ОРТОГОНАЛЬНАЯ ДВУХМОДУЛЬНАЯ ЧЕРВЯЧНАЯ ПЕРЕДАЧА Российский патент 2000 года по МПК F16H1/16 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в червячных передачах - их также можно использовать вместо гипоидных и спироидных передач; в станкостроении - в качестве передач для делительных цепей.

Известна ортогональная червячно-зубчатая передача А.Н. Маркова: патент 2087775, 17.04.1995 г. , F 16 H 1/16, 1/18 - прототип. Передача содержит цилиндрический червяк, ось которого расположена в средней торцовой плоскости передачи, и червячное или косозубое колесо.

В этой передаче, с целью повышения несущей способности и снижения износа контактирующих поверхностей червяка и червячного колеса, изменена геометрия зацепления: для этого витки червяка в смещенной плоскости выполнены в виде односторонней прямобочной рейки и витки червяка в этой смещенной плоскости расположены вдоль высоты зуба колеса. В результате за счет направленных скоростей создаются благоприятные условия для получения стабильного масляного слоя большой несущей способности.

Недостатками указанной передачи являются:
- односторонняя одномодульная рейка обеспечивает одностороннее зацепление; для реверсивных передач требуется фактически другая передача с другой односторонней рейкой, что усложняет конструкцию и увеличивает металлоемкость передачи;
- стандартная толщина витка при стандартном одномодульном зацеплении ограничивает конструктивные и технологические возможности. Для устранения преждевременного заострения витков червяка приходилось заменять стандартное зацепление с углом профиля α = 20^o на зацепление с углом профиля α = 15^o. Во многих случаях новый угол профиля в 15^o является также недостаточным для того, чтобы выйти без заострения зубьев червячного колеса в смещенной плоскости на максимально допустимый наружный диаметр червячного колеса = 2а_w;
- невозможность выхода диаметра d_ам2 на уровень 2a_w не позволяла использовать эвольвентный профиль зуба червячного колеса с большей кривизной.

Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.

Задачей настоящего изобретения является совершенствование известной ортогональной передачи А.Н.Маркова.

Достигаемый технический результат:
упрощение конструкции и уменьшение металлоемкости передачи;
снижение ограничения по конструктивным и технологическим возможностям передачи;
повышение прочности по условию работы как на контактную, так и изгибную выносливость.

Этот результат достигается тем, что в ортогональной червячной передаче, содержащей цилиндрический червяк, ось которого расположена в средней торцовой плоскости передачи, и червячное колесо, имеется двухмодульное зацепление с наружным диаметром червячного колеса, равным удвоенному значению межосевого расстояния, витки червяка в смещенной торцовой плоскости выполнены в виде двухсторонней прямобочной рейки, делительная прямая которой параллельна оси червяка и отстоит от нее на расстоянии

коэффициент радиального смещения червячного колеса определен по формуле

где E_D - отклонение делительной прямой рейки от оси червяка;
x - коэффициент радиального смещения червячного колеса;
a_w - межосевое расстояние червячной передачи;
z₂ - число зубьев червячного колеса;
m_r1 - модуль для определения высотных параметров рейки в смещенной плоскости и диаметральных размеров червяка;
m - модуль для определения шаговых параметров рейки в смещенной плоскости, осевых шагов червяка и торцовых параметров червячного колеса в смещенной плоскости передачи;
q_м - коэффициент диаметра червяка.

Технический эффект достигается за счет двухмодульного зацепления, отпадают ограничения в выборе углов профиля витков червяка; можно использовать как стандартный угол профиля α = 20^o, так и не стандартный - он может назначаться от 15^o до 30^o. Варьируя углом α и смещением xm, можно всегда выйти без заострения зубьев на максимально допустимый диаметр d_aM2 = 2a_w.

При этом можно использовать как положительное, так и отрицательное смещения.

Положительное смещение рекомендуется применять при малом числе зубьев червячного колеса Z₂. Для определения минимального числа зубьев Z_2min, при котором отсутствует подрезание ножки зуба, используют формулу (5). Формулу (5) при положительном смещении можно использовать при условии, когда + xm < E_D.

Применять передачи c + xm ≥ E_D можно. В этом случае полюс W выйдет за пределы витка червяка (см. формулу (14)) и будет иметь место дополюсное зацепление.

