Российский продукт инженерного анализа — система APM WinTrans для автоматизированного проектирования передач вращательного движения

Владимир Шелофаст

Типы передач

Проектирование передачи

Проверка несущей способности передачи

Расчет параметров контроля элементов передачи

Создание рабочих чертежей

База данных

Моделирование процессов нарезания зубьев и зацепления

Новые возможности старого модуля

Модуль APM WinTrans входит в состав CAD/CAE-системы APM WinMachine, разработанной в НТЦ АПМ и представляющей собой совокупность большого количества инженерных приложений в области механики, машино- и приборостроения. Поскольку передачи вращательного движения достаточно широко распространены в машиностроении, практика применения данного модуля оказалась успешной. В этой статье мы решили вернуться к рассмотрению этой темы, с тем чтобы более подробно ознакомить читателей как с возможностями модуля в целом, так и с новыми инструментами, которые появились в нем за последнее время.

Процесс проектирования с использованием АРМ WinTrans сводится к подготовке исходных данных для расчета передач и к анализу полученного результата. При этом достигается высокое качество расчетов, во-первых, за счет колоссального ускорения процесса вычислений, а во-вторых, за счет возможности выбора оптимальных параметров. Эта возможность, в свою очередь, реализуется путем анализа многих вариантов решений.

Работа с АРМ WinTrans не требует знаний десятка книг и методик. При этом несколько снижаются требования к квалификации пользователя. Предполагается, что он должен быть знаком с сутью проблемы на уровне понятий и определений. Остальные вопросы берет на себя компьютер.

С помощью модуля АРМ WinTrans можно выполнить весь комплекс конструкторских и технологических расчетов (как проектировочных, так и проверочных) передач вращательного движения, а также вычертить рабочие чертежи основных деталей этих передач в автоматическом режиме. В качестве объектов для расчетов выбраны передачи, широко используемые в практике проектирования.

Типы передач

С помощью АРМ WinTrans вы можете проектировать следующие типы передач:

• цилиндрические с прямым зубом как внешнего, так и внутреннего зацепления;
• цилиндрические с косым зубом внешнего зацепления;
• шевронные;
• конические с прямым и круговым зубьями;
• червячные;
• ременные;
• цепные.

Проектирование передачи

При проектировочном типе расчета известными считаются выходные кинематические и энергетические параметры, а результатом является определение геометрических размеров передачи при выбранных материалах и термообработке. Для выполнения расчета необходимо указать следующие исходные параметры передачи: передаваемый момент, ресурс, условия работы, передаточное отношение и т.д. Опираясь на эти данные, модуль АРМ WinTrans рассчитает все геометрические параметры передачи.

Все эти расчеты проводятся в условиях как постоянного, так и переменного режима реального нагружения. Учет переменного характера нагружения в АРМ WinTrans осуществляется либо в виде нормального переменного режима, либо с помощью специального инструмента для интерактивного задания таких режимов.

В основу проектировочного и проверочного расчетов положены следующие критерии:

• усталостная контактная прочность и усталостная прочность на изгибах — для расчета цилиндрических и конических зубчатых передач, а также червячных;
• износостойкость шарниров цепи — для расчета цепных передач;
• нагрузочная способность и долговечность ремня — при проектировании ременных передач.

Дополнительно можно наложить ограничения на рассчитываемую передачу, например рассчитать передачу с требуемым межосевым расстоянием или каким-либо другим параметром.

Результатом расчета зубчатой передачи с помощью АРМ WinTrans является полный перечень параметров, необходимых при проектировании, к ним относятся:

• геометрические параметры элементов передач;
• силы, действующие на валы от передач;
• действующие напряжения и величины допускаемых напряжений;
• весь спектр параметров контроля качества изготовления;
• параметры качества передачи;
• рабочие чертежи ведущего и ведомого элементов передачи.

Проверка несущей способности передачи

С помощью АРМ WinTrans можно проверить несущую способность известной передачи (то есть передачи с заданными геометрическими параметрами, условиями работы, термообработкой колес и т.д.). Несущая способность оценивается по двум критериям:

• ресурсу работы передачи при заданном передаваемом моменте;
• максимальному передаваемому моменту при заданном ресурсе.

Расчет параметров контроля элементов передачи

АРМ WinTrans предоставляет пользователю все необходимые данные для проверки качества изготовления элементов передачи. Для цилиндрических передач параметры контроля делятся на:

• параметры торцевого профиля зубьев;
• постоянной хорды;
• общей нормали;
• по толщине хорды;
• контроля по роликам;
• проверки положения разноименных профилей зубьев;
• качества зацепления.

Создание рабочих чертежей

В модуле АРМ WinTrans можно создать рабочий чертеж элемента рассчитываемой передачи. Чертеж сохраняется в формате DXF. При подготовке чертежа модуль позволяет:

• изменять (в известных пределах) конструкцию передачи и уточнять конфигурацию изображаемой детали и других элементов чертежа с помощью интерактивного диалога, который предшествует процедуре генерации;
• проставлять предельные отклонения размеров и указывать технические требования чертежа;
• заполнять главную надпись чертежа и т.д.

