ПЕРЕКЛЮЧАЕМАЯ ЗУБЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА Российский патент 1997 года по МПК F16H3/22 

Изобретение относится к деталям машин и может быть использовано в различных отраслях машиностроения в изделиях, имеющих переключаемые зубчатые колеса коробок скоростей, например, в станкостроении, в транспортном машиностроении, в автомобиле- и тракторостроении и т.п.

Известна зубчатая передача для переключаемых коробок скоростей, имеющая взаимодействующие между собой неподвижные и аксиально подвижные цилиндрические зубчатые колеса, в которых соударяемые при переключении торцы зубьев закруглены. Закругление торцев зубьев производят поперек высоты зуба [1]
Недостатком этой зубчатой передачи является большой угол самоторможения между соударяемыми торцами, при котором вообще не возникают окружные усилия или возникают очень малые по величине окружные усилия, которые необходимы для разворота зубчатых колес в положение взаимного сцепления шестерен.

По имеющимся данным из опыта эксплуатации зубчатых колес такого вида, угол самоторможения составляет величину от 1/8 до 1/4 углового шага зубчатого зацепления. Для преодоления этого недостатка в период переключения зубчатых колес производится их импульсивное периодическое реверсивное вращение, позволяющее зубу шестерни войти в зацепление, что усложняет конструкцию электропривода и ведет к повышенному износу закругленных торцев зубчатых колес [2]
Известна также зубчатая передача, имеющая на параллельных валах в переключаемой коробке скоростей периодически сцепляемые неподвижное и аксиально подвижное зубчатые колеса, у которых на соударяемых при переключении торцах зубьев выполнены направляющие скосы. Конструктивно направляющие скосы на торцах зубьев различны на разных колесах. Направляющие скосы на торцах зубьев подвижного колеса выполнены в виде одной скошенной поверхности, пересекающей весь торец зуба и образующей с эвольвентными рабочими профилями острую и тупую кромки. Направляющие же скосы на торцах зубьев неподвижного колеса выполнены в виде двух сходящихся скошенных плоскостей, образующих при пересечении друг с другом промежуточное контактное ребро [3]
Следует отметить, что сочетание разных по виду направляющих скосов в этом техническом решении не является обязательным, т.к. каждый из видов направляющих скосов работоспособен самостоятельно. Фактически в известном источнике информации [3] описаны три технических решения:
а) техническое решение, защищенное формулой изобретения;
б) техническое решение, имеющее зубчатую передачу с колесами, на соударяемых торцах которых выполнены по одному направляющему скосу в виде плоскости, пересекающей под углом весь торец зуба;
в) техническое решение, имеющее зубчатую передачу с колесами, на соударяемых торцах которых выполнены сходящиеся два направляющих скоса с промежуточным контактным ребром между собой.

В качестве прототипа принята зубчатая передача, имеющая на параллельных валах в переключаемой коробке скоростей периодически сцепляемые неподвижное и аксиально подвижное зубчатые колеса с зубьями, на соударяемых торцах которых выполнены сходящиеся направляющие скосы, расположенные под углом к продольным осевым диаметральным плоскостям зубьев. Направляющие скосы образуют при пересечении с эвольвентными поверхностями зубьев боковые ребра, а при пересечении между собой промежуточные контактные ребра.

Зубчатая передача, принятая в качестве прототипа, сходна с предлагаемой зубчатой передачей по наибольшему числу одинаковых признаков.

Прототип имеет следующие недостатки:
1. Элементами наиболее опасного торцевого соударения являются промежуточные контактные ребра. Из-за погрешностей изготовления соударяемые промежуточные контактные ребра располагаются непараллельно и при соударениях поэтому происходит контакт между периферийным концом промежуточного ребра на одном колесе и корневым концом промежуточного ребра на другом зубчатом колесе. Соударения периферийным концом вызывают появления сколов, а от соударений корневым концом на нем появляются бугорки и вмятины. Появление сколов материала на периферийном конце промежуточного ребра имеет увеличивающийся характер, что в итоге выводит зубья зубчатых колес из строя.

2. Появление бугорков на корневом конце промежуточного ребра вызывает выцарапывание канавок на сопрягаемой периферийной части направляющего скоса и на линии перехода его в эвольвентный профиль. В итоге эвольвентный профиль зуба выходит из строя.

