ЗУБЧАТОЕ ЗАЦЕПЛЕНИЕ ВАХРУШЕВЫХ Российский патент 2010 года по МПК F16H55/08 F16H1/08 

Изобретение относится к области машиностроения, точнее к зубчатым передачам, и может применяться во всех устройствах, предназначенных для сообщения вращательного движения (особенно в передачах, требующих повышенных характеристик по точности), включая внешнее, внутреннее, реечное и червячное зацепления.

Передачи с зубчатым зацеплением нашли в машиностроении широкое применение благодаря их компактности и широкому диапазону величины передаточного отношения.

Но все известные передачи с зубчатым зацеплением имеют недостаточную плавность работы и точность, определяемые коэффициентом перекрытия, который составляет величину в пределах от 1-го до 2-х, при котором в одновременном зацеплении находятся не более 2-х пар зубьев (см., например, Е.Г.Гинзбург и др. Зубчатые передачи. Справочник, Л.: Машиностроение, 1980, с.16).

Кроме того, эвольвентные передачи имеют невысокий коэффициент полезного действия (КПД) ввиду наличия потерь на трение при скольжении зубьев одного колеса относительно зубьев второго во время их совместного вращения. Так согласно книге В.И.Анурьева. Справочник конструктора-машиностроителя, том 3, М.: Машиностроение, 1992, с.630 КПД цилиндрического одноступенчатого редуктора равно 0,98, а КПД редуктора или коробки скоростей, состоящих из «n» ступеней уменьшится до величины 0,98ⁿ. Например, для 5-ти ступенчатого редуктора (или коробки скоростей) КПД составит величину, равную 0,98⁵=0,9039.

Известные циклоидальные передачи имеют меньшие потери на трение, чем эвольвентные, но также имеют недостаточную плавность работы и точность ввиду причин, изложенных выше.

Задачей изобретения является улучшение плавности работы и точности зубчатой передачи и повышение ее КПД.

Первая поставленная задача решается за счет того, что в известном зацеплении, состоящем из пары зубчатых колес, имеющих начальные окружности и окружности выступов и содержащих зубья, которые имеют главные поверхности (см. определение на с.97, 98 в книге автора А.Ф.Крайнева «Словарь-справочник по механизмам», М.: Машиностроение, 1981 г.), кромки и вершины, выполненные по окружности выступов, профили главных поверхностей зуба выполнены вогнутыми и образованы линией, описываемой при обкатывании без скольжения одного из колес относительно сопрягаемого колеса точкой, принадлежащей окружности выступов обкатываемого колеса (образующей или производящей окружности), по начальной (направляющей) окружности сопрягаемого колеса, совпадающей с делительной окружностью или любой другой, расположенной между основной окружностью и окружностью выступов этого колеса.

Вогнутая линия при внешнем зацеплении - это удлиненная эпициклоида для обоих колес, при внутреннем зацеплении - это удлиненная гипоциклоида для наружного колеса и удлиненная перициклоида для внутреннего колеса, при реечном и червячном зацеплениях - это удлиненная циклоида для рейки и червяка и удлиненная эвольвента для колеса.

В частном случае, когда направляющей окружностью для одного из колес является основная окружность второго колеса, то профили главных поверхностей зубьев представляют собой при внешнем зацеплении эпициклоиду для второго колеса и удлиненную эпициклоиду для первого; при внутреннем зацеплении, когда направляющей окружностью является основная окружность наружного колеса, - гипоциклоиду для наружного колеса и удлиненную перициклоиду для внутреннего колеса, а когда направляющей окружностью является основная окружность внутреннего колеса - удлиненную гипоциклоиду для наружного колеса и перициклоиду для внутреннего колеса; при реечном и червячном зацеплениях, когда направляющей окружностью является основная окружность рейки или червяка - циклоиду для рейки и червяка и удлиненную эвольвенту для колеса, а когда направляющей окружностью является основная окружность колеса - удлиненную циклоиду для рейки и червяка и эвольвенту для колеса.

