Зубчатое соединение с внешним зацеплением зубьев Российский патент 2020 года по МПК F16H1/04 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для соединения валов тяжело нагруженных и высокоскоростных механизмов, взаимодействующих в условиях комплексного действия перемещений и поворотов элементов зубчатого соединения, вызванных наличием погрешностей изготовления, погрешностей монтажа и деформаций под действием рабочей нагрузки.

Известна цилиндрическая зубчатая передача (А.с. 785569 СССР МКИ F16H 1/08; опубл. 07.12.1980. - Бюл. №45) с зубьями, продольная линия которых выполнена в виде дуги окружности и эвольвентным профилем зубьев, которые с целью снижения чувствительности к погрешностям межосевого расстояния выполнены с равными радиусами окружностей продольных линий, проходящих через верхнюю и нижнюю активные точки профиля зуба, а профили зубьев в сечениях, параллельных торцовому идентичны.

Аналог не обеспечивает требуемого технического результата так, как в процессе профилирования боковой поверхности зубьев не учитывается пространственный характер контактирования зубьев в соединении, что приводит к точечному характеру контактирования зубьев, а при превышении допустимого рабочего угла перекоса к кромочному контакту зубьев.

Наиболее близким аналогом изобретения, которое заявляется является зубчатый венец (А.с. 1087720 СССР МКИ F16H 1/04; F16H 55/17; F16D 3/18, опубл. 23.04.1984. - Бюл. №15) с внешними зубьями, звольвентными в среднем торцовом сечении венца и бочкообразными в сечении поверхностью делительного цилиндра, боковая поверхность зубьев которого с целью снижения чувствительности к монтажным погрешностям выполняется с большей величиной бочкообразности, за счет того, что линия пересечения боковых поверхностей зубьев плоскостью, касательной к делительному цилиндру, представляет собой участки эвольвент, основные окружности которых касательны к среднему торцовому сечению венца и имеют диаметр, кратный модулю зубьев.

Зубчатый венец работает при наличии перекоса зубчатых колес, что приводит к повороту одного зубчатого колеса относительно другого, при этом выбираются или уменьшаются радиальные зазоры в соединении. В результате приложения крутящего момента на зубьях зубчатого венца возникает усилие, направленное по нормали к боковой поверхности. Усилие, создает момент, изгибающий зубья. Поверхность впадин предложенного зубчатого венца представляет собой прямой круговой цилиндр соосный с делительным цилиндром, что исключает подрезание зубьев в крайних торцовых сечениях при профилировании боковой поверхности зубьев для компенсации повышенных углов перекоса. За счет исключения подрезания зубьев появляется возможность увеличить длину зуба и высоту зуба в крайних торцовых сечениях.

Предложенная конструкция зубчатого венца обеспечивает беззазорность в зубчатом соединении или близкое к равномерному распределение зазоров в соединении и синхронность вращения зубчатых колес, за счет чего снижаются динамические нагрузки. Кроме того, прочность зубьев зубчатого венца увеличивается, что позволяет более рационально использовать металл и уменьшить массу приводов различных машин.

Признаками наиболее близкого аналога, которые совпадают с признаками заявляемого изобретения являются:

1. Внешние зубья.

2. Эвольвентные в среднем торцовом сечении.

Наиболее близкий аналог не обеспечивает необходимого технического результата так, как при профилировании боковой поверхности зубьев шестерни учитывается только угол перекоса продольных осей шестерни и колеса. Вместе с тем комплексное действие перемещений и поворотов элементов зубчатых передач, вызванных наличием погрешностей изготовления, погрешностей монтажа и деформаций под действием рабочей нагрузки может привести к точечно-кромочному характеру контактирования зубьев и как следствие к снижению нагрузочной и компенсирующей способностей зубчатого соединения.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования зубчатого соединения за счет изменения геометрии боковой поверхности зубьев шестерни, профилирование которых осуществляется с учетом комплексного действия перемещений и поворотов элементов зубчатого соединения, вызванных наличием погрешностей изготовления, погрешностей монтажа и деформаций под действием рабочей нагрузки.