Все это задается в зависимости от нормативных параметров и требований действующих российских стандартов и нормалей.

База данных

Для выполнения комплекса прочностных и геометрических расчетов передач, а также расчетов нагрузочной способности и износостойкости разработана единая для системы АРМ WinMachine база данных, работающая под управлением СУБД. Это позволяет без труда редактировать и дополнять имеющиеся стандартные параметры. Кроме того, в АРМ WinTrans реализована возможность работы с несколькими государственными и отраслевыми стандартами и стандартами предприятий.

Моделирование процессов нарезания зубьев и зацепления

Важным разделом при проектировании зубчатых передач является процедура имитации процесса нарезания зубьев зубчатых колес методом обкатки. Эта процедура позволяет получить форму зуба колеса и шестерни исходя из параметров инструментальной рейки и величин заданного смещения. При этом можно контролировать форму и фактические размеры зуба колеса и шестерни. Помимо этого в модуле предусмотрена возможность моделирования процесса зацепления, что особенно важно для передач внутреннего зацепления, всегда таящих опасность интерференции.

Изменяя исходные параметры, накладывая или снимая ограничения, можно оптимизировать проектируемую передачу. В этом случае модуль служит как средство быстрого расчета различных вариантов. Важной является и процедура расчета весовых характеристик элементов передач.

Новые возможности старого модуля

Прошло более трех лет с момента выхода первой публикации в журнале «САПР и графика», посвященный модулю APM WinTrans.

С учетом современного ритма жизни это большой срок, а для программного обеспечения — особенно. Понятно, что за это время многое изменилось, и, естественно, изменился модуль APMWinTrans.

Во-первых, изменилась среда разработки, в качестве которой в настоящий момент используется язык программирования Visual С++. Это позволило перейти от 16-разрядного представления чисел к 32-разрядному.

Преобразилась и среда хранения базы данных и СУБД. Базы данных дополнены большим количеством новой справочной информации. Существенно улучшены алгоритмы расчетной части программ. Изменен порядок ввода ряда переменных параметров. Данные изменения были сделаны по предложениям пользователей.

За это время вышла книга «Основы проектирования машин», в которой подробно излагаются методы расчета передач вращательного движения. Все формулы, аналитические и численные зависимости сопровождаются выводами, а там, где это необходимо, приведены результаты экспериментальных исследований, положенных в основу современных методов расчета и проектирования передач вращательного движения. Все это позволяет не только лицезреть результаты полученных вычислений, но и разобраться в сути расчетных методов, которые приводят к таким результатам.

Большая работа была проведена в НТЦ АПМ в плане сравнения отечественных методов расчета передач с методами расчета по методикам других стран. Результатом этой работы можно считать появление англоязычной версии, которая с успехом используется для выполнения расчетов по стандартам других стран.

Большое внимание было уделено тестированию программного продукта APM WinTrans. Для выполнения всего комплекса тестовых расчетов были разработаны программы вычислений основных силовых, энергетических, геометрических и прочностных характеристик передач средствами Mathcad. В результате было получено множество решений средствами Mathcad и проведено сравнение этих результатов с полученными с помощью модуля APM WinTrans. Полное совпадение еще раз убедило нас в корректности работы APM WinTrans. Более того, программы в среде Mathcad можно использовать для того, чтобы пошагово проследить последовательность вычислений и осуществить контроль промежуточных результатов.

Выполнен также комплекс работ по генерации чертежей с использованием собственного графического редактора APM Graph. Как уже отмечалось в предыдущих статьях, собственная графическая система имеет широкие параметрические возможности, которые использованы в полной мере для генерации чертежей деталей передач. При этом сохранены возможности экспорта через DXF, который может быть прочитан сторонними графическими системами.

Генерация чертежа осуществляется с использованием параметрических моделей, в которых помимо собственной отрисовки геометрии объекта предусмотрена простановка размеров и их допусков, чистоты обработки поверхности и всевозможных технических требований. Выполняется также процедура заполнения штампа и таблицы для нарезания. Кроме того, предусмотрено размещение другой необходимой информации. Если сгенерированный чертеж не в полной мере удовлетворяет конструктора, то его можно редактировать, используя средства как параметрической модификации, так и графического редактора.

За время эксплуатации APM WinTrans он прошел обкатку на большом количестве предприятий, ставших своего рода тестовым полигоном. Были учтены критические замечания пользователей, которые, без сомнения, способствовали улучшению программного продукта. Очень важно и то, что ценовая политика НТЦ АПМ ориентирована на финансовые возможности нашего отечественного потребителя. Мы стараемся сохранять низкие цены на свои программные продукты. Этим отчасти можно объяснить широкое применение модуля в отечественном машиностроении. Модуль оказался доступным для большинства наших предприятий.

Стратегической линией развития модуля APM WinTrans является переход от плоского представления объектов проектирования к их трехмерной отрисовке.

«САПР и графика» 1'2002