УСТРОЙСТВО ЗУБЧАТОГО ЗАЦЕПЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК F16H55/08 F16H35/00 F16H19/04 

Область техники

Изобретение касается устройства зубчатого зацепления обкатывающего зубчатого колеса с двумя зубчатыми рейками, при котором зубчатое колесо переходит при обкате с одной рейки на другую.

Уровень техники

При решении многих задач конструирования возникает проблема осуществления движения оси обкатывающего зубчатого колеса или связанного с этой осью элемента конструкции по траектории с одним или несколькими изломами (углами). Хотя траектория в точках излома непрерывна, она имеет в этих точках скачок касательной. Примером такой траектории является дуговой двуугольник, образованный двумя дугами окружности, ориентированными своими выпуклостями в разные стороны.

Такая проблема появляется, например, при конструировании машины с вращающимся поршнем [Rotationskolbenmaschine], как это описано в DE 19920289 C1. Там поршень с поперечным сечением в форме овала второго порядка движется в камере с поперечным сечением в форме (мульти-)овала третьего порядка. Для передачи движения поршня из машины во вне служит вал съема мощности, чья ось вращения совпадает с главной осью симметрии камеры. Вал съема мощности проходит через овальное же отверстие в поршне и сам имеет зубчатое колесо. Зубчатое колесо вала находится в зацеплении с зубчаткой внутренней стороны отверстия в поршне. Ось вала и вместе с ним зубчатого колеса движется относительно поршня по траектории, представляющей собой дуговой двуугольник. Проблемой при этом является такое обеспечение зубчатого зацепления, чтобы зубчатое колесо не заклинивалось при прохождении его оси через углы траектории.

Проблема прохождения осью [во всех точках траектории зацепленного] зубчатого колеса точек излома траектории до сих пор не была решена.

В книге И.И.Артоболевского "Механизмы в современной технике", том 3, издательство Наука, Москва 1973 описаны решения [этой проблемы], в которых предлагается описанную проблему не решить, а обойти. При этом критические места траектории со скачком касательной заменяются непрерывными и гладкими участками. В других решениях предлагается прерывать обкатывание в критических местах. Используются также осе-несимметричные зубчатые колеса или же другие механизмы, специально приспособленные к конкретному случаю.

Описание изобретения

Задача изобретения состоит в том, чтобы создать такое устройство зубчатого зацепления, при котором ось обкатывающего зубчатого колеса будет проходить изломы траектории без заклинивания [и без потери зацепления].

Согласно настоящему изобретению эта задача решается тем, что для перевода обкатывающего зубчатого колеса с одной зубчатой рейки на другую при движении его оси по траектории со скачком касательной применяется специальная переводящая [прямая или дуговая] зубчатая рейка, которая негладко сочленяется с [основными] рейками зубчатого зацепления.