Основное достоинство положительного смещения +xm заключается в том, что оно увеличивает преимущества эвольвентного зацепления: позволяет использовать эвольвентный профиль зуба червячного колеса с большим радиусом кривизны с одновременным утолщением основания зуба колеса.

Применение отрицательного смещения ограничено условием При полюс совпадает с точкой В (см. фиг. 1) - в этом случае имеет место заполюсное зацепление. Для определения Z_min используют формулу (5), в которую значения "x" подставляются со своим знаком.

Расчет геометрических параметров двухмодульной передачи начинают с определения коэффициента диаметра червяка q_M. Коэффициент получают расчетом по формуле

или его выбирают по таблице в зависимости от принятых значений: m_r1, Z₁, m и α.
На фиг. 1 и 2 показаны схемы беззазорного зацепления однозаходного червяка с правым направлением линии витка. При вращении червяка 1 по часовой стрелке (фиг. 2) червячное колесо вращается против часовой стрелки (фиг. 1). На фиг. 1 и 2 направления вращения показаны сплошными линиями.

При вращении червяка против часовой стрелки червячное колесо вращается по часовой стрелке. На фиг. 1 и 2 направления показаны пунктирными стрелками.

Ортогональная двухмодульная червячная передача состоит из цилиндрического червяка 1 и червячного колеса 2. Червяк в смещенной плоскости t_в-t_в, положение которой определяется радиусом имеет двухстороннюю прямобочную рейку 3. На фиг.1 показан средний цилиндр 4 червяка 1, на котором нанесена винтовая линия 5 витка червяка, имеющая угол подъема γ₁.
Червяк 1 и колесо 2 имеют одноименные направления линий витков червяка и линий зуба червячного колеса: правозаходный червяк находится в зацеплении с червячным колесом, имеющим правое направление линий зуба, левозаходный червяк - с колесом, имеющем левое направление зуба. Делительная прямая 6, по которой толщина зуба рейки "s" равна ширине впадины "e" и равна половине шага рейки, располагается на расстоянии E_D от оси червяка, величина которого рассчитывается по формуле (1).

Расчетная высота зуба h_M исходной рейки равна удвоенному расстоянию E_D, т. е. h_M = 2 E_D. Шаг зубьев рейки, измеренный по любой прямой, параллельной делительной, имеет одинаковое значение p = πm. Ход винтовой линии витков червяка на любом цилиндре червяка постоянен и равен p_z= πmz₁. Начальная прямая 7 (фиг. 1) параллельна делительной прямой и проходит через полюс зацепления - она катится по начальной окружности червячного колеса без скольжения. Расстояние от оси червяка до начальной прямой E_w находится по формуле
E_w=E_D+xm (4).

Таким образом, в смещенной плоскости t_b - t_b передачи имеет место реечно-эвольвентное зацепление. Шаг рейки, замеренный по нормали n - n к ее профилю, равен πmcosα, т.е. равен шагу p_b2 по основной окружности колеса.

Реечно-эвольвентное зацепление определяет условия подрезания и заострения зубьев червячного колеса. Минимальное число зубьев червячного колеса, при котором не происходит подрезания зуба у его основания, определяется по формуле

Толщина зуба s_aM2 червячного колеса на диаметре вершин d_aM2 = 2a_w находится по формуле

где α_аM2= arccos(mz₂cosα/2a_w) - угол профиля зуба червячного колеса в смещенной плоскости на диаметре d_aM2;
invα; invα_аM2 - инволютные функции углов α и α_аM2.
Для предотвращения излома вершины зуба толщина должна быть не менее 0,2 m, т.е. s_aM2≥0,2 m.

Схема реечно-эвольвентного зацепления в смещенной плоскости показана на фиг. 1 и 2; при направлениях вращения правозаходного червяка и колеса, указанных сплошными стрелками 8, зацепление начинается в точке p₁, проходит через полюс зацепления W и заканчивается в точке P₂ (зацепление слева вверх направо). Линия зацепления p₁w p₂ в основной торцовой плоскости t_b-t_b является касательной к основной окружности колеса d_b2 = mz₂cosα и проходит через полюс зацепления W. Угол зацепления α_tw всегда равен углу профиля зуба рейки червяка. Если угол профиля зуба рейки "правый" и "левый" различны, то углы зацепления будут соответственно равны α_tw= α_п и α_tw= α_л. В дальнейшем предполагаем: углы профиля "правый" и "левый" равны друг другу, т.е. α_п= α_л= α. Поэтому все расчетные формулы, приведенные ниже, соответствуют именно этому условию.

