ЗУБЧАТОЕ КОЛЕСО
GEAR WHEEL

Изобретение относится к средствам и способам снижения вибрации, шума и колебаний зубчатых передач различного оборудования, машин, агрегатов, механизмов, насосов, турбокомпрессоров, редукторов, мультипликаторов, многоступенчатых коробок передач, колес рельсового транспорта.
Известно зубчатое колесо - патент Швейцарии СН №283866, кл. F16H 55/14 [1], состоящее из обода с зубьями и диска со ступицей, разделенных равномерно по окружности кольцевым зазором, в котором равномерно по окружности вставлены упругие элементы в виде пальцев и резины.
Существенные недостатки известного зубчатого колеса [1]
1. Недопустимые угловые деформации зубчатого зацепления относительно ступицы, т.е. нарушение нормальной работы, например, газораспределительной системы, обеспечивающей открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов, а также угла опережения подачи топлива в цилиндр при строго регулированных значениях, согласованных с углом поворота коленчатого вала и положением поршня, а также других элементов двигателя.
2. Неработоспособность в условиях высоких температур (при повышении температуры резины увеличивается скорость релаксации и ползучесть, а коэффициент демпфирования уменьшается [2]-45, 47-65, 136.
3. Неработоспособность при воздействии агрессивных сред (воды, масла, топлива, облучения и т.д.) и быстрое старение резины [2].
4. Саморазогрев резины (резина при знакопеременной нагрузке является источником тепла, если равновесие между выделенным теплом не устанавливается, то температура будет расти до недопустимого уровня) [2].
Известно также зубчатое колесо - заявка на изобретение №95111184 [3], состоящее из диска, обода с зубьями и ступицы, разделенных по середине диска кольцевым зазорам. То есть зубчатое колесо выполнено составным из наружной и внутренней частей, между которыми устанавливается вибродемпфирующая вставка из неметаллического материала в качестве виброакустического барьера (прототип).
Вибродемпфирующие вставки выполнены в виде цилиндрических втулок или шайб, через которые с помощью крепежных средств осуществляется соединение двух частей колеса с образованием единого узла.
Существенные недостатки зубчатого колеса [3]
1. Ограниченные возможности упругой деформации вставок (втулок) из-за ее тонкостенности. Увеличение толщины стенки вставок (втулок) возможно при уменьшении диаметра болта или увеличения их наружного диаметра. Однако уменьшение диаметра приведет к снижению коэффициента запаса прочности, а увеличению наружного диаметра препятствуют с одной стороны обод, а с другой - ступица колеса.
2. Недостаточное демпфирование вставок (втулок), которое обосновано не только ее тонкостенностью, но главным образом отсутствием дополнительных демпфирующих средств.
Указанные недостатки приводят не только к ухудшению эксплуатационной надежности двигателя, но и к аварийному состоянию.
Предлагаемое изобретение направлено на усовершенствование зубчатых колес, а именно на снижение шума, вибрации, колебаний и повышение эксплуатационной надежности двигателя внутреннего сгорания, а также другого оборудования и их элементов.
Это достигается за счет того, что
зубчатое колесо, диск которого выполнен составным из двух частей - наружной, состоящей из обода с зубьями, и внутренней - ступицы, разделенных кольцевым зазором по окружности в средней части диска, и содержащее упругие элементы и крепежные средства в отверстиях по окружности диска, согласно изобретению,
- упругие элементы выполнены в виде сплошных цилиндрических вставок, которые установлены между наружной и внутренней частями зубчатого колеса;
- зубчатое колесо содержит дополнительные упругодемпфирующие элементы с шайбами в виде колец, установленных с обеих сторон диска между ступицей и ободом колеса;
- крепежные средства выполнены с тарельчатыми пружинами и размещены по окружности с радиальным зазором в средней части диска между упругими элементами, при этом упругие элементы фиксированы в осевом направлении дополнительными упругодемпфирующими элементами.
В качестве материала упругого сплошные цилиндрического элемента - вставки и вибродемпфирующего элемента может быть, например, упругодемпфирующий металловолоконный элемент из прессованной проволоки, так называемая путанка или металлическая «резина» (МР) [2]-115, [4]-39-43 или из полимерного композиционного материала на основе, например, углепластиковых, стеклопластиковых, боросодержащих или других высокопрочных нитей, волокон.
