ЦИКЛОИДАЛЬНОЕ ЗУБЧАТОЕ ЗАЦЕПЛЕНИЕ
CYCLOID GEAR

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в зубчатых передачах различного назначения для передачи вращения в одном направлении.
Известны зубчатые зацепления рабочих органов объемной роторной машины с ведущим и ведомым зубчатыми роторами, имеющими взаимоогибаемые профили зубьев (SU 1772470, кл. F16Н 1/06, F04С 2/16, RU 2113643, кл. F16Н 1/06, RU 2134369, кл. F16Н 1/06, F16Н 55/08, RU 2236621, кл. F16Н 55/08, F16Н 1/06). Недостатком первых трех зубчатых зацеплений является пониженная долговечность из-за того, что на отдельных участках сопряженных профилей возникают значительное удельное давление и ускоренный износ одного из профилей, так как вершина зуба одного ротора скользит по довольно длинному участку эпициклоиды другого ротора. Все указанные зубчатые зацепления имеют общий недостаток, а именно сложность изготовления выпукло-вогнутых профилей зубьев, составленных из 3-5 сопряженных участков кривых различного очертания. Это обстоятельство обуславливает сложность изготовления профиля зубьев режущего инструмента и восстановления его геометрии после износа при учете жестких допусков и высокой чистоты обработки поверхности.
Наиболее близким по своей технической сущности является зубчатое зацепление, включающее зацепляющиеся между собой зубья с рабочими взаимоогибаемыми профилями, установленные попарно в плоскостях, перпендикулярных осям вращения зубчатых колес (заявка RU №2007114856/11 (016131)).
Недостатком данного зацепления является то, что рабочие профили зубьев обоих колес выпуклые и не обеспечивают высокой контактной прочности, а также из-за большого угла давления зацепление имеет низкий КПД. Отмеченные недостатки характеризуют низкий уровень несущей способности зацепления.
Техническая сущность, достигаемая данным изобретением, заключается в том, чтобы повысить уровень технологичности, ремонтопригодности и несущей способности, уменьшить габариты и удельное давление в зацеплении, увеличить срок службы и КПД зубчатой передачи.
Настоящая сущность достигается тем, что в зубчатом зацеплении, содержащем зацепляющиеся между собой зубчатые колеса с взаимоогибаемыми рабочими профилями зубьев, установленными попарно в плоскостях, перпендикулярных осям вращения и выполненными на обоих зубчатых колесах в виде несимметричных сегментов, в торцевой плоскости профиль каждого последующего зуба смещен относительно предыдущего на один и тот же угловой шаг, равный на обоих колесах по величине и противоположный по направлению, при этом рабочий профиль зуба одного из колес очерчен эпициклоидой, а рабочий профиль зуба второго колеса очерчен гипоциклоидой, взаимоогибаемой с эпициклоидой первого колеса.
При целочисленном передаточном отношении в плоскости зуба первого колеса на втором колесе размещают несколько равносмещенных зубьев.
На фиг.1 показан профиль циклоидального зубчатого зацепления пары зубчатых колес плоскостью, перпендикулярной осям вращения колес и проходящей через одну из точек контакта.
На фиг.2 - общий вид первого зубчатого колеса.
На фиг.3 - общий вид второго зубчатого колеса.
На фиг.4 - общий вид зубчатого зацепления.
На фиг.5 - общий вид первого зубчатого колеса при целочисленном передаточном отношении.
На фиг.6 - общий вид второго зубчатого колеса при целочисленном передаточном отношении.
На фиг.7 - общий вид циклоидального зубчатого зацепления при целочисленном передаточном отношении.
Циклоидальное зубчатое зацепление включает зубчатые колеса 1 и 2 с осями вращения 3 и 4 (фиг.1). Со стороны передачи вращения от ведущего колеса к ведомому рабочий профиль поверхности зуба в торцевом сечении одного из колес, например колеса 1, образован эпициклоидой 8, очерченной точкой К при качении центроиды 5 на центроиде 6 (начальная окружность колеса 1). Рабочий профиль поверхности зуба в торцевом сечении колеса 2 образован гипоциклоидой 9, очерченной точкой К при качении центроиды 5 по центроиде 7 (начальная окружность колеса 2). Эпициклоида 8 колеса 1 и гипоциклоида 9 колеса 2 представляют взаимоогибаемые кривые, обеспечивающие условие сопряженности рабочих профилей зубьев колес.
Применение профилей зубьев колес, выполненных в виде несимметричных сегментов и установленных попарно в плоскостях, перпендикулярных осям вращения, позволяет принять высоту ножки зуба первого колеса и высоту головки зуба второго колеса равными нулю, а необходимый коэффициент перекрытия получить за счет увеличения высоты головки зуба первого зубчатого колеса и высоты ножки зуба второго зубчатого колеса. При таком конструктивном решении рабочий профиль зубьев каждого из колес будет очерчиваться только одной циклоидальной кривой: у первого колеса зуб будет иметь только головку (фиг.2), а у второго колеса - только ножку (фиг.3).