Уравнение удлиненной эпициклоиды и ее построение изложены, например, на с.3 (фиг.480 и 481), удлиненной гипоциклоиды - на с.134 (фиг.483-487), перициклоиды - на с.134 (фиг.482), удлиненной циклоиды - на с.132 (фиг.476), удлиненной эвольвенты - на с.130 (фиг.470-471) в книге С.Н.Кожевникова и др. «Элементы механизмов», М., 1956 г., Государственное издательство оборонной промышленности, а также на с.45-52 в «Справочном руководстве по черчению» авторов Е.И.Годика и А.М.Хаскина, «Машиностроение», М., 1974 г.

В конструкцию предлагаемого зацепления может быть внесено усовершенствование, заключающееся в том, что кромки зубьев колес могут быть скруглены по одной или двум дугам окружности, касательным к вогнутым профилям главных поверхностей зуба по линиям, являющимся границами этих поверхностей со стороны вершин, при этом линия, описываемая при обкатывании сопрягаемого колеса точкой, принадлежащей окружности этого колеса, диаметр которой превышает диаметр начальной окружности, является геометрическим местом (эквидистантой) точек для центров дуг, проведенных радиусом, равным радиусу округления кромки зуба, а кривая, огибающая эти дуги по большому радиусу, - профилем главной поверхности зубьев профилируемого колеса.

Вторая поставленная задача решается за счет того, что в зацеплении двух сопрягаемых колес, имеющем ролики, радиус дуг, огибанием которых спрофилированы главные поверхности зубьев, равен радиусу роликов (или подшипники качения), установленных в вершинах зубьев касательно к главным поверхностям зубьев по линиям, являющимся границами этих поверхностей со стороны вершин.

Вторая поставленная задача может быть решена также за счет того, что касательно к одной главной поверхности каждого зуба обоих сопрягаемых колес с противоположных сторон или к обоим главным поверхностям каждого зуба одного из сопрягаемых колес в линиях, являющихся границами этих поверхностей со стороны вершин, установлены ролики или подшипники качения на рычагах, подпружиненных относительно зубьев колес в радиальном направлении, при этом вогнутые профили главных поверхностей зубьев выполнены подобными в радиальном направлении линиии, огибающей дуги по большому радиусу, проведенные радиусом, равным радиусу роликов или подшипников качения, из центров, геометрическим местом точек которых является кривая, описываемая при обкатывании сопрягаемого колеса точкой, принадлежащей окружности этого колеса, диаметр которой превышает диаметр начальной окружности, а коэффициент подобия равен отношению высоты зуба на участке от границы главной поверхностей со стороны вершины зуба до линии касания ролика (подшипника качения) с главной поверхностью зуба в момент нахождения оси ролика (подшипника качения) на линии центров колес, к высоте зуба, на участке главной поверхности, соответствующей линии, полученной сгибанием дуг по большому радиусу, проведенным, в свою очередь, радиусом, равным радиусу роликов или подшипников качения, а центром подобия является граница главной поверхности со стороны вершины зуба.

Ролики, установленные на подпружиненных в радиальном направлении рычагах, могут быть выполнены упругими, при этом диаметр упругих роликов больше диаметра жестких роликов на величину, не превышающую величины допустимых упругих деформаций роликов.

Кроме того, вышеуказанные рычаги, несущие ролики, могут быть дополнительно подпружинены в направлении касания главных поверхностей зубьев.

Выполнение профилей главных поверхностей зуба вогнутыми в виде линий, описываемых при обкатывании без скольжения сопрягаемого колеса точкой, принадлежащей окружности выступов этого колеса (образующей или производящей окружности), по начальной (направляющей) окружности профилируемого колеса, совпадающей с делительной окружностью или любой другой, расположенной между основной окружностью и окружностью выступов этого колеса, позволяет увеличить количество пар зубьев колес, находящихся в одновременном зацеплении, что способствует улучшению плавности работы и точности зубчатого зацепления.

Увеличение числа пар зубьев, находящихся в одновременном зацеплении, объясняется нижеследующими пояснениями.

Как было сказано выше, плавность зацепления определяется коэффициентом перекрытия, который согласно справочнику «Детали машин. Расчет и конструирование», том 3 под редакцией Н.С.Ачеркана, третье издание, «Машиностроение», М., 1969 (стр.22) для эвольвентного зацепления есть отношение длины дуги зацепления пары зубьев по делительной окружности к шагу зацепления.

