ЗУБЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА Российский патент 1999 года по МПК F16H55/14 

Предложенная зубчатая передача рассмотрена на примере одной зубчатой пары и может включать неограниченное число зубчатых пар или колес.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в передачах преимущественно с цилиндрическими, коническими зубчатыми колесами, выполненными из металла, неметаллических материалов (пластмассы, полимеры) их сочетания (армирование), в металлополимерных зубчатых передачах.

Известны зубчатые передачи, содержащие сопрягаемые зубчатые колеса [1].

Недостатки этих зубчатых передач заключаются в следующем:
1. Возможность возникновения значительных дополнительных динамических (ударных) нагрузок и колебаний при недостаточной точности изготовления и деформации зубьев в процессе зацепления.

2. Возможность поломки зубьев вследствие больших единичных перегрузок передачи, в частности ударных, или хотя бы и относительно небольших, но длительно действующих перегрузок, вызывающих развитие усталостных трещин и концентрацию напряжений растяжения в области переходной кривой малого радиуса у основания зубьев.

3. Усталостный характер поломки зубьев под действием переменной изгибающей и динамической нагрузки, которая при каждом очередном входе зуба в зацепление возрастает от нуля, т.е. имеет место циклическая нагрузка, при которой тот же материал разрушается значительно скорее, чем при постоянной нагрузке [2].

4. Сложность изготовления точных передач.

5. Резко выраженная неравнопрочность между пластмассовыми и металлическими зубьями и низкие характеристики усталостной и контактной прочности в металлополимерных передачах.

Наиболее близким к изобретению является зубчатая передача, включающая по меньшей мере одно зубчатое колесо со связью, например, в виде торцевых кольцевых накладок, соединенных с корпусом зубчатого колеса жестко [3].

И эти зубчатые передачи имеют недостатки перечисленные выше.

Задачей заявляемого изобретения является:
1. Снижение ударных нагрузок и динамического момента, а также демпфирование колебаний.

2. Повышение прочности зубьев.

3. Уменьшение неравномерности концентрации нагрузки по длине зубьев.

4. Создание металлополимерной передачи максимальной равнопрочности за счет повышения характеристик усталостной и контактной прочности.

5. Устранение или уменьшение указанных недостатков, т.е. уменьшение дополнительных динамических (ударных) нагрузок за счет уменьшения деформации зубьев в процессе зацепления у зубчатых колес со связями.

6. Повышение прочности зубьев на сопротивление усталости при изгибе вследствие снижения ударных нагрузок за счет соединения всех зубьев кольцевыми связями, которые разгружают концентраторы напряжения у корня зубьев зубчатых колес со связями.

Это достигается тем, что в зубчатой передаче, включающей зубчатые колеса, из которых по меньшей мере одно со связями, зубья, соединенные связями, выполнены с возможностью восприятия нагрузок всеми зубьями как упругие муфты, причем:
- связи зубчатых колес выполнены заодно целое с зубьями или с зубьями и корпусом зубчатого колеса или в виде накладок кольцевых, или сегментообразных, соединенных с зубьями или с зубьями и корпусом зубчатого колеса жестко или с возможностью перемещений;
- зубчатые колеса со связями выполнены с кольцевыми канавками с одного или обеих торцов и сообщающимися с впадинами зубчатых колес, при этом дно канавки выполнено, например, по радиусу;
- ширина выступающей над связями части зубьев одного из зацепляющихся зубчатых колес выполнена меньше, чем расстояние между связями зубьев другого зубчатого колеса;
- в передаче с по меньшей мере одним зубчатым колесом со связями, выполненным, например, из полимера и сопряженным с металлическим зубчатым колесом, наружный диаметр связей этого зубчатого колеса меньше или равен диаметру окружности выступов;
- зубья одного из зацепляющихся зубчатых колес соединены связью с одной из торцевых сторон, а зубья другого зубчатого колеса соединены связью с противоположной торцевой стороны.

Следует обратить внимание на наличие причинно-следственной связи между совокупностью вышеперечисленных существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом.

Исключение любого из перечисленных существенных признаков не позволит получить достигаемый технический результат или уменьшить его.

Так, выполнение зубьев, соединенных связями, с возможностью восприятия изгибающих и/или динамических нагрузок всеми зубьями по типу упругих муфт (с выемками у оснований впадин зубчатых колес, с кольцевыми канавками, сообщающимися с впадинами зубчатых колес...), позволяет зубчатой передаче работать как упругая муфта с металлическими упругими элементами или неметаллическими для пластмассовых колес, причем изгибную и/или динамическую нагрузку воспринимают все зубья одного или обеих зубчатых колес (в зависимости от того, одно или оба зубчатых колеса выполнены в виде упругой муфты).

