ЗУБЧАТОЕ КОЛЕСО С ДЕМПФИРУЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ
GEAR WHEEL WITH DAMPING ELEMENT

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к зубчатому колесу зубчатой передачи, прежде всего для электрических ручных машин, имеющему зубчатый венец и выполненный из упругого материала демпфирующий элемент, расположенный в углублении в зубчатом колесе.
В зубчатых передачах электрических ручных машин для снижения себестоимости их изготовления применяют зубчатые колеса, изготавливаемые преимущественно спеканием. Зубчатая передача, в которой используются прежде всего изготовленные спеканием зубчатые колеса, имеет обусловленные технологическими особенностями большие погрешности, прежде всего погрешности шага зубчатых колес, погрешности профиля зубьев и радиальное биение, из-за которых неизбежен боковой зазор между зубьями, являющийся причиной значительного шума при работе зубчатой передачи и появления вибрации. Пусковые усилия, действующие при включении ручных машин, а также возникающие при их работе пиковые нагрузки обусловливают из-за наличия бокового зазора между зубьями действие высоких механических нагрузок на зубчатое зацепление. Тем самым боковой зазор между зубьями отрицательно сказывается на сроке службы зубчатых передач. Поэтому для компенсации бокового зазора между зубьями известно размещение демпфирующих элементов из упругого материала в кинематической цепи передачи, как это описано в DE 10259519 A1. Однако известно также размещение демпфирующих элементов непосредственно на зубчатом колесе, которые на отдельных участках выступают за контур зубчатого венца.
В GB 2224805 A предложен вставленный в торцевое углубление или торцевую выемку по краю цилиндрического зубчатого колеса зубчатый диск с упругой вставкой. Окружной профиль такого зубчатого диска соответствует профилю зубчатого колеса, при этом, однако, зубчатый диск выступает за наружный контур зубчатого венца цилиндрического зубчатого колеса. Действующие при работе зубчатой передачи на зубчатое колесо усилия могут создавать механические напряжения в зубчатом диске, которые могут привести к его отсоединению от зубчатого колеса. В попытке устранить данный недостаток в известном из EP 0641957 решении было предложено заменить часть зубчатого колеса выполненным из податливого материала зубчатым кольцом, зубья которого имеют частично увеличенный профиль и которое расположено на выступе зубчатого колеса и зафиксировано в своем положении выступающими радиально внутрь ребрами, которые зацепляются с зубчатым венцом выступа зубчатого колеса. В такой конструкции опасность отсоединения зубчатого кольца уменьшается, кроме того, благодаря тому, что зубчатое кольцо со своей обращенной от зубчатого колеса стороны снабжено кольцевым фланцем, который прилегает к другому зубчатому колесу, неподвижно смонтированному на выступе первого зубчатого колеса. Однако реализация подобного решения, направленного на обеспечение надежной фиксации упругого демпфирующего элемента во избежание его самопроизвольного отсоединения от зубчатого колеса, связана с высокими техническими затратами.
Помимо этого предусмотренное согласно известному уровню техники размещение демпфирующих элементов исключительно по краю зубчатого колеса приводит к неблагоприятному распределению усилий и напряжений в зубчатой передаче, из-за чего не исключена возможность нежелательного преждевременного ее износа.
В основу настоящего изобретения была положена задача при малых затратах повысить эффективность и эксплуатационную надежность демпфирующего элемента на зубчатом колесе с целью увеличить срок службы соответствующей зубчатой передачи.
Эта задача решается благодаря тому, что зубчатое колесо представляет собой ведомое коническое зубчатое колеса конической зубчатой передачи и имеет пронизывающее или прорезающее его зубчатый венец углубление.
В отличие от известных из уровня техники конструкций, в которых расположенный в углублении в зубчатом колесе демпфирующий элемент лишь прилегает к зубчатому венцу, демпфирующий элемент при его предлагаемом в изобретении размещении в прорезающем или пронизывающем зубчатый венец углублении оказывается по меньшей мере частично заключен в своего рода оправу из зубчатого венца. Тем самым помещенный в углубление в зубчатом колесе демпфирующий элемент исключительно за счет по меньшей мере частичного его охвата зубчатым венцом, который выполнен из твердого материала, приобретает боковую опору перпендикулярно направлению действия нажимного усилия, которое к зубчатому колесу и соответственно к демпфирующему элементу прикладывает сопряженное зубчатое колесо. В результате существенно уменьшается опасность бокового отсоединения демпфирующего элемента, который благодаря этому способен дольше и эффективнее выполнять свои полезные демпфирующие функции на зубчатом колесе.
