za ubrzano stvrdnjavanje konstruirati smanjene presjeke; 3. Prijelazi između stijenki različitih debljina moraju biti postupni; 4. Stijenke odljevaka ne smiju imati oštre prelaze; 5. Po mogućnosti treba izbjegavati mjesta nagomilavanja materijala; 6. Dijelove gdje se spajaju stijenke manje mase s većim (zadebljani dio) poželjno je izvoditi s  blagim nagibom koji raste u pravcu povećane mase. Tehnološki, ravnomjernost hlađenja osigurava se upravljanjem brzine hlađenja. Masivni djelovi odljevaka, kao i djelovi s lošim odvođenjem topline, hlade se pomoću metalnih umetaka za odvod topline. Reduktori s cilindričnim zupčanicima, najčešće se konstruiraju tako da u završnoj ravnini donjeg dijela kućišta koja se spaja s odgovarajućom površinom poklopca – gornji dio kućišta – (u daljnjem tekstu – ravnina sklapanja) leže sve osi vratila, slika 4.3. Ovako konstruirana kućišta vrlo su pogodna za montažu. Svako vratilo reduktora s ležajima i sa svim ostalim elementima koji se na njemu nalaze, može biti sklopljeno odvojeno, nezavisno o drugim vratilima pa se onda  postavlja u kućište.

Ravnina sklapanja

3

2

1

Osnovna ravnina Slika 4.3: Najčešća konstrukcija reduktora: osi svih vratila u istoj ravnini - 258 -

Zupčanici i zupčani prijenosi

 Elementi konstrukcije prenosnika

Radi lakše obrade kućišta, ravnina sklapanja najčešće se postavlja paralelno s osnovnom ravninom kućišta, slika 4.3. Međutim, moguće je i takvo rješenje kod kojega ravnina sklapanja nije paralelna s osnovnom ravninom. Time se postiže smanjena težina kućišta i poboljšani uvjeti  podmazivanja zupčanika, jer su veći zupčanici svih stupnjeva prijenosa podjednako zaronjeni u ulje. Primjer ispravne konstrukcije dvodjelnog lijevanog kućišta jednostupanjskog prenosnika s cilindričnim zupčanicima pokazan je na slici 4.4, a pripadajuće iskustvene dimenzije u tablici 4.9. Tablica 4.9

Orijentacijske dimenzije lijevanog kućišta prema slici 4.4

a

δ

Standardni razmak osi

0,03a +5

d 2

δ2

≈0,06d  

mm

(0,8…1) δ 

δ1

C

D

h

h1

d 1

0,08d  e

(0,8…1) δ

≈H≈a

a/ 2

1,5 δ

2d d- ∅ vijka

δ3

K 1 i  K 2

 B

B

L

(0,35…0,4) a

0,5 a

(0,8…1) δ 

prema d

za 1-stupanjski reduktor

- 259 -

za više-  K 2+ δ1+5 mm stupanjski reduktor

(8…10) d 2

   1

   A      A    k   e    j   s   e   r    P    2

   1

   2

        1

   2

    2

   1

   1

   3

   A

   2

A

  a   m    i   c    i   n   a    č   p   u   z   m    i   n    č    i   r    d   n    i    l    i   c   s   a   r   o    t    k   u    d   e   r   g   o    k   s    j   n   a   p   u    t   s   o   n    d   e    j   a    t    š    i    ć   u    k   g   o   n   a   v   e    j    i    l   g   o   n    l   e    j    d   o   v    d   a    j    i   c    k   u   r    t   s   n   o    K   :    4  .    4   a    k    i    l    S

Zupčanici i zupčani prijenosi

 Elementi konstrukcije prenosnika

Trodimenzijski izgled lijevane konstrukcije kućišta jednostupanjskog reduktora s cilindričnim zupčanicima prikazan je na slici 4.5.

Slika 4.5: Trodimenzijski prikaz lijevanog kućišta jednostupanjskog reduktora s cilindričnim zupčanicima

4.1.4.1.2 Zavarena izvedba kućišta Zavarena izvedba kućišta primjenjuje se za pojedinačnu i maloserijsku proizvodnju. Debljina stijenki zavarenih kućišta u načelu može biti manja od lijevanih kućišta i poklopaca. Obično se uzima za 30 % manja od debljine stijenki lijevanih kućišta i poklopaca. Kućište i poklopac reduktora zavaruju se iz elemenata pripremljenih od lima.  Na slici 4.6 prikazana je jedna zavarena izvedba kućišta dvostupanjskog koaksijalnog reduktora sa zavarenim cilindričnim zupčanicima.

