зубчатое колесо смешанного или эвольвентного зацепления

Формула изобретения

1. Зубчатое колесо смешанного или эвольвентного зацепления с торцовым профилем зубьев, содержащим эвольвентные участки или, в сочетании, эвольвентные и неэвольвентные участки с образованием в парном зацеплении по эвольвентным участкам угла зацепления _tw, отличающееся тем, что в парном зацеплении реализует угол зацепления эвольвентных участков _tw, выбранный из условия взаимозаменяемости с заменяемым, например ремонтируемым, эвольвентным колесом, отличным по его значению от угла зацепления заменяемого колеса в его парном зацеплении _tw°, и/или образует в окрестности, как минимум, одной из фаз торцового пересопряжения зубьев участки с выпукло-вогнутыми торцовыми профилями зубьев, при этом значения коэффициентов торцового и суммарного перекрытия зубьев уменьшены соответственно относительно номинальных коэффициентов перекрытия ° и ° заменяемого колеса в его парном зацеплении вплоть до <1 и <1, а неэвольвентные участки выполнены с отклонениями в сторону утолщения зуба относительно эвольвентного профиля.

2. Зубчатое колесо эвольвентного зацепления по п.1, отличающееся тем, что число его зубьев выбрано меньшим числа зубьев заменяемого зубчатого колеса, а в парном зацеплении оно образует увеличенный угол зацепления _tw> _tw° из условия уменьшения значения коэффициента торцового перекрытия < ° как _min, где 1,04 _min 1,1.

3. Зубчатое колесо эвольвентного зацепления по п.1, отличающееся тем, что число его зубьев выбрано большим числа зубьев заменяемого зубчатого колеса, а с парным, предельно изношенным колесом оно образует зацепление с уменьшенным углом зацепления _tw< _tw° из условия увеличения значения коэффициента торцового перекрытия относительно фактического значения коэффициента торцового перекрытия заменяемого колеса в его парном зацеплении _f°· > _f° как _max, где 1,04 _max 1,3.

4. Зубчатое колесо смешанного зацепления по п.1, отличающееся тем, что максимальные значения отклонений каждого выпуклого неэвольвентного участка зубьев от эвольвентного торцового профиля примерно равны максимальным величинам глубины износа по соответствующим участкам, а их текущие значения монотонно, по мере удаления от точки максимума, уменьшаются относительно глубины износа в соответствующих точках каждого участка зубьев неравномерно изношенного парного колеса.

5. Зубчатое колесо смешанного зацепления по п.1, отличающееся тем, что минимальные значения отклонений зубьев каждого вогнутого неэвольвентного участка от эвольвентного торцового профиля примерно равны минимальным величинам глубины износа по соответствующим участкам, а их текущие значения монотонно, по мере удаления от точки минимума, увеличиваются относительно глубины износа в соответствующих точках каждого участка зубьев неравномерно изношенного парного колеса.

6. Зубчатое колесо смешанного зацепления по п.1, отличающееся тем, что боковая сторона торцового профиля зубьев содержит два неэвольвентных участка у головки зуба с кривизной разного знака и с точкой перегиба примерно соответствующей точке максимальной глубины износа парного колеса, и неэвольвентный участок у ножки зуба, описанный вогнутыми кривыми с возрастающими к основанию зубьев отклонениями от эвольвентного профиля.

7. Зубчатое колесо по п.1, отличающееся тем, что боковая сторона торцового профиля зубьев содержит соединенные между собой малоразмерным технологическим участком два эвольвентных участка - участок у головки зубьев с большим радиусом основной окружности, и участок у ножки зубьев с меньшим радиусом основной окружности, выполненные с отклонениями в сторону утолщения зубьев относительно номинального профиля заменяемого колеса, возрастающими к их верхней граничной точке у головки зуба и к нижней граничной точке у ножки зуба.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при проектировании зубчатых колес повышенной ремонтопригодности - на базе поэлементной взаимозаменяемости с ремонтируемыми эвольвентными передачами.

