ЭКСЦЕНТРИКОВО-ЦИКЛОИДАЛЬНОЕ ЗАЦЕПЛЕНИЕ ЗУБЧАТЫХ ПРОФИЛЕЙ (ВАРИАНТЫ)
ECCENTRIC-CYCLOIDAL ENGAGEMENT OF TOOTH PROFILES (VERSIONS)

Изобретение относится к механическим передачам для преобразования вращательного движения во вращательное или возвратно-поступательное, использующим зубчатое зацепление профилей, и может найти применение в цилиндрических, конических или планетарных редукторах, а также в реечных передачах, обладающих высоким передаточным отношением, малыми габаритами и высокой нагрузочной способностью.
Широко применяемое в зубчатых передачах эвольвентное зацепление колес при всех его достоинствах обладает невысокой несущей способностью, определяемой размерами зубьев, а также имеет ограничения по величине передаточного отношения для одной ступени. На практике передаточное отношение одноступенчатого редуктора редко превышает 7. Для увеличения нагрузочной способности эвольвентного зацепления необходимо увеличивать модуль зубьев, что ведет к неоправданному увеличению габаритов передачи.
Известно эксцентриково-циклоидальное зацепление колес с криволинейными зубьями (см. Становской В.В., Казакявичюс С.М. и др. Новый вид зацепления колес с криволинейными зубьями. Справочник. Инженерный журнал №9, 2008. С.34-39). Зубчатый профиль меньшего колеса в торцовом сечении представляет собой окружность, эксцентрично смещенную относительно оси вращения колеса. То есть колесо имеет один зуб, имеющий форму эксцентричной окружности. Криволинейный винтовой профиль колеса образован последовательным и непрерывным смещением этой окружности вдоль оси колеса с одновременным поворотом ее вокруг этой же оси. В этом зацеплении меньшее колесо имеет один винтовой зуб, образованный непрерывным поворотом и одновременно смещением вдоль оси, эксцентрично смещенной относительно оси колеса окружности. Т.е. в каждом торцовом сечении этого колеса ее зубчатый профиль имеет форму эксцентрично смещенной окружности.
Профиль зуба большего колеса в торцовом сечении сопрягается с эксцентрично смещенной окружностью меньшего колеса. Профиль построен как огибающая семейства эксцентриковых окружностей в разных фазах зацепления и представляет собой циклоидальную кривую, являющуюся эквидистантой эпитрохоиды. Винтовая криволинейная поверхность зубьев второго колеса образуется аналогично последовательным и непрерывным поворотом циклоидальных торцовых сечений вокруг оси колеса. Профили зубьев колес сопрягаются в каждом торцовом сечении и имеют одновременно множество точек контакта. Эти точки образуют непрерывную винтовую линию контакта.
Если рассматривать отдельно любое торцовое сечение зацепления, то очевидно, что в каждом из них силовой контакт профилей будет осуществляться на участке, меньшем половины оборота винтового эксцентрика. Соответственно для циклоидальной кривой участки вблизи ее вершин не придают вращение. Рабочими являются только участки на растущих фронтах циклоиды.
Известно эксцентриково-циклоидальное зацепление (ЭЦ зацепление) составных колес (см. там же, рис.8). Колеса этого зацепления составлены из нескольких одинаковых венцов, повернутых друг относительно друга на одинаковый угол. Меньшее колесо в зацеплении имеет один зуб, профиль которого в торцовом сечении каждого венца описан окружностью, эксцентрично смещенной относительно оси колеса. Большее колесо составлено из венцов циклоидального профиля, повернутых друг относительно друга на угол, равный угловому шагу венца, деленному на число венцов. Каждый из венцов большего колеса сопрягается с соответствующим венцом меньшего однозубого колеса. Такое зацепление обеспечивает передаточное отношение, равное числу периодов циклоидальной кривой, т.е. числу зубьев большего колеса. Зацепление позволяет в одной ступени обеспечить передаточное отношение до 40-50. Кроме того, при одинаковых размерах колес зацепление обладает повышенной нагрузочной способностью по сравнению с эвольвентным, а при одинаковой нагрузочной способности имеет значительно меньшие размеры.
