ТОРЦЕВАЯ ЗУБЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА С ВНУТРЕННИМ ЗАЦЕПЛЕНИЕМ
TOOTH RING GEAR WITH INTERNAL ENGAGEMENT

Предлагаемое изобретение относится к разработкам по созданию ротационных механизмов, использующих разнообразные виды зацепления в передаче для повышения ее надежности, ремонтопригодности, долговечности, расширения диапазона реализуемых передаточных отношений.
ш
ш
к
Известно техническое решение (передача Нечаева [1, 2]), согласно которому зубчатая передача с внутренним зацеплением торцовых зубьев позволяет значительно увеличить передаточное отношение ступени зацепления (при уменьшении ее габаритов и металлоемкости) по сравнению с зубчатой передачей, использующей эвольвентный профиль рабочей поверхности зуба. Этот результат обеспечен тем, что выпуклый рабочий профиль зубьев шестерни, выполненных в виде выступов на торцовой поверхности венца малого (ведущего) колеса зацепления, ограничен параметрами «улитки Паскаля», а зубья ответного (ведомого) колеса, выполненные в виде выступов на торцовой поверхности его венца, имеют плоские рабочие поверхности. Линия зацепления известной передачи имеет форму участка внешней петли «улитки Паскаля», что дает возможность при малых числах зубьев шестерни z обеспечить значительное передаточное отношение i и высокий коэффициент перекрытия ε (например, при z=4 и z=12, i=3, ε=1,5)
Изготовление плоского профиля зубьев ведомого колеса передачи Нечаева не связано с какими-либо технологическими трудностями в силу простой геометрической формы, а значит несложной технологии механической обработки их поверхностей. В то же время изготовление малых колес передачи при масштабных переходах, обусловленных изменением величины передаваемой нагрузки, в каждом новом случае представляет собой самостоятельную инженерную задачу. Это вызвано отсутствием в перечне механической оснастки, предназначенной для изготовления зубчатых колес, различных размеров, унифицированных средств, пригодных для выполнения рабочей поверхности зуба, ограниченной параметрами «улитки Паскаля».
Кроме того, известное техническое решение не обеспечивает в полной мере выполнение требований к ремонтопригодности передачи. Восстановительный ремонт изношенных рабочих поверхностей торцовых зубьев большого (ведомого) колеса передачи не вызывает значительных трудностей (основная операция в этом случае - шлифовка), в то время, как восстановление с помощью той же операции (другие практически невозможны) изношенной рабочей поверхности (профилированной по параметрам «улитки Паскаля») зубьев малого колеса затруднено, как и при изготовлении, отсутствием унифицированных средств, способных обеспечить соблюдение рабочего профиля при шлифовке.
Предлагаемое изобретение решает задачу упрощения и унификации технологического процесса изготовления рабочих звеньев передачи в широком диапазоне из типоразмеров и передаточных отношений, реализуемых передачей. При этом обеспечивается повышение надежности, ремонтопригодности, долговечности передачи.
В предлагаемой торцовой зубчатой передаче с внутренним зацеплением эта задача решается тем, что рабочая поверхность зубьев шестерни (малого колеса), выполненных в виде выступов на торцовой поверхности ее венца, представляет собой боковую поверхность тела вращения, например усеченного конуса (цилиндра, бочкообразного тела): в сечениях зуба, перпендикулярных оси вращения шестерни, эта рабочая поверхность ограничена окружностью. Сопрягающаяся с зубом шестерни рабочая поверхность зуба ведомого колеса, выполненного в виде выступа на торцовой поверхности венца колеса, имеет плоский профиль. При этом соблюдение необходимого требования к зацеплению, заключающегося в том, что общая нормаль к сопряженным поверхностям должна проходить через полюс зацепления, обеспечивается тем, что линия зацепления имеет форму участка внутренней петли «улитки Паскаля».
На фиг.1 представлена кинематическая схема предлагаемой передачи, где 1 - зуб шестерни, 2 - зуб колеса. Рекомендуемое минимальное число зубьев шестерни - 6 (при передаточном отношении передачи, равном 3, коэффициент перекрытия принимает значение 1,3).