Зубчатое колесо катится сначала по одной рейке. Его ось движется при этом по одной ветви траектории до точки излома. Начиная отсюда, зубчатое колесо должно было бы так катиться по другой рейке, чтобы его ось двигалась через точку излома и от нее по другой ветви траектории. С одной стороны, переход с одной рейки на другую должен происходить "мгновенно", а с другой стороны, колесо не должно заклиниваться. Такое заклинивание происходит, если ведущие зубчатые элементы сочленяются гладко. Поскольку в случае гладкого сочленения ведущая зубчатая линия между обеими рейками должна была бы совпасть с зубчатой окружностью зубчатого колеса. Если радиус кривизны делительной окружности переходного элемента между рейками меньше, чем радиус делительной окружности зубчатого колеса, тогда зубчатое колесо не может прокатиться по зубчатке переходного элемента и обязательно заклинится. Если радиус кривизны делительной окружности переходного элемента между рейками больше, чем радиус делительной окружности зубчатого колеса, тогда переход с одной рейки на другую не будет мгновенным, а ось зубчатого колеса при обкате переходного элемента будет двигаться по окружности и тем самым по траектории без излома. Если радиусы делительных окружностей переходного элемента и зубчатого колеса при гладком переходе одинаковы, то в зоне переходного элемента нарушаются условия обката и зубчатое колесо не сможет обкатывать переходный элемент. Поэтому настоящее изобретение предусматривает негладкий переход между ведущими рейками траектории и зубчатым переходным элементом. Тогда можно добиться того, чтобы зубчатое колесо "мгновенно" переходило из зубчатого зацепления с одной рейкой в зубчатое зацепление с другой рейкой, соответствующей другой ветви траектории оси зубчатого колеса. Негладко сочлененный и преимущественно с пропусками [или усечениями] зубьев устроенный переходный элемент зубчатого зацепления обеспечивает непрерывность зубчатого зацепления между обкатывающим зубчатым колесом и ведущими рейками. При прохождении точки излома зубчатое колесо сначала находится в зацеплении с одной рейкой и с переходным элементом, а потом с переходным элементом и с другой рейкой. Таким образом осуществляется "мгновенный" переход зубчатого колеса с одной рейки на другую без нарушения (прерывания) зацепления [и без заклинивания]. При этом траектория оси зубчатого колеса имеет излом.

Между двумя ведущими рейками образован вырез, который исключает одновременный контакт зубчатого колеса с обеими рейками. Переходный элемент может быть выполнен, например, как выпуклая к обкатывающему зубчатому колесу зубчатая дуга. В этом случае делительная окружность зубчатого колеса в момент перехода с одной рейки на другую, т.е. когда ось зубчатого колеса находится в точке излома траектории, имеет общие касательные с делительными окружностями соответственно обеих реек, а делительная окружность выпуклого к зубчатому колесу переходного элемента имеет общую касательную с делительной окружностью зубчатого колеса. Но переходный элемент может быть также и зубчатой линейкой (прямой рейкой). Зубчатую линейку можно считать выпуклой зубчатой дугой с радиусом кривизны, равным бесконечности. Вступая в зацепление с переходным зубчатым элементом, зубчатое колесо выходит из зацепления с одной рейкой непосредственно перед тем, как вступить в зацепление с другой. Делительные линии обеих ведущих реек могут иметь, вообще говоря, любую гладкую форму, совместную с условиями обката, в том числе форму вогнутых дуг.

Примеры реализации изобретения обсуждаются в дальнейшем с помощью соответствующих чертежей.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 показывает зубчатое колесо при переходе из зацепления с первой зубчатой дугой в зацепление со второй зубчатой дугой. При этом колесо находится в зацеплении с переходным элементом и как раз уже вышло из зацепления с первой дугой, но еще не вошло в зацепление со второй.

Фиг.2 показывает устройство зубчатого зацепления фиг.1 после того, как зубчатое колесо перешло в зацепление со второй дугой.

Фиг.3 показывает в увеличенном масштабе зубчатую линейку как переходный элемент вместе с концами зубчатых реек.

Фиг.4 показывает выпуклый переходный элемент аналогично фиг.3.

Фиг.5 показывает устройство зубчатого зацепления с выпуклым зубчатым элементом и проходимую осью зубчатого колеса траекторию с изломом.

Фиг.6 представляет собой векторную диаграмму скорости оси зубчатого колеса при прохождении точки излома траектории.

Предпочтительные примеры использования изобретения

В дальнейшем настоящее изобретение будет описано на примере сингулярной траектории с ветвями постоянной кривизны в непосредственной близи точки излома, Однако изобретение, конечно же, не ограничивается только этим случаем.

На чертежах 10 обозначает зубчатое колесо. Зубчатое колесо 10 обкатывает зубчатые ведущие 12 так, что его ось А описывает сингулярную траекторию 14. Траектория 14 состоит из двух дуговых ветвей 16 и 18 и точки излома 20. Дуга окружности 16 имеет центром точку 22, а дуга окружности 18 имеет центром точку 24.