Отсюда следует, что при одинаковом шаге зацепления и равных других параметрах сопрягаемых колес тем выше плавность работы зацепления, чем длинней дуга зацепления, а значит и количество зубьев, расположенных в пределах дуги зацепления и находящихся в зацеплении.

Наибольшая длина дуги зацепления определяется точками «а» и «б» (фиг.1) пересечения окружностей выступов сопрягаемых колес, а в эвольвентном и циклоидальном зацеплениях эта дуга по длине составляет примерно половину длины дуги между точками пересечения окружностей выступов сопрягаемых колес (см., например, рис.1 на с.16 вышеуказанного справочника под редакцией Н.С.Ачеркана и фиг.509 на с.141 книги «Элементы механизмов» второго издания под редакцией С.Н.Кожевникова, Государственное издательство оборонной промышленности, М., 1956), поскольку зацепление пары зубьев начинается с контакта головки зуба одного сопрягаемого колеса и ножки зуба второго и заканчивается контактом ножки зуба первого колеса и головки зуба второго.

В предлагаемом зацеплении начало и конец зацепления пары зубьев совпадают с точками «а» и «б», совпадающих с точками пересечения окружностей выступов зубьев колес за счет того, что начало и конец зацепления осуществляются вершинами этих зубьев, а главные поверхности зубьев имеют вогнутый профиль.

Значит, в предлагаемом зацеплении в контакте могут одновременно находиться как минимум четыре пары зубьев при равных шагах зацепления, т.е. во столько раз больше, во сколько раз больше длина дуги зацепления, как было сказано выше.

В предлагаемом зацеплении можно увеличить плавность и точность зацепления также за счет уменьшения шага зубьев. В эвольвентном зацеплении, как было сказано выше, в одновременном зацеплении находятся не более двух пар зубьев вне зависимости от шага зубьев.

Скругление кромок зубьев по одной или двум дугам окружности, касательным к вогнутым профилям главных поверхностей зуба по линиям, являющимся границами этих поверхностей, позволяет увеличить контактную прочность рабочих поверхностей зубьев за счет осуществления контакта выпуклой поверхности по вогнутой, тогда как контакт зубьев с эвольвентным профилем осуществляется по выпуклым поверхностям.

Установка в вершинах зубьев сопрягаемых колес роликов, цилиндрические поверхности которых касательны главным поверхностям зуба по линиям, являющимся границами этих поверхностей, позволит заменить трение скольжения зубьев друг относительно друга на трение скольжения ролика относительно своей оси и уменьшить, в связи с этим, потери на трение во столько раз, во сколько радиус ролика меньше радиуса собственно ролика (обычно это соотношение составляет величину, равную двум), что в конечном итоге повышает КПД зубчатого зацепления.

Установка подшипников качения вместо роликов уменьшает потери на трение как минимум в 10 раз, что пропорционально повышает КПД передачи.

Установка роликов или подшипников качения касательно к одной главной поверхности каждого зуба обоих сопрягаемых колес или к обоим главным поверхностям каждого зуба одного из сопрягаемых колес в линиях, являющихся границами этих поверхностей со стороны вершин, на рычагах, подпружиненных относительно зубьев в радиальном направлении, позволяет заменить трение скольжения на трение качения полностью, что еще больше повышает КПД зацепления и обеспечивает возможность снятия нагрузки с осей роликов и уменьшить высоту зубьев колес, а значит применить зацепление в более нагруженных передачах.

Как следствие, установка роликов или подшипников качения уменьшает энергопотребление (в передачах, приводимых в движение с помощью двигателя внутреннего сгорания, уменьшается расход топлива).

Выполнение роликов упругими, диаметр которых больше диаметра жестких роликов на величину, не превышающую величину допустимых упругих деформаций роликов, исключает возможное проскальзывание роликов, что повышает качество зацепления.

Выполнение рычагов, несущих ролики, подпружиненными в направлении касания обоих профилей зубьев исключают удары роликов о зубья в момент начала зацепления, что способствует уменьшению шума при работе зацепления.

На фиг.1 изображено внешнее зацепление предлагаемой конструкции.

На фиг.2 изображено внешнее зацепление предлагаемой конструкции со скругленными вершинами зубьев по одному радиусу.