Известны (Производство зубчатых колес // Справочник. Издательство «Машиноведение». М., 1990. С.463) эвольвентные (квазиэвольвентные) зубчатые колеса, поэлементно взаимозаменяемые с зубчатьми колесами базовой, например ремонтируемой, эвольвентной зубчатой передачи - каждое из них выполняют также эвольвентным, аналогичным геометрически, например с радиусом основной окружности, равным радиусу основной окружности заменяемого колеса базовой передачи. Этим достигается сохранение неизменным фактического значения или даже его рост (при замене изношенного колеса новым). Но использование поэлементной взаимозаменяемости для традиционных эвольвентных передач весьма ограничено - в ряде случаев возможна только попарная взаимозаменяемость. Например, для конических и гипоидных передач с круговыми зубьями и с химико-термически обработанными колесами (стабильность фактических параметров пятна контакта, виброактивности и других показателей качества зацепления которых весьма низка даже в одной партии колес) считается обязательным (для достижения соответствия требованиям чертежа) селективный подбор сопряженных элементов. Спаренные колеса с круговыми зубьями уже не подлежат разукомплектованию, а при отказе одного из них или ухудшении динамических характеристик пары используют принцип попарной взаимозаменяемости с заменой всего комплекта пары. Также не подлежат разукомплектованию и цилиндрические колеса с изношенными зубьями, поскольку замена одного из парных колес базовой передачи на такое же технологически новое колесо приводит к резкому ухудшению динамических показателей. Физическое объяснение причин ограниченности сферы применения поэлементной взаимозаменяемости лежит в высокой чувствительности эвольвентной передачи к отклонениям контакта зубьев и в существенно заниженных традиционных представлениях о влиянии роста кривизны плохоприрабатываемых зубьев (в их кромочном контакте) на показатели работоспособности передачи. Необходимость попарной взаимозаменяемости снижает показатели конструктивной гибкости эвольвентного зацепления и ремонтопригодности зубчатого привода, повышает себестоимость ремонтного производства, трудоемкость и затраты эксплуатации машины в целом.

Известны эффекты кривизны контакта (Журавлев Г.А. Оценка применимости решения Герца в задачах о контакте зубьев колес.«Техника машиностроения», №2, 2001 г. с.82-90) - эффекты значительно большего (относительно классических решений Герца и Блока) влияния кривизны реальных упругих тел с начально-линейным их касанием на уровни напряжения и температуры в их контакте, а также эффект кривизны концентратора - эффект снижения концентрации напряжений, при определенных параметрах нагружения по схеме поперечного изгиба, с ростом кривизны геометрического концентратора (Журавлев Г.А. О развитии формы профиля зубьев зубчатых колес // Труды Международного симпозиума «Теория реальных передач зацеплением». Изд. Курганского технического университета, 1997 г., с.53-57). На базе эффектов кривизны контакта дано физическое объяснение причин ухудшения работы предельно изношенной эвольвентной зубчатой передачи при замене одного из парных колес базовой передачи на технологически новое плохоприрабатываемое эвольвентное колесо, а использование эффектов кривизны концентратора позволяет эффективно изменять торцовые профили зубьев введением малоразмерных геометрических концентраторов.

Известна принятая здесь прототипом зубчатая передача (патент РФ №1710889, Бюл. №5, 1992 г.) эвольвентного или смешанного зацепления, выполненная с углом зацепления, значение которого выбрано тем большим, чем выше продольная локализация контакта зубьев. В этой передаче эффекты кривизны контакта реализуются через зависимость влияния угла зацепления на уровень контактных напряжений от степени локализации реального контакта зубьев. Показатели конструктивной гибкости, нагрузочной способности и ресурса работы такой передачи возрастают, а ее чувствительность к отклонениям параметров контакта снижается.

К недостаткам известного решения относится жесткая связь выбора значения угла зацепления _tw с уровнем продольной локализации контакта зубьев, что ограничивает реализацию эффектов кривизны (эффектов угла зацепления) для повышения ремонтопригодности передачи.

Задача, решаемая предлагаемьм изобретением, состоит в разработке взаимозаменяемого колеса с улучшенной (реализацией эффектов кривизны контакта), относительно технологически нового базового эвольвентного колеса формой зубьев по различным показателям контактной и изгибной прочности, плотности контакта в фазах торцового пересопряжения зубьев при поэлементной взаимозаменяемости с зубчатьм колесом базовой эвольвентной передачи.

