ЗУБЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА
GEAR TRAIN

Область техники
Данное изобретение относится к зубчатой передаче, например, зубчатой передаче, связанной с ручкой управления системы управления, в которой управляющий сигнал генерируется в зависимости от положения или скорости перемещения рычага управления.  Такая система управления может представлять собой систему управления полетом летательного аппарата, такую как система управления тягой (хотя изобретение не ограничивается такой системой).
Уровень техники
Между любыми двумя зубчатыми колесами, находящимися в зацеплении, будет наблюдаться некоторый боковой зазор (также называемый зазором, люфтом или свободным ходом), который обусловлен просветом между сопряженными зубьями зубчатых колес.  Это является необходимой конструктивной особенностью для предотвращения заклинивания зубчатых колес, например, в результате теплового расширения или деформации под нагрузкой.  Также боковой зазор позволяет обеспечивать смазку между зубчатыми колесами.  В некоторых случаях боковой зазор может присутствовать в результате износа, допусков на механическую обработку или дефектов обработки.
Во многих случаях применения желательно исключить или иным образом компенсировать боковой зазор.  Одним из таких применений является система управления, которая генерирует управляющий сигнал на основе положения или скорости движения ручки управления.  Одним конкретным примером является приведение в действие рычага управления тягой (или другого рулевого привода) пилотом самолета.  Небольшая часть входного воздействия пилота в виде перемещения теряется для перемещения зубчатых колес в приводной контакт, прежде чем крутящий момент начнет передаваться через систему зубчатых колес.  Хотя величина перемещения может показаться небольшой, этот боковой зазор может привести к потере точности для соответствующего датчика положения.
Существующий способ компенсации бокового зазора в таких применениях состоит в использовании подпружиненного разъемного зубчатого колеса.  Оно состоит из двух наложенных составляющих зубчатых колес, смещенных относительно друг друга торсионной пружиной, чтобы тем самым увеличить эффективную толщину зуба.  В таком случае зубья подпружиненного разъемного зубчатого колеса полностью заполняют пространство между зубьями сопряженного зубчатого колеса, тем самым устраняя боковой зазор.
Требуется усовершенствованный механизм для уменьшения бокового зазора в зубчатой передаче.
Краткое описание сущности изобретения
Согласно первому аспекту данного изобретения можно увидеть, что обеспечивается зубчатая передача, содержащая систему зубчатых колес с первым зубчатым колесом на первой оси и вторым зубчатым колесом на второй оси.  Первое и второе зубчатые колеса выполнены с возможностью входить в зацепление.  Зубчатая передача модифицирована посредством обеспечения фрикционной передачи, содержащей первый вращающийся элемент, установленный на первой оси, выполненный с возможностью фрикционного привода второго вращающегося элемента, установленного на второй оси.
Система зубчатых колес и фрикционная передача могут быть синхронизированы, т.е. первое зубчатое колесо системы зубчатых колес и первый вращающийся элемент фрикционной передачи приводятся в движение одновременно.
Первый вращающийся элемент и второй вращающийся элемент могут быть в постоянном контакте.  Каждый вращающийся элемент может контактировать с другим в точке на окружности другого элемента.
Фрикционная передача может практически не иметь бокового зазора, передавая передачу от одной оси к другой сразу, без какого-либо люфта, при низких показателях крутящего момента.
Первый вращающийся элемент и второй вращающийся элемент могут представлять собой колеса.  Каждое колесо может иметь форму диска, цилиндра, конуса, усеченного конуса, сферического шара или овального шара.
Первая и вторая оси параллельны.
Диаметр первого вращающегося элемента может быть практически равен диаметру начальной окружности первого зубчатого колеса, а диаметр второго вращающегося элемента может быть практически равен диаметру начальной окружности второго зубчатого колеса.
Для примера, зубчатые колеса могут содержать прямозубые цилиндрические зубчатые колеса, конические зубчатые колеса, косозубые цилиндрические зубчатые колеса или зубчатые колеса планетарной передачи.
Данное изобретение также показывает, что обеспечивается система управления, содержащая любую из описанных выше зубчатых передач и ручку управления, предназначенную для управления зубчатой передачей.
Система управления может содержать датчик положения, способный определять положение ручки управления.
Система управления может быть системой управления тягой, содержащая рычаг управления тягой.
