ATAKOMB

A hajtóművek melegedése

A fogaskerék-bolygóművekben a súrlódásból eredő teljesítményveszteség csaknem teljes egészében hővé alakul, ami emeli a hajtómű szerkezeti elemeinek hőmérsékletét. A teljesítményveszteséget a fogazatok súrlódása, a csapágyak és tömítések súrlódása, valamint a fogaskerekek olajkavarási munkája okozza. 

A bolygóművekben keletkező hő főleg a ház felületén át távozik, ha nincs szükség külső hűtésre (pl. ventilátorral), vagy belső hűtésre (pl. csőkígyóban áramoltatott vízzel, vagy szivattyúval keringtetett kenőolajjal), a hajtómű túlmelegedésének megakadályozása érdekében. A hőegyensúly egyenleteit felhasználva meghatározható a hajtómű hőmérséklete, amelynek megengedett legmagasabb értékét rendszerint a kenőolaj hőállósága, vagy a berágódási veszély korlátozza. A hőegyensúly számításakor a legtöbbször a hajtóműház átlaghőmérsékletét veszik figyelembe. A fogfelszín teherbírását, a berágódási biztonságot viszont a fogfelület hőmérséklete határozza meg. Gyakorlati tapasztalatok szerint, kis és közepes teljesítményű hajtóművek esetén, a berágódási szilárdság ellenőrzéséhez elegendő, ha a fogaskeréktest hőmérsékletét a hajtómű átlaghőmérsékletével tekintik azonosnak. Nagy teljesítményű, nagy teljesítmény sűrűségű hajtásoknál (bolygóművek) azonban a nagyobb veszteségek és a kompakt szerkezeti kialakítás miatt jelentős hőmérséklet különbségek alakulhatnak ki üzem közben a hajtómű elemei között, a fogfelszín hőmérséklete nem tekinthető azonosnak a hajtómű átlaghőmérsékletével. 

A fogfelületek berágódását, a kapcsolódó fogak felszínén kialakuló legmagasabb pillanatnyi hőmérséklet, a kontakthőmérséklet határozza meg. A kapcsolódás során a fogak súrlódási munkája hővé alakul, aminek egy részét a kenőanyag elviszi, a többi a keréktesten keresztül vezetéssel távozik. A fogfelszín hőmérséklete lényegesen magasabb lehet a fogaskeréktest hőmérsékleténél, miután a kapcsolódás folyamán ott keletkezik a súrlódási munka. Ezt a hőmérséklet különbséget veszik figyelembe a Blok-féle hőfokvillám, vagy az integrál hőmérséklet meghatározásával, a berágódási biztonság számítására használt módszerek. 

1. ábra. A fogfelület hőterhelése [78].

Ezek a módszerek azonban sok közelítő feltételezést tartalmaznak a fogfelszín hőmérséklet meghatározásakor. Megbízhatóbb lenne a számítás, ha pontosabban ismernék a hajtómű elemeinek hőmérsékletét, főleg a fogaskerék fogak környezetében. Erre olyan módszerek alkalmasak, amelyek számításba veszik a hajtóműben kialakuló hőáramokat. Ilyen például a hőmérsékleti csomópontok módszere, amely számítani tudja a hajtómű kijelölt kritikus pontjainak hőmérsékletét, ezáltal a fogaskerék fogak hőmérsékletét is. 

A módszert először Harris, később Fernlund és Andréason, majd Molnár és Dr. Varga [84] alkalmazta gördülőcsapágyakban kialakuló hőfokeloszlás meghatározására. Blok hasonló módszert javasolt fogaskerekek testhőmérsékletének meghatározásához. 1981 – ben szintén a hőmérsékleti csomópontok módszerét alkalmazta Abonyi András [85], „Fogaskerékhajtóművek melegedésének számítása” című diplomadolgozatában, aki számítási eredményeit mérésekkel is alátámasztotta.  

A fogsúrlódás mellett jelentkező egyéb veszteség források számításával eddig kevesen foglalkoztak, a kidolgozott számítási módszerek vagy nagyon bonyolultak, elsősorban mérési eredményekből alkotott, részben elméleti fejtegetésekkel alátámasztott összefüggéseket tartalmaznak, amelyek széles körben nem használhatók. Nem vizsgálták részletesen, hogy milyen hatást gyakorolnak a kapcsolódó fogaskerekek szerkezeti jellemzői ezekre a veszteségekre, valamint a fogaskerekek hőmérsékletére, és azon keresztül a berágódási teherbírásra.

