Ussülekande hambaprofiil — ZA, ZN, ZI, ZK ja kuidas seda valida
Miks on ussi keerme kuju sarnane kruvile, mitte aga silinderhammasratta hambale? Vastus peitub viies tähes – ZA, ZN, ZI, ZK, ZC –, millest igaüks määratleb erineva hambaprofiili, mis määrab kogu hammaspaari hambumuse saatuse.
DIN 3975 standardiseerib viit ussihambaprofiili ristlõike järgi, kus nende küljed on sirged: ZA (sirge aksiaaltasandis, Archimedese spiraalotsapind), ZN (sirge normaaltändalis), ZI (evolventne spiraal, kõige levinum lihvitud vorm), ZK (koonuslihvimisega genereeritud, lihvitud karastatud usside jaoks) ja ZC (Cavex-nõgus, kasutatakse suure võimsusega rakenduste jaoks). Iga profiil on konkreetse tootmisprotsessi geomeetriline sõrmejälg – ühepunktiline treipingi tööriist toodab ZA-d, frees ZN-i, keevituspink ZI-d, koonuslihvketas ZK-d ja toroidlihvketas ZC-d. Profiile ei saa paaris segada – ZA ussi haakumine ZI-lõikega kettaga põhjustab halva kontakti ja lühikese eluea. Õige profiili valik sõltub tootmismahust, täpsusnõudest ja koormusklassist. ZA sobib väikesemahulistele ökonoomsetele ajamitele; ZI domineerib ülitäpsete tööstuslike ussiülekannete puhul; ZK on standard karastatud ja lihvitud täppisülekannete jaoks; ZC saab hakkama suurimate võimsustihedustega.
Miks on ussiülekannete puhul oluline hambaprofiil?
Ussikeere ei ole silinderhamba kujuga ja pole seda kunagi olnud. Põhjus on geomeetrilises paratamatuses. Silinder- või spiraalhammas tekib evolvenskõverate üksteise vastu veeremisel, tekitades igas punktis veereva kontakti. Ussikeere seevastu on silindri ümber mähitud spiraal, mis haakub rattaga libiseva kontaktjoone kaudu, mis kulgeb üle hamba külje, kui uss pöörleb. Selle külje kuju – sirge, kõver või nõgus – on ussülekande projekteerimisel esimene otsus ja mõjutab paari kõiki järgnevaid omadusi.
Ülemaailmsel ussülekannete turul domineerivad viis hambaprofiili, mis on alates 1976. aastast kodifitseeritud standardiga DIN 3975 ning mida kasutatakse samaväärsetes ISO ja AGMA standardites. Iga profiil on nimetatud kahetähelise koodiga: Z tähendab „Zahn” (saksa keeles hammas), millele järgneb täht, mis tähistab ristlõiget, milles hamba külg on sirge. ZA küljed on aksiaaltasandis sirged. ZN on normaaltasapinnas sirged. ZI on evolvendsed. ZK ja ZC kasutavad lihvketta abil loodud geomeetriat. Profiil määrab, milline tootmisprotsess võimaldab ussi toota, milline täpsusklass on saavutatav ning millist võimsus- ja kiirusvahemikku ussülekannete paar taluda suudab.
Viie ussiülekande hambaprofiili võrdlus
Allolev tabel eristab viit DIN 3975 profiili ristlõike, tootmismeetodi, saavutatava täpsusklassi ja tüüpilise tööstusliku rakenduse järgi. Kulukordajaks ZA-le viidatakse kui 1,0×, kuna ZA on odavaim ühe otsaga treipingil lõigatud profiil.
Paar, mis on määratletud kui „DIN 3975 ZI, m=4.0, a=100, z₁=2, z₂=40”, on ussiülekandekomplekti täielik ja üheselt mõistetav geomeetriline kirjeldus.