Поставленная задача решается тем, что реализуется зубчатое соединение, состоящее из колеса с внешними эвольвентными зубьями с прямолинейной образующей и шестерни с пространственной геометрией боковой поверхности зубьев, которая учитывает комплексное действие перемещений и поворотов элементов зубчатого соединения, вызванных наличием погрешностей изготовления, погрешностей монтажа и деформаций под действием рабочей нагрузки.

Признаком, который отличает заявленное зубчатое соединение с внешним зацеплением зубьев, является учет при профилировании боковой поверхности зубьев всех перемещений и поворотов элементов зубчатого соединения, вызванных наличием погрешностей изготовления, погрешностей монтажа и деформаций под действием рабочей нагрузки. Учет при профилировании боковой поверхности зубьев шестерни всех перемещений и поворотов позволяет создавать зубчатые соединения с большей компенсирующей и нагрузочной способностью при тех же габаритных размерах деталей или уменьшать габаритные размеры деталей соединения при сохранении нагрузочной способности.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан общий вид внешнего зубчатого соединения; на фиг. 2 показан зуб шестерни с пространственной геометрией боковой поверхности.

Зубчатое соединение (фиг. 1) состоит из зацепляющихся в условиях наличия перемещений и перекосов колеса 1 с внешними эвольвентными зубьями 2 с прямолинейной образующей (на чертеже не показана) и шестерни 3 с наружными зубьями 4.

Из фиг. 1 видно, что с шестерней связаны подвижные системы координат S₁(x₁, y₁, z₁) и с зубчатым колесом связана подвижная система координат S₂(x₂, y₂, z₂). А так же выбрано расположение неподвижной, абсолютной системы координат S (X, Y, Z) - начало координат, которой совпадает с полюсом зацепления Р.

Зубья колес во время эксплуатации взаимодействуют при наличии погрешностей изготовления, монтажа и перемещений, вызванных деформациями, которые возникают под действием рабочей нагрузки. Оси системы координат зубчатого колеса параллельны осям абсолютной системы координат, а начало координат лежит на оси OY. Вращение колеса 1 осуществляется относительно оси O₂z₂ подвижной системы координат S₂(x₂, y₂, z₂).

Все возможные погрешности, деформации и перемещения сведены к суммарным значениям перемещений и поворотов и сообщаются подвижной системе координат S₁(x₁, y₁, z₁) связанной с шестерней 3. Вращение шестерни 3 осуществляется относительно оси подвижной системы координат

Вид зуба 4 шестерни 3 показан на фиг. 2, его боковая поверхность разделена на две части 5 и 6, профилирование каждой из которых осуществляется с учетом комплексного действия перемещений и поворотов элементов зубчатого соединения, вызванных наличием погрешностей изготовления, погрешностей монтажа и деформаций под действием рабочей нагрузки в соответствии с системой уравнений:

где x₁, y₁, z₁ - координаты контактной точки на боковой поверхности зуба шестерни;

φ₁ - угол поворота шестерни;

φ₂ - угол поворота колеса;

r_b2 - радиус основной окружности колеса;

ϕ₂ - угол развернутости эвольвентного профиля колеса;

ϕ_{с_2Р} - угол смещения начала эвольвенты колеса, таким образом чтобы эвольвента проходила через полюс зацепления.

z₂ - координата по ширине зубчатого венца колеса.

Ax_i, Ay_i, Az_i - постоянные коэффициенты, зависящие от величин суммарных перемещений и суммарных углов перекоса:

где φ_xΣ - суммарный угол поворота шестерни относительно оси x₁;

φ_yΣ - суммарный угол поворота шестерни относительно оси

Δ_xΣ, Δ_yΣ, Δ_zΣ - суммарные перемещения относительно трех координатных осей абсолютной системы координат;

R₁, R₂ - радиусы делительных окружностей соответственно шестерни и колеса.