Такие профили зубьев будут обеспечивать заполюсное циклоидальное зубчатое зацепление (фиг.4). В этом случае для изготовления профилей зубьев колес можно использовать инструмент с более простой геометрией, что в свою очередь упрощает процесс изготовления профилей зубьев инструмента и повышает технологичность. Так как отдельные зубчатые элементы каждого из колес выполнены в виде одинаковых несимметричных сегментов, то их можно изготовить в одном пакете из дисков, а затем собрать со смещением относительно друг друга на один и тот же угловой шаг. Благодаря этому уменьшается трудоемкость производства зубьев колес и повышается ремонтопригодность (живучесть) конструкции в процессе ее эксплуатации. Например, при выходе из строя из-за случайной перегрузки одной из пар зацепляющихся зубьев достаточно произвести их замену запасными зубчатыми элементами и продолжить эксплуатацию зубчатой передачи.
Поскольку на каждом диске размещаются один или два зуба, то их толщину можно значительно увеличивать. При этом повышается несущая способность зубчатого зацепления за счет увеличения прочности зубьев на изгиб.
Циклоидальное зубчатое зацепление имеет более высокую кинематическую точность, так как скорости скольжения профилей зубьев постоянны по величине и направлению, а следовательно, износ профилей зубьев более равномерный, чем у прототипа.
Угол давления в циклоидальном зубчатом зацеплении переменный и зависит от положения общей нормали к сопряженным профилям в точке их контакта, которая проходит через одну и ту же точку Р (полюс зацепления) на линии межцентрового расстояния и делит его на отрезки, обратно пропорциональные угловым скоростям колес (фиг.1). Наибольшее значение угла давления меньше, чем у прототипа, и КПД зацепления при этом будет более высоким.
Контакт выпуклой поверхности рабочего профиля зуба одного колеса и вогнутой поверхности рабочего профиля зуба другого колеса в рассматриваемом циклоидальном зубчатом зацеплении обеспечивает значительное уменьшение контактного напряжения между сопряженными профилями, поскольку из-за большего приведенного радиуса кривизны профилей зубьев, по сравнению с прототипом, удельное давление в зацеплении меньше.
В торцевом сечении профили зубьев обоих колес 10 и 11, не участвующие в передаче вращения, могут быть выполнены произвольными. Зубчатые венцы колес ограничены окружностями вершин и впадин, причем у второго зубчатого колеса окружность вершин совпадает с начальной окружностью этого колеса. Для обеспечения синхронного вращения зубчатых колес 1 и 2 зубчатые венцы выполнены из одинакового числа прямозубых зубьев, расположенных на обоих колесах по одному и тому же угловому шагу и в противоположном направлении.
В зацеплении ведущим может быть первое или второе зубчатое колесо с вращением только в одном направлении.
При целочисленном передаточном отношении в плоскости зуба первого колеса на втором колесе может быть размещено несколько равносмещенных зубьев (фиг.6), что позволяет получить зубчатую передачу с меньшим числом зубьев на первом колесе (фиг.5), меньшими, по ширине колес, габаритами и более низкой материалоемкостью (фиг.7).
Циклоидальное зубчатое зацепление работает следующим образом. При приложении крутящего момента к колесу 1 зубья этого колеса, воздействуя на зубья колеса 2, побуждают последнее к вращению в противоположном направлении. При относительном вращении колес точки контакта профилей пары сопряженных колес в рассматриваемом сечении будут меняться, перемещаясь от окружности впадин к окружности вершин у одного колеса и в противоположном направлении у другого колеса. Начальный контакт двух сопряженных профилей 8 и 9 происходит в полюсе зацепления Р (правая граница зацепления), а заканчивается в точке А пересечения окружности вершин колеса 1 с центроидой 5 (левая граница зацепления). Геометрическое место точек контакта эпициклоиды рабочего профиля зуба колеса 1 с гипоциклоидой рабочего профиля зуба колеса 2 образует линию зацепления РА, которая в предлагаемом циклоидальном зубчатом зацеплении является дугой окружности (центроиды 5), касающейся внешним образом с начальной окружностью колеса 1 (центроида 6) и внутренним образом с начальной окружностью колеса 2 (центроида 7). В процессе работы зубчатого зацепления в проекции на торцевую плоскость линия зацепления остается неподвижной, при этом с некоторой разницей во времени она будет располагаться в каждом другом сечении зубчатых колес плоскостью, перпендикулярной осям валов и совпадающей с торцевой плоскостью той пары профилей, которая в данный момент находится в зацеплении.