- 261 -

Zupčanici i zupčani prijenosi

 Elementi konstrukcije prenosnika

Slika 4.6: Zavarena izvedba kućišta dvostupanjskog reduktora

4.1.4.2 Uređaji za ventilaciju Za vrijeme rada reduktora ulje u kućištu se zagrijava i isparava, a tlak u kućištu reduktora raste što dovodi do poremećaja brtvljenja, tj. do curenja ulja između brtve i vratila kao i na spojevima kućišta i poklopca. Znatnije zagrijavanje nastaje kod pužnih reduktora, što dovodi do povećanja temperature maziva i intenzivnijeg isparavanja.

Slika 4.7: Poklopac za ventilaciju

Uslijed prskanja ulja izazvanog rotacijom zupčanika, unutrašnjost kućišta puna je uljnih kapljica koje djelomično isparavaju. Uređaji za ventilaciju trebaju spriječiti povećanje tlaka u kućištu i onemogućiti izlaz zraka s česticama ulja kroz za to predviđen otvor u obliku oduška. Za reduktore s većom količinom ulja upotrebljava se specijalni poklopac za ventilaciju, slika 4.7. Za ventilaciju se upotrebljavaju i odušci koji se sastoje od kućišta, poklopca, prstena i žičane mrežice. Često se, iz konstrukcijskih razloga, pokazivač nivoa ulja kao neophodni dio prenosnika, upotrebljava i kao odušak. - 262 -

Zupčanici i zupčani prijenosi

 Elementi konstrukcije prenosnika

4.1.4.3 Otvori za ispuštanje ulja Pri bilo kakvom sustavu podmazivanja zupčanika u kućištu reduktora nalazi se ulje pa se kućište reduktora koristi i kao spremnik za ulje. Pri radu zupčanika ulje stari, zagađuje se smolama koje se izdvajaju iz ulja, a stvaraju se i produkti trošenja zubi. Tako ulje s vremenom gubi svoja svojstva pa ga treba periodično mijenjati. Stoga se na svakom kućištu predviđa otvor, slika 4.8, koji se zatvara čepom u obliku vijka. Poželjno je da dno reduktora ima nagib 1 do 2o usmjeren prema otvoru za ispust ulja. Osim toga kod samog otvora treba postojati udubljenje koje omogućava da se ulje bez ostatka ispušta iz kućišta. Prilikom ispuštanja, ulje bi se slijevalo niz stijenke kućišta i dospijevalo na temeljnu  ploču ili sam temelj. Zbog toga, kao najbolje rješenje, može se smatrati ono kada se otvor za ispuštanje ulja nalazi na dnu kućišta. No, to je često neizvedivo. Da se ulje pri ispuštanju ne bi slijevalo niz vanjsku stijenku kućišta i tako dospijevalo na temelj, neophodno je ispusni otvor izraditi s ojačanjem. Ponekad je pogodno da se u ispusni otvor kućišta uvrne specijalni vijak s otvorom koji se zatvara čepom. Kod nekih konstrukcija susreću se otvori s „bradom“ koji ne dopuštaju da se ulje pri istjecanju razliva  po vanjskoj površini stijenke kućišta. Često se ispusni otvor Slika 4.8: Otvor za ispuštanje ulja izvodi sa strane oboda za oslanjanje kućišta.

4.1.4.4 Konstrukcija ležajnih mjesta – gnijezda Reduktori serijske proizvodnje konstruiraju se tako da kraj izlaznog i ulaznog vratila može biti na  bilo kojoj strani. Da bi se ovo ostvarilo, potrebno je da su otvori za ležajeve istih dimenzija.

2...3

Slika 4.9: Konstrukcija ležajnog mjesta

Širina mjesta za smještanje ležajeva ovisi o samom ležaju te elementima za njegovo fiksiranje. Pri tome treba voditi računa da se ležaji ugrađuju u ležajna gnijezda na rastojanju od 3 do 5 mm od unutrašnjeg ruba stijenke kućišta ukoliko ne postoji odstojni prsten za reguliranje, slika 4.9. Ako ovaj prsten postoji,  položaj ležajeva određuje se širinom prstena odnosno širinom držača maziva koji dopire u unutrašnjost kućišta 2 do 3 mm.

4.1.4.5 Konstrukcija rebara za ukrućivanje Za povećanje krutosti i čvrstoće te bolji odvod topline, naročito lijevanih detalja kućišta,  primjenjuju se rebra. Kompletnim razmještajem rebara mogu se poboljšati uvjeti lijevanja, olakšati skupljanje i umanjiti stvaranje unutrašnjih naprezanja.

- 263 -

Zupčanici i zupčani prijenosi

 Elementi konstrukcije prenosnika

 1

1

400  N/mm2 te za kaljene i brušene zupčanike s Rm > 800 N/mm2 za  pogonske temperature do 90 °C

Imaju veći postotak legirnih dodataka

Za još teže uvjete pogona nego UVP ulja

- 269 -

Zupčanici i zupčani prijenosi

 Elementi konstrukcije prenosnika

 Nastavak tablice 4.10 Ulja za zatvorene zupčane prigone Pogonski uvjeti  Način podmazivanja

n