ШЕСТЕРНЯ ЗУБЧАТОЙ ПЕРЕДАЧИ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ ОСЯМИ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F16H55/08 B23F19/00 

Изобретение относится к усовершенствованию зуба шестерни и к способу его изготовления. В частности, настоящее изобретение относится к зубчатым передачам с параллельными осями, имеющими поверхности зубьев, видоизмененные таким образом, чтобы исключить эффекты отклонения зубьев, которые имеют место при рабочей нагрузке зубчатых передач.

Зубчатые передачи с параллельными осями, такие как косозубые колеса, цилиндрические прямозубые колеса и т.п., т.е. комплекты шестерен или передачи, отдельные шестерни которых вращаются вокруг параллельных осей, испытывают при рабочей нагрузке отклонения зубьев шестерен. Степень таких отклонений будет изменяться в зависимости от типа и размера шестерен, однако распределение нагрузки на зуб, шум и вибрация полностью зависят от величины нагрузки, вызывающей отклонение, на зубы шестерни. Установлено, что при отсутствии нагрузки шестерни, сформированные для получения идеального зацепления, испытывают ошибки зацепления из-за нагрузки, вызывающей отклонение зуба. Эти отклонения могут возникнуть от изменения положения зубчатой шестерни относительно его опорного корпуса, от изгиба, кручения или сдвига осей, на которых смонтированы шестерни, и от локальных отклонений самих зубьев, вызываемых различными источниками.

Ранее предпринимались попытки корректировки нагрузки, вызывающей смещение зуба шестерни. Одна из попыток заключалась в образовании восходящих и нисходящих срезов в основаниях зубьев на противоположных торцах шестерни. Такие срезы располагались на торцах шестерни таким образом, что торцевые участки основания были конвергентны с осью шестерни. Такой подход известен в технике как формирование "венца". Остаток основания шестерни сохраняется параллельным оси вращения шестерни. Это решение позволяет произвести частичную корректировку тангенциальных отклонений зуба шестерни, которые имеют место при нагрузках, и помогает избежать торцевых нагрузок. Другие попытки получить равномерное распределение нагрузки по всему профилю зуба и от вершины зуба до диаметра истинной формы эвольвенты включают корректировку винтовой линии или корректировки на изменение шага и рельефа вершины для шестерен с параллельными осями. Все эти решения направлены непосредственно на противодействие тангенциальным отклонениям зубьев и только косвенно связаны или принимают во внимание проблемы, создаваемые радиальными отклонениями профилей зубьев шестерни путем использования дополнительных тангенциальных корректировок.

В статье в выпуске "Gear Technology" за сентябрь/октябрь 1988 г., озаглавленной "Caculation of Optimum Tooth Flank Corrtctions for Helical Gears" (Vol. 5, No. 5, pp.16-22), описан способ расчета конечного элемента для построения и оптимизации коррекции сторон косозубых и прямозубых цилиндрических колес. Система дискретных контактных точек, определенная с помощью матрицы коэффициентов деформации, вектора нагрузки и вектора, содержащего контактные расстояния, описывает геометрические отклонения сторон или коррекции. Система настраивается для различных положений наклона и решается с учетом маргинальных условий, связанных с общей нагрузкой и перемещением жесткого тела, что дает информацию о распределении нагрузки и давления в поле действия и о форме кривых вращательного отклонения, которые подвержены влиянию изменения жесткости зацепления. Распределение нагрузки и жесткость зацепления являются прямыми функциями от топографии коррекции, которая может изменяться для получения выгодного распределения нагрузки и давления по сторонам. Могут быть также получены управляющие данные для шлифовального станка с числовым управлением.

Настоящее изобретение относится к усовершенствованной шестерне для использования в зубчатых передачах с параллельными осями и к способу ее формирования. Зуб шестерни по настоящему изобретению топологически видоизменен с тем, чтобы компенсировать нагрузку, вызывающую отклонение зубьев, как радиальную, так и тангенциальную. Таким образом, зуб шестерни принимает теоретическую форму истинной эвольвенты, когда рабочая нагрузка прикладывается к зубчатой передаче.

