Зубчатая передача железнодорожного транспортного средства с системой параллельного карданного привода
Изобретение относится к зубчатым передачам. Зубчатая передача железнодорожного транспортного средства с системой параллельного карданного привода имеет косозубую шестерню и косозубое зубчатое колесо, которые вместе составляют пару. Шестерня и зубчатое колесо соответственно имеют следующие характеристики зубчатой передачи: модуль 4-8, угол давления 20-30° и угол спирали 15-30°, выполнена бочкообразность на поверхности зуба в направлении линии зуба шестерни. Поверхность зуба имеет форму синусоидальной кривой с вершиной, расположенной в центральной области в направлении ширины зубчатого венца шестерни, причем синусоидальная кривая выражена посредством единственной синусоидальной функции и проходит по всей ширине в направлении ширины зубчатого венца косозубой шестерни. Обеспечивается снижение затрат на изготовление, а также снижение вибрации и шумов при работе зубчатой передачи. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 14 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к зубчатой передаче (зубчатому устройству) железнодорожного транспортного средства с системой параллельного карданного привода, имеющей пару, состоящую из косозубой шестерни и косозубого зубчатого колеса, каждое из которых имеет следующие свойства зуба: модуль 4-8, угол давления 20-30°, и угол спирали 15-30°.
Предпосылки создания изобретения
[0002] Железнодорожные транспортные средства с системой параллельного карданного привода передают крутящие моменты, вырабатываемые основными электрическими двигателями, которые прикреплены к тележкам, к осям вращения через гибкие соединения и зубчатые передачи для вращения колес транспортного средства, расположенных на осях, посредством этого заставляя железнодорожные транспортные средства двигаться по рельсам. Каждая из зубчатых передач, используемых для этого типа железнодорожных транспортных средств (далее в этом документе называемых просто “зубчатая передача (устройство)”) оснащена косозубым зубчатым колесом (большим зубчатым элементом) (далее в этом документе просто называемым “зубчатое колесо”) и косозубой шестерней (меньшим зубчатым элементом) (далее в этом документе просто называемой “шестерня”), которые вращаются в зубчатом зацеплении друг с другом для того, чтобы посредством этого передавать крутящий момент. В этом случае, шестерня, прикрепленная к оси вращения, которая присоединена к гибкому соединению, и зубчатое колесо, прикрепленное к ведущей оси, расположены в корпусе зубчатой передачи. Части оси вращения, расположенные на обеих осевых сторонах шестерни, удерживаются с возможностью вращения в корпусе зубчатой передачи посредством соответствующих первых конических роликовых подшипников, и части ведущей оси, расположенные на обеих осевых сторонах зубчатого колеса, удерживаются с возможностью вращения в корпусе зубчатой передачи посредством соответствующих вторых конических роликовых подшипников.
[0003] В этом типе зубчатой передачи, в случае, если вязкость смазочного масла, подаваемого к коническим роликовым подшипникам, изменяется вследствие, например, изменения температуры, приводя к ухудшению смазывания, возникает проблема, заключающаяся в заклинивании конических роликовых подшипников. В качестве решения, этот тип зубчатой передачи собирается так, чтобы осевые зазоры между внутренним кольцом и наружным кольцом, соответственно, каждого из первого и второго конических роликовых подшипников и соответствующими роликами, то есть, выставления так называемой величины (σs) осевого люфта выполнялись посредством прокладок. По сравнению с величинами осевого люфта (20-30 мкм) в обычных промышленных зубчатых передачах, нормальной практикой является сборка зубчатых передач железнодорожного транспортного средства с очень большими величинами осевого люфта (например, σs: 60-170 мкм на стороне шестерни и σs: 80-210 мкм на стороне зубчатого колеса). В случае если величина осевого люфта задана как очень большая величина, дрожание вокруг оси вращения конических роликовых подшипников увеличивается и, вместе с этим, также увеличивается наклонение оси вращения в осевом центре шестерни. В результате этого, во время перемещения транспортного средства (во время вращения шестерни), сопровождаемого вибрациями гибкого соединения, возникает большая прецессия шестерни, приводящая к возникновению отрицательного воздействия на зубчатое зацепление пары, состоящей из зубчатого колеса и шестерни.
[0004] Здесь следует заметить, что величина осевого люфта на стороне зубчатого колеса все еще задана большей по сравнению с величиной осевого люфта шестерни. Обычно сама по себе ведущая ось, к которой прикреплено зубчатое колесо, больше в направлении осевой длины и поддерживается на рельсах посредством колес, которые установлены снаружи на каждой стороне ведущей оси. По упомянутым выше причинам и по другим причинам, даже если величина осевого люфта задана как более крупная величина, можно считать, что на зубчатое зацепление зубчатого колеса и шестерни, которые образуют пару, происходит небольшое воздействие или не происходит воздействие. В таком случае, в отношении зубчатого колеса, обычно не выполняются изменение профиля зуба на поверхности зуба в направлении глубины зуба, и изменения бочкообразности и затыловки на поверхности зуба в направлении линии зуба. Вместо этого обычно выполняют изменение профиля зуба на поверхности зуба в направлении глубины зуба, и изменения бочкообразности и затыловки на поверхности зуба в направлении линии зуба только в отношении шестерни, чтобы, таким образом. улучшать зубчатое зацепление между зубчатым колесом и шестерней.