Согласно второму аспекту данного изобретение можно увидеть, что обеспечивается способ изготовления зубчатой передачи.  Способ включает: обеспечение системы зубчатых колес с первым зубчатым колесом на первой оси и вторым зубчатым колесом на второй оси, первое и второе зубчатые колеса выполнены с возможностью вхождения в зацепление.  Способ модифицируется путем обеспечения фрикционной передачи.  Первый вращающийся элемент фрикционной передачи установлен на первой оси, а второй вращающийся элемент фрикционной передачи установлен на второй оси.  Первый вращающийся элемент выполнен с возможностью фрикционного привода второго вращающегося элемента.
Система зубчатых колес и фрикционная передача могут быть синхронизированы (т.е. первое зубчатое колесо системы зубчатых колес и первый вращающийся элемент фрикционной передачи приводятся в движение одновременно).
Первый вращающийся элемент и второй вращающийся элемент могут представлять собой колеса.  Каждое колесо может иметь форму диска, цилиндра, конуса, усеченного конуса, сферического шара или овального шара.
Первая и вторая оси могут быть параллельны.
Диаметр первого вращающегося элемента может быть практически равен диаметру начальной окружности первого зубчатого колеса, а диаметр второго вращающегося элемента может быть практически равен диаметру начальной окружности второго зубчатого колеса.
Для примера, зубчатые колеса могут содержать прямозубые цилиндрические зубчатые колеса, конические зубчатые колеса, косозубые цилиндрические зубчатые колеса или зубчатые колеса планетарной передачи.
Краткое описание фигур
Теперь, лишь для примера, некоторые варианты реализации данного изобретения будут более подробно описаны со ссылками на прилагающиеся графические материалы, где:
На Фиг. 1 показана типовая зубчатая передача согласно данному изобретению;
На Фиг. 2 показана типовая система прямозубых цилиндрических зубчатых колес типовой зубчатой передачи;
На Фиг. 3 показана типовая система конических  зубчатых колес согласно данному изобретению;
На Фиг. 4 показана типовая система косозубых цилиндрических зубчатых колес согласно данному изобретению;
На Фиг. 5 показана типовая система зубчатых колес планетарной передачи согласно данному изобретению;
На Фиг. 6 показана типовая система управления согласно данному изобретению; и
На Фиг. 7 показан типовой датчик положения для использования в типовой системе управления согласно данному изобретению.
Подробное описание
На Фиг. 1 показана типовая зубчатая передача, содержащая систему зубчатых колес 1 (также показана на Фиг. 2) и фрикционную передачу 2.  Фрикционная передача 2 установлена параллельно системе зубчатых колес 1.
Система зубчатых колес 1 содержит первое зубчатое колесо 10, установленное на первой оси 12 и входящее в зацепление со вторым зубчатым колесом 20, установленным на второй оси 22.  В этом примере первая и вторая оси 12, 22 - параллельны.
Фрикционная передача 2 содержит первое колесо 14, установленное на первой оси 12, и второе колесо 24, установленное на второй оси 22.  Первое колесо 14 является параллельным первому зубчатому колесу 10, а второе колесо 24 является параллельным второму зубчатому колесу 20 вследствие того, что колеса 14, 24 установлены на соответствующих осях 12, 22.
Используемый в данном документе термин «система зубчатых колес» включает в себя два или более зубчатых колеса с зубьями, которые входят в зацепление.  Зубья могут быть радиальными зубьями, предусмотренными по периметру зубчатого колеса, зубья могут иметь закрученный профиль для обеспечения множества зубьев косозубого цилиндрического зубчатого колеса, они могут быть коническими для передачи крутящего момента через угол к сцепленному коническому зубчатому колесу, или они могут иметь любую другую форму зубьев зубчатого колеса, где зубья входят в зацепление, чтобы передавать крутящий момент от одного зубчатого колеса к следующему посредством взаимодействия зубьев.
Напротив, под термином «фрикционная передача» подразумевается расположение двух или более вращающихся элементов, обычно в форме плоских колес, хотя они могут принимать альтернативную форму, где круговой периметр первого вращающегося элемента находится в контакте с круговым  периметром второго вращающихся элемента и через фрикционный контакт между такими круговыми  поверхностями существует возможность передавать крутящий момент от одного вращающегося элемента к другому.  Фрикционная передача может практически не иметь бокового зазора, передавая передачу от одной оси к другой сразу, без какого-либо люфта, при низких показателях крутящего момента.
