ЗУБЧАТОЕ КОЛЕСО
GEAR WHEEL

Изобретение относится к машиностроению, в частности к деталям машин, и может быть использовано в зубчатых передачах.
Известна конструкция зубчатого колеса, содержащего тело, зубчатый венец с зубьями и пару кольцевых накладок, укрепленных на торцах зубьев и участках торцов тела, прилегающих к зубчатому венцу; причем наружный диаметр накладок равен диаметру окружности вершин зубчатого венца колеса - см., например, патент на изобретение РФ №2488725, кл. F16H 55/12, опубл. 27.07.2013 г., Бюл. №21.
Недостаток данной конструкции зубчатого колеса состоит в том, что зубья его зубчатого венца имеют одинаковую ширину боковых (рабочих) поверхностей, участвующих в зацеплении с парным зубчатым колесом, по всей высоте зубьев. Это не учитывает того, что парность зацепления зубьев сопряженных зубчатых колес в передаче не одинакова по высоте зубьев: в районе полюса зацепления зубьев имеет место однопарное зацепление; на участках зубьев, прилегающих к их вершинам и основаниям, имеет место двупарное зацепление. Прямопропорциональна величине зацепления, соответственно, и величина нагружения соответствующих участков боковых поверхностей зубьев - в районе полюса зацепления величина нагружения зубьев вдвое больше, чем на участках боковых поверхностей, прилегающих к вершинам и основаниям зубьев. А ширина боковых (рабочих) поверхностей зубьев, выполненная одинаковой по всей высоте зубьев, это разности в нагружении по высоте зубьев не учитывает и задана с учетом максимального нагружения зубьев (в районе их полюсов). Это приводит к перерасходу материала, идущего на изготовление зубчатого венца и колеса в целом.
В качестве прототипа взята конструкция зубчатого колеса по патенту на изобретение РФ №2547201, кл. F16H 55/08, опубл. 10.04.2015 г., Бюл. №10. Сущность его состоит в том, что зубчатое колесо содержит тело и зубчатый венец с зубьями, причем на участках головок зубьев ширина зубьев выполнена ступенчато изменяющейся и обратно пропорциональна зависящей от кратности парности зацепления, причем граница изменения ширины смещена в сторону вершин зубьев на величину осевого зазора зубчатой передачи.
Недостаток прототипа состоит в том, что кратность парности зацепления зубьев учтена только для их головок (ширина зубьев на участках головок с двупарным зацеплением уменьшена вдвое - кратно парности зацепления на этих участках); а для участков ножек с такой же парностью зацепления такого учета нет, и ножки по всей своей высоте выполнены с номинальной шириной такой же, как для участков зубьев по их высоте с однопарным зацеплением. Выполнение ширины участков ножек с двупарным зацеплением номинальной (полной), величины приводит к неоправданному расходу материала, идущего на изготовление этих ножек, что нерационально и способствует увеличению издержек на изготовление зубчатого венца и колеса в целом.
Изобретением решается задача оптимизации конструкции зубчатого колеса - снижения издержек на его изготовление и повышение прочности зубьев его зубчатого венца.
Для этого зубчатое колесо содержит тело, зубчатый венец с зубьями и пару кольцевых накладок, укрепленных на торцах зубьев и частях торцов тела, прилегающих к зубчатому венцу, ширина зубьев которого на участках их головок выполнена ступенчато изменяющейся и обратно пропорционально зависящей от кратности парности зацепления; граница изменения ширины смещена в сторону вершин зубьев; причем ширина зубьев на участках их ножек выполнена аналогично, причем границы изменения ширины зубьев на участках их головок и ножек смещены в стороны вершин и оснований зубьев на половину величины осевого зазора зубчатой передачи; зубья в своих центральных поперечных сечениях имеют относительно центральной плоскости вращения зубчатого венца несимметричную форму; одни половины всех зубьев, расположенные со стороны одного торца зубчатого венца, имеют полную высоту ножек и головок с участками двупарных и однопарного зацеплений, равную расчетной высоте зуба колеса; вторые половины всех зубьев, расположенные со стороны другого торца зубчатого венца, имеют только участки с однопарным зацеплением, увеличенные по высоте зубьев в стороны их вершин и оснований на величину вышеуказанного смещения; наружный диаметр кольцевой накладки, расположенной со стороны первых половин зубьев полной высоты, равен диаметру окружности вершин зубчатого венца; а диаметр второй кольцевой накладки, расположенной со стороны вторых половин зубьев неполной высоты, равен диаметру окружности, описываемой при вращении колеса верхней частью этих половин зубьев.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображены: фрагмент зубчатого колеса - вид с торца в сечении (с проекциями на сечение характеристик боковых поверхностей зуба - полюсной линии и границ участков с разной парностью зацепления).