[0005] Иначе говоря, по отношению, например, к профилю зуба изменения выполняются по всей ширине зубчатого венца в направлении линии зуба в однородной форме, например, в заданном диапазоне вершины зуба и в заданном диапазоне корня зуба на заданные величины (например, 20-30 мкм в случае ширины зубчатого венца 70 мм); придание бочкообразности выполняется на поверхности зуба в направлении линии зуба на заданную величину (например, 20 мкм) дугообразной кривой (например, радиус R ≈ 17685 мм) по центральной области в направлении ширины зубчатого венца поверхности зуба; а также затыловка (изменение) на заданную величину (например, 50 мкм) выполняется с обеих сторон в направлении ширины зубчатого венца по дугообразной кривой с радиусом, который отличается от дугообразной кривой в случае выполнения бочкообразности. Таким образом, выполняется двухмерное изменение поверхности зуба посредством выполнения, в качестве заданной величины (например, 70 мкм), некоторого количества изменения в направлении линии зуба посредством образования бочкообразности и затыловки на обеих концевых поверхностях в направлении ширины зубчатого венца.
[0006] Кстати, в настоящее время, в результате увеличения скорости вращения электрических двигателей при потребности в дополнительном ускорении железнодорожных транспортных средств, также увеличивается скорость вращения шестерен. Следовательно, когда крутящий момент передается между зубчатым колесом и шестерней, упомянутые выше изменения профиля зуба приводят к уменьшению площади пятна контакта зуба, в результате чего уменьшается коэффициент перекрытия. В результате этого возникает проблема, заключающаяся в том, что увеличивается общая величина вибраций и шумов, которые образуются во время зубчатого зацепления зубчатого колеса и шестерни, а также в том, что такой важный компонент общей величины как частота шумов, образуемых, когда зубчатое колесо и шестерня входят в зубчатое зацепление друг с другом, изменяется в сторону диапазонов высоких частот 2000-3000 Гц. Шумы в диапазоне частот этого типа являются наиболее чувствительными для чувства слуха человека на кривых равной громкости. По сравнению с шумами диапазона частот ниже 1000 Гц при такой же единице уровня громкости, человек чувствует шумы как более шумные примерно в 10 раз, что причиняет ему/ей дискомфорт.
[0007] Обычно, в качестве способа уменьшения вибраций и шумов, которые образуются, когда зубчатое колесо и шестерня приходят в зубчатое зацепление друг с другом, в Патентном Документе (1) известна следующая технология, а именно, способ выполнения трехмерного смещающего изменения поверхности зуба на поверхности зуба косозубой передачи, при одновременном сохранении в ширину полной области контактной линии, которая является целым кратным шага контактной линии в направлении ширины зубчатого венца, так, чтобы соприкосновение не происходило на поверхности зуба нигде кроме полной области контактной линии во время зубчатого зацепления (то есть, трехмерное изменение поверхности зуба, известное как так называемая обратная диагональность, выполняется на поверхности зуба таким образом, чтобы форма профиля зуба поверхности зуба в направлении глубины зуба изменялась последовательно с положением в направлении линии зуба). К тому же, в Патентном Документе (2) описывается технология, в которой эффективная область зубчатого зацепления поверхности зуба косозубой передачи подвергается образованию бочкообразности на величину 5-20 мкм в направлении контактной линии зубчатого зацепления поверхности зуба. Изменения поверхности зуба таковы, чтобы максимальная величина смещения изменения становилась 10-40 мкм после добавления упомянутой выше бочкообразности в направлении контактной линии зубчатого зацепления и бочкообразности с целью изменений высоты головки зуба и высоты ножки зуба, а также изменения линии зуба (то есть, трехмерные изменения поверхности зуба, известные как так называемая нормальная диагональность, выполняются так, чтобы форма профиля зуба поверхности зуба в направлении глубины зуба последовательно изменялась с положением в направлении линии зуба).
[0008] Тем не менее, поскольку в способах в каждом из упомянутых выше патентных документов выполняются трехмерные изменения поверхности зуба, поверхности зуба больше не могут быть подвергнуты механической обработке с помощью широко используемых обычных зубошлифовальных станков, которые могут выполнять двухмерные изменения поверхности зуба. Следовательно, становятся необходимыми дорогие и высокоэффективные зубошлифовальные станки, посредством этого приводя к потребности в больших количествах инвестиций в оборудование. К тому же, обработка для осуществления трехмерных изменений поверхности зуба занимает более длительное время (по меньшей мере более чем в 5 раз), чем время на осуществление двухмерных изменений поверхности зуба, посредством этого сильно уменьшая производительность. В результате этого, существует проблема, заключающаяся в том. что изготовление косозубых передач требует больших затрат.
[Документы Предшествующего Уровня Техники]
[Патентные Документы]
[0009] Патентный Документ 1: Патент Японии № 2965913
Патентный Документ 2: Патент Японии № 4952362
Краткое изложение сущности изобретения
[Проблемы, Решаемые Изобретением]
[0010] В виду упомянутого выше, в настоящем изобретении рассматривается проблема разработки низкозатратного зубчатого устройства (зубчатой передачи) железнодорожного транспортного средства с системой параллельного карданного привода, в которой вибрации и шумы, которые образуются, когда зубчатое колесо и шестерня зацепляются друг с другом, могут быть уменьшены только посредством двухмерного изменения поверхности зуба.