A fogaskerék hajtóművek átlagos hőmérsékletének számítására több modellt is tartalmaz a szakirodalom [84], [86]. A nagyteljesítményű fogaskerék bolygóművek kerekeinek berágódási szilárdságának vizsgálatához azonban nem elegendő csupán a hajtómű átlaghőmérsékletének ismerete, mert a kontakthőmérséklet, a kerekek átlagos hőmérséklete és a bolygómű átlagos hőmérséklete egymástól lényegesen eltérhet. Szükség van a hajtóműben kialakuló hőmérséklet eloszlás ismeretére. 

Nagy ipari hajtóműgyártókkal kapcsolatban álló kutatókkal történt szakmai megbeszélések is rávilágítottak arra, hogy igény lenne a bemutatott elméletekkel szemben olyan veszteségszámítási modellekre, amelyeken keresztül tisztábban látható az egyes paraméterek hatása. Ennek érdekében alkottam meg egy általános, a bolygóművek veszteségeinek (csapágy, olajkavarás, légellenállás és tömítés súrlódás okozta teljesítményveszteségeinek) és melegedésének számítására alkalmas új matematikai modellt 2012-ben.

Ha érdekel a fogaskerekek veszteségeinek számítása, akkor KATT IDE!

Hivatkozott irodalom:

  1. Kozma, M.: Hajtásrendszerek. Műegyetemi Kiadó, 2001
  2. Csobán A., Kozma M.: Investigation the load carrying capacity of heavy-duty differential planetary gears. Gépészet 2008 – Hatodik Országos Gépészeti Konferencia ISBN 978-963-420-947-8, Budapest, Magyarország, 29-30 May 2008
  3. Csobán A., Kozma M.: Influence of the Power Flow and the Inner Gear Ratios on the Efficiency of Heavy-Duty Differential Planetary Gears. 16th International Colloquium Tribology – Technische Akademie Esslingen – ISBN 3-924813-73-6, Esslingen, Németország, 15-17 Jan 2008, pp. 182.
  4. Vörös Imre, Gépelemek III. /Fogaskerekek/, Tankönyvkiadó, Budapest, 1956.
  5. http://www.amsoil.com/storefront/MCV.aspx 2010. 08. 22. 
  6. Dirk Strasser: Einfluss des Zahnflanken- und Zahnkopfspieles auf die Leerlaufverlustleistung von Zahnradgetrieben, Dissertation zur Erlangung des Grades Doktor-Ingenieur, Fakultät für Maschinenbau, Ruhr-Universität Bochum, 2005
  7. Terplán Zénó – Apró Ferenc – Döbröczöni Ádám: Fogaskerék-bolygóművek, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1979
  8. Niemann, G., Winter, H.: Maschinenelemete II. Springer, Berlin, 1989 
  9. Duda, M.: Der geometrische Verlustbeiwert und die Verlustunsymmetrie bei geradverzahnten Stirnradgetrieben, Forschung im Ingenieurwesen 37 VDI-Verlag, 1971
  10. Hugo Klein: Bolygókerék hajtóművek, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1968
  11. Drozdov, Y. N., Gavrikov, Y. A., “Friction and Scoring Under The Conditions of Simultaneous Rolling and Sliding of Bodies”, Wear, pp. 291-302, 1967. 
  12. O’Donoghue, J. P., Cameron, A., “Friction and Temperature in Rolling Sliding Contacts”, ASLE Transactions 9, pp. 186-194, 1966. 
  13. Misharin, Y. A., “Influence of The Friction Condition on The Magnitude of The Friction Coefficient in The Case of Rollers with Sliding”, Proc. Int. Conf. On Gearing, 1958, Inst. Mech. Eng., London, pp. 159-164, 1958. 
  14. ISO TC 60, DTR 13989 
  15. Benedict, G. H., Kelly, B. W., “Instantaneous Coefficients of Gear Tooth Friction”, Transactions of ASLE, ASLE Lubrication Conference, pp.57-70, October, 1960. 
  16. Hai Xu: Developement of a generalized mechanical efficiency prediction methodology for gear pairs, Ph.D. disszertáció, Ohio State University, 2005
  17. Enrico Ciulli, Ida Bartilotta, Alessandro Polacco, Salvatore Manconi, Dagoberto Vela, Francesco Saverio Guerrieri Paleotti: A model for scuffing prediction, Strojniški vestnik – Journal of Mechanical Engineering Volume 56 (2010)4, 2010
  18. Reuleaux, F., “Friction in Tooth Gearing”, Transactions of the ASME, Vol. VIII, pp. 45-85, 1886. 
  19. Martin, K. F., “A Review of Friction Predictions in Gear Teeth”, Wear 49, pp. 201-238, 1978. 
  20. Yada, T., “Review of Gear Efficiency Equation and Force Treatment”, JSME International Journal, Series C, Vol. 40, pp. 1- 8, 1997. 
  21. Li, Y., Seireg, A. A., “Predicting The Coefficient of Friction in Sliding-Rolling Contacts”, Tribology Conference, K18. 
  22. Naruse, C., Haizuka, S., Nemoto, R., Takahashi, H., “Influences of Tooth Profile on Frictional Loss and Scoring Strength in The Case of Spur Gears”, MPT’91 JSME Int’l Conference on Motion and Power Transmissions, Hiroshima, Japan, 1991. 
  23. Mizutani, H., Isikawa, Y., “Power Loss of Long Addendum Spur Gears”, VDI Berichte NR. 1230, pp. 83-95, 1996. 
  24. Yada, T., “The Measurement of Gear Mesh Friction Losses”, ASME 72-PTG-35, October 8-12, 1972. 
  25. Changenet, C., Pasquier, M., “Power Losses and Heat Exchange in Reduction Gears: Numerical and Experimental Results”, VDI Berichte NR.1665, pp.603-613, 2002. 
  26. Ikejo, K., Nagamura, K., “Power Loss of Spur Gear Drive Lubricated with Traction Oil”, DETC’03/PTG, Chicago, Illinois, 2003. 
  27. Hirano, F., Ueno, T, Asanabe, S., “Effect of Angle Between Direction of Sliding and Line of Contact on Friction and Wear of a Roller”, Lubrication Engineering, pp. 57-64, 1964. 
  28. Denny, C. M., “Mesh Friction in Gearing”, AGMA Fall Technical Meeting, 98FTM2, 1998. 
  29. Pedrero, J. I., “Determination of The Efficiency of Cylindrical Gear Sets”, 4th World Congress on Gearing and Power Transmission, Paris, France, March, 1999. 
  30. Michlin, Y., Myunster,V., “Determination of Power Losses in Gear Transmissions with Rolling and Sliding Friction Incorporated”, Mechanism and Machine Theory, Vol. 37, pp. 167, 2002. 