Korea ja Jaapani originaalvaruosade tootjate hankemeeskondade seas on levinud tarnijate vaheline viga see, et ZN- ja ZI-ussihammasülekande profiile käsitletakse asendusdetailide hankimisel omavahel asendatavate asendusdetailidena. Visuaalselt näevad freesitud ZI-uss ja freesitud ZN-uss keerme tasandil peaaegu identsed välja – nende kahe külje hälve on otsas ja tüves tavaliselt 8–15 mikromeetrit, mis on palja silmaga nähtamatu. Kontaktmuster räägib aga kohe tõe. ZN-ussil, mis on haakunud ZI-freesiga lõigatud rattaga, on kontaktriba koondunud külje keskmisele 30 protsendile, mitte eeldatavale 60–80 protsendile. Lõtk mõõdetakse õigesti; visuaalne kontroll on edukas; paar ebaõnnestub täispöördemomendi all katsestendil, kuna koormus koondub õhukesele kontaktribale. Lahenduseks on asenduse tagasilükkamine ja sobiva profiili tellimine algselt tarnijalt. ZN-i ja ZI-d samaväärsetena käsitledes säästetud kulud on alati väiksemad kui järgneva katsestendil tekkinud rikke maksumus.
Iga profiili üksikasjalikult
ZA — Archimedese spiraal. Lihtsaim ja vanim ussiülekande profiil. Ühe teravikuga treipink sirgete lõikeservadega tekitab külgi, mis aksiaaltasandil (ussitelge sisaldaval tasapinnal) vaadatuna paistavad sirged. Otspinna ristlõige on Archimedese spiraal. Saavutatav täpsus on DIN 8 kuni DIN 10 – piisav prototüüpide, väikese koormusega ja ökonoomselt juhitavate tööstuslike ussiülekande rakenduste jaoks. Maksumus on viiest profiilist madalaim, kuna tööriistad on universaalsed ja iga mõistlik keermelõikamisvõimalusega treipink suudab seda toota.
ZN — sirge normaaltasapinnas. ZN-profiili annab kettakujuline frees, mis on ussitelje suhtes ettepoole suunatud nurga all kaldu. Normaaltasandil (spiraaliga risti) vaadatuna paistavad küljed sirged. Ussülekande ZN-profiilid on üldise tööstusliku tootmise tööhobune mõõduka täpsusega – DIN 7 kuni DIN 8 on saavutatavad ning freesimisprotsess tagab ühtlase kvaliteedi mõistliku partii suuruse korral. Väikest hinnalisa ZA-ga võrreldes kompenseerib parem pinnaviimistlus ja väiksem tolerants.
ZI — evolventne helikoid. Tänapäeva tootmises kõige olulisem ussiülekande profiil. ZI-uss genereeritakse freesimise või keermestamise teel, kasutades tööriistu, millel on evolventne geomeetria, mille tulemuseks on uss, mille hambaküljed moodustavad evolventsed spiraalpinnad. Geomeetriliseks eeliseks on hambumisühilduvus evolventsete freesidega, mis lõikavad sobivaid lõikepindu. ussiratas — kogu paari toodab sama tööriistaperekond. Täpsusklass DIN 5 kuni DIN 7 on tavapärane ja lihvitud ZI ussiülekandepaarid saavutavad väljaspool täielikult kohandatud protsesse võimaliku suurima täpsuse.
ZK — koonusekujuline lihv. ZK-profiili annab koonusekujuline lihvketas, mis on kaldu juhtnurga all. Külg on geomeetriliselt määratletud koonuse pinnakattega, mitte lihtsa sirge või evolventse kõveraga. ZK on standardprofiil karastatud terasest usside jaoks, mis lihvitakse pärast kuumtöötlust – koonusekujulise lihvimise protsess arvestab karastamise käigus tekkivate väikeste moonutustega ja annab suurepärase pinnaviimistlusega täpsusklassi DIN 5 kuni DIN 6.
ZC — Cavex nõgus. Nõgusa profiiliga toroidaalne lihvketas kujundab ussi keerme. Saadud külg on normaallõikes nõgus, mis tekitab laiema ja hambajuurest eemale nihutatud kontaktriba võrreldes ZA, ZN, ZI või ZK-ga. Geomeetriline tagajärg on umbes 30–50 protsenti suurem kandevõime sama mooduli ja keskpunkti kauguse juures, mistõttu on ZC eelistatud profiil suure võimsusega ja raskete rakenduste jaoks. Hinnalisa peegeldab spetsiaalseid toroidseid lihvkettaid ja väiksemat turgu.
Kuidas profiil määrab võrgusilma kvaliteedi
Ussülekande paari kolm hambumisomadust määratakse otseselt hambaprofiili valikuga: kontaktjoone geomeetria, libisemiskiiruse jaotus ja määrdefilmi moodustumine.