Технический результат - повышение конструктивной гибкости, сферы возможного применения, живучести и области существования эвольвентных зубчатых колес, их уровней унификации, технологичности и ремонтопригодности; снижение себестоимости в производстве и затрат на эксплуатацию.

Указанный технический результат достигается тем, что зубчатое колесо смешанного или эвольвентного зацепления с торцовым профилем зубьев, содержащим эвольвентные участки или, в сочетании, эвольвентные и неэвольвентные участки, выполнено взаимозаменяемым с заменяемым, например - ремонтируемым, зубчатым колесом базовой эвольвентной передачи с реализацией в парном зацеплении уменьшенных значений коэффициентов торцового и суммарного перекрытия зубьев, вплоть до <1 и <1, а в зацеплении с парным колесом взаимозаменяемое зубчатое колесо реализует угол зацепления, отличный от угла зацепления заменяемого колеса в его парном зацеплении, и/или образует в окрестности, как минимум, одной из фаз торцового пересопряжения зубьев неэвольвентные участки с выпукло-вогнутыми торцовыми профилями зубьев; при этом неэвольвентные участки выполнены с отклонением от эвольвентного профиля в сторону утолщения зубьев.

Эвольвентное взаимозаменяемое колесо выполнено таким образом, что число его зубьев выбрано меньшим числа зубьев заменяемого зубчатого колеса, а в парном зацеплении, например - с равномерно или малоизношенным эвольвентным колесом, оно образует эвольвентное зацепление с максимально увеличенным ( _tw> _tw°) углом зацепления _tw (относительно угла зацепления _tw° заменяемого колеса) из условия выбора значения коэффициента торцового перекрытия как _min, где 1,04 _min 1,1. Нижняя и верхняя границы диапазона определены статистически обоснованными пределами сохранения работоспособности прямозубой эвольвентной передачи при снижении перекрытия высокоточных и низкой точности передач, соответственно.

В другом случае эвольвентное взаимозаменяемое колесо выполнено таким образом, что число его зубьев выбрано большим числа зубьев заменяемого зубчатого колеса, а в парном зацеплении, например - с предельно изношенным колесом, оно образует эвольвентное зацепление с уменьшенным углом зацепления _tw< _tw° и с увеличенным, относительно фактического значения коэффициента торцового перекрытия _f° заменяемого колеса в его парном зацеплении, коэффициентом торцового перекрытия > _f°, выбираемым из условия _max, где 1,04 _min 1,3. Величина _max выбирается из заданного диапазона тем большей, чем ниже показатели точности исходной передачи.

Зубчатое колесо смешанного зацепления имеет максимальные значения отклонений зубьев каждого выпуклого неэвольвентного участка от эвольвентного торцового профиля, примерно равные максимальным величинам глубины износа по соответствующим участкам, а их текущие значения монотонно уменьшаются, по мере удаления от точки максимума, относительно глубины износа в соответствующих точках каждого участка зубьев неравномерно изношенного парного эвольвентного колеса.

В другом случае зубчатое колесо смешанного зацепления имеет минимальные значения отклонений зубьев каждого вогнутого неэвольвентного участка от эвольвентного торцового профиля, примерно равные минимальным величинам глубины износа по соответствующим участкам, а их текущие значения монотонно увеличиваются, по мере удаления от точки минимума, относительно глубины износа в соответствующих точках каждого участка зубьев неравномерно изношенного парного эвольвентного колеса.

При более сложном профиле износа парного эвольвентного колеса взаимозаменяемое зубчатое колесо смешанного зацепления выполнено таким образом, что боковая сторона торцового профиля его зубьев содержит два неэвольвентных участка у головки зуба с кривизной разного знака и с точкой перегиба, примерно соответствующей точке максимальной глубины износа парного колеса, и неэвольвентный участок у ножки зуба, описанный вогнутыми кривыми с возрастающими к основанию зубьев отклонениями от эвольвентного профиля.