[Средство для Решения Проблем]
[0011] Для того, чтобы решить упомянутую выше проблему, в настоящем изобретении разработано зубчатое устройство железнодорожного транспортного средства с системой параллельного карданного привода, содержащее косозубую шестерню и косозубое зубчатое колесо, которые вместе составляют косозубую зубчатую пару и которые соответственно имеют следующие характеристики зубчатого устройства: модуль 4-8, угол давления 20-30° и угол спирали 15-30°. Бочкообразность выполнена на поверхности зуба в направлении линии зуба косозубой шестерни. Зубчатое устройство железнодорожного транспортного средства настоящего изобретения отличается тем, что поверхность зуба косозубой шестерни имеет форму синусоидальной кривой, которая может быть выражена посредством единственной синусоидальной функции с вершиной, расположенной в центральной области в направлении ширины зубчатого венца косозубой шестерни, и тем, что синусоидальная кривая проходит по всей ширине в направлении ширины зубчатого венца косозубой шестерни.
[0012] Согласно описанной выше системе, даже в случае, если в косозубой шестерне во время вращения косозубой шестерни возникает большая прецессия, пятно контакта между косозубой шестерней и косозубым зубчатым колесом продолжает следовать за прецессией. В результате этого, площадь пятна контакта зуба может быть сохранена в максимально возможной степени, посредством этого приводя к улучшению коэффициента перекрытия. Следовательно, могут быть уменьшены вибрации и шумы, находящиеся в побочных полосах, которые образуются, когда косозубая шестерня и косозубое зубчатое колесо приходят в зубчатое зацепление друг с другом. К тому же, поскольку выполняется только бочкообразность как имеющая форму синусоидальной кривой, могут быть использованы обычные зубошлифовальные станки, которые выполняют двухмерные изменения поверхности зуба, посредством этого выполняя такую же работу за эквивалентное время. Таким образом, может быть предотвращено увеличение затрат на производство косозубых зубчатых передач.
[0013] Кстати, в случае, если косозубая шестерня, прикрепленная к оси вращения, находится внутри корпуса зубчатого устройства, и части оси вращения, расположенные на обеих осевых сторонах косозубой шестерни, соответственно поддерживаются с возможностью вращения посредством корпуса зубчатого устройства через конические роликовые подшипники, средняя точка в направлении ширины зубчатого венца косозубой шестерни и средняя точка между точками приложения нагрузки обоих конических роликовых подшипников могут считаться, по существу, совпадающими друг с другом, при условии: что (1) каждый из этих конических роликовых подшипников идентичен с другим по типу и характеристикам; что (2) расстояния между центром в направлении ширины зубчатого венца косозубой шестерни и частями, в которых соответственно расположены конические роликовые подшипники, являются эквивалентными друг другу; и что (3) жесткости (форма и смещение в соответствующих частях идентичны) частей корпуса зубчатого устройства, которые поддерживают конические роликовые подшипники, эквивалентны друг другу. Тем не менее, если по меньшей мере один из упомянутых выше пунктов (1)-(3) отличается, средняя точка в направлении ширины зубчатого венца косозубой шестерни и средняя точка между точками приложения нагрузки обоих конических роликовых подшипников отклоняются друг от друга, и тогда коэффициент перекрытия не может быть всегда эффективно улучшен. В таком случае, можно понимать, что центральная область присутствует между центром в направлении ширины зубчатого венца косозубой шестерни и средней точкой между точками приложения нагрузки обоих конических роликовых подшипников. Согласно этой системе, пространство площади пятна контакта зуба может быть надежно сохранено, и коэффициент перекрытия может быть улучшен.
[0014] В первом варианте осуществления, предпочтительно величина изменения R1 при образовании бочкообразности задана в диапазоне согласно следующей формуле (1)
,
где Cm - максимальный зазор в направлении линии зуба между косозубой шестерней и косозубым зубчатым колесом, причем максимальный зазор может возникать в результате прецессии косозубой шестерни во время вращения, α - угол давления, β - угол спирали, и A, B - коэффициенты воздействия относительно степени деформации когда косозубая шестерня соприкасается с косозубым зубчатым колесом.
[0015] К тому же, для того, чтобы решить упомянутую выше проблему, согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения, разработано зубчатое устройство железнодорожного транспортного средства с системой параллельного карданного привода, содержащее косозубую шестерню и косозубое зубчатое колесо, которые вместе составляют косозубую зубчатую пару и которые соответственно имеют следующие характеристики: модуль 4-8, угол давления 20-30° и угол спирали 15-30°. Зубчатое устройство отличается тем, что поверхность зуба косозубой шестерни в направлении линии зуба подвержена образованию бочкообразности по синусоидальной кривой, которая может быть выражена посредством единственной синусоидальной функции и проходит в диапазоне более 55% от полной ширины, в направлении ширины зубчатого венца, косозубой шестерни, и тем, что остальная часть на обеих концевых сторонах в направлении ширины зубчатого венца подвержена образованию затыловки в дугообразной форме.