Как указано ранее, нагрузка, вызывающая отклонение зуба шестерни, вызывает отклонения от теоретической формы истинной эвольвенты зуба шестерни, т. е. такие отклонения, которые могут быть рассчитаны и графически построены с использованием техники анализа конечного элемента. Результирующие радиальное и тангенциальное отклонения могут быть графически построены для создания топологической "карты" профилей зуба под нагрузкой. Под "топологической картой" подразумевается карта или график, определяющие нагрузку, вызывающую отклонения от теоретической формы истинной эвольвенты зуба шестерни.

При создании графиков нагрузки и вызываемых ими тангенциальных и радиальных отклонений создается путь круга, шлифующего зуб, равный, противоположный или зеркальный, который можно ввести в шлифовальный станок с числовым управлением формой шестерни, посредством чего положение осей X, Y и Z шлифовального круга может точно управляться от одного до другого конца каждого прохода круга, шлифующего зуб. Фирма Каап и Ко, Кобург, Германия, производит линию шлифовальных станков для формообразования зубьев, управляемых компьютером и программируемых для выполнения способа шлифования зубьев, и производит топологически видоизмененные шестерни по настоящему изобретению. Могут быть также использованы другие типы шлифовальных станков с компьютерным числовым управлением.

Шлифовальный круг, который используется для шлифования топологически видоизмененного зуба шестерни, является полностью контактным кругом, который образован соответствующим профилем зуба шестерни и который перемещается от одного торца шестерни до другого, шлифуя в то же время стороны смежного зуба и достигая основания зуба. Видоизмененная топология производится путем управления ходом движения шлифовального круга от одного торца шестерни до другого и обратно. Шлифовальные круги предпочтительно имеют шлифующие поверхности высокой твердости, например с частицами кубического нитрида бора. Эти круги могут отшлифовать множество шестерен, не требуя повторной правки. Когда шлифовальный круг обнаруживает неприемлемый износ, его просто убирают и заменяют новым кругом. Изношенные шлифовальные круги затем обдирают и покрывают заново частицами кубического нитрида бора. Конфигурацию режущего инструмента определяют, исходя из диаграммы эвольвентного профиля желательного зуба шестерни, а путь перемещения шлифовального круга определяют, исходя из обратного преобразования отклонения при анализе конечного элемента в зависимости от ширины профиля зуба шестерни при рабочей нагрузке.

Поскольку значительно труднее изготовить шестерню с видоизмененными профилями, то предпочтительно, чтобы только один элемент зацепления был видоизменен. Этим элементом является ведущая, обычно меньшая, шестерня, поскольку она меньше и ее легче изготовить. Отклонения как ведущей шестерни, так и зубчатого колеса, складывают и определяют общее отклонение зацепления. Все корректировки затем производят только с ведущей шестерней.

Следует заметить, что видоизменения зуба шестерни, описанные выше, рассчитываются для "наихудшего случая" рабочего режима, т.е. рабочего режима, который имеет место при известном уровне мощности, обычно режима с высокой мощностью в течение длительного времени, например максимальный крейсерский полет или взлет вертолета. Таким образом, видоизменения будут смягчать обычно высокую вибрацию, расширять время рабочих условий. Выпуклости зубьев могут использоваться для смягчения вибрации и других условий при более низких уровнях мощности, даже если идеальное распределение нагрузки не будет достигаться при таких низких уровнях.

Следовательно, целью настоящего изобретения является создание усовершенствованной зубчатой передачи с параллельными осями шестерен, в которой зубья шестерни при рабочей нагрузке принимает форму теоретической истинной эвольвенты.

Дополнительной целью настоящего изобретения является создание зубчатой передачи описанного типа, в которой зубья шестерни имеют топологию, отклоняющуюся от теоретической истинной эвольвенты.