Различные предпочтительные варианты выполнения предлагаемого в изобретении зубчатого колеса, заявленного в п.1 формулы изобретения, представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Исходя из того, что зубчатый венец имеет определенный контур, углубление в одном из предпочтительных вариантов пронизывает или прорезает этот контур с образованием ограниченного им отверстия. Благодаря этому при перекатывании зубьев сопряженного зубчатого колеса по контуру зубчатого венца предлагаемого в изобретении зубчатого колеса обеспечивается особо надежное удержание демпфирующего элемента в таком отверстии, поскольку оно со всех своих сторон ограничено неподатливыми краями, образованными контуром зубчатого венца из твердого материала. При этом принципиально не следует опасаться возможности бокового отсоединения демпфирующего элемента от зубчатого колеса перпендикулярно направлению действия нажимного усилия со стороны сопряженного зубчатого колеса.
Помимо этого демпфирующий элемент оказывается расположен ближе к середине зубчатого венца зубчатого колеса, благодаря чему исключаются неравномерные нагрузки на зубчатую передачу, которым она подвергалась бы из-за осевого вылета демпфирующего элемента при его расположении по краю зубчатого колеса, и тем самым дополнительно увеличивается срок службы зубчатой передачи.
В еще одном предпочтительном варианте углубление в зубчатом колесе расположено с его перекрытием вершиной зуба. В этом случае углубление в зубчатом колесе пронизывает или прорезает зубчатый венец без ослабления зубчатого колеса в зоне его зубьев, прежде всего их головок, что исключает преждевременное разрушение зубьев. Помимо этого повышается устойчивость помещенного в углубление в зубчатом колесе демпфирующего элемента.
В следующем предпочтительном варианте демпфирующий элемент имеет профиль, который заканчивается заподлицо с контуром зубчатого венца. Демпфирующий элемент за счет его "внедрения" в зубчатый венец проявляет демпфирующие свойства, даже не выступая за профиль зубьев зубчатого колеса, поскольку зубчатый венец приобретает таким путем некоторую собственную упругость, позволяющую компенсировать погрешности профиля зубьев и радиальное биение взаимно зацепляющихся зубчатых колес. Помимо этого предотвращается возможное при длительной работе зубчатой передачи истирание выступающего за пределы профиля зубьев демпфирующего элемента или даже полное срезание его выступающей за пределы профиля зубьев части, прежде всего в зоне вершин зубьев.
В принципе эффективное демпфирование в зубчатой передаче обеспечивают также демпфирующие элементы с выступающим за контур зубчатого венца профилем, поскольку и выступающая за контур зубчатого венца часть профиля демпфирующего элемента при его размещении в выполненном согласно изобретению углублении в зубчатом колесе также приобретает опору.
Особо эффективное демпфирование обеспечивается прежде всего в том случае, когда профиль демпфирующего элемента заканчивается выше основания зубьев зубчатого венца. Основание зубьев зубчатого венца, которое, например, у цилиндрического зубчатого колеса соответствует диаметру основной окружности, располагается на том уровне по высоте зубьев зубчатого венца, до которого при зацеплении пары сопряженных зубчатых колес в промежутки между зубьями зубчатого венца одного зубчатого колеса утапливаются вершины зубьев зубчатого венца другого - сопряженного зубчатого колеса. Таким образом, именно в этой зоне между взаимно перекатывающимися другу по другу зубчатыми колесами преимущественно передаются действующие в зацеплении силы, которые требуется гасить. При выполнении демпфирующего элемента с профилем, выступающим за это основание зубьев зубчатого венца, демпфирующий элемент соприкасается с зубьями сопряженного зубчатого колеса и таким путем эффективно демпфирует перекатывание сопряженного зубчатого колеса по зубчатому колесу.
В еще одном предпочтительном варианте углубление в зубчатом колесе выполнено в виде кольцевой канавки с повторяющимися отверстиями в контуре впадины между зубьями и боковых поверхностей соседних с ней зубьев, и в таком углублении расположен кольцевой демпфирующий элемент. Подобная кольцевая канавка с соответствующим кольцевым демпфирующим элементом проста в изготовлении и обеспечивает устойчивое, защищенное от отсоединения размещение в ней демпфирующего элемента с эффективными демпфирующими свойствами.
