Эвольвентное зацепление

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к автомобилестроению, станкостроению, редукторостроению, тракторостроению, краностроению, самолетостроению, производству силовых эвольвентных зубчатых передач, применяемых в приводах машин и в их коробках. Эвольвентное зацепление содержит шестерню и колесо без смещений с укороченными по высоте зубьями, профилируемыми по методу обкатки в процессе механической обработки резанием на зуборезных металлорежущих станках зуборезными инструментами. Для улучшения формы зубьев колес, повышения изгибной нагрузочной способности эвольвентных передач, уменьшения габаритов и металлоемкости приводов машин и их коробок значения исходного производящего контура зуборезных инструментов выбраны по приведенным формулам. 3 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к его отраслям: автомобилестроению, станкостроению, редукторостроению, тракторостроению, краностроению, самолетостроению, и предназначено для производства силовых эвольвентных зубчатых передач, применяемых в приводах машин и в их коробках.

Известно эвольвентное зацепление, содержащее колеса со стандартными укороченными по высоте зубьями (см. для цилиндрической передачи - Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. Учеб. для втузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988, с.431, 432; Кожевников С.Н. Теория механизмов и машин. Учеб. пособ. для студ. вузов.- 4-е изд., исправл.- М.: Машиностроение, 1973, с. 219).

Для применяемого стандартного эвольвентного зацепления, содержащего колеса с укороченными по высоте зубьями, характерно (для нулевой цилиндрической передачи) постоянное отношение высоты зубьев h к стандартному модулю m, СТ СЭВ 310-76, для ненулевых передач это отношение может незначительно изменяться в зависимости от значений коэффициента смещения исходного контура зуборезного инструмента для профилирования зубьев шестерни x₁ и зубьев колеса x₂ где h_a^*= 0,8 - коэффициент высоты головки зуба исходного контура, ГОСТ 13755-81; c^* = 0,2 - коэффициент радиального зазора в цилиндрической передаче; Δy = x₁+x₂-y - коэффициент уравнительного смещения; y - коэффициент воспринимаемого смещения, определяемый по выражению где Z₁ и Z₂ - соответственно числа зубьев шестерни и колеса;
α = 20^o - профильный угол (угол профиля) зуба исходного контура;
α_w - угол зацепления.

Жесткое ограничение стандартом, ГОСТ 13755-81, значений h_a^* исходного контура, а именно: h_a^* = 0,8, при симметричном по высоте головок и ножек зубьев исходном контуре, что соответствует условию h_f^* = h_а^*, где h_f^* - коэффициент высоты ножки зуба, не позволяет конструктору при проектировании зубчатых передач улучшать форму зубьев колес, количественно оцениваемую комплексным параметром - коэффициентом формы зуба Y_F, с целью повышения изгибной нагрузочной способности передач.

Для профилирования укороченных и нормальных по высоте зубьев цилиндрических колес по методу обкатки применяют зуборезные инструменты со стандартными значениями параметров исходного контура, а именно:
1) для укороченных по высоте зубьев
h_a^*= 0,8; h_f^* = h_a^*; h_l^* = h_a^* + h_f^* = 1,6; c^* = 0,2;
2) для нормальных по высоте зубьев
h_a^* = 1; h_f^* = h_a^*; h_l^* = 2h_a^* = 2; c^* = 0,25;
где h_l^* - коэффициент граничной высоты исходного контура.

Если число зубьев шестерни или колеса Z < Z_min, то в процессе профилирования зубьев по методу обкатки стандартным зуборезным инструментом происходит явление подрезания профилей зубьев у их оснований (ножек), где Z_min - минимальное значение Z, при котором не происходит подрезание профилей зубьев.

Минимальное число зубьев колеса определяют по выражению (для прямозубой цилиндрической передачи)

Для укороченных по высоте зубьев при h_a^* = 0,8 и α = 20^o Z_min = 14, для нормальных по высоте зубьев при h_a^* = 1 и α = 20^o Z_min = 17.