Зубчатое колесо смешанного или эвольвентного зацепления выполнено таким образом, что боковая сторона торцового профиля зубьев содержит соединенные между собой малоразмерным технологическим участком два эвольвентных участка - участок у головки зубьев, с большим радиусом основной окружности, и участок у ножки зубьев, с меньшим радиусом основной окружности, выполненные с отклонениями в сторону утолщения зубьев относительно номинального профиля заменяемого колеса, возрастающими к их верхней граничной точке у головки зуба и к нижней граничной точке у ножки зуба.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг.1 представлены предлагаемые взаимозаменяемые эвольвентные колеса разного типа в зацеплении с прямозубым цилиндрическим (малоизношенным, технологически новым или равномерно изношенным) эвольвентным колесом.

На Фиг.2 показано (в фазе зацепления эвольвентных участков) взаимозаменяемое зубчатое колесо, образующее смешанное зацепление с неравномерно изношенным эвольвентным колесом.

На Фиг.3 изображено взаимозаменяемое колесо смешанного зацепления (в фазе торцового пересопряжения зубьев) в зацеплении с неравномерно изношенным эвольвентным колесом.

На Фиг.4 показан исходный контур зубьев взаимозаменяемого колеса смешанного зацепления (в паре неидентичных исходных контуров зубьев), профиль которого имеет точку перегиба по неэвольвентным участкам у головки зубьев.

На Фиг.5 изображен исходный контур зубьев взаимозаменяемого колеса смешанного зацепления (в паре неидентичных исходных контуров зубьев), профиль которого содержит малоразмерный технологический участок и два эвольвентных участка - участок у головки зубьев, с большим радиусом основной окружности, и участок у ножки зубьев, с меньшим радиусом основной окружности, выполненные с отклонениями в сторону утолщения зубьев относительно номинального профиля заменяемого колеса, возрастающими к их верхней граничной точке у головки зуба и к нижней граничной точке у ножки зуба.

Например (Фиг.1), прямозубое взаимозаменяемое цилиндрическое зубчатое колесо 1 показано в парном зацеплении с зубчатым колесом 2 (с осями O₁ и O ₂} и имеет параметры: межосевое расстояние _w=485 мм; модуль m=10 мм; угол исходного контура =20°; коэффициент высоты головки h *=1,0; числа зубьев z_{1, 2}=22/73 с уменьшенным числом зубьев z₁=22 (относительно заменяемого колеса с числом зубьев z₁=23) и увеличенный угол зацепления: _tw=23°01 38 (относительно угла зацепления заменяемого колеса _tw°=21°33 51 ) при коэффициентах смещения исходного контура х _{1, 2}=0,995/0,079 для колес 1 и 2 (относительно коэффициентов смещения зацепления заменяемого колеса х_{1, 2} =0,44/0,079) и уменьшенный (выбором _min) коэффициент торцового перекрытия =1,3392 (относительно коэффициента торцового перекрытия заменяемого колеса °=1,5466, когда линия зацепления L проходит через полюс Р) в парном зацеплении с малоизношенным колесом 2, когда линия зацепления L проходит через полюс зацепления Р . Зубья 3 и 4, 5 и 6 выполнены с эвольвентными профилями 7 и 8.

Такая конструкция позволяет реализовать эффекты кривизны профилей зубьев путем уменьшения числа зубьев взаимозаменяемого колеса, что обеспечивает (при малоизношенном, технологически новом или равномерно изношенным парном эвольвентном колесе) увеличение угла зацепления и, как результат, повышение конструктивной гибкости, сферы возможного применения, живучести и области существования эвольвентных зубчатых колес, их уровней унификации, технологичности и ремонтопригодности; снижение себестоимости в производстве и затрат на эксплуатацию, в том числе - при использовании для нарезания зубьев (методом обкатки) взаимозаменяемого колеса стандартного инструмента.