При направлениях вращения правозаходных червяков и червячного колеса, указанных на фиг. 1 и 2 пунктирными стрелками 9, зацепление начинается в точке P'₁, проходит через полюс зацепления W и заканчивается в точке P'₂ (зацепление справа вверх налево).

Полюс W в смещенной плоскости всегда принадлежит делительной окружности червячного колеса, следовательно, положение полюса зацепления W зависит от числа зубьев червячного колеса. Расстояние от делительной прямой (ДП) до начальной прямой 7 (НП), проходящей через полюс зацепления W, называется смещением червячного колеса. Следовательно, в смещенной плоскости передачи положение полюса зацепления зависит также и от расположения делительной прямой. Полюс зацепления W может занимать различные положения: при заданном червяке и заданном межосевом расстоянии, изменяя число зубьев Z₂, можно менять расположение полюса зацепления W, т.е. появляется возможность варьирования при указанных условиях передаточного числа u = z₂/z₁ червячной передачи.

Диаметр начальной окружности червячного колеса d_w2 равен диаметру делительной окружности d₂, находится по формуле
d_w2 = d₂=mz₂. (7)
Диаметр основной окружности червячного колеса рассчитывают по формуле
d_b2 = mz₂cosα. (8)
Рабочая ширина червячного колеса назначается с учетом размера "b_M", т.е. по размеру "b_M" определяется расстояние правого торца червячного колеса, фиг. 2. Рекомендуется размер "b_M" принимать равным: b_M = 2m_r1. Диаметральные размеры червяка 1 назначаются на основе выбранного модуля m_r1 и коэффициента диаметра червяка q_M по формулам
d_M = m_r1q₁; (9)

d₁ = m_r1(q_M+2); (11)
d_a1 = m_r1(q_M+4); (12)
d_f1 = d_M-0,5m, (13)
где d_M - диаметр червяка, на уровне которого располагается смещенная плоскость передачи t_b - t_b (основная плоскость передачи);
d_D1 - диаметр делительного цилиндра червяка (диаметр окружности червяка, проходящей через точку D (фиг. 2);
d₁ - диаметр среднего цилиндра червяка (диаметр окружности, который делит рабочую высоту червяка в радиальном направлении на равные части);
d_a2 - диаметр наружного цилиндра червяка (диаметр окружности, проходящей по вершинам витков червяка);
d_f1 - диаметр впадин червяка.

Диаметр начального цилиндра червяка d_w1 рассчитывают по формуле

Угол подъема винтовых линий витков на соответствующих цилиндрах червяка рассчитывают по формулам
γ_D1= arctg(mz₁/d_D1) (15)
γ₁= arctg(mz₁/d₁) (16)
γ_a1= arctg(mz₁/d_a1) (17)
γ_w1= arctg(mz₁/d_w1) (18)
Угол наклона γ_i1/ витков червяка и угол наклона линий зуба червячного колеса β_i2 должены быть попарно равны друг другу, здесь i - уровень расположения точки на контактной линии в пределах высоты зуба червячного колеса (уровень пары).

В двухмодульной червячной передаче одноименность направлений линий наклона и попарное равенство углов γ_i1= β_i2 обеспечивается автоматически, так как фреза при нарезании зубьев червячного колеса имеет точную копию червяка (зуб производящей фрезы принимается больше высоты витка червяка на величину радиального зазора).

Ортогональная двухмодульная червячная передача работает следующим образом. Червячное колесо 2 и червяк 1 устанавливают ортогонально, их положения определены фиг. 1 и 2. При направлениях вращения правозаходного червяка 1 и червячного колеса 2, указанных на фиг. 1 и 2 сплошными стрелками 8, имеет место в основной торцовой плоскости t_b - t_b теоретически точное реечно-эвольвентное зацепление; в других плоскостях, параллельных основной торцовой плоскости, будут свои криволинейные рейки - каждой рейке будет присуща своя линия зацепления. Соприкасание рабочих поверхностей витков червяка 1 и зубьев червячного колеса 2 происходит по непрерывным пространственным кривым (контактным линиям). Каждому положению червяка 1 соответствует свое положение контактной линии на поверхности зацепления.

При направлениях вращения правозаходного червяка 1 и червячного колеса, указанных на фиг. 1 и 2 пунктирными стрелками 9, будет аналогичное реечно-эвольвентное зацепление с контактом противоположных боковых поверхностей рейки и зубьев червячного колеса.

