ЗУБЧАТОЕ КОЛЕСО
GEAR WHEEL

Изобретение относится к машиностроению, в частности - к деталям машин, и может быть использовано в зубчатых передачах, работающих в режимах ударного нагружения.
Известно зубчатое колесо, содержащее тело, зубчатый венец с зубьями и пару кольцевых накладок, укрепленных на торцах зубьев и участках тела, прилегающих к зубчатому венцу - см. А.С. СССР №1523756, кл. F16H 55/12, опубл. 23.11.89 г. Бюл. №43. Кольцевые накладки придают зубьям зубчатого венца дополнительные жесткость и изгибную прочность.
Недостаток данной конструкции зубчатого колеса состоит в том, что при его работе в режиме ударного нагружения, зубья, испытывая динамические ударные нагрузки, подвержены - по своим боковым рабочим поверхностям - усиленному изнашиванию и пластическому деформированию этих рабочих поверхностей, искажающих рабочий профиль зубьев и способных привести к изломам зубьев; кроме того, зубчатое колесо, воспринимая ударные нагрузки, передает их далее - следующим элементам зубчатой передачи, находящимся с ним в кинематической связи - подшипникам валов и др.
В качестве прототипа взята конструкция зубчатого колеса нереверсивной зубчатой передачи по патенту на изобретение РФ №2525323, кл. F16H 55/12, опубл. 10.04.2014 г. Бюл. №22. Сущность его состоит в том, что зубчатое колесо содержит тело и зубчатый венец, состоящий из отдельных, не связанных между собой и с телом колеса зубьев, каждый из которых укреплен шарнирно, с возможностью поворота в плоскости вращения колеса, между парой кольцевых накладок, укрепленных на торцах тела, и наружный диаметр которых больше диаметра окружности оснований зубчатого венца. На теле колеса, в плане проекции зубьев на тело, выполнены плоские площадки, перпендикулярные радиусам колеса, площадки выполнены за счет среза участков окружности колеса. Половина основания ножки каждого зуба, расположенная со стороны его боковой поверхности, подверженной ударному нагружению, при радиальном расположении зуба примыкает к телу колеса. Вторая половина этой ножки выполнена укороченной, основание этой половины представляет собой плоскость, перпендикулярную оси симметрии зуба. А между этим основанием и телом колеса расположена упругая прокладка, площадь которой в плане равна площади этого основания. Упругие прокладки позволяют осуществлять проворачивание зубьев под действием ударных нагрузок и тем самым демпфировать ударные нагрузки, воздействующие - при работе колеса в передаче (нереверсивной) - на рабочие боковые поверхности зубьев (вторая боковая поверхность каждого зуба является нерабочей: часть высоты этой поверхности занята упругой прокладкой).
Недостаток прототипа состоит в том, что при воздействии на зубья колеса ударных нагрузок эти зубья, проворачиваясь, выходят за габариты расчетного профиля зубчатого венца колеса, что может привести к заклиниванию ими зубьев парного зубчатого колеса, находящихся во впадинах зубчатого венца колеса. Такая опасность более вероятна у зубчатых передач внутреннего зацепления. Это может привести, в свою очередь, к заклиниванию передачи, поломке зубьев и выходу передачи из строя.
Изобретением решается задача повышения надежности работы зубчатого колеса и зубчатой передачи в целом.
Для этого зубчатое колесо содержит тело и зубчатый венец, состоящий из отдельных, не связанных между собой и с телом колеса зубьев, каждый из которых укреплен шарнирно, с возможностью поворота в плоскости вращения колеса, между парой кольцевых накладок, укрепленных на торцах тела колеса. Половина основания ножки каждого зуба, расположенная со стороны его боковой поверхности, подверженной ударному нагружению, при радиальном расположении зуба примыкает к телу колеса. Вторая половина этой ножки выполнена усеченной по высоте, а между основанием этой половины и телом колеса расположена упругая прокладка, площадь которой в плане равна площади этого основания. Причем вторая половина ножки каждого зуба укорочена на высоту в пределах высоты расчетного нерабочего участка боковой поверхности зуба; под укороченными половинами ножек зубьев в теле колеса выполнены вырезы, совпадающие с плане и по площади с этими половинами, и в которых расположена нижняя часть упругих прокладок. А часть тела каждого зуба со стороны его нерабочей боковой поверхности, выходящая при ударном нагружении зуба за габариты зуба при его радиальном расположении, вырезана плоскостью, перпендикулярной торцам зуба.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены: фрагмент зубчатого колеса - передачи внутреннего зацепления - вид со стороны вершины зуба (фиг. 1); разрезы этого фрагмента - виды со стороны торца колеса: при нагружении зуба номинальной нагрузкой (фиг. 2) и при ударном нагружении зуба (фиг. 3).