Физический смысл такого выполнения передачи заключается в том, что выявленные эффекты негерцевского влияния кривизны контакта показали опережающее значение снижения контактных напряжений при уменьшении величины по мере роста локализации реального контакта. Поэтому для улучшения прочностных показателей каждого из плохоприрабатываемых зубчатых колес на базе эффектов кривизны контакта достаточно изменить знак и/или величину радиуса кривизны профиля зубьев только в одном из зубчатых колес этой пары. Например, для зубчатых колес с неизношенными, равномерно изношенными или малоизношенными зубьями эвольвентные участки могут быть выполнены с минимально возможным (по кинематическим и геометрическим ограничениям) или близким к нему коэффициентом торцового перекрытия зубьев.

При предельном износе парного колеса 2 и коэффициенте фактического торцового перекрытия _f°=0,992, когда по конструктивным и технологическим ограничениям увеличение плотности контакта зубьев недостижимо, некоторое улучшение условий пересопряжения зубьев и продление срока службы осуществимо увеличением коэффициента перекрытия за счет снижения угла зацепления _tw < _tw° (линия зацепления L проходит через полюс зацепления Р ). Так, выполнение эвольвентного взаимозаменяемого колеса 1 (Фиг.1) с параметрами z₁=24 и х ₁=-0,079 обеспечивает рост перекрытия зубьев до =1,041 при его зацеплении с предельно изношенным колесом 2, что увеличивает живучесть передачи.

В процессе изнашивания эвольвентных зубьев их профили приобретают своеобразную форму, характер которой в большей степени определен особенностями кинематики эвольвентного зацепления, по-разному проявляющимися в прямозубых и косозубых колесах, в ведущем и ведомом колесах или при реверсе силового потока. Повторяющееся для каждой пары зубьев изменение кинематических условий контакта приводит к неравномерному их изнашиванию, типичному для разных образцов одного и того же объекта техники. В одном случае линия профиля износа плавно сопрягается с номинальным профилем, при этом ее удаление от исходного эвольвентного профиля возрастает к периферийным точкам рабочего профиля. В другом случае у ножки эвольвентного зуба по его профилю образуется вогнутый участок с максимальным отклонением примерно посередине высоты этого участка. Чаще всего в дополюсной фазе зацепления преобладает износ головки зубьев ведомого колеса, а в заполюсной фазе - износ головки зубьев ведущего колеса и ножки зубьев ведомого колеса, но существенное влияние оказывают и различие свойств поверхностного слоя зубьев взаимодействующих колес. По мере изнашивания эвольвентные зубья теряют свою взаимосопряженность, реальный коэффициент их торцового перекрытия постепенно снижается до _f<1, динамические показатели передачи резко ухудшаются и она становится неработоспособной. Поэтому предельно допускаемая величина износа обычно четко регламентирована. Например, для тяговой передачи электровоза (модуль зубьев m=10 мм) браковочная глубина износа составляет 0,5 мм.

Принципиальную возможность силового сопряжения с реализацией эффектов кривизны контакта и улучшением динамических показателей неравномерно изношенного эвольвентного зубчатого колеса дает использование смешанного зацепления IP. На фиг.2, 3, 4 и 5 показаны разные формы зубьев взаимозаменяемого колеса 1 при образовании с неравномерно изношенным колесом смешанного зацепления IP по эвольвентным 7 и 8 и неэвольвентным 9 и 10, 11 и 12 участкам (Фиг.2 и Фиг.3). Отклонения профилей L_{tmax a, f} у головки и ножки зубьев колеса 1 примерно равны глубинам износа _wf и _wa, соответственно, у ножки и головки зубьев колеса 2. Выполнение неэвольвентных участков с максимальным отклонением L_tmax (Фиг.2 и Фиг.3), регламентированным по величине с учетом конкретного браковочного диапазона величины износа каждого эвольвентного колеса, снимает необходимость в индивидуальной технологии изготовления и в селективной сборке колес IP. Повышенная плотность контакта зубьев смешанного зацепления в фазах их пересопряжения обеспечивает лучшие показатели работоспособности передачи при <1. Варианты колеса 1 с изменением знака кривизны профиля неэвольвентного участка (Фиг.4) и с внеполюсным зацеплением эвольвентных участков (Фиг.5) представлены в виде пары неидентичных исходных контуров. Колесо 1 выполнено с уменьшенной высотой головки зубьев, что создает дополнительный радиальный зазор с (относительно уступа изношенного колеса 2) к остальному радиальному зазору с. Конструкция взаимозаменяемого колеса 1 (Фиг.4) без участков радиусов _af и _fs у головки зуба 1 в ряде случаев оказывается весьма эффективной (подтверждено экспериментом) благодаря высокой плотности контакта зубьев по неэвольвентным участкам с радиусами _a и _f. Таким выполнением передачи обеспечен рост плотности контакта (приведенного радиуса кривизны торцовых профилей) зубьев (в полюсе зацепления и/или в фазах их пересопряжения), достигаемый увеличением угла зацепления _tw > _tw° (Фиг.1) или выполнением фаз торцового пересопряжения зубьев с выпукло-вогнутыми профилями и малой разностью радиусов кривизны (Фиг.2-5).

