Упругое зубчатое колесо

 

Изобретение относится к машиностроению. Использование изобретения позволяет повысить надежность и снизить виброакустическую активность зубчатых колес, работающих в условиях действия осевых нагрузок, путем компенсации упругих деформаций в передаче. Упругое зубчатое колесо содержит ступицу, венец и соединяющие их упругие элементы в виде закрепленных на них своими торцами и равномерно размещенных по окружности колеса балок для восприятия изгибающих нагрузок. Балки располагаются по усеченной конической поверхности с меньшим и большим основаниями конуса соответственно на ступице и венце и под углом к образующей упомянутой конусной поверхности, величина которого определяется по соответствующей формуле в зависимости от их конструктивных параметров и необходимой осевой податливости венца относительно ступицы. 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано, преимущественно, в тяжело нагруженных передачах, работающих в условиях высоких динамических и осевых нагрузок.

Известно зубчатое колесо, содержащее обод, ступицу и соединяющие их упругие балки.

Недостатком известного зубчатого колеса является низкая надежность, т. к. конструктивные параметры упругих балок, а следовательно, и их жесткость, не выбираются в зависимости от необходимой окружной податливости венца относительно ступицы.

Известно упругое зубчатое колесо, содержащее ступицу, венец и соединяющие их упругие элементы в виде балок, закрепленных на них своими концами и равномерно размещенных вдоль образующих соосной колесу усеченной конической поверхности с меньшим и большим основаниями конуса соответственно на ступице и венце, а длина балок выбрана из соотношения L= ^, где L - длина балок, Е - модуль упругости материала балки, j - момент инерции поперечного сечения балки, n - число балок, r - радиус большего основания конуса, R - радиус делительной окружности венца, δ - заданная окружная податливость венца относительно ступицы.

Использование данного технического решения в цилиндрических зубчатых передачах позволяет повысить их надежность и снизить виброакустическую активность за счет гашения динамической составляющей нагрузки.

Однако при использовании известного упругого зубчатого колеса в передачах, работающих в условиях действия осевых нагрузок (конические, гиподные, спироидные, винтовые, червячные) под нагрузкой происходит нарушение взаимного расположения сопряженных зубчатых колес из-за деформаций деталей передачи и из-за осевого перемещения венца относительно ступицы при изгибе соединяющих их упругих балок.

В ряде случаев нарушение взаимного расположения контактирующих зубчатых колес приводит к их кромочному контактированию, резко снижающему надежность и повышающему виброакустическую активность колес, что является существенным недостатком.

Целью изобретения является повышение надежности и снижение виброакустической активности упругих зубчатых колес, работающих в условиях действия осевых нагрузок (конические, гипоидные, спироидные, винтовые, червячные).

Поставленная цель достигается тем, что в упругом зубчатом колесе, содержащем ступицу, венец и соединяющие их упругие элементы, в виде закрепленных на них своими концами и равномерно размещенных по окружности колеса балок, последние размещены по соосной с колесом усеченной конической поверхности с меньшим и большим основаниями конуса соответственно на ступице и венце, при этом, для компенсации упругих деформаций в передаче, каждая из балок размещена под углом к образующей упомянутой конусной поверхности и величину этого угла определяют из соотношения γ= arctg , где n - количество балок, L - длина балок, Е - модуль упругости материала балок, j - момент инерции поперечного сечения балки, r - радиус большего основания конуса, R - радиус делительной окружности венца, δ_o - осевая податливость венца относительно ступицы, β - угол наклона образующей конической поверхности к оси вращения колеса.

На фиг.1-3 показано упругое зубчатое колесо.

Упругое зубчатое колесо содержит ступицу 1, венец 2 и соединяющие их упругие элементы в виде закрепленных на них своими концами и равномерно размещенных по окружности колеса балок 3 для восприятия изгибающих нагрузок. Балки 3 размещены на соосной колесу усеченной конической поверхности с меньшим и большим основаниями конуса соответственно на ступице 1 и венце 2, а длина балок 3 и угол их наклона к образующей конуса выбраны из соотношений _, γ= arctg , где L - длина балки 3, Е - модуль упругости материала балки 3, j - момент инерции поперечного сечения балки 3, n - число балок 3, r - радиус большего основания конуса, R - радиус делительной окружности венца 2, δ - заданная окружная податливость венца 2 относительно ступицы 1, δ_o - осевая податливость венца 2 относительно ступицы 1, необходимая для компенсации упругих осевых деформаций деталей передачи при ее работе, β - угол наклона образующей конической поверхности к оси вращения зубчатого колеса, γ - угол наклона оси балок к образующей конической поверхности.