Известно также использование этой же системы эксцентриково-циклоидального зацепления в реечной передаче (см. патент РФ №2362925). Причем в передаче может применяться как зацепление с криволинейными зубьями, так и зацепление составных профилей. Реечная передача с эксцентриково-циклоидальным зацеплением отличается от аналогичного зацепления колес только тем, что циклоидальный профиль выполнен на рейке.
Изготовление эксцентриково-циклоидального зацепления профилей требует применения современных обрабатывающих центров. Причем зацепление с криволинейными зубьями имеет очень большую площадь обрабатываемой поверхности и требует больших затрат машинного времени. Зубчатые венцы для зацепления составных зубчатых профилей изготавливаются отдельно и затем скрепляются вместе, что также усложняет и удорожает технологию изготовления, а также снижает точность профиля в целом.
Таким образом, задачей изобретения является создание эксцентриково-циклоидального зацепления, обладающего упрощенной технологией изготовления.
Техническим результатом изобретения является уменьшение площади поверхности, требующей точной обработки. Дополнительным результатом для зацепления составных профилей является повышение точности и производительности их изготовления за счет изготовления составного профиля из единой заготовки в виде единой детали.
Для зубчатых профилей с криволинейными зубьями поставленная задача решается следующим образом. Как и в прототипе, один из профилей эксцентриково-циклоидального зацепления выполнен с одним винтовым зубом. В отличие от прототипа рабочая часть зуба в главных сечениях профиля очерчена дугами эксцентрично смещенной относительно оси вращения окружности, а сопряженная рабочая поверхность зубьев второго профиля в торцовых сечениях очерчена участками фронтов циклоидальной кривой. Остальные участки зубьев обоих профилей могут иметь любую форму с единственным условием их непересечения во время работы. Такая форма профилей требует высокоточной обработки только рабочих участков, что значительно снижает время, требуемое для изготовления профилей.
Указанное зацепление может быть реализовано в зацеплениях различных типов (внешнее и внутреннее), для колес различной формы (цилиндрические и конические), а также в качестве реечного зацепления.
Для зацепления цилиндрических колес главными сечениями колес являются их торцовые сечения. Для реечного зацепления главным сечением является сечение плоскостью, перпендикулярной оси колеса и параллельной рейке. Для зацепления конических колес главными сечениями являются сечения дополнительным конусом.
Но для конического зацепления возможна и другая модификация зацепления, когда зубья имеют описанную выше форму в сечениях сферой с центром в точке пересечения осей колес. Т.е. рабочая часть зуба меньшего колеса в этом сферическом сечении очерчена дугами эксцентрично смещенной окружности, а сопряженная рабочая поверхность зубьев второго профиля в сферическом сечении очерчена участками фронтов циклоидальной кривой. Или, другими словами, профилями зубьев в главном сечении колес являются участки эксцентричной окружности, выполненной на сфере, и участки сферической циклоиды.
Для составных зубчатых профилей задача решается следующим образом. Как и в прототипе, каждый профиль эксцентриково-циклоидального зацепления выполнен в виде пакета, по меньшей мере, трех зубчатых венцов, жестко связанных между собой и повернутых на одинаковые углы друг относительно друга. Венцы одного из профилей выполнены с одним зубом. В отличие от прототипа рабочая часть зуба этого профиля в торцовом сечении очерчена дугами эксцентрично смещенной относительно оси колеса окружности, а сопряженная рабочая поверхность зубьев второго профиля в торцовом сечении очерчена участками фронтов циклоидальной кривой. Вершины зубьев и впадины между ними у сопрягающихся профилей могут иметь любую не пересекающуюся форму. Эта форма профилей не только уменьшает площадь высокоточной обработки, но и, как будет показано ниже, позволяет изготовить каждый из профилей в виде единой детали из одной заготовки.