Из-за указанных недостатков зубчатые передачи в переключаемых коробках скоростей металлорежущих станков имеют уменьшенный срок службы. В связи с этим к каждому станку прилагаются запасные детали быстроизнашиваемые зубчатые колеса для переключаемых коробок скоростей, чтобы в случае выхода их из строя можно было бы быстро произвести соответствующий ремонт.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение срока службы контактных ребер и поверхностей направляющих скосов на соударяемых торцах зубчатых колес в переключаемых коробках скоростей за счет контактного взаимодействия их между собой средними выпуклыми частями и уменьшением усилий на вхождение зубчатых колес в зацепление за счет расположенных под острым углом на соударяемых торцах зубьев направляющих скосов.

Поставленная задача решается тем, что в зубчатой передаче, смонтированной на параллельных валах в переключаемой коробке скоростей, периодически сцепляемые неподвижное и аксиально подвижное зубчатые колеса имеют зубья с направляющими скосами на соударяемых торцах, которые расположены под острым углом к продольным осевым диаметральным плоскостям зубьев и образуют при пересечении между собой промежуточные контактные ребра, согласно изобретению поверхность одного из направляющих скосов выполнена в виде выпуклой поверхности в направлении поперек высоты скоса и образующей при пересечении с другим направляющим скосом выпуклость на промежуточном контактном ребре, причем поверхность другого направляющего скоса может быть выполнена в виде плоскости или выпуклой поверхности в направлении поперек высоты скоса.

На фиг. 1 показана примерная кинематическая схема переключаемой коробки скоростей с обозначением стрелки вида А; на фиг. 2 вид А на фиг. 1 в увеличенном масштабе с обозначением разрезов Б-Б и В-В; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 разрез В-В на фиг. 2; на фиг. 5 разрез Г-Г на фиг. 3; на фиг. 6 узел I в увеличенном масштабе на фиг. 5 (1-й вариант); на фиг. 7 - узел I в увеличенном масштабе на фиг. 5 (2-й вариант); на фиг. 8 разрез E - E на фиг. 5.

Переключаемая зубчатая передача является основным механизмом в механической коробке скоростей, в которой периодически изменяется передаточное отношение. Механические коробки скоростей имеют различную конструкцию, зависящую от конкретного вида машины, в которой она установлена.

В качестве примера приведена трехступенчатая (т.е. имеющая три передаточных отношения) упрощенная по конструкции механическая коробка скоростей металлорежущего станка, например, токарного. Эта коробка скоростей имеет три переключаемые зубчатые передачи, т. е. по одной передаче на каждое передаточное отношение.

Каждая переключаемая зубчатая передача смонтирована на валах 1 и 2, оси которых О₁ и О₂ параллельны между собой. Валы 1 и 2 установлены на подшипниках 3 и 4 в корпусе коробки скоростей 5. Каждая зубчатая передача содержит два зубчатых колеса, которые взаимосвязаны своими диаметральными размерами. Одно из зубчатых колес установлено с возможностью аксиального перемещения вдоль оси вала, а другое зубчатое колесо жестко закреплено на другом валу.

Аксиально подвижные зубчатые колеса 6, 7 и 8 объединены в единый аксиально подвижный блок, который на подвижном шлицевом соединении смонтирован на валу 1, т.к. при этом упрощается механизм аксиального перемещения зубчатых колес ( не показан).

Вал 1 задним концом жестко скреплен с выходным валом приводного электродвигателя 9.

Неподвижные зубчатые колеса 10, 11 и 12 жестко закреплены на валу 2. С этими неподвижными зубчатыми колесами периодически входят в зацепление зубчатые колеса аксиально подвижного блока 6, 7 и 8, образуя три автономно действующие переключаемые зубчатые передачи, состоящие из взаимодействующих между собой пар зубчатых колес: 6 10, 7 11 и 8 12.

Максимальное число автономно действующих переключаемых передач с одним подвижным блоком зубчатых колес равно трем, которые и приведены в примере промышленного исполнения переключаемой коробки скоростей, имеющей все характерные особенности, присущие двух- и односкоростным коробкам.

На переднем конце вала 2 установлен патрон 13 для закрепления обрабатываемого изделия (последнее на чертеже условно не показано, т.к. не входит в сущность изобретения). Корпус коробки скоростей 5 закреплен на станине станка 14 (см.фиг.1).