[0016] Согласно описанной выше системе, подобно первому варианту осуществления, во время вращения шестерни, шестерня и зубчатое колесо приходят в пятно контакта зуба друг с другом так, чтобы следовать за прецессией шестерни. Таким образом, по сравнению с упомянутым выше обычным примером, описанным в параграфе [0005], пространство площади пятна контакта зуба может быть сохранено еще более надежно, посредством этого улучшая коэффициент перекрытия. Таким образом, могут быть уменьшены вибрации и шумы, находящиеся в побочных полосах, образуемые, когда шестерня и зубчатое колесо зацепляются друг с другом. В этом случае, поскольку выполняются только двухмерные изменения в форме бочкообразности и затыловки на поверхности зуба в направлении линии зуба, подобно первому варианту осуществления, может быть ограничено увеличение затрат на изготовление косозубой зубчатой передачи.
[0017] Кстати, во втором варианте осуществления, величина R2 изменения в направлении линии зуба при добавлении бочкообразности и затыловки на обеих концевых сторонах ширины зубчатого венца предпочтительно задана в диапазоне согласно следующей формуле (2)
,
где Cm - максимальный зазор в направлении линии зуба между косозубой шестерней и косозубым зубчатым колесом, причем максимальный зазор может возникать в результате прецессии косозубой шестерни во время вращения, α - угол давления, β - угол спирали, и A, B - коэффициенты воздействия относительно степени деформации, когда косозубая шестерня соприкасается с косозубым зубчатым колесом.
Краткое описание чертежей
[0018] На Фиг. 1 показана схема системы зубчатой передачи (зубчатого устройства) железнодорожного транспортного средства с системой параллельного карданного привода.
На Фиг. 2(a) показан вид сбоку, в частичном разрезе, зубчатой передачи согласно настоящему изобретению, на Фиг. 2(b) показан вид в разрезе в дополнительном увеличении шестерни, и на Фиг. 2(c) показана схема для объяснения изменения поверхности зуба в направлении линии зуба шестерни.
На Фиг. 3 показан график результатов анализа частоты, полученного посредством измерения шумов обычной зубчатой передачи и посредством выполнения анализа частоты измеренной информации на БФП-анализаторе.
На Фиг. 4 показан график результатов моделирования изменения зазора в направлении линии зуба поверхности зуба шестерни относительно поверхности зуба зубчатого колеса в обычной зубчатой передаче.
На Фиг. 5(a) и Фиг. 5(b) показаны соответствующие виды для объяснения зазора, образуемого между поверхностями зуба шестерни и зубчатого колеса.
На Фиг. 6 показана схема для объяснения изменения поверхности зуба в направлении линии зуба, относящегося к другому варианту осуществления.
На Фиг. 7 показан график, соответственно, изменения формы поверхности зуба шестерни, изготовленной посредством применения настоящего изобретения (продукт согласно настоящему изобретению), и шестерни, изготовленной согласно обычному примеру (продукт предшествующего уровня техники).
На Фиг. 8(a)-8(c) показаны графики результатов моделирования площадей пятна контакта зуба шестерни продуктов 1, 2 настоящего изобретения и шестерни продукта предшествующего уровня техники.
На Фиг. 9 показан график результатов измерений шума посредством использования продукта 2 изобретения и продукта предшествующего уровня техники.
Подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения
[0019] Далее со ссылкой на чертежи описан вариант осуществления (первый вариант осуществления), в котором настоящее изобретение применено к зубчатой передаче (зубчатому устройству) железнодорожного транспортного средства с системой параллельного карданного привода.
[0020] Как видно на Фиг. 1, ссылочной позицией RC обозначено железнодорожное транспортное средство с системой параллельного карданного привода. Железнодорожное транспортное средство RC предусмотрено с основным ведущим двигателем DM, который прикреплен к тележке железнодорожного транспортного средства (не показана), и зубчатое устройство GM, которое прикреплено к основному ведущему двигателю DM через гибкое соединение FC. Крутящий момент, который вырабатывается основным ведущим двигателем DM, передается к ведущей оси DS через гибкое соединение FC и зубчатое устройство GM, чтобы пара правых и левых колес DW, DW, которые расположены на ведущей оси DS, проводилась во вращение для перемещения по рельсам (не показаны). Следует отметить, что в качестве составляющих элементов, таких как основной ведущий двигатель DM, гибкое соединение FC и тому подобное, могут быть использованы известные элементы. Следовательно, их подробные описания опущены.
[0021] Как видно на Фиг. 2, зубчатое устройство GM предусмотрено с косозубой шестерней (меньшим зубчатым элементом) (далее в этом документе называемой “шестерня 1”) и косозубым зубчатым колесом (большим зубчатым элементом) (далее в этом документе называемым “зубчатое колесо 2”), которые образуют пару. Шестерня 1 и зубчатое колесо 2 вращаются, при этом находясь в зубчатом зацеплении друг с другом, для того, чтобы, таким образом, передавать крутящий момент. Шестерня 1 и зубчатое колесо 2 изготовлены так, чтобы иметь следующие свойства зуба: модуль 4-8, угол давления 20-30°, и угол спирали 15-30°, соответственно. Шестерня 1, прикрепленная к оси 3 вращения, которая соединена с гибким соединением FC, и зубчатое колесо 2, прикрепленное к ведущей оси DS, находятся внутри корпуса 4 зубчатой передачи. Части оси 3 вращения, расположенные в осевом направлении на обеих сторонах шестерни 1, поддерживаются с возможностью вращения посредством корпуса 4 зубчатой передачи в первых конических роликовых подшипниках 51, 52, соответственно. Ведущая ось DS, расположенная в осевом направлении на обеих сторонах зубчатого колеса 2, поддерживается с возможностью вращения во вторых конических роликовых подшипниках 61, 62, соответственно.