  31. Anderson, N. E., Loewenthal, S. H., “Efficiency of Nonstandard and High Contact Ratio Involute Spur Gears, ” Journal of Mechanisms, Transmissions, and Automation in Design, Vol. 108, pp. 119-126, 1986. 
  32. Anderson, N. E., Loewenthal, S. H., “Design of Spur Gears for Improved Efficiency”, ASME, JMD, Vol. 104, pp. 767-774, 1982. 
  33. Anderson, N. E., Loewenthal, S. H., “Effect of Geometry and Operating Conditions on Spur Gear System Power Loss”, Journal of Mechanical Design, Vol. 103, pp. 151-159, 1981. 
  34. Barnes, J. P., “Non-Dimensional Characterization of Gear Geometry, Mesh Loss and Windage”, 97FTM11, November, 1997. 
  35. Vaishya, M., Houser, D. R., “Modeling and Measurement of Sliding Friction for Gear Analysis”, 99FTMS1, October 1999. 
  36. Dowson, D., Higginson, G. R., “A Theory of Involute Gear Lubrication”, Proceeding of a Symposium Organized by the Mechanical Tests of Lubricants Panel of the Institute, Institute of Petroleum, Gear Lubrication, Elsevier, London, pp. 8-15, 1964. 
  37. Martin, K. F., “The Efficiency of Involute Spur Gears”, Journal of Mechanical Design. Vol. 103, pp. 160-169, 1981
  38. Wang, Y., Li, H., Tong, J., Yang, P., “Transient Thermalelastohydrodynamic Lubrication Analysis of an Involute Spur Gear”, Tribology International, Vol. 37, pp. 773-782, 2004. 
  39. Wu, S., Cheng, H., S., “A Friction Model of Partial-EHL Contacts and its Application to Power Loss in Spur Gears”, Tribology Transactions, Vol. 34, No. 3, pp.398-407, 1991. 
  40. Dawson, P. H., “High-speed Gear Windage”, GEC Review, Vol. 4, No. 3pp.164-167, 1988. 
  41. Luke, P., Olver, A, “A Study of Churning Losses in Dip-lubricated Spur Gears”, Proc. Instn. Mech. Engrs, Vol. 213, Part G, pp.337-346, 1999. 
  42. Dian, Y., Ville, F., Velex, P., Changenet, C., “Windage Losses in High Speed Gears Preliminary Experimental and Theoretical Results”, Journal of Mechanical Design, Vol. 126, pp.903-908, 2004. 
  43. Dowson, D., Higginson, G. R., “Elasto-hydrodynamic Lubrication”, SI Edition, Pergamon Press, Oxford, England, 1977. 
  44. Dudley, D. W., “Gear Handbook”, First Edition, McGraw-Hill, 1962.
  45. Heingartner, P., Mba, D., “Determining Power Losses in The Helical Gear Mesh; Case Study”, DETC’3, Chicago, Illinois, 2003. 
  46. Shell Co Ltd: The Lubrication of Industrial Gears. John Wright and Sons Ltd., 1964
  47. Stribeck, R.: Kugellager für beliebige Belastungen, VDI Zeitschrift, Band 45, Heft 3, seite. 73 – 79, 1901
  48. Palmgren, A.: Neue Untersuchungen über Energieverluste in Wälzlagern, VDI Berichte, Band 20, seite 117 – 121, 1957
  49. Bartels, T.: Bordreibung von Zylinderrollenlagern, Antriebstechnik, Heft 420, 1994
  50. Bartels, T.: Instationäres Gleitwälzkontaktmodell zur Simulation der Reibung und Kinematik von Rollenlagern, Dissertation, Ruhr-Universität Bochum, 1997
  51. Eschmann, P.: Das Leistungsvermögen der Wälzlager, Springer-Verlag, Berlin, 1964
  52. Gupta, P.-K.: Advanced Dynamics of Rolling Elements, Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, 1984
  53. Hansberg, G.: Fresstragfähigkeit vollrolliger Planetenrad-Wälzlager, Dissertation, Ruhr-Universität Bochum, 1991
  54. Hollatz, J.: Start– und Reibungsverhalten von ölgeschmierten Wälzlagern bei Umgebungstemperaturen bis – 40 °C, Dissertation, Universität Hannover, 1984
  55. Koryciak, J.: Einfluss der Ölmenge auf das Reibmoment von Wälzlagern mit Linienberühnung, Dissertation, Ruhr-Universität Bochum, 2007
  56. Korenn, H.: The Axial Load Carrying Capasity of Radial Cylindrical Roller Bearings, Transactions of ASME, Series F, Volume 92, pp. 129 – 137, 1970
  57. Liang, B.: Berechnungsgleichungen für Reibmomente in Planetenrad-Wälzlagern, Dissertation, Ruhr-Universität Bochum, 1992
  58. Potthoff, H.: Anwendungsgrenzen vollrolliger Planetenrad-Wälzlager, Dissertation, Ruhr-Universität Bochum, 1986
  59. Scherb, B.: Prediction and Measurement of Friction Torque Characteristics of  Radially and Axially Loaded Readial Cylindrical Roller Bearings, Dissertation, University of Glamorgan, UK, 1999
  60. Siepmann, T.: Reibmomente in Zylinderrollenlagern für Planetenrädern, Dissertation, Ruhr-Universität Bochum, 1987
  61. SKF General catalogue, 6000 EN, November 2005
  62. Dr. Czégi József: Siklócsapágy kézikönyv, Nehézipari könyvkiadó, Budapest, 1953
  63. Niemann, G., Winter, H.: Maschinenelemente, Bd. 1-3, Springer Verlag, Berlin / Heidelberg / New York, 1989