На направленных наружу торцах зубьев аксиально подвижных зубчатых колес 6, 8 и направленных внутрь торцах зубьев неподвижных колес 10, 12 выполнены направляющие скосы 15 и 16, т.к. указанные торцы зубьев являются контактирующими с соударяемыми при переключении. На попарно сцепляемых зубчатых колесах 7 11 такие же направляющие скосы 15 и 16 выполнены на обоих торцах зубьев т. к. они являются контактирующими с соударяемыми. На одном зубе каждая пара направляющих скосов 15 и 16 выполнены под острым углом ((γ=35-40^°) 35 - 40^o) к плоскости симметрии профиля зуба. Плоскости симметрии профилей зубьев проходят через оси вращения зубчатых колес O₁ и O₂ и оси симметрии площадей вершин зубьев B1i

и B2i (индексы 1 и 2 означают позиции осей валов 1 и 2, на которых расположены зубчатые колеса, а индекс означает номер позиции зубчатого колеса по настоящему описанию). Направляющие скосы 15 и 16 взаимопересекаются друг с другом и образуют выпуклые промежуточные контактные ребра 17. Направляющие скосы 15 и 16 пересекаются также с эвольвентными поверхностями зубьев и образуют тупые боковые ребра 18 (см. фиг. 2-5).

Промежуточные контактные ребра 17 могут быть выполнены двояко: закругленными радиусом r 0,3 ± мм или притуплены фаской, имеющей ширину b 0,3 ± 0,1 мм (см. фиг. 6).

Поверхности направляющих скосов 15 и 16 выполнены в виде выпуклых поверхностей в направлении поперек высоты скоса. Для упрощения производства выпуклые поверхности скосов 15 и 16 выполнены в виде цилиндрической поверхности.

Возможен вариант выполнения переключаемой зубчатой передачи с направляющими скосами, один из которых выполнен в виде выпуклой поверхности, а другой в виде плоскости, т.к. такое сочетание поверхностей также создает выпуклое промежуточное контактное ребро 17.

Работает переключаемая зубчатая передача следующим образом.

Периодическое образование любой из трех автономно действующих зубчатых передач из сцепляемых только между собой парных зубчатых колес 6 10, 7 11 и 8 12 осуществляется аксиальным перемещением блока подвижных зубчатых колес 6, 7 и 8 вдоль вала 1 и введением в зацепление одного из них с соответствующим ему неподвижным колесом 10, 11 или 12 на валу 2. При введении в зацепление каждой пары взаимодействующих зубчатых колес 6 10, 7 11, 8 12 происходит контактирование зубьев торцами с соударениями друг с друга направляющими скосами.

При соударениях торцов зубьев друг о друга направляющими скосами на них появляются ударные силы, направленные перпендикулярно линии их наклона к плоскости симметрии профиля зуба, т.е. под острым углом. Осевые составляющие ударных сил действует на механизм перемещения блока подвижных зубчатых колес и преодолеваются им, а окружные составляющие ударных сил взаиморазворачивают сцепляемые зубчатые колеса до совпадения впадин зуба на одном колесе с зубьями на другом. После этого под действием механизма аксиального перемещения блока подвижных колес сцепляемые колеса вводятся в рабочее положение.

Соударения направляющих скосов друг о друга промежуточными контактными ребрами 17 происходит тогда, когда они расположены в плоскостях, проходящей по осям О₁ и О₂ (см. фиг. 2). Такое взаиморасположение промежуточных контактных ребер 17 возможно очень редко, т.к. величина перемычки контактного ребра составляет 0,3 ± 1 мм.

Сцепление любой пары аксиально подвижных и неподвижных зубчатых колес 6
10, 7 11 и 8 12 с соударениями их промежуточными контактными ребрами 17 происходит в два этапа:
1. Соударения промежуточных контактных ребер 17 происходит в одной точке М, т. к. ребра 17 имеют направленную наружу выпуклость по криволинейной (эллипсоподобной) линии. При этом возникают ударные силы Р₆ и Р₁₀, которые равны между собой и направлены в противоположные стороны. Ударные силы Р₆ и Р₁₀ наклонены по направлению внутрь аксиально подвижного 6 и неподвижного 10 зубчатых колес, в связи с чем зубчатые колеса получают разворот в зазоре подвижного шлицевого вала и подшипниках. Одновременно происходит упругое точечное сжатие промежуточных ребер 17 в точке контакта М. Оба эти фактора не обладают устойчивостью, в связи с чем промежуточные ребра соскальзывают с точки взаимного контакта М (см. фиг. 3).