Таким образом, применяемые стандартные зуборезные инструменты становятся непригодными для профилирования зубьев колес с малым числом зубьев. Для устранения нежелательного явления подрезания профилей зубьев колес нужно было проектировать и изготовлять другие зуборезные инструменты - с нестандартными значениями h_a^* исходного контура. Но это было дорого при низком уровне развития инструментального производства, и поэтому было предложено корригирование (исправление профилей зубьев) зубчатых колес, заключающееся в смещении стандартного зуборезного инструмента от оси обрабатываемого колеса на зуборезной операции технологического процесса его изготовления на величину смещения X₁, определяемую по выражению

где x_1min - минимальное значение коэффициента смещения исходного контура зуборезного инструмента x₁, при котором не происходит подрезание профилей зубьев шестерни.

Колеса, профили зубьев которых образованы при смещенном (относительно оси колеса) стандартном зуборезном инструменте, принято называть колесами со смещениями. Если инструмент удаляют от оси колеса, то получают колесо с положительным смещением, если приближают к оси колеса - с отрицательным смещением.

При корригировании зубчатых колес достигают двух положительных эффектов:
1) устраняют подрезание профилей зубьев шестерни с Z₁ < Z_min;
2) улучшают (но незначительно) форму зубьев колес и, следовательно, повышают изгибную нагрузочную способность передач с коррекцией.

Необходимо особо отметить то обстоятельство, что применение корригированных колес и передач с коррекцией наряду с получением указанных выше положительных эффектов привнесло и отрицательные: усложнился геометрический расчет колес и передач, появилась математическая неопределенность при выборе коэффициентов смещения шестерни x₁ и колеса x₂, изменились значения межосевого расстояния (для прямозубой цилиндрической передачи) и стали нестандартными, угол зацепления α_w при угловой коррекции передачи стал отличаться от α = 20^o.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного эвольвентного зацепления с укороченными по высоте зубьями колес, относится то, что в применяемом эвольвентном зацеплении зубья колес профилируются стандартным зуборезным инструментом, имеющим стандартные значения параметров исходного контура, ГОСТ 13755-81, а именно:
h_a^* = 0,8; h_f^* = h_a^*; h_l^* = h_a^* + h_f^* = 1,6; c^* = 0,2;
В настоящее время наибольшее применение в технике нашло эвольвентное зацепление, содержащее колеса с нормальными по высоте зубьями (для цилиндрической передачи см. Артоболевский И. И. Теория механизмов и машин. Учеб. для втузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит., 1988, с. 428, 436, 449, 451, 453 - 460, для других передач см. далее), принятое за прототип.

Для цилиндрической передачи, содержащей колеса без смещений (x₁ = x₂ = 0), высота нормальных зубьев h равна h = (2h_a^* + c^*)·m = (2·1 + 0,25)·m = 2,25m; для колес со смещениями Фиксация стандартом значения h_a^*, равного 1, не позволяет конструктору улучшать форму зуба и повышать изгибную нагрузочную способность передачи.

Наиболее близким эвольвентным зацеплением к заявленному изобретению по совокупности признаков является эвольвентное зацепление с укороченными по высоте зубьями колес (см. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. Учеб. для втузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. физ.- мат. лит. , 1988, с. 431, 432; Кожевников С. Н. Теория механизмов и машин. Учеб. пособ. для студ. вузов.- 4-е изд., исправл.- М.: Машиностроение, 1973, с. 219) и принятое за аналог.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании эвольвентного зацепления с укороченными по высоте зубьями колес, принятого за аналог, относится то, что стандарт, ГОСТ 13755 - 81, на исходный контур эвольвентного зацепления не разрешает применять зуборезные инструменты с значениями параметров исходного контура, отличающимися от стандартных значений: h_a^* = 0,8; h_f^* = h_a^*; c^* = 0,2.

Сущность изобретения заключается в следующем. Изобретение направлено на решение задачи дальнейшего совершенствования передач эвольвентного зацепления с целью повышения их изгибной нагрузочной способности для уменьшения габаритов и материалоемкости приводов машин и их коробок.