На фиг.3 - предлагаемое зацепление с установленными в вершинах зубьев роликами.

На фиг.4 - предлагаемое зацепление с роликами, установленными на одном колесе на подвижных рычагах, подпружиненных в двух направлениях.

На фиг.5 - предлагаемое зацепление с роликами, установленными на обоих сопрягаемых колесах на подвижных рычагах, подпружиненных в двух направлениях.

На фиг.6 - сечение А-А по фиг.2 (вариант с жесткими роликами).

На фиг.7 - сечение А-А по фиг.2 (вариант с упругими роликами).

На фиг.8 изображено внутреннее зацепление с двумя роликами, установленными в кромках зубьев.

На фиг.9 изображено реечное (червячное) зацепление.

Зацепление состоит из двух зубчатых колес 1 и 2 с внешним зацеплением, у которых главные поверхности 3 и 4 зубьев 5 и 6 представляют собой вогнутые линии, являющиеся частью соответствующих ветвей удлиненной эпициклоиды (при внешнем зацеплении) (фиг.1, 2), удлиненной гипоциклоиды для наружного колеса и удлиненной перициклоиды для внутреннего колеса (при внутреннем зацеплении) (фиг.8) или удлиненной циклоиды для рейки или червяка и удлиненной эвольвенты для колеса (соответственно при реечном или червячном зацеплении) (фиг.9).

Для увеличения контактной прочности рабочих поверхностей зубьев предлагаемой передачи вершины зубьев колес 5 и 6 скруглены по дугам окружности соответственно 7 и 8 (фиг.2), или 9 и 10 (фиг.2, 3), касательно к главным поверхностям 3 и 4 зубьев по линиям, являющимся границами этих поверхностей. На чертеже эти линии показаны проекциями, находящимися в точках пересечения главных поверхностей с окружностью 11, которая проходит через эти линии.

Для повышения КПД в вершинах зубьев 5 и 6 установлены на осях 12 жесткие ролики 13 (фиг.6, 7, 8).

Ролики 13 могут быть установлены на подвижных, подпружиненных в радиальном направлении и в направлении касания обоих профилей зубьев, рычагах 14 и 15, которые, в свою очередь, могут быть закреплены на одном из колес 1 или 2 (фиг.4) или на обоих колесах (фиг.5).

В исходном положении ролики 13 с рычагами 14 и 15 удерживаются пальцами 16 и пружинами 17.

Жесткие ролики 13 могут быть заменены на упругие ролики 18, которые устанавливаются при помощи ступенчатых осей 19.

Позицией 20 обозначены накладки, при помощи которых крепятся к колесу оси 19, позицией 21 обозначены кромки зуба, позицией 22 - начальная окружность, позицией 23 - окружность выступов, позицией 24 - окружность впадин.

Позицией 25 обозначено внешнее колесо внутреннего зацепления, позицией 26 - внутреннее колесо внутреннего зацепления, позицией 27 - рейка или червяк соответственно реечного или червячного зацепления.

Ролики на осях или на рычагах могут быть установлены не только в передачах с внешним зацеплением, но и с внутренним, а также в реечных передачах.

Работу зацепления покажем на примере зацепления двух зубьев, изображенного на фиг.1.

При вращении, например, ведущего колеса 2 в направлении движения стрелок часов зуб 6 этого колеса своей главной поверхностью 4 в начале зацепления касается кромки 21 зуба 5 колеса 1 (фиг.1) и начинает сообщать вращательное движение колесу 2. При дальнейшем вращении колеса 2 кромка 21 зуба 5 колеса 1 совершает движение по удлиненной эпициклоиде к центру колеса 2. По этой же кривой выполнены профили главных поверхностей 4 колеса 2. Касание кромки зуба 21 с главной поверхностью 4 в направлении к центру колеса 1 продолжается до тех пор, пока начало главной поверхности 4 зуба 6 (т.е. кромка 21 этого зуба) не совместится с линией центров колес. Далее, после пересечения передней по отношению к направлению вращения колеса 2 кромки 21 зуба 6 этого колеса линии центров колес в контакт вступает эта кромка с главной поверхностью 3 зуба 5 колеса 1, продолжая сообщать вращательное движение колесу 1 до момента выхода из контакта.