В другом варианте углубление в зубчатом колесе выполнено в виде (сверленого) отверстия, которое оканчивается отверстием в контуре впадины между зубьями и/или боковой поверхности зуба и в котором расположен стержневидный демпфирующий элемент. В этом случае подобное углубление пронизывает или прорезает зубчатый венец не как сплошная канавка, а лишь частично и поэтому позволяет избежать излишнего ослабления зубчатого колеса, что актуально прежде всего для зубчатых колес небольших размеров.
Краткое описание чертежей
Ниже предлагаемое в изобретении зубчатое колесо более подробно рассмотрено на примере некоторых вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - вид в плане ведомого конического зубчатого колеса конической зубчатой передачи с кольцевой канавкой и кольцевым демпфирующим элементом,
на фиг.2 - вид ведомого конического зубчатого колеса в разрезе плоскостью А-А по фиг.1,
на фиг.3 - увеличенный вид в аксонометрии обозначенного на фиг.1 фрагмента Х зубчатого венца,
на фиг.4 - вид выполненного по другому варианту ведомого конического зубчатого колеса в разрезе плоскостью А-А по фиг.1 с иным расположением кольцевой канавки и кольцевого демпфирующего элемента,
на фиг.5 - увеличенный вид в аксонометрии зубчатого венца с канавками в зубьях и с выполненными в форме зубьев демпфирующими элементами и
на фиг.6 - увеличенный вид в поперечном разрезе зубчатого венца с отверстиями и с расположенными в них стержневидными демпфирующими элементами.
Описание варианта(ов) осуществления изобретения
На фиг.1-6 в качестве частного примера зубчатого колеса показано ведомое коническое зубчатое колесо, которое является компонентом конической зубчатой передачи, используемой преимущественно в электрических ручных машинах. Однако настоящее изобретение может найти применение не только в такой, выбранной в качестве примера зубчатой передаче, но и в других зубчатых передачах, например в цилиндрической зубчатой передаче или в червячной передаче.
На фиг.1 ведомое коническое зубчатое колесо 1 конической зубчатой передачи показано в виде в плане. Другое, относящееся к паре сопряженных зубчатых колес конической зубчатой передачи коническое зубчатое колесо, которое является ведущей шестерней для ведомого конического зубчатого колеса 1, а также соответствующие валы с такими зубчатыми колесами для упрощения, на чертежах не показаны. Ведомое коническое зубчатое колесо 1, изготовленное, например, из спеченного материала, имеет на своем крае зубчатый венец 2 из зубьев 3 и чередующихся с ними впадин 4 между ними, которые расположены с равномерным шагом. Весь зубчатый венец 2 пересекает пронизывающее или прорезающее его углубление 5 в виде интегрированной кольцевой канавки 5.1. Такую кольцевую канавку 5.1 можно выбирать в ведомом коническом зубчатом колесе 1 за один технологический переход. В эту кольцевую канавку 5.1 помещен выполненный в виде демпфирующего кольца 6.1 упругий демпфирующий элемент 6, который выполнен, например, из эбонита и который можно фиксировать в кольцевой канавке 5.1, в частности приклеиванием. Положение кольцевой канавки 5.1 и демпфирующего кольца 6.1 в зубчатом венце 2 наглядно показано на фиг.2. Кольцевая канавка 5.1 образует в контуре 8 зубчатого венца 2 повторяющиеся отверстия 9, из которых выступает профиль 10 демпфирующего кольца 6.1, как наглядно показано на фиг.3. Каждое из отверстий 9 ограничено контуром 8 впадины 4 между зубьями и контурами 8 боковых поверхностей 11 соседних с ней зубьев, при этом профиль 10 демпфирующего кольца 6.1 выступает над контуром 8 впадины 4 между зубьями и боковых поверхностей 11 зубьев. Профиль 10 выступающего демпфирующего кольца 6.1 заканчивается при этом выше (обозначенного на фиг.2 прерывистой линией) основания 12 зубьев зубчатого венца ведомого конического зубчатого колеса 1, при зацеплении с которым не показанного на чертеже ведущего конического зубчатого колеса с вершинами его зубьев тем самым соприкасается демпфирующее кольцо 6.1, обеспечивающее таким путем демпфирование в конической зубчатой передаче. С другой стороны, кольцевая канавка 5.1 выбрана в зубчатом венце 2 лишь на такую глубину, при которой между дном кольцевой канавки 5.1 и вершинами 13 зубьев ведомого конического зубчатого колеса 1 остается достаточный для обеспечения необходимой его прочности слой материала. Демпфирующее кольцо 6.1 благодаря его охвату отверстиями 9 в зубчатом венце 2 надежно зафиксировано от радиального смещения или отсоединения от ведомого конического зубчатого колеса 1.