в
вп
н
1
2
3
На чертеже показаны: тело 1, зуб 2, кольцевые накладки 3 и 4, окружность вершин Д зубчатого венца, внутренний диаметр Д кольцевых накладок 3 и 4, наружный диаметр Д второй кольцевой накладки (4), высота h зуба, полюсная линия р-р зуба, участки с двупарным зацеплением 1-2 и 3-4, участок с однопарным зацеплением 2-3, центральная плоскость вращения 0-0 зубчатого венца, ширина В зубчатого венца, осевой зазор с зубчатой передачи, участки по высоте зуба - h, h, h с разной шириной зуба.
в
1
3
2
вн
2
1
3
3
н
в
2
Зубчатое колесо содержит тело 1, зубчатый венец шириной В с диаметром окружности вершин Д и зубьями 2 высотой h. С торцов колеса расположена пара кольцевых накладок 3 и 4, укрепленных на торцах зубьев 2 и частях торцов тела 1, прилегающих к зубчатому венцу. На участках ножек и головок зубьев с однопарным зацеплением (участок 2-3) ширина зубьев равна ширине зубчатого венца - В. На участках ножек и головок зубьев с двупарным зацеплением (участки 1-2 и 3-4) ширина зубьев равна В/2. Причем границы изменения ширины зубьев смещены в стороны вершин и оснований зубьев на величину половины осевого зазора с зубчатой передачи; размеры участков на высоте зубьев с двупарным зацеплением - h и h, размер участка с однопарным зацеплением - h. Внутренние диаметры кольцевых накладок 3 и 4 - Д. Зубья 2 относительно центральной плоскости вращения 0-0 зубчатого венца по своей высоте имеют несимметричную форму. По своей высоте одна половина зубьев имеет полную высоту h с участками однопарного и двупарного зацепления - участок высотой h с шириной зубьев В и участки высотой h и h с шириной зубьев В/2. Вторые половины зубьев имеют только участок с однопарным зацеплением - высотой h и шириной зубьев В. Внутренние диаметры обеих кольцевых накладок 3 и 4 - Д. Наружный диаметр кольцевой накладки (3), прилегающей к половинам зубьев с полной их высотой (h), равен диаметру окружности вершин Д зубчатого венца. Наружный диаметр второй кольцевой накладки (4), прилегающей к половинам зубьев неполной высоты (имеющих только участки высотой h), равен диаметру окружности, описываемой при вращении колеса верхом этих половин зубьев.
2
1
3
При работе зубчатого колеса в передаче каждый его зуб общей высотой h имеет участок на боковой поверхности с однопарным зацеплением и два участка с зацеплением однопарным. На участке с однопарным зацеплением зуб колеса воспринимает полную нагрузку, воспринимаемую колесом при работе его в передаче в режиме нагружения, а на участках с двупарным зацеплением зуб воспринимает только половину этой нагрузки. Соответственно, на участке с однопарным зацеплением зуб имеет ширину В, равную ширине зубчатого венца, а на участках с двупарным зацеплением зуб имеет половину этой ширины - В/2. Кольцевые накладки 3 и 4 повышают изгибную прочность зубьев, а также не позволяют снизить эту прочность при уменьшении ширины ножек зубьев. Выполнение зубьев несимметричной формы позволяет повысить характеристики работы колеса при его установке на валу консолью, когда имеет место перекос колеса относительно вала; для этого колесо устанавливают на валу, расположив колесо с полной высотой зубьев (h), обращенной в сторону участков крепления вала на корпусе передачи (со стороны кольцевой накладки 3). В этом случае максимальные смещения при перекосе имеют только участки зубьев полной ширины В высотой h, а ширина двух остальных участков (высотой h и h) уменьшена вдвое, что делает их менее чувствительным к перекашиванию.
По сравнению с прототипом, предлагаемая конструкция зубчатого колеса имеет меньшую материалоемкость - за счет уменьшения ширины ножек зубьев на участках их двупарного зацепления; наличие кольцевых накладок, связывающих между собой зубья и тело колеса, повышает изгибную прочность зубьев, а также позволяет не уменьшать изгибную прочность зубьев и их жесткость при уменьшении ширины ножек зубьев со стороны их оснований.