Profiil ei ole esteetiline valik – see on geomeetriline sisend, mis määrab, kuidas uss ja ratas tegelikult jõudu edastavad.
Kontaktjoone geomeetria. ZA tekitab kontaktjoone, mis kulgeb kaldepunktis libisemissuunaga peaaegu risti – geomeetria, mis tagab suhteliselt halva määrdefilmi kaasahaaramise. ZI ja ZK kontaktjooned on libisemissuuna suhtes soodsalt kaldu, parandades kile paksust. ZC kontaktjooned on laiemad ja kumeramad, mis jaotab koormuse suuremale küljepinnale.
Libisemiskiiruse jaotus. Kontaktjoone libisemiskiirus varieerub sammupunktis olevast miinimumist kuni addendumi ja dedendumi suunas suuremate väärtusteni. ZA jaotab libisemist ebaühtlasemalt, teravate tippudega hambatipu lähedal. ZI ja ZK jaotavad libisemist ühtlasemalt. ZC jaotab libisemist kõige ühtlasemalt, kuna nõgus külje kuju tasakaalustab kiirusvälja kogu kontakttsoonis.
Määrdekile moodustumine. Ussülekande kontaktkihi elastohüdrodünaamilise kile paksus sõltub õli sissetungikiirusest, õli viskoossusest ja kontaktgeomeetriast. ZA saavutab tüüpilistes töötingimustes umbes 0,3–0,6 mikromeetrit kile paksuse. ZI paraneb 0,5–1,0 mikromeetrini. ZK ulatub soodsa pinnaviimistluse tõttu 0,6–1,2 mikromeetrini. ZC ulatub oma laiema kontaktriba tõttu 0,8–1,5 mikromeetrini. Paksemad kiled tähendavad väiksemat kulumiskiirust ja pikemat ussülekandepaari kasutusiga.
Kuidas valida õige hambaprofiil
ZA, ZN, ZI, ZK ja ZC vahel valimisel võetakse arvesse kolme tegurit: tootmismaht, täpsusnõue ja koormusklass. Otsus taandub harva eelistusele – nende kolme teguri mis tahes kombinatsiooni korral on üks või kaks profiili selgelt õiged ja teised selgelt valed.
Väike maht, madal täpsus, väike koormus: ZA. ZA-le sobivad nii üks prototüüp, tootmisest maas oleva seadme kohandatud asendus kui ka väikese võimsusega tööstuslik ussiülekanne, mis töötab 8 tundi päevas mõõduka pöördemomendiga. ZN-i või ZI-ga seotud kulude lisatasu ei ole õigustatud.
Keskmine kuni suur maht, mõõdukas täpsus: ZN. Siia kuuluvad konveieriajamid, segistid, tõstukid ja tööstuslike ussiülekannete laiem nõudlus. ZN-freesimine annab ühtlase DIN 7 kuni DIN 8 täpsuse mõõduka hinnaga võrreldes ZA-ga, boonusega parema pinnaviimistluse, mis parandab sissetöötamisomadusi.
Suur täpsus, karastatud või jahvatatud: ZI või ZK. Need kaks profiili kattuvad rakenduses – mõlemad saavutavad täpsuse DIN 5 kuni DIN 6. ZI on eelistatud, kui samasse reas on sobitatud freeskettad; ZK on eelistatud, kui on vaja lihvida pärast karastamist. Kaasaegne kataloog ussikäigu reduktor Pakutavad tooted standardiseerivad sageli maapealset ZI-d täppisvalikuna.
Raskeveokite ja suure võimsusega rakendused: ZC Cavex. Kui rakendus nõuab antud mooduli ja keskpunktide vahelise kauguse juures suurimat võimsustihedust, pakub Cavexi profiili laiem nõgus kontaktriba 30–50 protsenti suuremat kandevõimet kui samaväärne ZI. Hinnalisa on õigustatud tsemendi-, kaevandus- ja suurte tõstukite rakenduste puhul.
Kolm reaalset hambaprofiili valiku juhtumit
Allolevad kolm juhtumit illustreerivad, kuidas tootmismaht, täpsusnõue ja koormusklass mõjutavad ussiülekande profiili valikut reaalsetes hankeotsustes.