Первое колесо 14 может быть установлено вблизи первого зубчатого колеса 10 (например, в системе управления полетом первое колесо 14 может находиться в пределах от приблизительно 1 мм до приблизительно 5 сантиметров), а второе колесо 24 может быть установлено соответственно близко к второму зубчатому колесу 20 так, что второе колесо 24 выровнено и расположено в контакте с первым колесом 14.
Первое и второе колеса 14, 24 могут быть выполнены из разнородных, в основном подобных или совершенно одинаковых материалов.  Например, одно или оба из колес 14, 24 могут состоять из полимера.  В одном примере одно или оба из колес 14, 24 выполнены из вулканизированной резины или аналогичного материала, обладающего сравнительно высоким коэффициентом трения.  Одно или оба из колес 14, 24 могут быть выполнены из металла или другого материала и, возможно, содержать слой материала с более высоким коэффициентом трения, например, в виде резиновой ленты или заполнения.
Поскольку целью фрикционной передачи 2 является передача крутящего момента (привод) от первой оси 12 ко второй оси 22, когда зубчатые колеса 10, 20 не находятся в приводном контакте, для передачи крутящего момента, по крайней мере, до определенного момента, пока зубчатая передача 1 не возьмет на себя передачу привода, должны выбираться материалы с подходящими коэффициентами трения.   В рамках выбора материалов может потребоваться определенное внимание в отношении контактных давлений, упругой деформации и износа материалов.
Окружность колес 14, 24 может быть гладкой и даже до некоторой степени эластичной при контактном давлении.  Окружность одного или обоих колес 14, 24 также может иметь рисунок протектора в некоторой форме.
Между зубьями 10а (показаны на Фиг. 2) первого зубчатого колеса 10 и зубьями 20а второго зубчатого колеса 20 имеется некоторая величина бокового зазора, позволяющая зубчатым колесам правильно входить в зацепление и предотвращать заклинивание.  Этот боковой зазор соответствует расстоянию между поверхностями головок зубьев прежде чем они контактируют друг с другом для передачи крутящего момента.  Это может быть всего лишь небольшая величина, но она все же будет присутствовать.
Напротив, первое и второе колеса 14, 24 находятся в постоянном фрикционном контакте друг с другом в точке 30 по окружности каждого из колес 14, 24.  Фрикционная передача не имеет или практически не имеет бокового зазора, поскольку вращение одного колеса мгновенно отражается во вращении другого (в пределах допусков на упругость материала).
Как можно видеть на Фиг. 1, диаметр первого колеса 14 может быть практически равен диаметру начальной окружности P (см. Фиг. 2) первого зубчатого колеса 10.  Подобным образом, диаметр второго вращающегося элемента 24 может быть практически равен диаметру начальной окружности второго зубчатого колеса 20.  Таким образом, скорости вращения зубчатых колес 10, 20 и колес 14, 24 могут быть согласованы друг с другом.
В случае использования относительно мягких или эластичных материалов для одного или обоих колес 14, 24, и таком контактном давлении, которое сплющивает или вдавливает поверхность колеса там, где оно контактирует с другим, диаметр может быть выбран соответственно с учетом этого сплющивания и так, чтобы соответствовать начальной окружности соответствующего зубчатого колеса 10, 20.
Первое зубчатое колесо 10 и второе зубчатое колесо 20 (т.е. система зубчатых колес 1) обеспечивают основной путь передачи крутящего момента для передачи крутящего момента от первой оси 12 ко второй оси 22, когда зубцы 10а, 20а зубчатых колес 10, 20 находятся в приводном контакте.  Это было бы условием при относительно высоком уровне крутящего момента или когда зубчатые колеса 10, 20 движутся относительно друг друга на высоких скоростях, например, когда управление, использующее систему зубчатых колес 1, перемещается через большой диапазон движения.
Первое колесо 14 и второй колесо 24 (т.е. фрикционная передача 2) обеспечивают вспомогательный путь передачи крутящего момента для передачи крутящего момента от первой оси 12 ко второй оси 22 без бокового зазора, когда зубья 10a, 20a зубчатых колес 10, 20 не находятся в приводном контакте, например, во время начальных этапов движения элемента управления, поскольку учитывается боковой зазор.  При таких небольших уровнях крутящего момента и низких скоростях, связанных с гораздо меньшими перемещениями органов управления, фрикционная передача 2 позволяет второй оси 22 приводиться в движение посредством вращения первой оси 12, даже когда первое зубчатое колесо 10 и второе зубчатое колесо 20 не находятся в приводном контакте.