Боковая поверхность зубьев шестерни образована совокупностью контактных линий 7 (фиг. 2). Контактные линии 7 представляют собой плавные кривые. Значения координат точек контактных линий определяются в результате решения системы уравнений. Боковая поверхность зубьев шестерни разделена на две части 5 и 6, что связано с особенностями относительных движений элементов зубчатого соединения во время работы при комплексном действии перемещений и поворотов, вызванных наличием погрешностей изготовления, погрешностей монтажа и деформаций под действием рабочей нагрузки.

Зубчатое соединение с внешним зацеплением зубьев работает следующим образом.

При вращении вокруг своих продольных осей в условиях наличия перемещений и перекосов осей (фиг. 1) колесо 1 и шестерня 3 контактируют боковыми поверхностями зубьев. При этом зуб 4 шестерни 3 совершает пространственное движение относительно зуба 2 колеса 1. Между зубьями в пределах контактной зоны возникает линейный или близкий к линейному контакт зубьев. При приложении нагрузки контактные линии превращаются в поверхность соприкосновения.

Реализация данного зубчатого соединения позволяет за счет применения предложенной универсальной пространственной геометрии боковой поверхности зубьев компенсировать все возможные перемещения и повороты элементов зубчатого соединения, вызванные наличием погрешностей изготовления, погрешностей монтажа и деформаций под действием рабочей нагрузки. При этом в соединении исключается кромочный контакт зубьев, а взаимодействие зубьев осуществляется в пределах пятна контакта зубьев с обеспечением линейного или близкого к линейному характера контактирования зубьев, что позволяет получать соединения с большей компенсирующей и нагрузочной способность при тех же габаритных размерах деталей или уменьшать габаритные размеры деталей соединения при сохранении нагрузочной способности.

Предложенное зубчатое соединение может быть использовано для соединения валов тяжело нагруженных и высокоскоростных механизмов, взаимодействующих в условиях комплексного действия перемещений и поворотов элементов зубчатого соединения, вызванных наличием погрешностей изготовления, погрешностей монтажа и деформаций под действием рабочей нагрузки.

Изобретение относится к области машиностроения. Зубчатое соединение с внешним зацеплением зубьев состоит из колеса с внешними зубьями с прямолинейной образующей и шестерни с зубьями, эвольвентными в среднем торцевом сечении, на боковой поверхности которых реализована пространственная геометрия, учитывающая комплексное действие перемещений и поворотов элементов зубчатого соединения, вызванных наличием погрешностей изготовления, погрешностей монтажа и деформаций под действием рабочей нагрузки. Обеспечивается повышение нагрузочной и компенсирующей способности зубчатых передач с внешним зацеплением. 2 ил.

Зубчатое соединение с внешним зацеплением зубьев, состоящее из колеса с эвольвентными зубьями с прямолинейной образующей и шестерни с зубьями эвольвентными в среднем торцовом сечении, отличающееся тем, что профилирование боковой поверхности зубьев шестерни осуществляется с учетом комплексного действия перемещений и поворотов элементов зубчатого соединения, вызванных наличием погрешностей изготовления, погрешностей монтажа и деформаций под действием рабочей нагрузки в соответствии с системой уравнений:

где x₁, y₁, z₁ - координаты контактной точки на боковой поверхности зуба шестерни;

φ₁ - угол поворота шестерни;

φ₂ - угол поворота колеса;

r_b2 - радиус основной окружности колеса;

ϕ₂ - угол развернутости эвольвентного профиля колеса;

ϕ_{c_2P} - угол смещения начала эвольвенты колеса таким образом, чтобы эвольвента проходила через полюс зацепления;

z₂ - координата по ширине зубчатого венца колеса;

Ax_i, Ay_i, Az_i - постоянные коэффициенты, зависящие от величин суммарных перемещений и суммарных углов перекоса:

где φ_xΣ - суммарный угол поворота шестерни относительно оси x₁;

φ_yΣ - суммарный угол поворота шестерни относительно оси

Δx_Σ, Δy_Σ, Δz_Σ - суммарные перемещения относительно трех координатных осей абсолютной системы координат;

R₁, R₂ - радиусы делительных окружностей соответственно шестерни и колеса.