Geograafiline levik (Korea, Jaapan, Vietnam) peegeldab seda, kuidas erinevad tööstuslikud küpsusastmed ja kulutundlikkus viivad erinevate, kuid võrdselt kehtivate profiilivalikuteni.
Juhtum 1 — Korea konveieritootja valib ZA
Korea osade konveieri originaalvaruosade tootja, kes ehitas aastas 200 standardset rihmülekandega seadet, hindas 50:1 ussülekandepaari hambaprofiili valikuid suhtega m = 3,0 ja a = 80 mm. ZA hinnapakkumine on 165 USD paar, DIN 9 täpsusega. ZN hinnapakkumine on 198 USD paar, DIN 8. ZI lihvitud ussülekande hind on 295 USD paar, DIN 6. Inseneritehniline ülevaade: konveier töötab 8 tundi päevas 60 protsendi nimikoormusega, ajab sujuvalt töötavat lindi ilma löögikoormuseta ja see on ajalooliselt ehitatud eelmise Jaapani originaalvaruosade tootjaga, kasutades DIN 9 ZA usse. Otsus: ZA DIN 9 täpsusega, põhjendatud koormusklassi ja varasemate pretsedentidega. Aastane kokkuhoid ZI valikuga võrreldes: umbes 26 000 USD 200 seadme kohta. Töökindlus viimase 4 aasta jooksul: hambaprofiilist tingitud rikkeid pole, keskmine kasutusiga 6–8 aastat seadme kohta. Õppetund: kui koormusklass seda tõesti lubab, pakub lihtsaim profiil parimat koguökonoomsust.
Juhtum 2 — Jaapani tööpinkide tootja vajab ZI-mandus
Jaapani pöördindekseerija tootja määras neljapositsioonilise täppisindekseerija jaoks 360:1 ussülekandepaari, mille positsioneerimise korduvuse nõue on pluss-miinus 5 kaaresekundit. Täpsusspetsifikatsioon välistas kõik peale DIN 5 lihvimise. Profiilivalikud: ZI-lihvitud hinnaga 1250 USD paar, ZK-lihvitud hinnaga 1400 USD paar. Otsus: ZI, kuna sobiv ratas lõigati freespingil, mis nõudis evolventse freespingi ühilduvust. Lõplik hambaprofiili kontroll Klingelnberg P40 hammasrattamõõtekeskuses andis 4 mikromeetri profiilivea ja 5 mikromeetri tõusuvea – see on DIN 5 spetsifikatsiooni piires. Indekseerija positsioneerimine mõõdeti pluss-miinus 3,8 kaaresekundiga, mis ületas kliendi nõuet. Õppetund: ussiprofiili sobitamine ratta lõikamisprotsessiga on sama oluline kui profiili valik ise.
Juhtum 3 – Vietnami tsemenditehase uuendamine ZC Cavexi tasemele
Vietnami tsemenditehas, mis käitas klinkri transportimiseks mõeldud ajameid suure pideva koormusega, koges umbes 18-kuulise töö järel korduvaid hambakülje aukliku korrosiooni rikkeid originaalsetel ZN ussülekandepaaridel. Spetsifikatsioon: m = 8,0, a = 200 mm, suhe 60:1, pidev ülekandevõimsus 18 kW, klinkritükkide tugev löök väljastusšahtis. Diagnoos: ZN-profiil töötas oma koormustaluvuse ülempiiri lähedal; korduv aukliku korrosiooni teke viitas ebapiisavale kontaktriba pindalale selle tööklassi jaoks. Uuendamise otsus: minna üle ZC Cavex profiilile sama mooduli ja keskpunktide vahekaugusega, nõustudes 65-protsendilise kulupreemiaga paari kohta (1850 USD vs 1120 USD ZN). Välikatsete tulemus: 4 aastat pidevat tööiga ilma aukliku korrosioonita uuendatud üksustel, võrreldes eelmise 18-kuulise rikketsükliga. Õppetund: õige profiil raskeveokite ussülekande rakenduse jaoks on see, mille kontaktgeomeetria vastab koormusklassile – suurema võimekuse eest maksmine on odavam kui korduvad rikketsüklid.
Korduma kippuvad küsimused
K: Kas ma saan olemasoleva ussi hambaprofiili seda vaadates kindlaks teha?