[0022] Первые конические роликовые подшипники 51, 52 являются известными и имеют одинаковую конструкцию, которая в каждом случае предусмотрена с внутренним кольцом 51, посаженным с натягом на ось 3 вращения, роликами 52, сепаратором 53, и наружным кольцом 54. В местах установки подшипника в корпусе 4 зубчатой передачи предусмотрены удерживающие пластины 55a, 55b, которые, также выполняя функцию крышек, прижимают внутренние кольца 51 с обеих сторон в осевом направлении к шестерне 1. С другой стороны, вторые конические роликовые подшипники 61, 62 также являются известными и имеют одинаковую конструкцию, в каждом случае предусмотренную с внутренним кольцом 61, посаженным с натягом на ведущую ось DS, роликами 62, сепаратором 63, и наружным кольцом 64. В местах установки подшипника в корпусе 4 зубчатой передачи, предусмотрены неподвижные крышки 41a, 41b, устанавливаемые на наружную часть наружного кольца 64. К тому же, держатели 65 подшипника для удерживания внутреннего кольца 61 с обеих сторон в осевом направлении посажены с натягом на ведущую ось DS. В таком случае, когда зубчатое колесо 2 вращается, смазочное масло (не показано), содержащееся внутри нижней части корпуса 4 зубчатой передачи, поднимается так, чтобы смазывать поверхности зубчатого зацепления шестерни 1 и зубчатого колеса 2 и конические роликовые подшипники 51, 52, 61, 62.
[0023] Кстати, в этом типе зубчатой передачи GM, в случае если вязкость смазочного масла изменяется, например, из-за изменения температуры, приводя посредством этого к плохой смазываемости, возникает такая проблема как заклинивание конических роликовых подшипников 51, 52, 61, 62. В качестве решения, выставления соответствующих зазоров в осевом направлении между внутренними кольцами 51, 61 и наружными кольцами 54, 64 первых и вторых конических роликовых подшипников 51, 52, 61, 62 и роликов 52, 62, то есть, регулировки так называемых величин (σs) осевого люфта, выполняются посредством прокладок 7a, 7b (смотри Фиг. 2(a)). К тому же, настройка выполняется так, чтобы каждая величина (σs) осевого люфта составляла 60-170 мкм на стороне шестерни и 80-210 мкм на стороне зубчатого колеса. Таким образом, когда при сборке шестерни 1 величина (σs) осевого люфта шестерни 1 задана большей, увеличивается дрожание конических роликовых подшипников 51, 52 вокруг оси 3 вращения. Вместе с этим, осевой центр оси 3 вращения шестерни 1 наклоняется в угловом диапазоне от +θ до –θ (смотри Фиг. 2(b)). В результате этого, когда гибкое соединение FC вибрирует во время работы (то есть во время вращения шестерни), шестерня 1 образует большую прецессию. Шестерня 1 и зубчатое колесо 2, которые составляют пару, испытывают неблагоприятное воздействие в зубчатом зацеплении.
[0024] Здесь, выполнены измерения шума в обычном примере зубчатой передачи, описанной в параграфе [0005], имеющей упомянутые выше шестерню и зубчатое колесо с частотой вращения шестерни 1, составляющей 4480 об/мин. Результаты измерений обработаны в анализаторе с быстрым преобразованием Фурье (БПФ) для анализа частот, и результаты показаны на Фиг. 3. Согласно результатам измерений, подтверждено следующее: что, при частоте зубчатого зацепления 2165 Гц возникает амплитудное значение пиковых шумов, при котором уровень шума становится большим; и что несколько пиковых шумов (далее в этом документе просто называемых “побочные полосы”) возникает с обеих сторон от амплитудного значения, при некоторых частотах в форме низкочастотной области и высокочастотной области. Судя по изложенному выше, обычная зубчатая передача рассматривается как приводящая к возникновению уменьшения площади пятна контакта зуба шестерни и зубчатого колеса, когда они вращаются в зубчатом зацеплении друг с другом, посредством этого приводя к возникновению нехватки коэффициента перекрытия.
[0025] Затем, в результате продолжительных и напряженных исследований, изобретатели настоящего изобретения выполнили моделирования для того, чтобы увидеть, как изменяется зазор, в направлении линии зуба, поверхности зуба шестерни относительно поверхности зуба зубчатого колеса, если зазор образовывается в результате прецессии шестерни, когда фазовый угол оси вращения имеет значение φ. Затем изобретатели обнаружили, что, в то время как шестерня осуществляет половину оборота в диапазоне 0°-180° фазового угла φ шестерни, зазор следует траектории вдоль синусоидальной кривой, которая может быть выражена одной синусоидальной функцией от максимального зазора +Cm до минимального зазора – Cm, как показано на Фиг. 4. Зазор C определяется, как показано на Фиг. 5(a) и 5(b), как зазор, который образуется, когда шестерня 1 и зубчатое колесо 2 имеют погрешность в направлении линии зуба или погрешность параллельности оси вращения, на одном концевом крае в направлении линии зуба между поверхностями 11, 21 зуба шестерни 1 и поверхностью 20 зуба зубчатого колеса 2, когда шестерня и зубчатое колесо вращаются в зубчатом зацеплении друг с другом. Рассматриваемый зазор получается посредством сложения зазора U1 из-за погрешности параллельности и зазора U2 из-за погрешности смещения.