При этом обеспечиваются
1. Снижение ударных нагрузок, уменьшение динамического момента и демпфирование колебаний трением в зубьях.

2. Повышение прочности зубьев:
2.1. На сопротивление контактной усталости активных поверхностей зубьев вследствие снижения ударных нагрузок и уменьшения динамического момента.

2.2. На сопротивление "усталости" при изгибе:
- вследствие снижения ударных нагрузок и уменьшения динамического момента;
- вследствие распределения изгибающих и динамических нагрузок на все зубья зубчатого колеса, при этом у корня зубьев испытывается напряжение не переменное (не циклическое) от действия изгибающих и динамических сил, а поэтому характер напряжения у корней зубьев, в зоне его концентрации, не носит усталостный характер и, следовательно, ресурс таких зубчатых колес значительно больше.

2.3. За счет выполнения выемок у основания впадин, увеличения радиуса переходной кривой (у основания зубьев) и уменьшения тем самым концентрации напряжения в этих местах.

3. Уменьшение неравномерности концентрации нагрузки по длине зуба путем упругой самоустановки сопряженных зубьев за счет выполнения устраняющих избыточную связь и увеличивающих подвижность зуба кольцевых канавок, сообщающихся с впадинами зубьев.

4. Возможность исключения упругих муфт, т.к. каждая предложенная передача выполняет эти функции.

Перечисленные в пп. 1 - 3 достигаемые технические результаты позволяют также уменьшить габаритные размеры зубчатых колес, уровень шума, повысить ресурс передачи, упростить и удешевить технологию.

Выполнение связей зубчатых колес как одно целое с зубьями или с зубьями и корпусом, позволяет увеличить возможность замены металлических зубчатых колес на пластмассовые или металлополимерные зубчатые передачи, при изготовлении которых возможно применить следующие перспективные методы, позволяющие снизить трудоемкость, уменьшить расход электроэнергии, режущего и измерительного инструмента, увеличить коэффициент использования материала, а также высвободить производственные площади, большое количество металлорежущих станков и улучшить условия труда:
1. Литье под давлением;
2. Экструзия;
3. Центробежное и центровакуумное литье;
4. Полимеризация в форме;
5. Горячая накатка.

Возможно выполнение связей как одно целое с зубьями или с зубьями и корпусом методом накатки и для металлических зубчатых колес. Метод накатки и/или механической обработки зубьев используется и при производстве зубчатых колес без связей или, например, с последующим зубокалиброванием и жестким соединением зубьев со связями (накладками кольцевыми или сегментными) диффузионной сваркой или точечной, склеиванием и последующей механической обработкой выемок, торцевых кольцевых канавок и т.д. Отделку термически неупрочненных зубьев цилиндрических колес производят также зубошевингованием, а термически упрочненных зубьев - зубошлифованием или чистовой обработкой лезвийным инструментом. Для серийного производства рекомендуется зубохонингование.

Соединение связей (накладок) с зубьями с возможностью перемещений производится, например, с помощью штифтового (заклепочного) соединения.

Сущность предложенного поясняется схематическими чертежами, где на фиг. 1 изображена передача сопряженных зубчатых колес со связями; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез зубчатой передачи с зубчатым колесом со связями, сопряженным с обычным зубчатым колесом; на фиг. 4 - разрез зубчатой передачи, в которых зубья одного из сопрягаемых колес соединены связью с одной из торцевых сторон, а зубья другого зубчатого колеса соединены связью с противоположной торцевой стороны; на фиг. 5 - увеличенный зуб колеса, соединенный со связями штифтовым (заклепочным) соединением с возможностью относительного перемещения при упругих деформациях; на фиг. 6 - вид Г с вырывом; на фиг. 7 - изображена передача из пластмассовых зубчатых колес со связями, выполненными за одно целое с зубьями, корпусом по одному из методов, перечисленных выше; на фиг. 8 - разрез Б-Б на фиг. 7; на фиг. 9 - разрез зубчатой передачи с пластмассовым зубчатым колесом со связями, выполненным за одно целое с зубьями, корпусом и сопряженным, например, с металлическим обычным зубчатым колесом без связей; на фиг. 10 - металлополимерная зубчатая передача с металлическим колесом без связей и полимерным зубчатым колесом; на фиг. 11 - разрез В-В на фиг. 10.

Зубчатая передача содержит сопрягаемые зубчатые колеса - ведущее 1 и ведомое 2, - из которых по меньшей мере одно зубчатое колесо выполнено с возможностью восприятия нагрузок но типу упругих муфт.