Изобретение иллюстрируется чертежами. Фиг.1-5 иллюстрируют внешнее зацепление цилиндрических колес. На фиг.1 показан общий вид меньшего колеса этого зацепления, на фиг.2 - фронтальный вид того же колеса, а на фиг.3 показано торцовое или главное сечение этого колеса. На фиг.4 представлен общий вид большего колеса этого же зацепления, а на фиг.5 дано его главное сечение.
Фиг.6-11 иллюстрирует один из вариантов зацепления конических колес. Здесь на фиг.6, 7 и 8 представлены общий вид, вид сверху и главное сечение меньшего конического колеса. На фиг.9 и 10 даны разные виды большего конического колеса этого зацепления, а на фиг.11 показан участок профиля колеса в его сечении дополнительным конусом.
На фиг.12 приведена схема образования профилей зубьев второго варианта зацепления конических колес.
Фиг.13-17 иллюстрируют зацепление составных колес, выполненное в соответствии с изобретением. На фиг.13, 14 и 15 приведены общий вид, вид сверху и торцовое сечение меньшего колеса этого зацепления. Фиг.16 и 17 показывают общий вид и торцовое сечение большего колеса. На фиг.18 показано торцовое сечение взаимодействующих колес.
Рассмотрим предлагаемое зацепление на примере внешнего зацепления цилиндрических колес, которые изображены на фиг.1-5. Меньшее колесо 1 имеет один винтовой зуб 2, который имеет вершину, образованную винтовой поверхностью 3, и две боковых рабочих винтовых поверхности зуба 4 и 5. В любом торцовом сечении (см. фиг.3) рабочие участки этого зуба очерчены дугами 6 и 7 окружности, которая на фиг.3 показана штриховыми линиями. Центр С окружности смещен относительно оси вращения OO1 колеса 1 на величину эксцентриситета е. Дуги 6 и 7 в винтовом зубе образуют рабочие винтовые поверхности 4 и 5. Участки 8 окружности в области максимального удаления от оси вращения удалены и вершину зуба в сечении образует дуга окружности 9, которая в винтовом зубе 2 образует вершину 3 винтового зуба. Впадину у ножки зуба в сечении образует окружность 10, соосная с осью колеса и образующая в колесе цилиндрическую поверхность 11. Поверхность 11 одновременно является и телом колеса 1. Радиус цилиндрической поверхности 11 выбирается из соображений прочности.
Большее колесо 12 этого зацепления (см. фиг.4 и 5) имеет винтовые зубья 13. Рабочие участки зубьев 13 в торцовом сечении образованы участками фронтов 14 и 15 циклоиды 16, показанной на фиг.5 штриховой линией. Вершины циклоиды 16 удалены, и вершину зубьев в сечении образуют дуги окружности 17, которые в криволинейных зубьях 13 образуют винтовые участки 18, лежащие на цилиндрической поверхности 19 (на фиг.5 эта поверхность показана пунктиром). Ножки зубьев 13 образованы не впадинами винтовой циклоидальной поверхности, а винтовыми участками 20 цилиндрической поверхности 21 (на фиг.5 показана пунктиром). Эта поверхность 21 образует тело колеса 12. Естественно, что для нормальной работы зацепления вершины 18 винтовых зубьев большего колеса 12 должны быть меньше по размерам, чем соответствующие им впадины у ножки зуба меньшего колеса 1. Аналогично, вершина 3 винтового зуба колеса 1 должна быть меньше, чем соответствующая ей впадина 20 циклоидального колеса 12. В этом случае форма и качество обработки этих поверхностей не будут оказывать никакого влияния на параметры зацепления.
Такое изменение профиля зубьев колес стало возможным из-за некоторых особенностей эксцентриково-циклоидального зацепления. Как показало компьютерное математическое моделирование зацепления, силовой контакт в зацеплении при наличии в нем зазора происходит только на участках фронтов циклоидальной кривой. При этом изменение межцентрового расстояния колес очень мало влияет на положение точки контакта на участке этого фронта. Отсюда был сделан вывод, что остальные участки профилей колес могут иметь любую непересекающуюся друг с другом форму. Этот факт позволяет значительно упростить и удешевить технологию изготовления колес, так как точной обработке должны подвергаться только небольшие по площади участки.