Итак, пусть ведущие 12 представляют собой две вогнутые зубчатые дуговые рейки 26 и 28. Рейка 26 имеет центром точку 22. Радиус ее делительной окружности больше радиуса кривизны дуги окружности 16 на радиус делительной окружности зубчатого колеса 10. Рейка 28 имеет центром точку 24. Радиус ее делительной окружности больше радиуса кривизны дуги окружности 18 на радиус делительной окружности зубчатого колеса 10. Когда зубчатое колесо 10 обкатывает зубчатую рейку 26, то ось А зубчатого колеса 10 проходит по дуге 16 до точки излома 20 (на фиг.5 по верхней ветви траектории направо вниз). Когда зубчатое колесо 10 обкатывает зубчатую рейку 28, то ось А зубчатого колеса 10 проходит по дуге 18 от точки излома 20 (на фиг.5 по нижней ветви траектории налево вверх).

Проблема состоит в обеспечении перехода с дуговой зубчатой рейки 26 соответственно на рейку 28 без заклинивания и без потери зацепления.

Как показано на фиг.1 и 2, между концами зубчатых реек 26 и 28 устроен вырез. В этот вырез помещена зубчатая линейка в качестве переходного элемента 30. Между зубчатой рейкой 26 и зубчатой линейкой 30 имеется вырез 32. Также имеется вырез 34 между линейкой 30 и рейкой 28.

Из фиг.1 видно, что когда ось А зубчатого колеса 10 находится в точке излома 20, то делительные окружности 36 и 38 зубчатых реек 26 и 28 непрерывно и гладко переходят в делительную окружность 40 зубчатого колеса 10. Элемент зубчатого зацепления, находящийся между рейками 26 и 28, не повторяет форму зубчатого колеса 10, но представляет собой, как уже сказано выше, зубчатую линейку 30 в качестве переходного элемента зацепления. Делительная линия а-а этой линейки 30 является в то же время касательной к делительной окружности зубчатого колеса 10.

Таким образом, из фиг.1 понятно, что зубчатое колесо 10 в момент нахождения в точке излома 20 сцеплено с переходным элементом 30. В этот момент зубчатое колесо 10 только что вышло из зацепления с дуговой рейкой 26 и еще не успело войти в зацепление с рейкой 28. Непосредственно до того зубчатое колесо 10 было в зацеплении с рейкой 26, непосредственно после этого оно будет в зацеплении с рейкой 28. Таким образом, происходит одномоментный ("мгновенный") переход зубчатого колеса 10 с рейки 26 на рейку 28, а траектория 14 оси А имеет настоящий излом с соответствующим скачком производной (разумеется это верно только при описании механизма в приближении недеформируемых тел). Поскольку делительная линия переходного элемента выпукла по отношению к зубчатому колесу или линейна, но не обнимает его, то заклинивание здесь произойти не может. Фиг.3 показывает взаиморасположение делительной линии а-а переходного элемента 30, делительной окружности зубчатого колеса 10 и делительных линий зубчатых дуговых реек 26 и 28 в увеличенном виде.

Описанное устройство зубчатого зацепления позволяет, таким образом, осуществить мгновенный, без заклинивания и без потери зацепления, переход обкатывающего зубчатого колеса 10 с одной ведущей рейки 26 на другую ведущую рейку 28 так, что ось А зубчатого колеса описывает траекторию 14 с изломом в точке 20. При этом как само зацепление, так и передача вращающего момента осуществляются в любом положении оси А, в том числе и в точке излома 20.

Фиг.4 и 5 показывают устройство зубчатого зацепления аналогично фиг.1, 2 и 3. Соответственные детали носят те же обозначения. В устройстве зубчатого зацепления фиг.4 и 5 вместо линейного переходного элемента 30 используется выпуклый зубчатый переходный элемент 42. Переходный элемент 42 имеет делительную окружность 44. Делительная окружность 40 зубчатого колеса 10 при положении его оси А в точке излома 20 и делительная окружность 44 переходного элемента имеют общую касательную а-а. Предпочтительно, чтобы касательная а-а была параллельна прямой, проходящей через центры кривизны 22 и 24.