Зубчатое колесо состоит из корпуса 3, зубьев 4 и связей 5, выполненных в виде накладок кольцевых или сегментных либо за одно целое с зубьями 4, или с зубьями 4 и корпусом 3, причем корпус 3 колеса включает выемки 6 у оснований впадин зубчатых колес и кольцевые канавки 7 с одного или обеих торцов. Кольцевые канавки 7 сообщаются с впадинами зубчатых колес. Связи 5 соединены с зубьями жестко или с возможностью перемещений, например, в виде штифтового (заклепочного) соединения 8 (фиг. 5 и 6).

Причем ширина выступающей над связями 5 части зубьев колеса 1 выполнена меньше, чем расстояние между связями зубьев колеса 2 (фиг. 2 и 8).

Наружные диаметры связей 5 с одной или обеих торцевых сторон сопряженных зубчатых колес 1 и 2 выполнены таким образом, что разность между диаметром окружности выступов и наружного диаметра связей 5 ведущего зубчатого колеса 1 меньше, чем эта разность для ведомого зубчатого колеса 2 (фиг. 1).

На фиг. 10 и 11 изображена металлополимерная зубчатая передача, где полимерное зубчатое колесо 2 со связями 5 зацепляется с металлическим зубчатым колесом 1, при этом наружный диаметр связей 5 колеса 2 меньше или равен диаметру окружности выступов зубчатого колеса 1. Полимерное зубчатое колесо во многих случаях может заменить металлическое, так как обладает максимальной равнопрочностью.

Зубья зубчатого колеса 1 могут быть соединены связью 5 с одной из торцевых сторон. В этом случае зубья сопрягаемого зубчатого колеса 2 соединены связью с противоположной торцевой стороны (фиг. 4).

При работе зубчатой передачи изгибающие и динамические нагрузки воспринимаются всеми зубьями по типу упругих муфт, при этом происходят снижение ударных нагрузок, уровня шума передачи, динамического момента и демпфирование колебаний трением в зубьях, повышение прочности зубьев и ресурса передачи в целом, а также упрощение и удешевление таких зубчатых колес, вследствие этого обеспечивается реальная возможность уменьшить габаритные размеры передачи.

У зубчатых колес со связями разгружаются концентраторы напряжений у корня зуба, что повышает несущую способность передачи, ее ресурс, упрощается и удешевляется технология производства таких зубчатых колес.

Источники информации
1. Решетов Д.Н. Детали машин. - М.: Машиностроение, 1989, с. 150, рис. 10.1a, с. 428-435.

2. Наумов К.А. Сопротивление материалов. - М., 1959, с. 150.

3. GB, патент 1571628, 1980, кл. F 16 H 55/14.

Изобретение предназначено для использования в передачах с зубчатыми колесами, выполненными из металла, неметаллических материалов и их сочетания. По меньшей мере у одного из зубчатых колес зубья соединены связями, выполненными с возможностью восприятия изгибающих и/или динамических нагрузок, как упругие муфты. Упомянутые связи могут быть выполнены заодно целое с зубьями или с зубьями и корпусом зубчатого колеса. Связи могут представлять собой накладки кольцевые или сегментные, соединенные с зубьями или с зубьями и корпусом зубчатого колеса жестко или с возможностью перемещении. Такое выполнение зубатой передачи позволяет снизить ударные нагрузки, динамический момент и демпфирование колебаний, повысить прочность зубьев, уменьшить неравномерность концентрации нагрузки по длине зубьев. 6 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Зубчатая передача, включающая по меньшей мере одно зубчатое колесо со связями, отличающаяся тем, что зубья, соединенные связями, выполнены с возможностью восприятия изгибающих и/или динамических нагрузок всеми зубьями как упругие муфты. 2. Передача по п.1, отличающаяся тем, что связи зубчатых колес выполнены за одно целое с зубьями или с зубьями и корпусом зубчатого колеса, или в виде накладок кольцевых или сегментных, соединенных с зубьями или с зубьями и корпусом зубчатого колеса жестко или с возможностью перемещений. 3. Передача по п.1 или 2, отличающаяся тем, что зубчатые колеса со связями выполнены с выемками у основания впадин зубчатых колес. 4. Передача по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что зубчатые колеса со связями выполнены с кольцевыми канавками с одного или обоих торцов и сообщающимися с впадинами зубчатых колес, причем дно канавки выполнено, например, по радиусу. 5. Передача по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающаяся тем, что ширина верхней части зубьев сопрягаемых зубчатых колес выполнена меньшей и размещаемой между связями нижней части зубьев. 6. Передача по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающаяся тем, что в передаче с одним зубчатым колесом со связями, выполненным из полимера и зацепляющимся с металлическим зубчатым колесом, наружный диаметр связей этого зубчатого колеса меньше или равен диаметру окружности выступов. 7. Передача по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающаяся тем, что зубья одного из зацепляющихся зубчатых колес соединены связью с одной из торцевых сторон, а зубья другого зубчатого колеса соединены связью с противоположной торцевой стороны.