  64. Ariura, Y., Ueno, T.: The Lubricant Churning Loss and its Behaviour in Gear Box in Cylindrical Gear Systems, Journal of Japan Society of Lubrication Engineers, Vol. 20, Nr. 03, 1975
  65. Ariura, Y., Ueno, T., Sunaga, T., Sunamoto, S.: The Lubricant Churning Loss in Spur Gear Systems, Bulletin of JSME, Bd. 16, Nr. 95, 1973
  66. Walter, P.: Untersuchungen zur Tauchschmierung von Stirnrädern bei Umfangsgeschwindigkeiten bis 60 m/s, Dissertation Universität Stuttgart, 1982
  67. Mauz, W.: Hydraulische Verluste für Tauch- und Einspritzschmierung von Zahnradgetrieben, FVA-Heft Nr. 185, Frankfurt am Main, 1986
  68. Terekhov, A. S.: Hydraulic losses in gearboxes with oil immersion, Russian Engineering Journal, Bd. 55, 1975
  69. Terekhov, A. S.: Basic Problems of Heat Calculation of Gear Reducers, JSME International Conference on Motion an Powertransmissions, Tagungsbericht, Hiroshima, 1991
  70. Maurer, J.: Lastunabhängige Verzahnungsverluste schnellaufender Stirnradgetriebe, Dissertation Universität Stuttgart, 1994
  71. Dick, A.: Untersuchungen zu den Leerlaufverlusten eines einspritzgeschmierten Stirnradgetriebes, Dissertation Universität Stuttgart, 1989
  72. Sax, A.: Untersuchungen zur Wirkungsweise der Tauchschmierung, Dissertation Universität Stuttgart, 1996
  73. Schimpf, B.: Untersuchungen zur Wirkungsweise der Tauchschmierung, Dissertation Universität Stuttgart, 1994
  74. Leimann, D.-O.: Wärmearm konstruieren, Teil 1: Einfluss des Zahnflankenspiels auf die Erwärmung bzw. Verlustleistung von Zahnradgetrieben, „antriebstechnik“ 32, 1993, Nr.3, S. 70 – 73
  75. Leimann, D.-O.: Wärmearm konstruieren, Teil 2: Einfluss der Übersetzungsaufteilung auf die Erwärmung von Zahnradgetrieben, „antriebstechnik“ 32, 1993, Nr.5, S. 85 – 883
  76. Lauster, E.: Untersuchungen und Berechnungen zum Wärmehaushalt mechanischer Schaltgetriebe, Dissertation Universität Stuttgart, 1980
  77. Butsch, M.: Hydraulische Verluste schnelllaufender Stirnradgetriebe, Dissertation Universität Stuttgart, 1989
  78. Erney György: Fogaskerekek, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1983
  79. P. Velex, C. Changenet: Housing Influence on Churning Losses in Geared Transmissions, Proceedings of the ASME 2007 September 4-7, 2007, Las Vegas, Nevada, USA
  80. C. Changenet: Design of a test bench for measuring oil churning losses, P.F.M. Noben, Lyon, France, May, 2006
  81. John J. Coy, Dennis P. Townsend, Erwin V. Zaretsky: Gearing, NASA Reference Publication 1152, AVSCOM Technical Report 84-C-1 5, 1985
  82. R. Martins, J. Seabra, Ch. Seyfert, R. Luther, A. Igartua and A. Brito: Power Loss in FZG gears lubricated with industrial gear oils: Biodegradable Ester vs. Mineral oil, Tribology and Interface Engineering Series, Volume 48, 2005, Pages 421-430
  83. Marco Silvestri: A Theoretical Study of Viscoelastohydrodinamic Lubrication (VEHL) in Elastomeric Lip Seals, ECOTRIB 2009, Volume 2, Pisa, Italy, 2009 
  84. Molnár – Dr. Varga: Gördülőcsapágyazások tervezése, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1977 
  85. Abonyi András: Fogaskerékhajtóművek melegedésének számítása, diploma dolgozat, BME Gépszerkezettani Intézet, Budapest, 1981
  86. Batrz, W., J.: Getriebeschmierung. Expert Verlag. Ehningen bei Böblingen, 1989
  87. Botka Imre, Erney György: Fogaskerékpárok méretezése I. – II. kötet, Akadémiai Kiadó, Budapest, 1973
  88. Enrico Ciulli, Ida Bartilotta, Alessandro Polacco, Salvatore Manconi, Dagoberto Vela, Francesco Saverio Guerrieri Paleotti: A model for scuffing prediction, Strojniški vestnik – Journal of Mechanical Engineering Volume 56 (2010)4, 2010 
  89. Csobán A., Kozma M.: Bearing selecting algorithm for calculating the bearing friction in compaund planetary transmissions, 3rd European Conference on Tribology, ECOTRIB2011, June 7-9, 2011; Vienna, Austria
  90. http://www.youtube.com/watch?v=2V_rP88YEP0, (2010-07-28)
  91. British Standard BS ISO TR 14179_1.- 2. 
  92. Patrick Albers: A study to oil churning losses in a gearbox, Internship for the Mechanical Engineering laboratory of Ecole Catholique d’Artse t Metiers de Lyon, France, report number: DCT 2004/35, Eindhoven, Februari 2004 
logo_vegleges_kek

Jogi nyilatkozat

Adatvédelmi irányelvek

Copyright 2021 © ATAKOMB – Minden jog fenntartva! 

  • +36 20 982 1065
  • hajtomu@atakomb.com