Другой целью настоящего изобретения является создание зубчатой передачи описанного типа, в которой топология зубьев шестерни отклоняется от теоретической истинной эвольвенты как в тангенциальном, так и в радиальном направлениях.

Следующей целью настоящего изобретения является способ изготовления шестерен для зубчатых передач описанного типа.

Указанные и другие цели и преимущества изобретения очевидны из прилагаемого подробного описания его предпочтительного варианта в сочетании с сопроводительными чертежами где показано, на фиг. 1 - схематический вид сбоку типичного зуба шестерни; на фиг. 2 - вид, подобный представленному на фиг.1, на котором в увеличенном виде показано, как конкретная точка на ширине профиля зуба шестерни отклоняется под нагрузкой, а также показано зеркальное изображение отклоненного положения, которое используется для построения графика пути шлифовального круга; на фиг.3 - график радиальных отклонений зуба шестерни по всей ширине профиля зуба шестерни, который является результатом анализа конечного элемента зуба шестерни под рабочей нагрузкой; на фиг.4 - график тангенциального отклонения зуба по всей ширине профиля зуба шестерни, который также получен путем анализа конечного элемента; на фиг. 5 - диаграмма эвольвентного профиля конфигурации зуба шестерни, полученная путем анализа рельефа вершины зуба, которая определяет видоизмененную топологию профиля зуба шестерни и которая используется для определения профиля круга для шлифования шестерни; на фиг. 6 - числовая таблица, определяющая участок профиля рельефа вершины зуба шестерни, а также определяющая требования к кругу для шлифования зуба шестерни; на фиг. 7 - график радиального отклонения пути круга для шлифования зуба шестерни, используемый для создания видоизмененной топологии зуба шестерни; на фиг. 8 - диаграмма шага по делительной окружности с допусками, используемая для проверки зубчатой шестерни после изготовления, на которой показаны отклонения от сочетания радиальной и тангенциальной корректировок.

На фиг. 1, схематически представлен профиль 2 типичного зуба шестерни. При рабочей нагрузке зуб 2 тангенциально отклоняется, как показано стрелкой 4, и одновременно отклоняется радиально, как показано стрелкой 6.

На фиг.2 схематично и в увеличенном виде показан результат одновременного тангенциального и радиального отклонений зуба в одном положении по ширине профиля зуба шестерни. Под нагрузкой зуб (зубья) отклоняется от теоретического положения 2 истинной эвольвенты в положение 2' (показанное штрихпунктирной линией), которое радиально и тангенциально сдвинуто от положения 2 истинной эвольвенты. Для того, чтобы избежать проблем, которые возникают из-за отклонения поверхностей зуба под нагрузкой, поверхности зуба первоначально формируют, как показано линией 2" (пунктирными линиями), которая является обратным преобразованием равного и противоположного зеркального изображения положения 2' под нагрузкой. Таким образом графически построена вся ширина зуба.

Положение 2' выводится при помощи анализа конечного элемента зуба шестерни под нагрузкой. Фиг. 3 представляет собой график радиальных отклонений зуба шестерни под нагрузкой. Этот график получен из вышеупомянутого анализа конечного элемента. Отклонение зуба показано по оси Y, а положение отклонения зуба на профиле зуба показано по оси X.

Фиг. 4 представляет собой график тангенциального отклонения зуба шестерни под нагрузкой, полученный также с помощью процедуры анализа конечного элемента. Следует заметить, что на фиг.3 показано, что радиальное отклонение зуба на передней поверхности шестерни является постоянно изменяющимся явлением, причем изменение наклона графика зависит от расположения точек по ширине передней поверхности шестерни. Тангенциальные отклонения, наоборот, как показано на фиг. 4, имеют относительно постоянный наклон. Подобные графики построены для радиального и тангенциального отклонения ведущей шестерни. Общая корректировка радиального отклонения является суммой радиальной корректировки на ведущей шестерне и ведомом колесе, в то время, как общая тангенциальная корректировка является суммой тангенциальной корректировки на ведущей шестерне и ведомом колесе. Путь шлифовального круга станка будет определяться с помощью обращения к этим графикам отклонений ведущей шестерни и ведомого колеса, что поясняется ниже.