На фиг.2 показано далее расположенное с нижней стороны ведомого конического зубчатого колеса 1 крепежное кольцо 14, которое при работе конической зубчатой передачи дополнительно фиксирует демпфирующее кольцо 6.1 в кольцевой канавке 5.1 относительно ведомого конического зубчатого колеса 1 в осевом направлении и таким путем повышает устойчивость демпфирующего кольца 6.1 в ведомом коническом зубчатом колесе 1 к действующему со стороны ведущего конического зубчатого колеса нажимному усилию. Крепежное кольцо 14 может быть соединено с ведомым коническим зубчатым колесом 1, например резьбовым соединением, зачеканиванием или приклеиванием.
Для согласования с различными требованиями к демпфированию ширину и высоту, а также диаметр кольцевой канавки 5.1 можно выбирать любыми при соответственно согласованных размерах демпфирующего кольца 6.1 по ширине, высоте и диаметру. На фиг.4 в качестве примера показана расположенная по наружному диаметру ведомого конического зубчатого колеса 1 кольцевая канавка 5.2 с демпфирующим кольцом 6.2 соответственно большего диаметра. В этом случае кольцевая канавка 5.2, главным образом для надежного удержания в ней демпфирующего кольца 6.2, также выбрана в зубчатом венце 2 лишь на такую глубину, при которой обеспечивается перекрытие кольцевой канавки 5.2 и демпфирующего кольца 6.2 вершинами 13 зубьев ведомого конического зубчатого колеса 1.
На фиг.5 показан вариант с повторяющимися углублениями 5 в виде канавок 5.3 в зубьях 3 зубчатого венца 2. Такие канавки 5.3 в зубьях можно выполнять по отдельности или же совместно за один технологический переход. На чертеже в качестве примера показаны разные выполненные в форме зубьев демпфирующие элементы 6.3, 6.4, 6.5, расположенные в канавках 5.3 в зубьях. Демпфирующий элемент 6.3 имеет профиль 10 с боковым выступом, который выступает за контур 8 боковой поверхности 11 зуба. Демпфирующий элемент 6.4 имеет профиль 10, который полностью заканчивается заподлицо с контуром 8 боковой поверхности 11 зуба и его вершиной 13. Демпфирующий элемент 6.5 имеет профиль 10, который целиком выступает за контур 8 обеих боковых поверхностей 11 зуба 3.
На фиг.6 в поперечном разрезе показан фрагмент зубчатого венца 2 с повторяющимися углублениями 5 в виде отверстий 5.4, каждое из которых оканчивается отверстием 9 в контуре 8 впадины 4 между зубьями и боковой поверхности 11 зуба. В каждом отверстии 5.4 расположено по стержневидному демпфирующему элементу 6.6, который своим профилем 10 выступает за контур 8 впадины 4 между зубьями и боковой поверхности 11 зуба. Подобный вариант с таким выполнением углублений 5 позволяет до минимума уменьшить ослабление сечения ведомого конического зубчатого колеса 1 при достижении также достаточно высоких демпфирующих результатов и поэтому наиболее пригоден для использования в небольших по своим размерам ведомых конических зубчатых колесах 1 с малым сосредоточением материала.
В соответствии с конкретными особенностями зубчатых передач и в соответствии с конкретными требованиями к демпфированию углубления 5 в зубчатом венце 2 можно также предусматривать в различном количестве и в различных сочетаниях. Очевидно, что для согласования с конкретными требованиями к демпфированию в каждом из описанных выше вариантов можно варьировать степень твердости упругого материала демпфирующего элемента 6.
Помимо рассмотренных выше вариантов в соответствии с конкретными требованиями к демпфированию прорезающие зубчатые венец 2 углубления 5 и соответствующий демпфирующий элемент 6 можно выполнять и иной геометрической формы также с достижением вышеописанных преимуществ.