Фиг.2 иллюстрирует построение профиля зуба колеса при зубе шестерни, имеющем форму тела вращения. При построении использован метод обращения движения. Обозначения на фиг.2:
1
2
O, O - центры шестерни и колеса;
1
W - начальная окружность шестерни;
2
W - начальная окружность колеса, совпадающая с внешней окружностью венца;
3
W - внутренняя окружность венца колеса;
Р - полюс зацепления;
1
1
1
1
'''
''
'
O, О , О , О  - последовательные положения центра шестерни в относительном движении при условно неподвижном колесе;
Р1, Р2, Р3, Р4 - общие нормали к взаимодействующим рабочим поверхностям зуба шестерни и колеса при относительном движении;
а, b, с, Р - точки взаимодействия рабочих поверхностей зуба шестерни и колеса при положениях зуба шестерни в точках 1, 2, 3, 4 (точки а, b, с, Р образуют участок внутренней петли «улитки Паскаля»).
1
2
2
1
1
1
1
1
1
'
'
'
'
После поворота на угол α луч O1 занимает положение О4, O занимает положение O , а занимает положение а', дуга 14 равна дуге OO , Oа=O b.
2
2
2
1
1
1
1
1
1
''
'
''
''
'
После поворота на угол α луч O2 занимает положение О4, O занимает положение O , b занимает положение b, дуга 2 4 равна дуге OO , Ob=O b.
3
2
2
1
1
1
1
1
1
'''
'
'''
'''
'
После поворота на угол α луч O3 занимает положение O4, O занимает положение O , с занимает положение с, дуга 3 4 равна дуге OO , Oс=O с.
'
'
'
'
Pa - прямая в плоскости рабочего профиля зуба колеса. Точки b и с накладываются на отрезок Pa.
Если зуб шестерни имеет форму усеченного конуса или цилиндра, взаимодействие с зубом колеса осуществляется в линейном контакте. При бочкообразном зубе шестерни контакт с зубом колеса точечный.
Проверка результатов геометрических построений была осуществлена с помощью модели (см. фото на фиг.3), изготовленной на базе макета зубчатой передачи с внутренним зацеплением и постоянным передаточным отношением
На валу зубчатого колеса макета закреплено ведущее колесо модели с шестью зубьями цилиндрической формы ⌀18 и шагом 40 мм, диаметры начальных окружностей ведущего и ведомого колес равны 80 и 236 мм соответственно. Торцами зубья касаются картонного диска, приклеенного к ведомому колесу макета. При вращении ведущего колеса модели зубья шестерни профилируют зубья ведомого колеса. Профиль зубьев ведомого колеса очерчен карандашом для различных положений зубьев шестерни.
Результаты модельных исследований показывают, что в предлагаемой торцовой зубчатой передаче с внутренним зацеплением при постоянном передаточном отношении для зубьев шестерни, имеющих цилиндрическую форму, сопряженным профилем зуба колеса является плоскость.
Техническим результатом предлагаемого решения является существенное упрощение технологии и снижение стоимости производства высоконадежной и ремонтопригодной механической передачи, применение которой возможно в широком диапазоне нагрузок и передаточных отношений. Перечень технологических операции при изготовлении и восстановительном ремонте ограничен наиболее обеспеченными оснасткой и станочным оборудованием: сверление, токарная обработка, плоское фрезерование, шлифовка.
Конструкция передачи обеспечивает создание условий для равномерного износа рабочих поверхностей элементов зацепления. Для зубьев шестерни это достигается, например, следующим простым приемом: способ монтажа зуба шестерни на ее венце позволяет менять его положение поворотом относительно собственной оси симметрии при регламентном обслуживании, согласованном с интенсивностью износа рабочей поверхности.
Источники информации
1. Нечаев А.И. Зубчатая передача с торцовыми зубьями. Авт. св. № 506714. 14.05.76.
2. Нечаев А.И., Синенко Е.Г., Сильченко П.Н. Торцовые зубчатые передачи и механизмы, построенные на их базе // Наука производству. - 2000. - №3(28). - С. 47-50.