Мы рассмотрели пример изобретения для внешнего зацепления колес. Следует отметить, что аналогичным образом образуется и внутреннее зацепление цилиндрических колес. Меньшее колесо этого зацепления будет точно таким же, как на фиг.1, а у большего колеса соответствующие профили будут строиться на внутренней цилиндрической поверхности. Все вышеприведенные рассуждения справедливы и для реечной передачи, колесо которой будет выполнено как меньшее колесо, а вторым взаимодействующим профилем будут зубья на рейке, имеющей возможность возвратно-поступательного движения в плоскости, перпендикулярной оси колеса. Такое зацепление можно рассматривать как частный случай зацепления колес, большее из которых имеет бесконечно большой радиус.
Для рассмотрения зацепления конических колес обратимся к фиг.6-11. Меньшее коническое колесо 22 имеет один винтовой зуб 23. Зуб имеет вершину, образованную винтовой поверхностью 24, и две боковых рабочих поверхности 25 и 26. Эти поверхности строятся следующим образом. Любое главное сечение конического колеса 22 представляет собой сечение дополнительным конусом 27. В этом сечении (см. фиг.8) рабочие участки зуба очерчены дугами 28, 29 окружности 30. Центр D окружности 30 смещен относительно центра вращения колеса О на величину эксцентриситета е. В разных сечениях конического колеса 22 эксцентрические окружности будут иметь разный радиус и эксцентриситет. Дуги 28 и 29 образуют винтовые рабочие поверхности 25 и 26 конического колеса 22. Дуга 31 окружности 30 в области наибольшего удаления окружности от центра вращения колеса О срезана, и вершину зуба в этих сечениях образует дуга 32 окружности, сосной с центром вращения колеса. Естественно, что в разных главных сечениях колеса 22 эта окружность будет иметь различный радиус, образуя в осевом направлении коническую поверхность. Эти дуги 32 и образуют вершину зуба 23 - винтовую коническую поверхность 24. Ножку зуба 23 образует коническая поверхность 33. На фиг.8 окружность в сечении этой поверхности дополнительным конусом обозначена цифрой 34. Большее коническое колесо 35 этого зацепления показано на фиг.9 и 10. Его винтовые зубья имеют вершины 36 в виде винтовых участков конической поверхности, а также боковые винтовые рабочие участки 37 и 38. Эти участки в сечении колеса дополнительным конусом имеют форму фронтов 39 и 40 циклоидальной кривой 41 (см. развертку на фиг.11). Вершины и впадины циклоидальной кривой заменены дугами окружностей 42 и 43, которые в пространстве образуют винтовые конические поверхности 36 и 44 соответственно.
Здесь мы рассмотрели зацепление конических колес, где зубчатые профили имеют форму дуг окружностей и фронтов циклоидальной кривой в сечениях колес дополнительными конусами. Однако существует и другой метод построения зацепляющихся профилей. Схема, поясняющая другой метод образования сопрягающихся профилей конических колес, приведена на фиг.12. Здесь зубья меньшего колеса 1 имеют рабочие участки, образованные дугами 45 и 46 окружности 47, лежащей в сечении колеса сферой 48 с центром Е в точке пересечения колес. Аналогично рабочие участки зубьев большего колеса образованы участками фронтов 49 и 50 циклоидальной кривой 51, лежащей на той же сфере 48.