Как видно, на фиг.5 и 6, на фиг.5 показана диаграмма эвольвентного профиля зуба шестерни, который должен быть обработан шлифовальным кругом. Диаграмма профиля описывает желательную форму зубьев шестерни, которая должна быть отшлифована шлифовальным кругом и используется для создания правильной конфигурации поперечного сечения круга для шлифования зуба шестерни. Зубья шестерни будут образованы с видоизменением вершины зуба, которое показано на правом конце диаграммы профиля. Фиг.6 представляет собой таблицу профилей участка видоизменения диаграммы профилей, эта таблица показывает диапазоны углов наклона в зависимости от модификаций эвольвенты для отшлифованной шестерни.

Фиг. 7 представляет собой график радиального пути шлифовального круга, который производит круг для шлифования шестерни, когда он проходит поперек ширины передней поверхности ведущей шестерни, путь обработки которого видоизменяется по сравнению с теоретически прямой линией, параллельной оси ведущей шестерни, и этот график выводится из графика анализа конечного элемента, подобного представленному на фиг.3, в сочетании с радиальными отклонениями ведущей шестерни. Путь обработки, определяемый фиг.7, является зеркальным преобразованием суммы радиальных отклонений из графика, подобному фиг.3, в сочетании с радиальными отклонениями ведущей шестерни. Он определяет положение основания зуба относительно оси вращения ведущей шестерни на ширине передней поверхности ведущей шестерни.

Фиг. 8 является диаграммой шага, используемой для проверки отшлифованной шестерни, которая показывает отклонение делительной окружности, вызванное сочетанием радиальной и тангенциальной корректировок. Приращения ширины профиля зуба шестерни на фиг.8 являются линейными, в то время, как угол шага изменяется по профилю зуба нелинейно. Поскольку тангенциальное отклонение является в основном линейным, то тангенциальное видоизменение угла шага по пути обработки является постоянным и не изменяется по профилю зуба шестерни. Величина тангенциального видоизменения определяется, следовательно, на фиг.8 как постоянная величина. Однако при необходимости тангенциальный угол шага для пути обработки может быть также нелинейным. Таким образом, тангенциальная корректировка представляет собой угол шага шлифовального круга, который изменяется по сравнению с теоретическим винтовым углом на постоянное приращение или по сравнению с нулевым винтовым углом в случае прямозубой цилиндрической шестерни.

Следует заметить, что основание зуба шестерни из шестерен с параллельными осями, образованное в соответствии с настоящим изобретением, не будет параллельным оси вращения шестерни, а вместо этого будет иметь топологию, которая вызовет достижение формы истинной эвольвенты при рабочей нагрузке шестерен.

Возможны различные изменения описанного варианта изобретения, не выходящие за рамки изобретения, поэтому изобретение не ограничено иначе, чем это требуется прилагаемыми пунктами формулы изобретения.