Зависимость для определения γ получена следующим образом.

Величина окружного перемещения обода под действием окружной нагрузки определится по формуле Δ_в= =Δ_n· , а, т.к. окружная податливость венца есть отношение перемещения к нагрузке, то δ= = .

В направлении расположения образующей конической поверхности осевое перемещение концов балок составит Δ₀₁=Δ_в˙tgγ.

В направлении оси зубчатого колеса осевое перемещение концов балок, и соответственно венца составит Δ_o=Δ₀₁˙cosβ=Δ_в˙tgγ˙cosβ.

Разделив Δ_o на нагрузку получим зависимость осевой податливости венца относительно ступицы от конструктивных параметров балок δ_o= = откуда
γ= arctg , где Р_в - окружная сила в зацеплении, Р_п = = P= - часть окружной силы, приходящейся на одну балку, L - длина балки, Е - модуль упругости материала балки, j - момент инерции поперечного сечения балки, n - числo балок, r - радиус большего основания конуса, R - радиус делительной окружности венца 2, δ - заданная окружная податливость венца 2 относительно ступицы 1, δ_o - осевая податливость венца 2 относительно ступицы 1, необходимая для компенсации упругих осевых деформаций деталей передачи при ее работе, β - угол наклона образующей конической поверхности к оси вращения зубчатого колеса. γ - угол наклона оси балок к образующей конической поверхности.

Колесо может быть снабжено размещенным в полости конуса вибродемпфирующим материалом 4. При креплении ступицы 1 к валу 5 материал 4 размещается между балками 3 и наружной поверхностью вала 5. Крепление ступицы 1 к валу 5 выполнено в виде размещенного в параллельной оси ступицы 1 прорези болта 6, что допускает регулировку осевого положения венца относительно вала 5 и относительно сопряженного зубчатого колеса в передаче.

При работе зубчатого колеса динамическая составляющая нагрузки уменьшается за счет изгиба упругих балок 3, а осевые упругие деформации деталей передачи компенсируются осевым смещением венца 2 относительно вала 5, такой же величины, но противоположного направления за счет осевого перемещения концов упругих балок 3 при их изгибе.

Если зубчатое колесо вращается по часовой стрелке ((↑I)I) (фиг.3); а осевая составляющая нагрузки ()_I) действует "влево", то необходимое осевое перемещение венца 2 относительно ступицы 1 обеспечивается "выпрямлением" упругих балок 3.

Если направление вращения меняется ((↓II)II), и, соответственно, направление осевой нагрузки (()_II) на противоположное, то необходимое осевое перемещение венца 2 относительно ступицы 1 происходит за счет изгиба балок 3.

При использовании предлагаемого упругого зубчатого колеса в прямозубой конической передаче, при работе которой осевая составляющая нагрузки всегда действует в одном направлении (от вершины делительного конуса, независимо от направления вращения), эта передача должна быть нереверсивной, а направление наклона балок 3 должно быть "противоположным" направлению вращения колеса (например, как в случае 1, показанном на фиг.3), т.е. так, чтобы при выпрямлении балок 3 происходило бы такое (по направлению) осевое перемещение венца 2, относительно ступицы 1, которое бы компенсировало осевые упругие деформации деталей передачи.

Зубчатое колесо просто по конструкции, технологично, обеспечивает высокие эксплуатационные показатели.

Формула изобретения

УПРУГОЕ ЗУБЧАТОЕ КОЛЕСО, содержащее ступицу, венец и соединяющие их упругие элементы в виде закрепленных на них своими концами и равномерно размещенных по окружности колеса балок, последние размещены по соосной с колесом усеченной конической поверхности с меньшим и большим основаниями конуса соответственно на ступице и венце, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и снижения виброакустической активности в условиях действия осевых нагрузок путем компенсации упругих деформаций в передаче, каждая из балок размещена под углом к образующей упомянутой конусной поверхности, величина которого определяется из соотношения
γ = arctg , ,
где n - количество балок;
L - длина балок;
Е - модуль упругости материала балок;
I - момент инерции поперечного сечения балки;
r - радиус большего основания конуса;
R - радиус длительной окружности венца;
δ_o - осевая податливость венца относительно ступицы, необходимая для компенсации осевых упругих деформаций деталей передачи;
β - угол наклона образующей конической поверхности к оси вращения колеса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3