Техническое решение поясняется чертежами, где представлены на фиг.1 диск 1 с ободом и зубьями 2, диск со ступицей 3, разделенные равномерно по окружности кольцевым зазором «В» и отверстиями «С», «D», на фиг.2 - общий вид зубчатого колеса в сборе, а на фиг.3 - его поперечный разрез.
На фиг.2-3 обозначены: 4 - упругие элементы, выполненные в виде сплошных цилиндрических вставок; 5 - дополнительные упругодемпфирующие элементы с наружными шайбами 6 в виде колец, установленные с обеих сторон диска 1 между ступицей 3 и ободом 2 колеса; 7, 8 - крепежные средства; 9 - тарельчатые пружины.
Средство - упругий элемент - в качестве виброакустического барьера выполнено в виде сплошных цилиндрических вставок 4 из вибродемпфирующего, нейтрального от воздействия высоких температур, масла, топлива, воды, облучения, а также агрессивных сред материала.
Сплошные цилиндрические вставки 4 (фиг.2, 3) установлены в отверстия «С» (фиг.1). При этом в промежутках зазоры сохраняются.
Крепежные средства 7, 8 с тарельчатыми пружинами 9 (фиг.2, 3) размещены по окружности в отверстиях «D» (фиг.1) с радиальным зазором «Е» в средней части диска 1 (фиг.2, 3).
Упругие элементы 4 (фиг.2, 3) фиксированы в осевом направлении дополнительными упругодемпфирующими элементами 5.
Зубчатое колесо работает следующим образом.
Низкочастотные колебания в зубчатых колесах передач возникают в результате неравномерности нагрузок, дисбаланса вращающихся масс, сочетания этих ошибок в колесах и шестернях, а также вследствие перекоса осей. К низкочастотным возбуждениям системы приводит действие местных накопленных и единичных ошибок на профиле зуба, расположение которых по обороту колеса носит случайный характер. Значительные колебания вызывают также неравномерность работы двигателя.
Наличие в зубчатых передачах значительного числа возмущающих сил ударного характера обуславливает интенсивные резонансные крутильные, поперечные и осевые колебания колес и шестерен передач, а также изгибные колебания деталей, например картера.
За счет упругих знакопеременных пространственных деформаций упругих сплошных цилиндрических вставок 4 (фиг.2, 3) при одновременной деформации и трении дополнительных упругодемпфирующих элементов 5 с соответствующими поверхностями диска 1 обеспечивают бесшумность в работе, низкую вибрационную активность, работу без возникновения крутильных, изгибных и осевых колебаний. Сила трения между диском 1 и упругодемпфирующими элементами 5 регулируется тарельчатыми пружинами 9.
Из представленной фиг.1 видно, что зубчатое колесо можно изготовить путем использования существующих в эксплуатации без особых затрат. Кроме того, учитывая, что диск колеса часто выполняется с отверстиями, их можно использовать для размещения упругих вставок.
Заданные характеристики предложенного зубчатого колеса по сравнению с прототипом, как следствие, способствуют повышению также надежности и увеличению срока их службы.
Идея технического решения, как отмечено выше, может быть успешно использована и в других устройствах, например в колесах вагонов метрополитена, трамваев, вагонов и другого рельсового транспорта для обеспечения их бесшумности, комфортности пассажиров, снижения вибрационной активности, увеличения надежности, срока службы.
Таким образом, какие-либо другие технические решения с указанными особенностями и отличительными признаками неизвестны.
Источники информации
1. Патент Швейцарии СН №283866, кл. F16H 55/14. 1952 г.
2. Ионов А.В. Средства снижения вибрации и шума на судах. - СПб.: ЦНИИ им. А.Н.Крылова, 2000. - 348 с.(с.45, 47-65, 136).
3. Заявка на изобретение 95111184. Дата публикации 20.04.1997. Зубчатое колесо (прототип).
4. Минасян М.А. Амортизация судовых механизмов, приборов и аппаратуры тросовыми и комбинированными виброизоляторами // Судостроение. 2004. №1 с.39-43.