ЗУБЧАТОЕ КОЛЕСО
GEAR WHEEL

Область техники, к которой относится изобретение
.
Настоящее изобретение относится к элементам с зубьями для сообщения движения, а более конкретно к зубчатым колесам, имеющим тело колеса с зубчатым венцом, причем тело колеса содержит первый ряд отверстий, расположенных по первой окружности колеса и может быть использовано для изготовления зубчатых зацеплений, выполненных из композиционных полимерных материалов и пластмасс.
Уровень техники.
Из уровня техники известно зубчатое колесо, имеющее тело колеса с зубчатым венцом, причем тело колеса содержит первый ряд отверстий, расположенных по первой окружности колеса, см. описание патента РФ №162059, опубликован в 2016 г.
Данное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению и взято за прототип. Недостатком прототипа явятся его недостаточная прочность на изгиб в виду отсутствия армирующих волокон, а также высокая температура при работе такого зубчатого колеса. Кроме того, в таком зубчатом колесе отсутствует равномерное перераспределению контактных сил между соседними нагруженными зубьями, что приводит к шуму и ударам во время работы.
В металлических зубчатых колесах, как правило, рабочая температура ограничена по маслу и составляет не более ста-двухсот градусов Цельсия. В этом диапазоне металл несильно меняет свои механические свойства и зубчатые колеса легко переносят тепловые нагрузки, не снижая своей прочности и без значительного повышения усталостной повреждаемости металла. Пластик и полимерные композиционные материалы, наоборот: значительно теряют свои механические свойства с увеличением температуры и одной из основных причин выхода из строя таких зацеплений является самоперегрев от трения в контакте и расплавление зуба, а также быстрый износ при повышенной температуре. Особенно это актуально для композиционных зацеплений, работающих без смазки. Также способствует самоперегреву пластиковых и композиционных зубчатых колес слабая теплопроводность этих материалов: в 10…100 раз меньшая, чем у металла. Поэтому задача снижения температуры зубчатого венца в зубчатых колесах, выполненных из пластиковых и композиционных полимерных материалов является актуальной.
Раскрытие изобретения.
Настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить зубчатое колесо, имеющее тело колеса с зубчатым венцом, причем тело колеса содержит первый ряд отверстий, расположенных по первой окружности колеса, позволяющую обеспечить увеличение охлаждения зубчатого венца, снижение его температуры, что позволяет защитить от перегрева, что и является поставленной технический задачей.
Для достижения этой цели, каждое отверстие первого ряда расположено точно под каждым зубом, на минимально возможном расстоянии, но не ближе такого расстояния, при котором концентрация изгибных напряжений в основании зуба не повышается в сравнении с таким же колесом без отверстий.
Благодаря таким выгодным характеристикам появляется возможность обеспечить увеличение охлаждения зубчатого венца, то есть снижение его температуры, что позволяет защитить от перегрева. Это доказывается расчетами, результаты которых приводятся далее.
Существует еще один возможный, но не обязательный вариант изобретения, в котором тело колеса содержит второй ряд отверстий, расположенных по второй окружности колеса, ближе к его центру, при этом второй ряд отверстий сдвинут на полшага относительно первого ряда отверстий, так что каждое отверстие второго ряда расположено между двумя соседними отверстиями первого ряда.
Благодаря таким выгодным характеристикам появляется возможность дополнительно обеспечить увеличение охлаждения зубчатого венца. Третий ряд отверстий уже практически не влияет на снижение температуры.
Существует также возможный вариант изобретения, в котором отверстия первого ряда выполнены эллипсообразными.
Благодаря таким выгодным характеристикам появляется возможность конкретного выгодного исполнения отверстий первого ряда, обеспечивающих прочность.
Существует также возможный вариант изобретения, в котором отверстия первого ряда выполнены ромбообразными.
Благодаря таким выгодным характеристикам появляется альтернативная возможность конкретного выгодного исполнения отверстий первого ряда, также обеспечивающих прочность.
Краткое описание чертежей.
Другие отличительные признаки и преимущества данного изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:
- фигура 1 изображает фрагмент зубчатого венца композиционного зубчатого колеса с эллипсообразными отверстиями под зубчатым венцом, согласно изобретению,
- фигура 2 изображает фрагмент зубчатого зацепления с ромбообразными отверстиями под зубчатым венцом, отверстия в два ряда со смещением на ½ шага, согласно изобретению,
- фигуры 3 и 4 изображают температуру зубчатого венца пластикового или композиционного колеса: фиг. 3 - без отверстий, фиг. 4 - с отверстиями, согласно изобретению,
- фигуры 5 и 6 изображают направление волокон в композиционном зубчатом колесе: фиг. 5 - без отверстий, фиг. 6 - с отверстиями. Цветовой шкалой показана вероятность расположения волокна в направлении, указанном штрихом, согласно изобретению,
- фигура 7 изображает эскиз композиционного зубчатого колеса (пример исполнения двух рядов ромбовидных отверстий в косозубом колесе), согласно изобретению.