[0026] На основании упомянутого выше открытия, в этом варианте осуществления выполнена бочкообразность, как показано на Фиг. 2(c), на поверхности 11 зуба в направлении линии зуба так, чтобы вершина 11a была расположена в центральной области в направлении ширины зубчатого венца GW шестерни 1, и чтобы поверхность 11 зуба имела форму синусоидальной кривой, которая может быть выражена единственной синусоидальной функцией и которая проходит по всей ширине в направлении ширины зубчатого венца GW шестерни 1. Здесь, как описано выше, в случае, если шестерня 1, прикрепленная к оси 3 вращения, находится внутри корпуса 4 зубчатой передачи, и в случае, если части оси 3 вращения, расположенные в осевом направлении с обеих сторон шестерни 1, соответственно поддерживаются с возможностью вращения посредством корпуса 4 зубчатой передачи через конические роликовые подшипники 51, 52, средняя точка GC в направлении ширины зубчатого венца GW шестерни 1 и средняя точка на расстоянии между точками приложения нагрузки обоих конических роликовых подшипников 51, 52 могут считаться, по существу, совпадающими друг с другом, при условии: (1) что тип и характеристики конических роликовых подшипников 51, 52 являются одинаковыми; (2) что расстояния от центра в направлении ширины зубчатого венца шестерни 1 до положения, в котором соответственно расположены конические роликовые подшипники 51, 52, по существу, равны друг другу; и (3) что жесткости частей корпуса 4 зубчатой передачи, предназначенных для поддерживания конических роликовых подшипников 51, 52 равны друг другу (форма и величина смещения рассматриваемых частей идентичны).. В этом случае, вершина 11a может быть расположена на средней линии GL, которая проходит через центр GC в направлении ширины зубчатого венца GW.
[0027] С другой стороны, если по меньшей мере одно из упомянутых выше условий (1)-(3) отличается от других, например, как показано на Фиг. 2(b), если расстояния от центра в направлении ширины зубчатого венца GW шестерни 1 до положений, в которых соответственно расположены конические роликовые подшипники 51, 52, отличаются друг от друга, средняя точка GC в направлении ширины зубчатого венца GW шестерни 1 и средняя точка 5C расстояния между точками 5P, 5P приложения нагрузки обоих конических роликовых подшипников 51, 52 отклоняются друг от друга, и, в результате этого, коэффициент перекрытия не может быт эффективно улучшен. В таком случае, центральная область может присутствовать в положении между центром GC в направлении ширины зубчатого венца шестерни 1 и средней точкой 5C расстояния между точками 5P, 5P приложения нагрузки обоих конических роликовых подшипников 51, 52. К тому же, величина R1 изменения во время выполнения бочкообразности может быть вычислена посредством следующей формулы (1)
,
где Cm - максимальный зазор, α - угол давления, β - угол спирали, и A, B - коэффициенты воздействия относительно степени деформации, когда шестерня соприкасается с зубчатым колесом.
[0028] Согласно упомянутой выше системе, даже в случае возникновения большой прецессии шестерни 1 во время вращения шестерни 1, шестерня 1 и зубчатое колесо 2 оказываются в зубчатом зацеплении друг с другом, следуя прецессии. Таким образом, площадь пятна контакта зуба может быть сохранена максимальной, в результате чего улучшается коэффициент перекрытия. В результате этого могут быть уменьшены вибрации и шумы, включающие в себя побочные полосы, которые возникают, когда шестерня 1 и зубчатое колесо 2 приходят в зубчатое зацепление друг с другом. К тому же, поскольку на поверхности 11 зуба в направлении линии зуба выполняется только бочкообразность, чтобы получить форму синусоидальной кривой, обработка может быть выполнена посредством использования широко распространенного обычного зубошлифовального станка, который может выполнять двухмерное изменение поверхности зуба за эквивалентное время на поверхности 11 зуба в направлении линии зуба. Может быть предотвращено увеличение затрат на изготовление шестерен 1. К тому же, поскольку центральная область расположена так, чтобы она присутствовала в положении между центром GC ширины зубчатого венца шестерни 1 и средней точкой 5C расстояния между точками 5P, 5P приложения нагрузки обоих конических роликовых подшипников 51, 52, даже в случае изменения по меньшей мере одного из упомянутых выше пунктов (1)-(3), площадь пятна контакта зуба может быть надежно сохранена, посредством этого улучшая коэффициент перекрытия.