Остальные зубья при зацеплении работают подобным образом, обеспечивая плавность работы зацепления.

При реверсе работают соседние кромки и профили зубьев, как описано выше, и в обратном направлении.

В зацеплении колес, вершины зубьев которых скруглены по одному радиусу (фиг.2), при вращении того же колеса 2 в направлении в движения стрелок часов касание главной поверхности 4 зуба 6 колеса 2 и касание главной поверхности 3 зуба 5 колеса 1 происходят не с кромкой 21, а с цилиндрическими поверхностями соответственно 7 и 8 вершин соответствующих зубьев 5 и 6 колес 1 и 2.

В зацеплении колес, вершины зубьев которых скруглены по двум радиусам (фиг.9), в контакте с главной поверхностью 4 участвуют вместо кромок 21 соответствующие этим кромкам цилиндрические поверхности скруглений 9.

Зацепление, в котором в вершинах зубьев установлены ролики 13 (фиг.3), работает так же, как и зацепление со скругленными вершинами и кромками, но с тем отличием, что вместо скольжения зубьев происходит качение роликов по главным профилям зубьев, а скольжение происходит только роликов 13 относительно их осей 12, что значительно уменьшает потери на трение (согласно ранее указанным рекомендациям - в 2 раза) и соответственно увеличивает КПД передачи.

В конструкции зацепления, в котором ролики устанавливаются на подвижных рычагах 14 и 15 (фиг.5) на одном из колес (предпочтительней - на колесе большего диаметра) или на обоих колесах (фиг.4), контакт зубьев сопрягаемых колес происходит посредством роликов 13, находящихся между зубьями, при этом ролики 13, обкатываясь по рабочим профилям 3 и 4 обоих зубьев одновременно, совершают относительное поступательное перемещение в радиальном направлении к центрам колес совместно с рычагами 14 и 15. После пересечения геометрической оси ролика 13 полюса зацепления ролик 13 совершает относительное перемещение в обратном направлении. Пружины 17 рычагов 14 и 15 и пальцы 16 обеспечивают исходное положение роликов 13 вне зацепления и в конструкции, изображенной на фиг.4, 5 - постоянное прижатие роликов к профилям зубьев.

В конструкции зацепления с роликами трение скольжения заменено практически полностью на трение качения. Оси 12, на которых установлены ролики 13, нагрузку не воспринимают, а обкатывание роликов по профилям зубьев обоих колес одновременно позволяет уменьшить высоту зубьев, что обеспечивает увеличение нагрузочной способности передачи.

Согласно правилам построения кулачков радиус кривизны роликов или подшипников качения не должен быть больше минимального радиуса кривизны главной поверхности зуба.

Упругие ролики 18, установленные вместо жестких 13, компенсируют изменение возможного бокового зазора между парой зубьев в виду погрешностей изготовления и исключают возможное проскальзывание роликов относительно зубьев.

Изобретение относится к области машиностроения, точнее к зубчатым передачам, и может применяться во всех устройствах, предназначенных для сообщения вращательного движения, включая внешнее, внутреннее, реечное и червячное зацепления. Зацепление состоит из двух зубчатых колес (1, 2), у которых профили главных поверхностей (3, 4) зубьев (5, 6) выполнены вогнутыми и образованы линией, описываемой при обкатывании без скольжения одного из колес относительно сопрягаемого колеса точкой, принадлежащей окружности выступов обкатывемого колеса, по начальной окружности сопрягаемого колеса, совпадающей с делительной окружностью или любой другой, расположенной между основной окружностью и окружностью выступов этого колеса. Вогнутая линия при внешнем зацеплении - это удлиненная эпициклоида для обоих колес, при внутреннем зацеплении - это удлиненная гипоциклоида для наружного колеса и удлиненная перициклоида для внутреннего колеса, при реечном и червячном зацеплениях - это удлиненная циклоида для рейки и червяка и удлиненная эвольвента для колеса. Изобретение позволяет улучшить плавность работы зубчатой передачи и повысить ее КПД. 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Зубчатое зацепление, состоящее из пары зубчатых колес, имеющих начальные окружности и окружности выступов и содержащих зубья, которые имеют главные поверхности, кромки и вершины, выполненные по окружности выступов, отличающееся тем, что профили главных поверхностей зубьев выполнены вогнутыми и образованы линией, описываемой при обкатывании без скольжения одного из колес относительно сопрягаемого колеса точкой, принадлежащей окружности выступов обкатывемого колеса (образующей или производящей окружности), по начальной (направляющей) окружности сопрягаемого колеса, совпадающей с делительной окружностью или любой другой, расположенной между основной окружностью и окружностью выступов этого колеса.