Таким образом, согласно данному изобретению зубчатая передача посредством модификации фрикционной передачи имеет нулевой или практически нулевой боковой зазор.  При низком крутящем моменте (вплоть до момента, когда крутящий момент на фрикционной передаче превышает коэффициент трения между вращающимися элементами фрикционной передачи) фрикционная передача работает и по сути не имеет бокового зазора, а при более высоком крутящем моменте зубья зубчатого колеса приводят в движение друг друга, и в этом рабочем состоянии не наблюдаться никакого бокового зазора при продолжении вращения зубчатых колес.
Эксплуатация зубчатой передачи, содержащей систему зубчатых колес 1 и фрикционную передачу 2 дополнительно поясняется со ссылкой на Фиг. 6, где показан иллюстративный вид системы управления в соответствии с вариантом реализации изобретения.
На Фиг. 6 показана ручка 50 управления, которая механически соединена с первой осью 12.  Ручка 50 управления приводится в действие оператором (например, пилотом) для управления системой.  Движение ручки 50 управления заставляет первую ось 12 вращаться.  Поскольку первое зубчатое колесо 10 и первое колесо 14 установлены на первой оси 12, они также вращаются вместе с первой осью 12.  Из-за бокового зазора между первым зубчатым колесом 10 и вторым зубчатым колесом 20, в зависимости от того, как зубчатые колеса 10, 20 расположены относительно друг друга в это время, зубья 10a, 20a первого и второго зубчатых колес 10 и 20 первоначально могут не находиться в приводном контакте.  Выход второй оси 22, приводимой в движение системой зубчатых колес 1 или фрикционной передачей 2, соединен с датчиком положения 32 (также показан на Фиг. 7), таким как датчик ВРДП (вращающийся регулируемый дифференциальный преобразователь) или аналогичным, для обеспечения электрического сигнала.  Этот сигнал может быть предназначен для управления частью летательного аппарата, например для управления тягой двигателя.
В системе, которая не снабжена параллельной фрикционной передачей 2, это может привести к потере точности в системе управления - входное воздействие оператора в систему не сразу передается через систему, потому что сначала необходимо преодолеть боковой зазор.  Однако в системе согласно данному изобретению, параллельная фрикционная передача 2 способна компенсировать боковой зазор в системе зубчатых колес 1.  При вращении первого колеса 14  (вследствие поворота первой оси 12), фрикционный контакт 30 со вторым колесом 24 является причиной того, что первое колесо 14 вращает второе колесо 24.  Поскольку второе колесо 24 установлено на второй оси 22, вторая ось 22 также вращается.  Таким образом крутящий момент передается от первой оси 12 ко второй оси 22 через фрикционную передачу 2, даже когда первое зубчатое колесо 10 и второе зубчатое колесо 20 системы зубчатых колес 1 не находятся в приводном контакте.  В связи с этим эффективно устраняется эффект бокового зазора между первым зубчатым колесом 10 и вторым зубчатым колесом 20, что означает, что система управления является более точной.
Вследствие этого система управления согласно данному изобретению посредством модификации фрикционной передачи имеет нулевой или практически нулевой боковой зазор.  При низком крутящем моменте (вплоть до момента, когда крутящий момент на фрикционной передаче превышает коэффициент трения между вращающимися элементами фрикционной передачи) фрикционная передача работает и по сути не имеет бокового зазора, а при более высоком крутящем моменте зубья зубчатого колеса приводят в движение друг друга, и в этом рабочем состоянии не наблюдаться никакого бокового зазора при продолжении вращения зубчатых колес.
Хотя этот вариант реализации изобретения описан в контексте системы управления, специалисту в данной области будет легко понятно, что зубчатая передача согласно данному изобретению гораздо более широко применима и к другим областям, где желательно передавать крутящий момент без влияния бокового зазора и поэтому может применяться к другим типам ручки или механизма.