Использование: для усовершенствования зуба шестерни и к способу ее изготовления. Сущность изобретения: в том что топология шестерен с параллельными осями, таких как прямозубые и косозубые шестерни, видоизменяется для получения более спокойной и плавной работы зубчатых зацеплений с более равномерным распределением нагрузки. Производят анализ конечного элемента зубчатого зацепления в рабочем режиме для получения радиальных и тангенциальных отклонений поверхностей зубьев ведущей шестерни и ведомого колеса, которые будут иметь место, когда шестерни нагрузятся во время работы. Затем результирующий график преобразуют для получения графика или комплекта координат, которые будут определять путь перемещения круга для шлифования зуба шестерни, причем этот путь является зеркальным изображением графика, полученного в результате анализа конечного элемента. Полученные в результате шестерни под действием рабочей нагрузки будут, следовательно, отклоняться тангенциально и радиально до своего оптимательного рабочего положения, или теоретической или истинной эвольвенты, чтобы получить зубчатое зацепление с более спокойной, более плавной работой и с более равномерной нагрузкой. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Ведущая шестерня зубчатой передачи с параллельными осями, имеющая видоизмененную топологию зуба, выведенную из анализа конечного элемента зубчатой передачи, содержащей упомянутую шестерню, причем этот анализ сделан при заранее определенной рабочей нагрузке зубчатой передачи для расчета тангенциальных и радиальных отклонений 4, 6 зуба шестерни, вызываемых нагрузкой, а упомянутая шестерня имеет основную топологию 2'' зуба, которая зеркально отражает упомянутые рассчитанные тангенциальные и радиальные отклонения 4, 6 зуба с тем, чтобы зубья шестерен принимали в основном теоретическую конфигурацию профиля 2 зуба, когда они подвергаются заранее определенной рабочей нагрузке, отличающаяся тем, что указанный анализ конечного элемента проводится на указанной шестерне, а также на взаимодействующей с ней шестерне так, что основная топология 2'' зуба указанной шестерни равняется сумме соответственно рассчитанных тангенциальных и радиальных отклонений 4, 6 шестерни и рассчитанных тангенциальных и радиальных отклонений 4, 6 взаимодействующей с ней шестерни. 2. Шестерня по п.1, отличающаяся тем, что основания топологически видоизмененных зубьев 2'' шестерни при этом непараллельны оси вращения шестерни. 3. Шестерня по п.2, отличающаяся тем, что основания топологически видоизмененных зубьев 2'' шестерни изменяются нелинейно от теоретического профиля 2 зуба поперек профиля зуба указанной шестерни. 4. Шестерня по п.1, отличающаяся тем, что тангенциальное опережение угла указанного зуба 2'' шестерни изменяется линейно от профиля и стенкой эвольвенты зуба поперек профиля головки зуба указанной шестерни. 5. Способ изготовления шестерни зубчатой передачи с параллельными осями, имеющей видоизмененную топологию зуба, включающий следующие операции: выполнение анализа конечного элемента зубчатого зацепления, содержащего упомянутую шестерню, причем анализ выполняют при заранее определенной рабочей нагрузке зубчатого зацепления для расчета тангенциального и радиального отклонений 4, 6 зуба шестерни, вызываемых нагрузкой, которые производят отклонения 2'' зуба шестерни относительно теоретического профиля 2 зуба при упомянутой заранее определенной рабочей нагрузке, изготовление топологической карты профиля зуба 2'' шестерни при нагрузке, исходя из результатов упомянутого анализа конечного элемента, определение пути перемещения круга для шлифования зуба шестерни при движении, которым изготавливают топологию 2'' зуба упомянутой шестерни, которая равна и противоположна упомянутой топологической карте, и шлифование упомянутой шестерни посредством зубошлифовального станка с компьютерным числовым управлением, в которой заранее запрограммирован упомянутый путь перемещения шлифовального круга так, что указанная шестерня имеет топологию 2'' зуба, которая равна и противоположна упомянутой топологической карте, где зубья шестерни принимают теоретический профиль 2 зуба, когда шестерня подвергается упомянутой заранее определенной рабочей нагрузке, отличающийся тем, что путь перемещения шлифовального круга для зубьев шестерни определяют соответственно путем суммирования рассчитанных тангенциальных и радиальных отклонений 4, 6 шестерни и рассчитанных тангенциальных и радиальных отклонений 4, 6 взаимосвязанной с ней шестерни. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что путь шлифовального круга для зубьев шестерни при перемещении содержит радиальную компоненту, изменяющуюся нелинейно от теоретического профиля 2 зуба поперек профиля зуба шестерни. 7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что путь шлифовального круга для зубьев шестерни при перемещении содержит тангенциальную компоненту, изменяющуюся линейно относительно теоретического профиля 2 поперек профиля зуба шестерни.