[0029] Выше в качестве примера описан вариант осуществления, в котором, относительно поверхности 11 зуба в направлении линии зуба, выполнена бочкообразность, чтобы поверхность 11 зуба имела синусоидальную кривую, которая может быть выражена единственной синусоидальной функцией и которая имеет синусоидальную кривую, проходящую по всей ширине в направлении ширины зубчатого венца GW шестерни 1. Тем не менее, настоящее изобретение не ограничено изложенным выше. Дано пояснение со ссылкой на те же составляющие части или элементы посредством использования таких же ссылочных позиций со ссылкой на Фиг. 6. Шестерня 1 согласно другому варианту осуществления (второму варианту осуществления) образуется: посредством выполнения, на поверхности 11 зуба в направлении линии зуба, бочкообразности в форме синусоидальной кривой, в которой вершина 11a расположена в центральной области при виде в направлении ширины зубчатого венца GW, и которая может быть выражена посредством единственной синусоидальной функции таким образом, чтобы синусоидальная кривая проходила по диапазону GW1 примерно на 55% всей ширины в направлении ширины зубчатого венца GW шестерни 1; и посредством выполнения затыловки в дугообразной форме на остальных частях GW2, GW2 на обоих концевых сторонах в направлении ширины зубчатого венца GW. Кстати, в случае, если по меньшей мере одно из упомянутых выше условий (1)-(3) изменяется, так же, как описано выше, центральная область может быть расположена между центром GC в направлении ширины зубчатого венца шестерни 1 и средней точкой 5C расстояния точками 5P, 5P приложения нагрузки обоих конических роликовых подшипников 51, 51. К тому же, затыловка может быть выполнена посредством объединения двух или более дугообразных форм с разными радиусами. К тому же, величина R2 изменения в направлении линии зуба при образовании бочкообразности и затыловки на обеих концевых поверхностях ширины зубчатого венца GW может быть вычислена посредством следующей формулы (2)
,
где, подобно описанному выше, Cm - максимальный зазор, α - угол давления, β - угол спирали, и A, B - коэффициенты воздействия относительно степени деформации, когда косозубая шестерня соприкасается с косозубым зубчатым колесом.
[0030] Затем, для подтверждения эффекта настоящего изобретения, были проведены следующие эксперименты. А именно, шестерня 1 и зубчатое колесо 2 зубчатой передачи GM были изготовлены соответственно так, чтобы иметь упомянутые выше характеристики передачи. Бочкообразность была выполнена на шестерне 1 так, чтобы поверхность 11 зуба имела форму синусоидальной кривой с вершиной 11a, расположенной на средней линии GL в направлении ширины зубчатого венца GW шестерни 1, причем кривая выражается посредством единственной синусоидальной функции и проходит по всей ширине ширины зубчатого венца GW. Это названо продуктом 1 согласно изобретению (согласно первому варианту осуществления). В этом случае, величина R1 изменения составила 0,045 мм. К тому же, бочкообразность была выполнена на шестерне 1 в синусоидальной кривой с вершиной 11a, расположенной на средней линии G в направлении ширины зубчатого венца шестерни 1, причем синусоидальная кривая выражена посредством единственной синусоидальной функции и проходит в диапазоне GW1 на 55% в направлении ширины зубчатого венца шестерни 1. Также была выполнена затыловка в дугообразной форме на остальных частях GW1, GW2 с обеих концевых сторон в направлении ширины зубчатого венца GW. Полученный посредством этого продукт назван продуктом 2 согласно настоящему изобретению (согласно второму варианту осуществления). В этом случае, величина R2 изменения посредством добавления бочкообразности и затыловки составила 0,06 мм. В качестве сравнительного примера, шестерня 1 и зубчатое колесо 2 зубчатой передачи GM были изготовлены таким же образом, как описанные выше, имеющие упомянутые выше характеристики зубчатой передачи. И относительно шестерни 1, поверхность зуба была подвергнута образованию бочкообразности по дугообразной кривой (например, радиус R ≈ 17685 мм) относительно поверхности зуба в направлении линии зуба, и затыловка была выполнена на обеих концевых сторонах в направлении ширины зубчатого венца по дугообразной кривой с радиусом, который отличается от дугообразной кривой во время рассматриваемого образования бочкообразности. Таким образом, изменение поверхности зуба выполнено так, чтобы величина изменения в направлении линии зуба посредством добавления бочкообразности и затыловки на обеих концевых поверхностях в направлении ширины зубчатого венца составила 0,070 мм (продукт предшествующего уровня техники).
[0031] На Фиг. 7 показаны графики измененных форм поверхностей зуба продуктов настоящего изобретения и продукта предшествующего уровня техники. На Фиг. 7, сплошная линия относится к продукту 1 согласно настоящему изобретению, пунктирная линия относится к продукту 2 согласно настоящему изобретению, и штрихпунктирная линия относится к продукту предшествующего уровня техники. Согласно этим графикам, можно видеть, что измененные формы в направлении линии зуба очевидно отличаются друг от друга. Затем, для продуктов 1 и 2 согласно настоящему изобретению, а также для продукта предшествующего уровня техники, площади пятна контакта зуба шестерни относительно зубчатого колеса при совместном вращении шестерни и зубчатого колеса в зубчатом зацеплении, были подвергнуты моделированию посредством использования анализирующего программного обеспечения (изготовленного Toyo Denki Seizo Kabushiki Kaisha). Результаты показаны на Фиг. 8(a)-8(c). Согласно результатам анализа, площадь пятна контакта зуба в продукте предшествующего уровня техники составляет около 39% (смотри Фиг. 8(c)). С другой стороны, продукт 1 согласно настоящему изобретению имеет около 64% площади пятна контакта зуба (смотри Фиг. 8(a)). Таким образом, подтверждено, что площадь пятна контакта зуба улучшена примерно в 1,6 раз по сравнению с продуктом предшествующего уровня техники. К тому же, в отношении продукта 2 согласно настоящему изобретению, площадь пятна контакта зуба составляет около 48% (смотри Фиг. 8(b)). Таким образом, подтверждено, что площадь пятна контакта зуба улучшена примерно в 1,2 раза по сравнению с продуктом предшествующего уровня техники. Таким образом, можно видеть, что коэффициент перекрытия сильно увеличен.