Технический результат состоит в улучшении формы зубьев колес, в повышении изгибной нагрузочной способности эвольвентных передач, в уменьшении габаритов и материалоемкости приводов машин и их коробок.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном эвольвентном зацеплении, содержащем колеса с укороченными по высоте зубьями, профилируемыми по методу обкатки в процессе механической обработки резанием на зуборезных метеллорежущих станках зуборезными инструментами, имеющими исходный контур, значения параметров которого соответствуют условиям
h^*_a ≠ 1 и h_l^* = h_a^* + h_f^* < 2,
где h_f^* - коэффициент высоты головки зуба;
h_l^* - коэффициент граничной высоты;
h_f^* - коэффициент высоты ножки зуба,
дополнительно определены значения параметров исходных контуров зуборезных инструментов для профилирования зубьев шестерни и зубьев колеса в соответствии с условиями:

где индексы 1 и 2 при параметрах исходных контуров относятся соответственно к зуборезным инструментам для профилирования зубьев шестерни и зубьев колеса.

Кроме того, особенность предлагаемого эвольвентного зацепления заключается в том, что при профилировании укороченных по высоте зубьев колес по методу обкатки в процессе механической обработки резанием на зуборезных металлорежущих станках зуборезными инструментами, имеющими предлагаемые, определяемые по ниже приведенному алгоритму, значения параметров исходных контуров, никогда не будет происходить подрезание профилей зубьев колес у их ножек, отпадает само понятие Z_min, это в свою очередь позволило уменьшить значение Z₂ при заданном значении передаточного отношения и габариты привода.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогичных заявленному изобретению, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном эвольвентном зацеплении, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "НОВИЗНА".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ" заявитель провел дополнительный поиск известных зацеплений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного эвольвентного зацепления. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности, заявленным изобретением.

Не предусматриваются следующие преобразования:
- дополнение известного эвольвентного зацепления какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;
- замена какой-либо части (частей) известного эвольвентного зацепления другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
- исключение какой-либо части (элемента) зацепления с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижение при этом обычного для такого исключения результата (упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности);
- увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;
- выполнение колес известного эвольвентного зацепления из известных материалов для колес для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этих материалов;
- создание эвольвентного зацепления, состоящего из известных колес, выбор высоты зубьев которых осуществлен на основании известных рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обуславливается только свойствами предлагаемого эвольвентного зацепления.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида.

Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ".

На чертежах представлено следующее.

На фиг. 1 изображено цилиндрическое колесо с укороченным по высоте и нормальным зубом.

На фиг. 2 изображен предложенный исходный контур, несимметричный по высоте головок и ножек зубьев.

На фиг. 3 изображен стандартный исходный контур, симметричный по высоте головок и ножек зубьев, значения параметров которого зафиксированы ГОСТом 13755-81.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

Предлагаемое эвольвентное зацепление может содержать цилиндрические, конические и червячное колеса с прямыми, косыми и непрямыми зубьями, укороченными по их высоте (см. фиг. 1) до значений, отличающихся от стандартных, профилируемыми по методу обкатки зуборезными инструментами, имеющими нестандартные значения параметров исходных контуров, определенные по приведенному ниже алгоритму, исходя из конкретных условий. Такие зубья колес имеют лучшую форму зуба и большую изгибную нагрузочную способность по сравнению со стандартными укороченными и нормальными по высоте зубьями.

Из сопоставления значений параметров стандартных и предлагаемых исходных контуров видно, что применяемые эвольвентные зацепления с укороченными и нормальными по высоте зубьями колес являются частными случаями более общего эвольвентного зацепления при фиксации стандартом, ГОСТ 13755-81, значений параметров исходного контура (см. фиг. 3):
1) h_a^* = 0,8; h_f^* = h_a^*; h_l^* = h_a^* + h_f^* = 1,6; c^* = 0,2;
2) h_a^* = 1; h_f^* = h_a^*; h_l^* = 2h_a^* = 2; c^* = 0,25.

