Косозубая шестерня

 

Изобретение относится к машиностроению. Косозубая шестерня содержит металлическую ступицу, жестко соединенные с ней зубчатый венец и полимерный диск. Полимерный диск и венец выполнены из стеклонаполненного полимера, например, армамида, с расчетным коэффициентом линейного расширения α. Наружная поверхность ступицы выполнена с отдельными Н-образными в сечении выступами, имеющими поднутрение. Переход полимерного диска к ступице выполнен по радиусу, а наружный диаметр d ступицы определяется из приведенного в описании соотношения. Технический результат: повышены эксплуатационные характеристики шестерни при экстремальных температурных условиях и улучшено качество литья полимерного диска. 3 ил.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях, имеющих шестеренчатую передачу и, в частности, в шестерне распределительного вала двигателя автомобиля.

Известны зубчатые колеса [1], выполненные из пластмассы с металлической ступицей.

Недостатком этих колес являются сложность их изготовления, невысокий уровень эксплуатационных характеристик при больших нагрузках.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является косозубая шестерня [2], содержащая металлическую ступицу и жестко соединенные с ней зубчатый венец и полимерный диск, выполненные из полиамида с ребрами жесткости таким образом, что отношение площади поперечного сечения венца к сумме площадей поперечного сечения диска и ребер от 1:2 до 1:4, а количество ребер определяется из соотношений: B₁=B₂=(1/25÷1/35)D_ш, где N_реб - количество ребер; D_дел - делительный диаметр шестерни; B₁ - толщина диска; B₂ - толщина зубчатого венца; D_ш - диаметр окружности вершин зубьев.

Недостатком известной косозубой шестерни, принятой за ближайший аналог (прототип), является небольшая несущая способность (сцепная сила) соединения полимерного диска со ступицей, возможность потери прочности (растрескивание) полимерного диска при пониженных температурах, возможность потери центрирования полимерного диска и ступицы при повышенных температурах.

Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных характеристик шестерни при экстремальных температурных условиях и улучшение качества литья полимерного диска.

Указанный технический результат достигается тем, что в косозубой шестерне, содержащей металлическую ступицу, жестко соединенные с ней зубчатый венец и полимерный диск, согласно изобретению полимерные диск и зубчатый венец выполнены из стеклонаполненного полимера, например армамида, с коэффициентом линейного расширения α₁, определяемым выражением: α₁-α₂≤15•10^-6 [1/°C], где α₂ - коэффициент линейного расширения ступицы.

Наружная поверхность ступицы для ее жесткого соединения с полимерным диском выполнена с отдельными H-образными в сечении выступами, имеющими поднутренние, причем переход полимерного диска к ступице выполнен по радиусу, а наружный диаметра ступицы определяется соотношением:

где Δt - перепад рабочих температур.

Сущность изобретения проясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен общий вид косозубой шестерни, на фиг.2 - металлическая ступица (вид сбоку), на фиг.3 - вид сверху на Н-образные выступы на поверхности ступицы.

Косозубая шестерня содержит металлическую ступицу 1, жестко соединенные с ней полимерный диск 2 с зубчатым венцом 3 и ребрами 4. Ступица 1 снабжена Н-образными выступами 5 с поднутрением 6.

Работа и устройство косозубой шестерни состоит в следующем. Металлическая ступица 1 снабжена H-образными выступами для того, чтобы увеличить несущую способность соединения диска 2 и ступицы 1.

Материал при заливке диска 2 обволакивает выступы 5 по максимально возможной поверхности, причем полимер на этих участках не прерывается металлом насквозь, т.е. соединение не ослабляется. Поднутрения 6 необходимы при повышенных температурах. Полимер, обладая большим коэффициентом линейного расширения, старается оторваться от металлической ступицы 1 и нарушить центрирование, однако материал диска 2, находящийся в поднутрении 6, препятствует этому. При пониженных температурах полимерный диск 2, обладая большим коэффициентом линейного расширения, старается сдавить металлическую ступицу 1. В месте их соединения возникают напряжения, которые могут превысить предел прочности полимера, и он может лопнуть. С целью предотвращения этого согласно изобретению полимерный материал выполнен стеклонаполненным, например армамид [4], с очень маленьким коэффициентом линейного расширения α₁=25•10^-6 [1/^oC], при этом должно α₁-α₂≤15•10^-6 [1/^oС].

Ступица в основном выполняется из стали или чугуна α₂=10÷12•10^-6 [1/^oС] (для повышения механической прочности). Правомерность этого выражения докажем дальше.

Известно, чем больше разность коэффициентов линейного расширения охватывающей и охватываемой детали, тем большие напряжения возникают в местах их соединения.

Из литературы [3] известно
Δt = 10³d(α₁-α₂)Δt,
где Δt - температурный натяг (или зазор),
d - диаметр соединения охватывающей и охватываемой детали,
α₁, α₂ - коэффициенты линейного расширения этих деталей,
Δt - перепад температур.

Отсюда

Согласно графикам по формулам Ламе [3] максимальный температурный натяг ▿t для сочетания cтали или чугуна и материала Армамид [4] равен около 100 мкм, поэтому

Это максимальный диаметр сочленения стальной ступицы и армамида.

Имея α₁-α₂=15•10^-6 [1/^oС] и Δt=70^oС, т.е. разность от 20^oС до допустимой рабочей температуры автомобиля 50^oС, получим d≈95 мм. Это тот предельный диаметр ступицы 1, при котором сохраняется прочность материала Армамид, охватывающего стальную ступицу. В общем случае:

Из литературы [3] известно, что на краях сочленения при тепловых натягах возникают концентрации напряжений. Для их устранения края охватывающей детали делают с фаской.

Однако согласно изобретению переход полимерного диска 2 к ступице выполнен по радиусу. Это плавнее снижает концентрацию напряжений.

К тому же при литье шестерни не образуется турбулентного потока, а поток материала идет ламинарный, без завихрений, а значит без воздушных включений. Этим самым повышается прочность литьевых заготовок и качество.

Согласно признакам предложенного изобретения авторы провели опытную работу и получили положительные результаты.

Источники информации
1. Белый В. А. "Зубчатые передачи из пластмасс", Минск, 1965 г., Машиностроение.

2. "Косозубая шестерня" патент РФ 2016296, кл. F 16 Н 55/02.

3. Орлов П.И. "Основы конструирования", Москва, 1977 г., Машиностроение.

4. Армамид. Технические условия ТУ 2243-015-11378612-97.

Формула изобретения

Косозубая шестерня, содержащая металлическую ступицу, жестко соединенные с ней зубчатый венец и полимерный диск, выполненные из полиамида с ребрами жесткости, отличающаяся тем, что полимерный диск и зубчатый венец выполнены из стеклонаполненного полимера, например Армамида, с коэффициентом линейного расширения α₁, определяемым выражением
α₁-α₂≤15•10^-61/°C,
где α₂ - коэффициент линейного расширения ступицы;
наружная поверхность ступицы для ее жесткого соединения с полимерным диском выполнена с отдельными Н-образными в сечении выступами, имеющими поднутрения, причем переход полимерного диска к ступице выполнен по радиусу, а наружный диаметр d ступицы определяется соотношением

где Δ_t - температурный натяг (или зазор), мкм (Δ_t= 100 мкм = 0,1 мм);
d - диаметр соединения охватывающей и охватываемой детали, мм;
α₁, α₂ - коэффициенты линейного расширения этих деталей, 1/^oС;
Δt - перепад температур, ^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3