Ainult välise kontrolli põhjal mitte usaldusväärselt. Külgnevate profiilide (näiteks ZN vs ZI) vaheline külje hälve on tavaliselt 5–15 mikromeetrit – palja silmaga nähtamatu ja isegi 10x luubiga raske kontrollida. Kolm usaldusväärset meetodit. Esiteks kontrollige originaaltarnija dokumentatsiooni – iga hea mainega ussiülekannete tootja tembeldab profiili tähistuse kontrollaruandele. Teiseks tehke hambaprofiili mõõtmine Klingelnberg P26 või Zeissi hammasrataste mõõtekeskuses, mis loeb külje kuju otse nelja kandidaatprofiili suhtes. Kolmandaks uurige tootmise sõrmejälge – ühepunktilised treipingi märgid tähistavad ZA-d, freesi tahud tähistavad ZN-i, pliidiplaadi märgid tähistavad ZI-d, lihvimismärgid tähistavad ZK-d või ZC-d. Kui dokumentatsioon puudub, annab kolmas meetod usaldusväärse vastuse ilma lisakuludeta.
K: Miks soovitab GB 10085-88 (Hiina standard) ainult ZI ja ZK?
Hiina riiklik hammasrataste standard GB 10085-88 soovitab ZI ja ZK profiili, kuna mõlemad toodavad lihvitud hambakülgi, mis sobivad karastatud terasest hammasratastele – see on tänapäeva Hiina tööstustootmises domineeriv konfiguratsioon. ZA ja ZN on endiselt lubatud, kuid neid käsitletakse teiseste profiilidena konkreetsete kulupõhiste rakenduste jaoks. Soovitus ei muuda ZA ega ZN profiilide rahvusvahelist kasutamist kehtetuks; see peegeldab Hiina tööstuse eelistust lihvitud täpsuse osas. Korea ja Jaapani standardid järgivad otse standardit DIN 3975, seega jäävad kõik viis profiili võrdselt spetsifikatsioonideks.
K: Kas ZH Hindley (globoidne) profiil on endiselt asjakohane?
ZH Hindley on kahekõrguline globoidne uss, kus nii uss kui ka ratas ümbritsevad teineteist. See on silindriliste usside perekonna ZA-ZN-ZI-ZK-ZC sees pigem eraldi hammasratta topoloogia kui külgprofiil. Globoidsete ussülekannete paarid pakuvad umbes 2–3 korda suuremat kandevõimet kui samaväärsed silindrilised paarid, kuna uss mähitakse ümber ratta ja haakub samaaegselt mitme hambaga. Puuduseks on see, et globoidsed ussid ei ole silindrilised (kumerad piki oma telge) ja vajavad spetsiaalset tootmist – tavaliselt Cone Drive'i või sarnaseid kaubamärke. Need on olulised rasketes tõste- ja tornülekannetes, kuid ei ole silindriliste ussülekannetega vahetatavad.
K: Kas ZN-ussi saab töö ajal ZI-ussiga asendada?
Üldiselt mitte, välja arvatud juhul, kui ka ratast vahetatakse. Ratas lõigati algselt vastavaks algsele ussiprofiilile (ZN lõigati kaldfreesiga; ZI evolventfreesiga). Ainult ussi asendamine teistsuguse profiiliga annab kokkupuutemustri, mis on koondunud külje keskele, vähendatud kandevõimega ja kiirenenud kulumisega. Kolm võimalust: asendada nii uss kui ka ratas sobiva paarina (õige vastus), jätkata töötamist vähendatud kandevõimega (vastuvõetav väikese koormusega rakenduste puhul) või aktsepteerida asendusriski ja jälgida tähelepanelikult. Esimene võimalus on ainus, mis taastab kavandatud kasutusea. Profiili vahetatavus ei ole ussiülekande standardi omadus – see on turundusväide, mida tehniline kontrollimine harva toetab.
K: Kuidas ma saan määrata hambaprofiili kohandatud ussiülekande tellimuses?