Применение двухсторонней прямобочной рейки обеспечивает передачу усилий как в прямом, так и в обратном направлениях.

Применение двухмодульного зацепления позволило использовать червячное колесо с наружным диаметром, равным удвоенному значению межосевого расстояния. При положительном смещении червячного колеса увеличение наружного диаметра непосредственно связано с увеличением кривизны эвольвентного профиля. Большая кривизна повышает контактную выносливость передачи.

В предлагаемой передаче виток червяка располагается вдоль высоты зуба червячного колеса - скорость скольжения направлена по касательной к линии витка, т. е. вдоль высоты зуба колеса. При этом направление скорости скольжения витков червяка и направление скоростей тангенциального скольжения профиля зуба рейки 3 относительно профиля зуба червячного колеса 2 близки друг другу, т.е. их величины в процессе зацепления в плоскости t_b - t_b алгебраически складываются. В предлагаемой передаче углы между направлениями скольжения и контактной линией приближаются к 90^o.

При исследовании зубчатых передач установлено: устойчивый и обладающий высокой грузоподъемностью гидродинамический масляный слой между рабочими поверхностями устанавливается лишь в том случае, когда угол между направлением скольжения и контактной линией приближается к 90^o, при этом КПД передачи стремится к максимальному значению.

В результате в двухмодульной червячной передаче за счет линейности контакта, теоретически точной геометрии зацепления в основной плоскости передачи и за счет направленных скоростей скольжения по отношению к контактным линиям создаются исключительно благоприятные условия для получения стабильного масляного слоя большой несущей способности, что позволяет червячные колеса изготовлять из закаленных сталей, при этом КПД передачи и износ закаленных поверхностей витков червяка и зубьев червячных колес будут иметь тот же порядок, что и у цилиндрических косозубых передач. Витки червяков и зубья закаленных червячных колес должны обязательно шлифоваться.

Предлагаемые передачи в основной торцовой плоскости будут иметь точно такое же эвольвентное зацепление, как и у передач, состоящих из цилиндрических косозубых колес с параллельными осями, т.е. будут соблюдаться универсальность зацепления как для двухмодульных червячных передач, так и цилиндрических передач, кроме того, предлагаемым передачам будут присущи все достоинства обычных червячных передач: плавность работы, бесшумность, большие передаточные отношения, малые габариты и компактность.

Проведенные исследования показывают, что предлагаемое решение соответствует критериям новизны, изобретательского уровня и промышленной применимости.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в червячных передачах и вместо гипоидных и спироидных передач, а также в станкостроении в качестве передач для делительных цепей. В ортогональной двухмодульной передаче ось червяка расположена в средней торцовой плоскости червячного колеса. Червячное колесо имеет наружный диаметр, равный удвоенному значению межосевого расстояния. Витки червяка в смещенной торцовой плоскости выполнены в виде двухсторонней прямобочной рейки, делительная прямая которой параллельна оси червяка и отстоит на определенном расстоянии. Положение делительной прямой служит началом отсчета для радиального смещения червячного колеса. Виток червяка располагается вдоль высоты зуба червячного колеса. Упрощена конструкция и уменьшена металлоемкость, снижены ограничения по конструктивным и технологическим возможностям передачи. 2 ил., 1 табл.

Ортогональная червячная передача, содержащая цилиндрический червяк, ось которого расположена в средней торцовой плоскости передачи, и червячное колесо, отличающаяся тем, что она имеет двухмодульное зацепление с наружным диаметром червячного колеса, равным удвоенному значению межосевого расстояния, витки червяка в смещенной торцовой плоскости выполнены в виде двухсторонней прямобочной рейки, делительная прямая которой параллельна оси червяка и отстоит от нее на расстоянии

коэффициент радиального смещения червячного колеса определен по формуле

где E_D - отклонение делительной прямой рейки от оси червяка;
x - коэффициент радиального смещения червячного колеса;
a_w - межосевое расстояние червячной передачи;
z₂ - число зубьев червячного колеса;
m_r1 - модуль для определения высотных параметров рейки в смещенной плоскости и диаметральных размеров червяка;
m - модуль для определения шаговых параметров рейки в смещенной плоскости, осевых шагов червяка и торцовых параметров червячного колеса в смещенной плоскости передачи;
q_м - коэффициент диаметра червяка.