ЗУБЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА Российский патент 1996 года по МПК F16H1/24 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к косозубым зубчатым передачам с зацеплением, обеспечивающим повышенную нагрузочную способность передач.

Известна зубчатая передача с зацеплением М.Л.Новикова [1]
Недостатком известной передачи является пониженная нагрузочная способность, повышенный износ зацепления, нетехнологичность изготовления (выпуклые и вогнутые зубья нарезаются различным инструментом), что ухудшает вибрационные и шумовые показатели зацепления. Кроме того, зацепление Новикова имеет концентраторы напряжений, что ухудшает надежность передач.

Наиболее близкой к предлагаемой является зубчатая передача, содержащая колеса, зубья которых выполнены с головками и межзубовыми впадинами, при этом в поперечном сечении колес радиус кривизны головки зуба выбран равным радиусу кривизны сопрягаемой с ней межзубовой впадины [2]
Недостатком этой передачи является неравномерная скорость вращения колеса, так как циклически изменяется передаточное число зубчатого зацепления, отсутствие плавности и неразрывного зацепления, невозможность передачи значительных крутящих моментов.

Указанные недостатки устраняются тем, что в зубчатой передаче, содержащей колеса, зубья которых выполнены с головками и межзубовыми впадинами, при этом в поперечном сечении колес радиус кривизны головки зуба равен радиусу кривизны сопрягаемой с ней межзубовой впадины, колеса выполнены косозубыми, в нормальном сечении зуба профиль последнего представлен эллипсом с радиальным расположением его большой оси, а косинус угла наклона зубьев равен отношению малой оси эллипса к большой оси.

Применение эллиптического сечения зубьев обосновано тем, что если виток эллиптического сечения рассекать плоскостью под углом наклона к оси вала и проходящей через большую ось эллипса, то при определенном угле наклона этой плоскости сечения образуется окружность радиусом, равным большой полуоси эллиптического сечения вала. В этом случае малая ось эллипса увеличивается до размера большой оси.

Учитывая, что большая полуось а (фиг.1) высота головки зуба величина постоянная, то малая полуось определяется из зависимости отношения осей эллипса от угла наклона зубьев.

Из известных соотношений эллипса следует
2а=G₁H+G₂H; c=OG₁=OG₂; b²+c²=a², где а=R высота головки зуба большая полуось эллипса;
b малая полуось эллипса;
с фокус эллипса.

Анализируя последнее уравнение, находим, что для преобразования эллипса в окружность необходимо С=0, тогда b²+0=a², т.е. b=a. Но так как а величина постоянная, то b увеличивается до величины а при следующих условиях.

Задавая DF= a (фиг.3 и 4) и решая прямоугольный Δ DEF, находим, что DE: DF=cos α2b:2a=b:a, где α угол наклона зубьев колеса. Соответственно, b:a=cos α
Таким образом, для получения мгновенного момента зацепления в торцовом сечении в виде полуокружности с максимальным контактом зуба и впадины косинус угла наклона зубьев косозубого зацепления с эллиптическим сечением зубьев равен отношению малой оси к большой оси эллипса.

При повороте зубчатой пары мгновенный контакт зуба и впадины перемещается вдоль оси вращения до тех пор, пока очередной зуб колеса не войдет в зацепление с впадиной шестерни, создавая аналогичный момент зацепления. Максимальный контакт выступа и впадины (фиг.2) обеспечивается в любой момент вращения шестерни и колеса.

При этом ширина зубчатого зацепления определяется необходимым коэффициентом перекрытия в зависимости от шага зацепления и угла наклона зубьев.

Сохраняя положительные качества зацепления Новикова, т.е. уменьшая до допустимого минимума значение угла наклона зубьев в косозубом зацеплении, одновременно можно достичь практически максимального возможного увеличения пятна контакта зубьев и впадин с той положительной особенностью, что это пятно контакта распределено равномерно по всей высоте соприкасаемых зубьев, так как радиус головки зуба равен радиусу ножки зуба по всей поверхности сопрягаемых колеса и шестерни. Указанное преимущество позволяет значительно повысить контактную выносливость рабочих поверхностей зубьев.

Для устранения возможного заклинивания от нагрева при работе зубчатого зацепления предусмотрена расширенная межзубовая впадина, а также лыска по всей длине вершины головки зуба.

Кроме того, вследствие хороших условий смазки предлагаемая зубчатая передача обладает повышенной износостойкостью зубьев и пониженными потерями на трение в зацеплении.

Специфическим недостатком заполюсных (дополюсных) зацеплений Новикова является необходимость удвоенного количества режущего инструмента, так как выпуклые и вогнутые зубья должны нарезаться различным инструментом, что повышает чувствительность к погрешностям сборки (неточности межосевого расстояния) и, как следствие, ухудшаются вибрационные и шумовые показатели.

Для устранения этого предлагается зубья колеса и шестерни обрабатывать одним инструментом, например фрезой, методом обкатки, что повышает эксплуатационные качества зацепления.

На профиле зацепления Новикова имеются резкие изменения радиусов кривизны, например, в основании зуба шестерни, что способствует образованию концентраторов напряжения в теле шестерни. Это может привести к преждевременному разрушению шестерни.

В предлагаемом зацеплении радиус кривизны по всему профилю не изменяется, что исключает наличие концентраторов напряжения и способствует долговечности работы механизма.

На фиг.2 изображена зубчатая пара с максимальным контактом по форме полуокружности зуба и впадины при мгновенном моменте зацепления в торцовом сечении; на фиг. 3 размещенные наклонно к оси вращения выступы и впадины эллиптической формы (профиля) на наружной образующей цилиндров шестерни и колеса в нормальном сечении; на фиг.4 разрез А-А на фиг.3.

Зубчатая передача содержит косозубые колеса 1 и 2. В поперечном сечении колес 1 и 2 радиус кривизны головки зуба равен радиусу кривизны сопрягаемой с ней межзубовой впадины, при этом в нормальном сечении (фиг.3) зуба профиль последнего представлен эллипсом (фиг.4) с радиальным расположением его большой оси, а косинус угла наклона зубьев равен отношению малой оси эллипса к большой оси.

Зубчатая передача работает следующим образом.

При вращении колеса 1 зубья входят в зацепление с впадинами колеса 2 и вращение передается колесу 2.

Зацепление с эллиптическим профилем сечения зубьев может быть выполнено для внешнего и внутреннего зацепления, а также для передач с параллельными, пересекающимися и перекрещивающимися осями вращения.

Использование: машиностроение, в частности косозубые зубчатые передачи с зацеплением, обеспечивающим повышенную нагрузочную способность передач. Сущность изобретения: зубчатая передача содержит косозубые колеса, зубья которых выполнены с головками и межзубовыми впадинами. При этом в поперечном сечении колес радиус кривизны головки зуба выбран равным радиусу кривизны сопрягаемой с ней межзубовой впадины. В нормальном сечении зуба профиль последнего представлен эллипсом с радиальным расположением его большой оси, при этом косинус угла наклона зубьев равен отношению малой оси эллипса к большой оси. 4 ил.

ЗУБЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА, содержащая колеса, зубья которых выполнены с головками и межзубовыми впадинами, при этом в поперечном сечении колес радиус кривизны головки зуба равен радиусу кривизны сопрягаемой с ней межзубовой впадины, отличающаяся тем, что колеса выполнены косозубыми, в нормальном сечении зуба профиль последнего представлен эллипсом с радиальным расположением его большой оси, а косинус угла наклона зубьев равен отношению малой оси эллипса к большой его оси.