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 неодинакова по высоте зубьев: в районе полюса зацепления зубьев имеет место однопарное зацепление; на участках зубьев, прилегающих к их вершинам и основаниям, имеет место двухпарное зацепление. Прямо пропорциональна 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, этой 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 двухпарным 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 двухпарным 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 повышения 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; а 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 величину половины осевого зазора передачи; наружные диаметры кольцевых накладок равны диаметрам окружностей, описываемых границами изменения ширины зубьев на участках их головок; а в своих центральных поперечных сечениях зубья имеют симметричную крестообразную форму.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображено зубчатое колесо (вид сбоку в сечении, с проекцией на сечение характеристик боковых поверхностей - полюсной линии и границ участков с разной парностью зацепления).
в
вп
н
вн
o
1
2
3
На чертеже показаны: тело 1, зуб 2 зубчатого венца, торцевые кольцевые накладки 3 и 4; диаметр Д окружности вершин зубчатого венца, диаметр Д окружности впадин зубчатого венца, ширина В зубчатого венца, наружный диаметр Д торцевых накладок, внутренний диаметр Д торцевых кольцевых накладок, высота h зуба, полюсная линия р-р зуба, участок h высоты зуба с однопарным зацеплением, участки hд высоты зуба с двухпарным зацеплением, осевой зазор (с) зубчатой передачи, участок h по высоте зуба с полной шириной (В) зуба; участки h и h с уменьшенной шириной (В/2) зуба.
в
вп
o
д
1
2
3
вн
н
3
1
вп
Зубчатое колесо состоит из тела 1, зубчатого венца с диаметром окружности вершин Д и диаметром окружности впадин Д, зубьев 2 высотой h и номинальной шириной В (равной ширине зубчатого венца) и пары торцевых кольцевых накладок 3 и 4, укрепленных на торцах зубьев и участках торцов тела (1), прилегающих к зубчатому венцу. На участках головок и ножек зубьев с однопарным зацеплением (участки h) ширина зубьев - В; на участках головок и ножек зубьев с двухпарным зацеплением (участки h), со смещением в сторону вершин и оснований зубьев на величину с/2, равную половине осевого зазора с передачи, ширина зубьев равна половине ширины зубчатого венца и составляет величину В/2. В итоге на участках размером h ширина зубьев равна В, а на участках h и h ширина зубьев равна В/2. Внутренние диаметры накладок 3 и 4 - Д, они перекрывают части торцов тела 1. Наружные диаметры накладок (3 и 4) - Д - равны диаметру окружности, описываемой границей изменения ширины зубьев (с В на В/2) на участках головок зубьев (на расстоянии h+h от оснований зубьев (от окружности впадин зубьев диаметром Д).
o
д
При работе колеса в передаче каждый его зуб по своей высоте h имеет участок однопарного зацепления (участок h) и два участка двухпарного зацепления (участки h). При однопарном зацеплении на зуб действует полная нагрузка, воспринимаемая колесом в передаче, а при двухпарном - половина этой нагрузки. Этот фактор учитывается изменением ширины зубьев по их высоте. Смещение границы изменения ширины зубьев - в стороны вершин и оснований зубьев - на величину половины величины осевого зазора (с) передачи - учитывают возможные неточности сборки парных колес передачи и погрешности в их работе. Наличие торцевых кольцевых накладок 3 и 4 позволяет увеличить в целом жесткость зубьев зубчатого венца колеса, а также не позволяет снизить их прочность при уменьшении ширины ножек этих зубьев.
По сравнению с прототипом предлагаемая конструкция зубчатого колеса имеет меньшую материалоемкость - за счет уменьшения ширины ножек зубьев на участках их двухпарного зацепления, а наличие кольцевых накладок, связывающих между собой зубья колеса (по их торцам) и тело колеса, повышает изгибную прочность зубьев, и позволяет не уменьшать изгибную прочность зубьев и их жесткость при уменьшении ширины ножек зубьев.