[0032] Затем, посредством использования продукта 2 согласно настоящему изобретению и продукта предшествующего уровня техники, частота вращения изменялась в диапазоне 4310 об/мин - 5478 об/мин, и в это время выполнялись измерения уровня шума, результаты которых показаны на Фиг. 9. Согласно результатам измерений, подтверждено, что, в частности, когда частота вращения шестерни выходит за 4490 об/мин и выходит за 5200 об/мин, уровень шума может быть эффективно уменьшен в результате улучшения коэффициента перекрытия.
[0033] Выше изложено описание вариантов осуществления настоящего изобретения. Тем не менее, настоящее изобретение не должно быть ограничено приведенными выше вариантами осуществления и может быть соответственно модифицировано в рамках объема настоящего изобретения без отхода от сущности настоящего изобретения.
[Описание Ссылочных Позиций]
[0034] RC - зубчатая передача железнодорожного транспортного средства с системой параллельного карданного привода
GM - зубчатая передача
1 - косозубая шестерня (меньший зубчатый элемент, называемый шестерней)
2 - косозубое зубчатое колесо (больший зубчатый элемент, называемый зубчатым колесом)
11 - поверхность зуба
11a - вершина
GW – ширина зубчатого венца
GC - средняя точка в направлении ширины зубчатого венца
3 - ось вращения
4 - корпус зубчатой передачи
51, 52 - конический роликовый подшипник
5P - точки приложения нагрузки конических роликовых подшипников
5C - средняя точка между точками приложения нагрузки конических роликовых подшипников
R1, R2 - величина изменения во время выполнения бочкообразности.
1. Зубчатое устройство железнодорожного транспортного средства с системой параллельного карданного привода, содержащее косозубую шестерню и косозубое зубчатое колесо, которые вместе составляют косозубую зубчатую пару и которые соответственно имеют следующие характеристики: модуль 4-8, угол давления 20-30° и угол спирали 15-30°, причем бочкообразность выполнена на поверхности зуба в направлении линии зуба косозубой шестерни,
отличающееся тем, что поверхность зуба косозубой шестерни имеет форму синусоидальной кривой, которая может быть выражена посредством единственной синусоидальной функции с вершиной, расположенной в центральной области в направлении ширины зубчатого венца косозубой шестерни, и причем синусоидальная кривая проходит по всей ширине в направлении ширины зубчатого венца косозубой шестерни.
2. Устройство по п. 1, в котором косозубая шестерня, прикрепленная к оси вращения, находится внутри корпуса зубчатого устройства, и части оси вращения, расположенные на обеих осевых сторонах косозубой шестерни, соответственно поддерживаются с возможностью вращения посредством корпуса зубчатого устройства через конические роликовые подшипники,
причем центральная область лежит между центром в направлении ширины зубчатого венца косозубой шестерни и средней точкой между точками приложения нагрузки обоих конических роликовых подшипников.
3. Устройство п.1 или 2, в котором величина изменения R1 при образовании бочкообразности задана в диапазоне согласно следующей формуле (1)
,
где Cm - максимальный зазор в направлении линии зуба между косозубой шестерней и косозубым зубчатым колесом, причем максимальный зазор может возникать в результате прецессии косозубой шестерни во время вращения, α - угол давления, β - угол спирали и A, B - коэффициенты воздействия относительно степени деформации, когда косозубая шестерня соприкасается с косозубым зубчатым колесом.
4. Зубчатое устройство железнодорожного транспортного средства с системой параллельного карданного привода, содержащее косозубую шестерню и косозубое зубчатое колесо, которые вместе составляют косозубую зубчатую пару и которые соответственно имеют следующие характеристики: модуль 4-8, угол давления 20-30° и угол спирали 15-30°,
отличающееся тем, что поверхность зуба косозубой шестерни в направлении линии зуба подвержена образованию бочкообразности по синусоидальной кривой, которая может быть выражена посредством единственной синусоидальной функции и проходит в диапазоне более 55% от полной ширины, в направлении ширины зубчатого венца, косозубой шестерни, и причем остальная часть на обеих концевых сторонах в направлении ширины зубчатого венца подвержена образованию затыловки в дугообразной форме.
5. Устройство п. 4, в котором величина R2 изменения в направлении линии зуба при добавлении бочкообразности и затыловки на обеих концевых сторонах ширины зубчатого венца задана в диапазоне согласно следующей формуле (2)
,
где Cm - максимальный зазор, в направлении линии зуба, между косозубой шестерней и косозубым зубчатым колесом, причем максимальный зазор может возникать в результате прецессии косозубой шестерни во время вращения, α - угол давления, β - угол спирали и A, B - коэффициенты воздействия относительно степени деформации, когда косозубая шестерня соприкасается с косозубым зубчатым колесом.