Описанные выше типы зацепления имеют винтовые зубья, и в зацеплении присутствуют осевые составляющие сил. Этого недостатка лишено зацепление составных колес, которое рассмотрим на примере внешнего зацепления, колеса которого показаны на фиг.13-17. Меньшее колесо 52 составлено из пяти повернутых друг относительно друга на равные углы венцов 53, 54, 55, 56 и 57. Каждый венец в торцовом сечении (см. фиг.15) имеет один зуб, рабочие участки которого образованы дугами 58 и 59 окружности 60 (на фиг.15 окружность показана штриховыми линиями). Центр С окружности 60 смещен относительно центра О вращения колеса 52 на величину эксцентриситета е. Наиболее удаленная от оси вращения колеса часть 61 этой окружности удалена, а вершину зуба образует дуга 62 окружности большего радиуса. Впадину у ножки зуба образует дуга окружности 63, которая в объеме образует цилиндрическую поверхность 64, являющуюся телом колеса 52.
Большее составное колесо 65 (см. фиг.16 и 17) составлено также из пяти венцов 66, 67, 68, 69 и 70, повернутых друг относительно друга на равные углы. Зубья каждого из этих венцов в торцовом сечении имеют рабочие участки 71 и 72, которые являются участками фронтов циклоидальной кривой 73. Вершины и впадины циклоидальной кривой 73 заменены дугами окружностей 74 и 75, образующих вершину зуба 76 и впадину между зубьями 77. Понятно, что впадина 77 между зубьями колеса по размерам должна соответствовать вершине 62 меньшего колеса 52, чтобы при работе не происходило их соприкосновения. Соответственно вершина 76 циклоидальных зубьев большего колеса 65 должна соответствовать впадине 63 у ножки зуба меньшего колеса 52.
С составными зубчатыми профилями по предлагаемому изобретению может быть выполнена и реечная передача, на чертежах не показанная. Колесо реечной передачи будет идентично меньшему колесу на фиг.13, а рейку можно представить как большее колесо бесконечно большого радиуса. Принципы построения его зубчатого профиля останутся теми же.
Как видим, все варианты этого изобретения отличаются от прототипа только модифицированной формой зубьев. Эта модификация имеет принципиальное значение для большего колеса с циклоидальными зубьями. Циклоидальную форму теперь имеют только боковые рабочие участки зубьев, вершины и впадины между зубьями могут иметь любую форму. Это значительно упрощает технологию и уменьшает трудоемкость нарезания зубьев, так как резко уменьшается поверхность, требующая высокоточной и качественной обработки.
Особенно ярко проявляется упрощение технологии для составных зубчатых колес. Колеса с циклоидальными составными зубьями по прототипу можно было изготовить двумя способами. По одному из них каждый венец выполняется отдельно, а затем венцы поворачиваются друг относительно друга и жестко скрепляются. Такая технология изготовления имеет невысокую точность, так как в процессе скрепления венцов может произойти их сдвиг и деформация. По второму способу все венцы выполняются из единой заготовки, однако в этом случае между венцами образуется технологический зазор, что увеличивает осевые габариты передачи. При выполнении колес по предлагаемому изобретению появляется возможность выполнить все венцы из цельной заготовки без технологических зазоров одной пальчиковой фрезой.
Работает предлагаемое зацепление полностью аналогично прототипу. Рассмотрим работу на примере внешнего зацепления цилиндрических колес на фиг.1 и 4. Торцевое сечение взаимодействующих колес показано на фиг.18. Обозначение на этой фигуре такое же, как и на фиг.1-5. При вращении меньшего колеса 1 вокруг оси OO1 дуга 7 эксцентричной окружности 8 в торцовом сечении контактирует с участком циклоидального фронта большего колеса 12. Пусть колесо 1 вращается против часовой стрелки, как это показано на фигуре. Дуга окружности 8 при вращении вокруг центра О начинает давить на зуб, вызывая поворот большего колеса 12 в обратную сторону. При дальнейшем повороте зуб колеса 1 в этом сечении выйдет из силового зацепления. Но если угол осевого перекрытия колеса 1 будет равен или больше 180 градусов, то всегда найдется еще одно такое сечение, в котором зуб колеса 1 войдет в зацепление с циклоидальным участком профиля колеса 12. Это означает, что вращение колеса 12 будет непрерывным и за один оборот колеса 1 колесо 12 повернется на один зуб. Т.е. передаточное отношение зацепления равно числу зубьев большего колеса и вращение колес встречное.