Ussülekande täielik spetsifikatsioonirida peaks sisaldama järgmist: profiili tähistus (ZA, ZN, ZI, ZK või ZC), viide standardile DIN 3975, täpsusklass (DIN 5 kuni DIN 10), moodul, keskpunktide vahe, suhe, materjalid ja pinnatöötlus. Näide: „DIN 3975 ZI / DIN 7 / m=4,0 / a=100 mm / z₁=2 / z₂=40 / 16MnCr5 karastatud ussülekanne / CuSn12 fosforpronksratas.“ See üks rida annab tarnijale kogu geomeetrilise ja materjaliteabe, mida on vaja pakkumise esitamiseks ilma selgitustsükliteta. Profiili tähistuse väljajätmine käivitab küsimuste ja vastuste tsükli, mis pikendab pakkumise esitamise aega tavaliselt 2–5 tööpäeva võrra.
K: Miks maksab ZC Cavex nii palju rohkem kui ZK?
Kolm kulutegurit. Esiteks on ZC toroidaalsel lihvkettal keerukam profiil kui ZK jaoks kasutataval lihtsal koonuskettal – ketta maksumus on umbes 2–3 korda kõrgem ja ketta töötlemine nõuab spetsiaalset varustust. Teiseks tähendab väiksem turg (ZC moodustab umbes 5 protsenti kogu maailma ussiülekannete toodangust) pikemat seadistusaega ja väiksemaid tootmispartiisid. Kolmandaks on ZC kõige sagedamini ette nähtud raskeveokite rakenduste jaoks, mis nõuavad ka kvaliteetseid materjale (alumiiniumpronks fosforpronksi asemel, spetsiaalne kuumtöötlus), mis suurendab profiili enda maksumust. Üldine 2,0–2,5× ZA maksumuse suhe peegeldab kombineeritud mõju – umbes 60 protsenti maksumusest on profiilispetsiifilised tööriistad, ülejäänu on materjali ja protsessi uuendused, mis tavaliselt kaasnevad ZC tellimustega.
K: Milline on seos hambaprofiili ja hambakontakti mustri vahel?
Hambaprofiil on geomeetriline sisend; kokkupuutemuster on väljund, mille sinistamistest kokkupanekul näitab. Õigesti hambuv paar tekitab kontaktriba, mis katab 60–80 protsenti ratta hambaküljest ja on hamba pikkuse tsentreeritud. Profiil määrab selle riba teoreetilise asukoha – ZA ja ZN koondavad kokkupuute veidi rattaotsa hammaste poole; ZI jaotub ühtlasemalt; ZK on sarnane ZI-ga; ZC tekitab kõige laiema riba. Profiili mittevastavused ilmnevad nihkes või kokkutõmbunud kokkupuutemustritena isegi siis, kui paar on muidu mõõtmetelt õige. Sinistamistest on lihtsaim viis kontrollida, kas profiilipaar on õigesti sobitatud, ja see ei maksa sisuliselt midagi peale märgistuspasta ja 5 minutit kontrolliaega.
Ussülekande hambaprofiil on iga haakimisotsuse geomeetriline alus, mille paar järgmise 10–25 aasta jooksul teeb. Turul domineerivad viis profiili – ZA, ZN, ZI, ZK ja ZC –, millest igaüks on seotud kindla tootmisprotsessi ja täpsusklassiga. Õige valik antud rakenduse jaoks tuleneb kolmest sisendist: tootmismaht, täpsusnõue ja koormusklass. Ligikaudu 80 protsenti tööstuslike ussülekannete nõudlusest katavad ZN ja ZI; ülejäänud 20 protsenti jaguneb odavate rakenduste jaoks mõeldud ZA ja suure täpsusega rakenduste jaoks mõeldud ZK või ZC vahel. Profiili vahetatavus ei ole reaalne – ühe profiili asendamine teisega olemasoleva paari piires põhjustab mõõdetavat kontaktmustri halvenemist ja kiirendatud kulumist. Lihtsaim lahendus on profiili selge määratlemine tellimuse sisestamisel ja kontaktmustri kontrollimine sissetuleva kontrolli käigus.
Uue ussiülekande rakenduse hambaprofiili täpsustamine?
Saatke avalduse lühikirjeldus – moodul, keskpunktide vahe, suhe, koormusklass ja täpsusnõue. Soovitame iga valiku jaoks sobivat profiili (ZA, ZN, ZI, ZK või ZC) koos maksumuse ja tarneajaga – standardkataloogi spetsifikatsioonide puhul tavaliselt ühe Korea tööpäeva jooksul.
Toimetaja: Cxm