Эта конструкция позволяет реализовать эффекты кривизны профилей зубьев путем выполнения взаимозаменяемого колеса с реализацией элементов смешанного зацепления с повышением плотности контакта зубьев с выпукло-вогнутыми торцовыми профилями, что обеспечивает (при неравномерно, в том числе - предельно, изношенным парном эвольвентном колесе) увеличение плотности (относительно возможностей эвольвентного зацепления) контакта зубьев в наиболее ответственных фазах их зацепления и, как результат, повышение конструктивной гибкости, сферы возможного применения, живучести и области существования эвольвентных зубчатых колес, их уровней унификации, технологичности и ремонтопригодности; снижение себестоимости в производстве и затрат на эксплуатацию, в том числе - при использовании для нарезания зубьев (методом обкатки) взаимозаменяемого колеса стандартного инструмента.

Сборку взаимозаменяемых зубчатых колес осуществляют без изменения исходных габаритных размеров и условий компоновки всего узла. Рост плотности контакта зубьев позволяет без опасности разрушения передачи увеличить исходную локализацию контакта зубьев или улучшить условия пересопряжения зубьев и этим обеспечить возможность спаривания плохо прирабатываемых колес. Например, в конических и гипоидных передачах с круговыми зубьями возможны увеличение продольной локализации контакта зубьев (то есть снижение риска кромочного контакта) и их поэлементная взаимозаменяемость без селективного подбора колес для получения нормального сопряжения зубьев.

Испытания взаимозаменяемых колес в парном зацеплении с плохо прирабатываемыми (цементация, закалка до твердости поверхности зубьев H HRC57) цилиндрическими прямозубыми (модуль зубьев m=4,25 мм) с коническими с круговыми зубьями (средний нормальный модуль m=4,0 мм) подтвердили возможность комплектации «парного» колеса (одного из колес уже бывшей в эксплуатации эвольвентной передачи - как с малоизношенными, так и с предельно изношенными зубьями) штатно-изготовленным (без селекции) взаимозаменяемым колесом. В результате такой комплектации отсутствует необходимость в дорогостоящих операциях (демонтаж парного эвольвентного колеса и замена обоих колес на новые), а сама передача с взаимозаменяемым колесом смешанного или эвольвентного зацепления превосходит эвольвентную передачу по динамическим показателям и ресурсу безотказной работы, а срок службы «парного» эвольвентного колеса возрастает.

Настоящее решение может быть успешно использовано в различных отраслях техники при разных требованиях к точности изготовления, твердости поверхности зубьев, легированности и химико-термической обработки материала зубчатых колес. Оно дает возможность комплектации плохо прирабатываемых эвольвентных (в том числе - предельно изношенных) колес с новьми зубчатьми колесами, что повышает живучесть зубчатых колес, снижает (особенно - с дорогостоящими или сложнодемонтируемыми эвольвентными зубчатьми колесами) трудоемкость и стоимость эксплуатации привода.

В результате повышаются конструктивная гибкость, сфера применения поэлементной взаимозаменяемости и уровень ремонтопригодности зубчатых передач, живучесть и область существования эвольвентных зубчатых колес, их уровень унификации, технологичности и ремонтопригодности; снижаются себестоимость в производстве и затраты на эксплуатацию.