В экстремальных случаях переходный элемент может состоять даже из одного единственного зуба. В некоторых специальных случаях переходный элемент может быть даже вогнутым, если его радиус кривизны достаточно большой, т.е. не меньше некоторого критического радиуса, характеризующего специальный случай.

Кинематика прохождения оси обкатывающего зубчатого колеса через точку 20 излома траектории определяется в основном тем, что сама траектория оси в окрестности точки излома остается непрерывной, а линейная скорость оси меняется скачком, в частности скачком меняется ее направление. Схематически это представлено на фиг.6.

Если пренебречь трением, деформируемостью и другими динамическими эффектами, то (линейная) скорость V^TR1 оси А непосредственно перед точкой излома 20 переходит скачком в скорость V^TR2 непосредственно после точки излома. Компонента скорости непосредственно перед изломом , параллельная линии а-а, равна соответствующей компоненте после излома. Компонента скорости непосредственно перед изломом , перпендикулярная линии а-а, меняет направление на противоположное, скачком переходя в соответствующую компоненту скорости после излома. Таким образом

Поэтому прохождение оси А зубчатого колеса 10 через точку излома траектории эквивалентно зеркальному отражению центра тяжести колеса от зеркала, параллельного линии а-а.

Изобретение относится к устройству зубчатого зацепления обкатывающего зубчатого колеса с двумя зубчатыми рейками, при котором зубчатое колесо переходит при обкате с одной рейки на другую. Между обеими зубчатыми рейками 26 и 28 устроен вырез, который исключает контакт зубчатого колеса 10 с обеими рейками одновременно. Переходный зубчатый элемент между двумя рейками образован выпуклой по отношению к зубчатому колесу 10 зубчатой дугой или же зубчатой линейкой. Зубчатое колесо 10, находясь в зацеплении с переходным элементом 30, выходит из зацепления с одной рейкой 26 непосредственно перед тем, как войти в зацепление с другой зубчатой рейкой 28. Технический результат - создание устройства, в котором ось зубчатого колеса, обкатывающего зубчатые рейки, может описывать траекторию с точкой излома и проходить по ней без заклинивания и без перерыва в передаче силового момента. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство зубчатого зацепления обкатывающего зубчатого колеса с ведущей зубчатой основой, состоящей из двух зубчатых реек (26, 28), обкатываемых колесом (10) так, что зубчатое колесо (10), обкатывая, переходит с одной рейки (26) на другую (28), отличающееся тем, что для осуществления траектории (14) с точкой излома (20) при движении оси (А) обкатывающего зубчатого колеса (10), в которой касательная к траектории испытывает скачок при переходе колеса (10) с одной рейки (26) на другую (28), между рейками (26, 28) помещается переходный элемент (30; 42), негладко сочлененный с рейками (26, 28).2. Устройство зубчатого зацепления по п.1, отличающееся тем, что между рейками (26, 28) устроен вырез, исключающий одновременный контакт зубчатого колеса (10) с обеими рейками (26, 28).3. Устройство зубчатого зацепления по п.2, отличающееся тем, что переходный зубчатый элемент образован выпуклой по отношению к обкатывающему зубчатому колесу (10) зубчатой дуговой рейкой (42).4. Устройство зубчатого зацепления по п.3, отличающееся тем, что

а) когда положение оси (А) зубчатого колеса (10) совпадает с точкой излома траектории (14), то делительная окружность (40) зубчатого колеса (10) имеет с каждой из делительных окружностей (36, 38) зубчатых реек (26, 28) соответственно по общей касательной, и

б) делительная окружность (44) выпуклой зубчатой дуги (42) имеет с делительной окружностью (40) зубчатого колеса (10) общую касательную (а-а).