Предлагаемое эвольвентное зацепление получено при целенаправленном назначении (определении) значений параметров исходных контуров зуборезных инструментов для профилирования зубьев шестерни с числом зубьев Z₁ и для профилирования зубьев колеса с числом зубьев Z₂ по следующему алгоритму:
1) Из условия устранения подрезания профилей зубьев шестерни определено значение по выражениям:
- для нормальных по высоте зубьев колес и
- для укороченных по высоте зубьев колес.

2) Из выражения для определения значения коэффициента перекрытия ε_α, необходимого для обеспечения непрерывности вращения колеса Z₂,

где - соответственно радиусы вершин зубьев шестерни и колеса;
- соответственно основные радиусы шестерни и колеса;
a_w - межосевое расстояние передачи;
α_w - угол зацепления;
α = 20^o - профильный угол зубьев исходного контура;
[ε_α] - допустимые значения коэффициента перекрытия: 1,05 - 1,3 - для прямозубой цилиндрической передачи в зависимости от степени ее точности; [ε_α] = 1,0 при значении коэффициента осевого перекрытия ε_β = 1,0 для косозубой передачи;
определено необходимое значение при значении , вычисленном по формуле

где r₂ - делительный радиус колеса, совпадающий с начальным радиусом;
- коэффициент высоты ножки зуба исходного контура колеса;
- коэффициент высоты головки зуба исходного контура шестерни.

3) Из формулы выpaзили и определили его значение по выражению

где r₁ - делительный радиус шестерни, совпадающий с начальным радиусом.

4) Из условия создания радиального зазора в передаче стандартной величины приняли (учтено ранее в п. 2). Здесь учтено также то обстоятельство, что головки зубьев исходного контура профилируют ножки зубьев колес, а ножки зубьев исходного контура профилируют головки зубьев колес.

5) Из условия равенства высот зубьев колес определили коэффициент граничной высоты исходных контуров

Для стандартных исходных контуров h_f^* = h_a^* это соответствует симметричным по высоте головок и ножек зубьев исходным контурам, при этом h_a^* может принимать только два значения:
либо h_a^* = 0,8 - для укороченных по высоте зубьев колес;
либо h_a^* = 1 - для нормальных по высоте зубьев колес.

Предлагаемое эвольвентное зацепление получено при использовании двух несимметричных по высоте головок и ножек зубьев исходных контуров, служащих для профилирования зубьев шестерни и зубьев колеса с нестандартными, уменьшенными значениями высоты зубьев.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного эвольвентного зацепления следующей совокупности условий:
- изменение значений параметров исходных контуров, а именно:

воплощающих заявленное эвольвентное зацепление при его осуществлении, предназначено для использования в области машиностроения, а именно для производства силовых эвольвентных зубчатых передач с повышенной изгибной нагрузочной способностью, применяемых в приводах машин и в их коробках;
- для заявленного эвольвентного зацепления в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств или известных до даты приоритета средств и методов;
- эвольвентное зацепление, воплощающее заявленное изобретение, при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ".

Формула изобретения

Эвольвентное зацепление, содержащее шестерню и колесо без смещений с укороченными по высоте зубьями, профилируемыми по методу обкатки в процессе механической обработки резанием на зуборезных металлорежущих станках зуборезными инструментами, имеющими исходный производящий контур, значения которого выбраны из условия
h^*_a ≠ 1, h_l^* = h_a^* + h_f^* < 2,
где h_a^* - коэффициент высоты головки зуба исходного контура;
h_f^* - коэффициент высоты ножки зуба исходного контура;
h_l^* - коэффициент граничной высоты,
отличающееся тем, что дополнительно выбраны значения параметров исходных контуров зуборезных инструментов для профилирования зубьев шестерни и зубьев колеса в соответствии с условиями

где индексы 1 и 2 при параметрах исходных контуров относятся соответственно к зуборезным инструментам для профилирования зубьев шестерни и зубьев колеса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3