н
у
з
т
см
На фиг. 1-3 показаны: тело 1 зубчатого колеса, зуб 2, окружность 3 оснований зубчатого венца, ось 4, кольцевые накладки 5 и 6, наружный периметр 7 накладок, внутренний периметр 8 накладок, фиксаторы 9, вершина 10 зуба, боковая рабочая поверхность 11 зуба, площадки 12- 15, упругая прокладка 16, расчетный участок 17 боковой нерабочей поверхности зуба, плоский участок 18 боковой нерабочей поверхности зуба, расчетный профиль 19 зуба, положение 20 расчетного профиля зуба при действии на зуб ударной нагрузки; направление ω вращения колеса; номинальная нагрузка Р; ударная нагрузка Р; радиальная ось У-У зуба; высота усечения ножки зуба h; глубина h выреза в теле (1) колеса; толщина h упругой прокладки; величина смещения h плоского участка нерабочей боковой поверхности; ось О вращения оси 4; угол α поворота зуба.
н
у
з
т
з
т
з
т
у
у
см
Зубчатое колесо содержит тело 1 и зубчатый венец, состоящий из отдельных, не связанных между собой и с телом колеса зубьев 2, окружность оснований зубчатого венца 3. Каждый из зубьев укреплен шарнирно, посредством оси 4, с возможностью поворота в плоскости вращения колеса, между парой кольцевых накладок 5 и 6, укрепленных жестко на торцах тела 1 колеса. Наружный периметр накладок 7, внутренний периметр накладок 8. Оси 4 укреплены в накладках 4 и 5 фиксаторами 9. Вершины зубьев 10. Основание половины ножки каждого зуба 2 со стороны его боковой (рабочей) поверхности 11, воспринимающей рабочие нагрузки - номинальную (Р) и ударную (Р), при радиальном положении зуба (совпадении осей симметрии зубьев с радиальной осью У-У) прилегает к телу 1 колеса, для чего основание этой половины ножки и ответный ей участок поверхности тела 1 колеса выполнены в виде плоских площадок - соответственно 12 и 13. Вторая половина ножки каждого зуба выполнена усеченной по высоте на величину h с выполнением на ней плоской площадки 14. Под усеченной половиной каждой ножки зуба в теле 1 колеса выполнен ответный вырез глубиной h с образованием дна выреза в виде площадки 15. Между площадками 14 и 15 размещена упругая прокладка 16 (например, из резины), высота прокладки h=h+h. Размеры h и h задаются, исходя из условия размещения прокладки 16 толщиной (h), обеспечивающей оптимальное демпфирование ударных нагрузок Р. Вторая боковая поверхность каждого зуба (нерабочая) выполнена в виде сочетания двух участков - один участок (17), прилегающий к основанию ножки зуба, имеет профиль, идентичный расчетному профилю боковой поверхности зуба, а вышерасположенный участок (18) представляет собой плоскость. Эта плоскость (18) отсекает часть тела зуба 2, выходящую за габариты расчетного зуба колеса (расчетный профиль зуба - 19) при действии на зуб ударной нагрузки Р, когда габарит расчетного зуба со стороны нерабочей ее поверхности занимает положение 20. Над вырезанной части тела колеса расположен на расстоянии h от центра О поворота зуба 2 на оси 4.
н
у
у
н
При работе колеса в режиме номинального нагружения (Р) его зубьев, оси симметрии зубьев ориентированы по радиальным осям  У-У колеса. При воздействии на зубья ударных нагрузок Р (Р>Р) зубья проворачиваются на угол α, а упругие прокладки 16 при этом демпфируют удары и возвращают зубья 2 в исходное положение - с ориентацией их осей симметрии по осям У-У.
По сравнению с прототипом, предлагаемая конструкция зубчатого колеса (за счет удаления части тела каждого зуба со стороны его нерабочей боковой поверхности) позволяет исключить заклинивание сопряженных зубьев парных зубчатых колес и тем самым повысить надежность работы колеса и передачи в целом, особенно в зубчатых передачах с внутренним зацеплением.