2. Соскользнувшие с точки взаимного контакта М промежуточные ребра 17 начинают контактировать прилегающими к ребрам поверхностями направляющих скосов 15 и 16 и на них появляются окружные составляющие силы, т.к. механизм аксиального перемещения блока продолжает смещать зубчатые колеса 6 и 10 друг к другу до полного сцепления.

Следует отметить, что контакт зубьев в точке М происходит только в одной паре зубьев, т. к. в соседней паре зубьев точки М удалены друг от друга на расстояние n (см. фиг. 4). Расстояние n проиллюстрировано графическим построением при одинаковом расположении торцов зубчатых колес 6 и 10 относительно друг друга на расстоянии l (см. фиг. 3 и 4).

Положительными особенностями предлагаемой конструкции являются малые аксиальные усилия переключения зубчатых колес, а следовательно, и контактных нагрузок на направляющих скосах 15 и 16, а также расположение точек взаимного контакта М на промежуточных ребрах 17 и расположение рабочих площадок контакта на направляющих скосах 15 и 16 в средних частях их выпуклостей, которые по высоте зуба соответствуют границе, разделяющей головки зубьев от их ножек (как известно, эта граница проходит по диаметру начальной окружности Д_и).

Такое расположение точек контакта М на промежуточных ребрах 17 и рабочих площадок контакта на направляющих скосах 15 и 16 повышает срок службы зубьев (а следовательно, и зубчатой передачи в целом) по следующим причинам:
1. Средние части выпуклостей промежуточных контактных ребер и направляющих скосов хорошо воспринимают ударные силы, что исключает появление сколов материала.

2. Появление бугорков в точках контакта на промежуточных ребрах не уменьшает срок службы направляющих скосов, т.к. выпуклости создают уплотненный слой материала на контактной поверхности направляющих скосов. Этот слой изнашивается в первую очередь, предохраняя от износа основной материал торца зуба в направляющем скосе.

Использование: изобретение относится к деталям машин и может быть использовано в переключаемых коробках скоростей металлорежущих станков и транспортных средств. Сущность: с целью повышения срока службы торцев переключаемых колес в коробках скоростей описываемая переключаемая зубчатая передача содержит два параллельных вала 1 и 2, на одном из которых установлены аксиально подвижные зубчатые колеса 6, 7, 8, а на другом закреплены неподвижные зубчатые колеса 10, 11 и 12. Зубчатые колеса образуют три автономно действующих переключаемых зубчатых передачи, состоящих из взаимодействующих между собой пар колес 6 - 10, 7 - 11 и 8 - 12. На контактирующих с соударением торцах пар зубчатых колес 6 - 10, 7 - 11 и 8 - 12 выполнены направляющие скосы 15 и 16, расположенные под острым углом к профилю симметрии профиля зуба. Направляющие скосы 15 и 16 взаимопересекаются друг с другом и образуют выпуклые промежуточные контактные ребра 17. Поверхность ребра 17 выполнена выпуклой или плоской. При введении в зацепление одной любой пары взаимодействующих между собой зубчатых колес 6 - 10, 7 - 11 и 8 - 12 происходит в основном контактирование зубьев торцами с соударениями друг о друга направляющими скосами 15 и 16 и очень редко выпуклыми промежуточными контактными ребрами 17. При соударениях в итоге появляются окружные составляющие ударных сил, которые взаиморазворачивают сцепляемых зубчатые колеса до совпадения впадин зуба на одном колесе с зубьями на другом. При этом разворачивающие усилия значительно меньше осевых. Средние части выпуклостей промежуточных контактных ребер 17 и направляющих скосов 15 и 16 хорошо воспринимают ударные силы, предотвращая скалывание вершин зубьев и повышенный износ. 8 ил.

Переключаемая зубчатая передача, содержащая валы и установленные на них зубчатые колеса, по крайней мере одно из которых установлено с возможностью осевого перемещения, а торец каждого зуба колес со стороны соударяемых торцов ограничен двумя скосами, образующими торцевой зуб с выпуклым ребром, отличающаяся тем, что поверхность одного скоса выполнена выпуклой, другого - выпуклой или плоской, а скосы пересекаются под острым углом.