2. Зубчатое зацепление по п.1, отличающееся тем, что линией, описываемой при обкатывании без скольжения сопрягаемого колеса точкой, принадлежащей окружности выступов этого колеса, при внешнем зацеплении является удлиненная эпициклоида для обоих колес.

3. Зубчатое зацепление по п.1, отличающееся тем, что линией, описываемой при обкатывании без скольжения сопрягаемого колеса точкой, принадлежащей окружности выступов этого колеса, при внутреннем зацеплении является удлиненная гипоциклоида для наружного колеса и удлиненная перициклоида для внутреннего колеса.

4. Зубчатое зацепление по п.1, отличающееся тем, что линией, описываемой при обкатывании без скольжения сопрягаемого колеса точкой, принадлежащей окружности выступов этого колеса, при реечном и червячном зацеплениях является удлиненная циклоида для рейки (червяка) и удлиненная эвольвента для колеса.

5. Зубчатое зацепление по п.1, отличающееся тем, что кромки зубьев колес скруглены по одной или двум дугам окружности, касательным к вогнутым профилям главных поверхностей зуба по линиям, являющимся границами этих поверхностей со стороны вершин, при этом линия, описываемая при обкатывании сопрягаемого колеса точкой, принадлежащей окружности этого колеса, диаметр которой превышает диаметр начальной окружности, является геометрическим местом (эквидистантой) точек для центров дуг, проведенных радиусом, равным радиусу округления кромки зуба, а кривая, огибающая эти дуги по большому радиусу, - профилем главной поверхности зубьев профилируемого колеса.

6. Зубчатое зацепление по п.5, содержащее ролики, отличающееся тем, что радиус дуги, огибанием которой спрофилирована главная поверхность зуба, равен радиусу ролика (или подшипника качения), установленного в вершине зуба касательно к одной главной поверхности зуба при двух роликах (подшипниках качения) или к двум главным поверхностям зуба одновременно при одном ролике (подшипнике качения) по линии, являющейся границей этой поверхности.

7. Зубчатое зацепление по п.1, отличающееся тем, что касательно к одной главной поверхности каждого зуба обоих сопрягаемых колес с противоположных сторон или к обоим главным поверхностям каждого зуба одного из сопрягаемых колес в линиях, являющихся границами этих поверхностей со стороны вершин, установлены ролики или подшипники качения на рычагах, подпружиненных относительно зубьев в радиальном направлении, при этом вогнутые профили главных поверхностей зубьев выполнены подобными в радиальном направлении линиям, огибающим дуги по большому радиусу, проведенные радиусом, равным радиусу роликов или подшипников качения, из центров, геометрическим местом точек которых является кривая, описываемая при обкатывании сопрягаемого колеса точкой, принадлежащей окружности этого колеса, диаметр которой превышает диаметр начальной окружности, а коэффициент подобия равен отношению высоты зуба на участке от границы главной поверхности со стороны вершины зуба до линии касания ролика (подшипника качения) с главной поверхностью зуба в момент нахождения оси ролика (подшипника качения) на линии центров колес к высоте зуба на участке главной поверхности, соответствующей линии, полученной огибанием дуг по большому радиусу, проведенным, в свою очередь, радиусом, равным радиусу роликов или подшипников качения, а центром подобия является граница главной поверхности со стороны вершины зуба.

8. Зубчатое зацепление по п.7, отличающееся тем, что ролики выполнены упругими, при этом диаметр упругих роликов больше диаметра жестких роликов на величину, не превышающую величины допустимых упругих деформаций роликов.

9. Зубчатое зацепление по п.7, отличающееся тем, что рычаги, несущие ролики, подпружинены дополнительно в направлении касания главных поверхностей зубьев.