Зубчатая передача может использоваться в любом приложении, где крутящий момент может быть приложен к первой оси 12 на уровне, который является достаточно малым, и достаточно низкой скорости, так что сопротивление (фрикционный контакт) между первым колесом 14 и вторым колесом 24 позволяет первому колесу 14 приводить в движение второе колесо 24.  Когда применяются более высокие значения крутящего момента, боковой зазор не будет обработан приводом между колесами; колеса просто проскользнут мимо друг друга.
Хотя первое и второе зубчатые колеса 10, 20, проиллюстрированные на фигурах 1 и 2, являются прямозубыми цилиндрическими зубчатыми колесами, эта иллюстрация не предусматривает никаких ограничений.  Зубчатые колеса10, 20 могут быть любыми другими типами зубчатых колес, например, коническими зубчатыми колесами (как показано на Фиг. 3) или косозубыми цилиндрическими зубчатыми колесами (как показано на Фиг. 4).  Кроме того, система зубчатых колес 1 может содержать больше, чем два показанных зубчатых колеса, или она может представлять собой систему зубчатых колес планетарной передачи (как показано на Фиг. 5).
На Фиг. 1 первая и вторая оси 12, 22 параллельны.  Однако, так может и не быть (например, если первое и второе зубчатые колеса 10, 20 являются коническими зубчатыми колесами).
Кроме того, иллюстрациями первого зубчатого колеса 10 и второго зубчатого колеса 20 на Фиг. 1 и 2, не подразумеваются никакие ограничения на передаточное отношение системы зубчатых колес 1.  Таким образом, хотя первое зубчатое колесо 10 показано большим, чем второе зубчатое колесо 20, второе зубчатое колесо 20 может быть больше или того же размера, что и первое зубчатое колесо 10.  Аналогично, число зубьев 10а первого зубчатого колеса 10 и зубьев 20а второго зубчатого колеса 20, показанных на Фиг. 1 и 2, является только примерным.
В то время как на Фиг. 1 первое колесо 14 и второе колесо 24 показаны как плоские колеса (т.е. диски), термин «колесо» охватывает множество видов колес, таких как, например, цилиндр (ролик), конус, усеченный конус или шар (например, сферический шар или овальный шар).  Они могут совместно использовать тот признак, что вращающийся элемент, то есть колесо, имеет ось для кругового вращения.  Любой или оба из первого колеса и второго колеса могут иметь такую конфигурацию.  Размер круговой области контакта должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить создание достаточной силы трения (силы противодействия) между колесами.  Необходимая сила трения, конечно, зависит от системы, в которой используется зубчатая передача.
В варианте реализации изобретения на Фиг. 1, диаметр первого колеса 14 практически равен диаметру начальной окружности P (см. Фиг. 2) первого зубчатого колеса 10, а диаметр второго вращающегося элемента 24 практически равен диаметру начальной окружности второго зубчатого колеса 20.  Однако в альтернативных вариантах реализации изобретения для выбора подходящей силы противодействия между колесами может быть небольшое несоответствие между диаметрами колес и начальная окружностью P соответствующих зубчатых колес.  Несоответствие может составлять менее 10%, или может составлять менее 8%, менее 6%, менее 4% или менее 2%.  Например, если диаметр (диаметры) одного или обоих колес больше чем начальная окружность (окружности) соответствующего зубчатого колеса (колес), то между колесами будет существовать большая сила противодействия (сила трения) по сравнению с вариантом, в котором диаметры обоих колес равны начальной окружности P соответствующих зубчатых колес.
Таким образом, согласно вышеприведенному описанию можно видеть, что обеспечивается зубчатая передача, содержащая систему зубчатых колес,  выполненных с возможностью передачи крутящего момента от входа на выход, при этом зубчатая передача содержит фрикционную передачу, которая приводится в движение синхронно с системой зубчатых колес, фрикционная передача выполнена с возможностью уменьшения величины бокового зазора, присутствующего в системе зубчатых колес, путем передачи крутящего момента от входа на выход при низких уровнях крутящего момента до точки, где крутящий момент на фрикционной передаче превышает коэффициент трения между вращающимися элементами фрикционной передачи.  Такая зубчатая передача может иметь любую из описанных в данном документе характеристик.  По меньшей мере в проиллюстрированных вариантах реализации изобретения возможно предоставить альтернативу известным устройствам для минимизации бокового зазора, которые потенциально проще, дешевле и более надежны.