Согласно фигурам 1-7 зубчатое колесо имеет тело колеса 1 с зубчатым венцом, состоящего из зубьев 2. Тело колеса 1 содержит первый ряд отверстий 3, расположенных по первой окружности колеса
Каждое отверстие 3 первого ряда расположено точно под каждым зубом 2, на минимально возможном расстоянии, но не ближе такого расстояния, при котором концентрация изгибных напряжений в основании зуба не повышается в сравнении с таким же колесом без отверстий.
Опционально тело колеса 1 содержит второй ряд отверстий 4, расположенных по второй окружности колеса, ближе к его центру, при этом второй ряд отверстий 4 сдвинут на полшага относительно первого ряда отверстий 3, так что каждое отверстие второго ряда 4 расположено между двумя соседними отверстиями первого ряда 3.
Отверстия первого ряда могут быть выполнены эллипсообразными или ромбообразными. Но могут быть и другие формы. Существенным является то, что рассматриваемые отверстия располагаются в ступице пластикового композиционного зубчатого колеса как можно ближе к зубчатому профилю, но не ближе такого расстояния, что концентрация изгибных напряжений в основании зуба не повышается в сравнении с таким же колесом без отверстий. Иначе снижается прочность.
В первом ряду, самом близком к зубчатому венцу, количество отверстий совпадает с количеством зубьев колеса, а центры отверстий располагаются строго по центру каждого зуба. Количество отверстий и их окружной шаг в последующих рядах, более близких к центру колеса, могут отличаться от первого ряда, например, на фиг. 2 отверстия располагаются со смещением  шага. Последующие ряды необязательны к выполнению, т.к. их эффективность в решении поставленных задач намного слабее, чем у отверстий первого ряда.
Форма отверстий может быть выбрана различной: круглая, квадратная со скруглениями, эллипс, ромб, каплевидная, и т.д.
Отверстия можно применять в любых типах зубчатых зацеплений:
- прямозубые цилиндрические;
- косозубые цилиндрические;
- шевронные;
- червячные;
- конические и гипоидыне, в т.ч. с круговым зубом;
- Новикова;
- эксцентрико-циклоидные;
- волновые;
- реечные;
- и др.
Указанные выше зацепления могут быть с внутренним и внешним зацеплениями, а также выполняться с парой шестерня-колесо, оба выполненных из пластмассы или композиционного материала, либо только одно из колес из пластмассы или композиционного материала, а второе - из металла.
В случае косого зуба - отверстие нужно располагать вдоль образующей линии зуба.
Промышленная применимость.
Зубчатое колесо может быть осуществлена специалистом на практике и при осуществлении обеспечивают реализацию заявленного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.
В соответствии с предложенным изобретением произведены расчеты температуры зубчатого колеса.
Расчеты образца зубчатого колеса показали, что за счет того, что отверстия располагаются в непосредственной близости к зубчатому профилю, то в нем и генерируется тепловой поток от трения в сопрягающихся зубьях зацепления. Проходящий воздух через отверстия увеличивает конвективный теплообмен и площадь конвекции в разогретой зоне зубчатого профиля, тем самым снижая общую температуру зубчатого венца, см фиг. 3-4. Для дополнительного увеличения теплоотдачи в отверстиях можно достичь применением аэродинамических дефлекторов (крыльчатки) на торцах ступицы колеса, увеличивающих скорость прохождения воздуха через отверстия.
Таким образом за счет того, что каждое отверстие первого ряда расположено точно под каждым зубом, на минимально возможном расстоянии, но не ближе такого расстояния, при котором концентрация изгибных напряжений в основании зуба не повышается в сравнении с таким же колесом без отверстий и решается поставленная техническая задача: данное решение позволяет обеспечить увеличение охлаждения зубчатого венца, снижение его температуры, что позволяет защитить от перегрева.
Кроме того, данное решение имеет следующие достигаемые технические результаты:
- данное решение уменьшает общую жесткость зубчатого венца, уменьшая шум, удары, способствуя более равномерному перераспределению контактных сил между соседними нагруженными зубьями;
- отверстия являются направляющими элементами потока расплава при изготовлении зубчатого колеса методом литья под давлением, способствуя такому расположению армирующих волокон, которое увеличивает прочность зуба на изгиб.
Дополнительным эффектом отверстий является некоторая экономия материала, снижение массы и момента инерции зубчатого колеса.