ЭКСЦЕНТРИКОВО-ЦИКЛОИДАЛЬНОЕ ЗАЦЕПЛЕНИЕ СОСТАВНЫХ ЗУБЧАТЫХ ПРОФИЛЕЙ
ECCENTRIC-CYCLOIDAL ENGAGEMENT OF COMPLEX TOOTH PROFILES

Изобретение относится к зубчатому зацеплению и может быть использовано как в качестве зацепления составных колес, так и в качестве зацепления составного колеса и составной рейки. Зацепление может найти применение в цилиндрических и конических редукторах внешнего и внутреннего зацепления, а также в реечных передачах, обладающих высокой нагрузочной способностью.
Широко применяемое в зубчатых передачах эвольвентное зацепление колес при всех его достоинствах обладает невысокой несущей способностью, определяемой размерами зубьев, а также имеет ограничения по величине передаточного отношения для одной ступени. На практике передаточное отношение одноступенчатого редуктора редко превышает 7. Для увеличения нагрузочной способности эвольвентного зацепления необходимо увеличивать модуль зубьев, что ведет к неоправданному увеличению габаритов передачи.
Известно эксцентриково-циклоидальное зацепление (ЭЦ зацепление) составных колес (см. Становской В.В., Казакявичюс С.М. и др. Новый вид зацепления колес с криволинейными зубьями. Справочник. Инженерный журнал №9, 2008. С.34-39, рис.8). Колеса этого зацепления составлены из нескольких повернутых относительно друг друга одинаковых венцов. Меньшее колесо в зацеплении имеет один зуб, профиль которого в торцовом сечении каждого венца описан окружностью, эксцентрично смещенной относительно оси колеса. Соседние венцы этого колеса - эксцентрики - повернуты относительно друг друга на угол, который в зависимости от числа венцов определяется как α/n, где α - угол, который для равномерной передачи движения должен быть больше 180°, n - число венцов колеса. Большее колесо составлено из венцов циклоидального профиля, повернутых относительно друг друга на угол, равный угловому шагу венца, деленному на число венцов. Каждый из венцов большего колеса сопрягается с соответствующим венцом меньшего однозубого колеса. Такое зацепление обеспечивает передаточное отношение, равное числу периодов циклоидальной кривой, т.е. числу зубьев большего колеса. Зацепление позволяет в одной ступени обеспечить передаточное отношение до 40-50. Кроме того, при одинаковых размерах колес зацепление обладает повышенной нагрузочной способностью по сравнению с эвольвентным, а при одинаковой нагрузочной способности имеет значительно меньшие размеры. Основной недостаток этого зацепления состоит в том, что проскальзывание между эксцентриковым и циклоидальным профилями, хотя и невелико, но все-таки существует, что снижает предельно возможный КПД зацепления.
Известно также использование этой же системы эксцентриково-циклоидального зацепления в реечной передаче, у которой и колесо, и рейка составлены из отдельных смещенных по фазе зубчатых венцов (Становской В.В., Казакявичюс С.М. и др. Эксцентриково-циклоидальное зацепление зубчатых колес и механизмы на его основе. Сборник докладов научно-технической конференции с международным участием «Теория и практика зубчатых передач и редукторостроения», Ижевск, 3-5 декабря 2008 г. С.148-152). Реечная передача с экцентриково-циклоидальным зацеплением составных профилей содержит зубчатое колесо и зубчатую рейку, установленные с возможностью поступательного перемещения относительно друг друга. Колесо и рейка составлены из отдельных зубчатых венцов, сдвинутых относительно друг друга по фазе. Каждый венец колеса имеет один зуб с профилем в торцовом сечении колеса в виде окружности, эксцентрично смещенной относительно оси вращения колеса. Каждый венец рейки выполнен с зубьями циклоидального профиля, одноименные венцы колеса и рейки сопряжены друг с другом.
В реечной передаче ЭЦ зацепление проявляет те же свойства повышенной нагрузочной способности и также не полностью лишено эффекта проскальзывания зубьев.
Таким образом, задачей изобретения является создание зацепления составных зубчатых профилей, обладающего повышенным КПД.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в устранении проскальзывания между сопрягающимися профилями.
Для решения поставленной задачи в эксцентриково-циклоидальном зацеплении составных зубчатых профилей, как и в прототипе, каждый профиль составлен из отдельных смещенных по фазе относительно друг друга венцов. Венцы одного из профилей имеют один зуб в форме эксцентрично смещенной относительно центра вращения профиля окружности, так что профиль представляет собой систему эксцентриков, повернутых относительно друг друга. Венцы другого профиля имеют циклоидальную форму. В отличие от прототипа эксцентриковые венцы однозубого профиля образованы наружными обоймами подшипников, посаженных на эксцентричные и смещенные по фазе участки общего вала. Таким образом, с каждым венцом циклоидального профиля сопрягается наружная обойма соответствующего подшипника.
Такое зацепление может быть использовано в качестве зацепления составных цилиндрических колес внутреннего и внешнего зацепления, а также и составных конических колес.
Кроме того, если профиль с венцами циклоидальной формы выполнить в виде зубчатой рейки, составленной из отдельных смещенных по фазе венцов, то это решение образует реечное зацепление.
Во всех вышеуказанных разновидностях зацеплений зубчатых профилей одинаково выполнен профиль с одним зубом, венцы которого образованы наружными обоймами подшипников, посаженных на повернутые относительно друг друга эксцентрики одного вала.
Для того чтобы можно было достаточно просто произвести сборку такого профиля целесообразно эксцентричные участки общего вала выполнить с последовательно уменьшающимися вдоль оси от середины вала диаметрами. В этом случае внутренний диаметр подшипников должен также последовательно уменьшаться, при этом наружный диаметр подшипников должен оставаться неизменным.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами, где на фиг.1 показан общий вид зацепляющихся профилей для варианта цилиндрических колес внешнего зацепления. На фиг.2 показано сечение однозубого составного профиля, выполненного по предлагаемому изобретению. На фиг.3 показано сечение однозубого составного профиля, в котором используются подшипники разного размера, а на фиг.4 показано взаимное расположение и размеры внутренних и внешних диаметров подшипников для разных венцов однозубого профиля на фиг.3. На фиг.5 показан общий вид зацепления для варианта внутреннего зацепления цилиндрических колес. Фиг.6 иллюстрирует использование изобретения в реечной передаче.
е
Обратимся к фиг.1 и 2, где зацепляющиеся профили представлены цилиндрическими составными колесами 1 и 2 внешнего зацепления. Профили меньшего 1 и большего 2 колес составлены из отдельных венцов. На фиг.1 для большей ясности показан только фрагмент зацепления, т.е. изображены только по три из пяти венцов каждого составного профиля. Венцы колеса 1 имеют один зуб в форме окружности 3, эксцентрично смещенной на расстояние  относительно оси OO1 вращения колеса 1. Каждый однозубый венец 3 образован наружной обоймой 4 подшипника 5. Подшипник 5 каждого венца посажен на эксцентричный участок 6 общего вала 7. Эксцентричные участки 6, 6', 6”, … повернуты относительно друг друга на угол, который в данном случае равен угловому шагу колеса, деленному на число венцов. Этот угол для пяти венцов составляет 360/5=72°. В результате венцы 3 колеса 1, представляющие собой наружную поверхность наружной обоймы 4 подшипника 5, также повернуты относительно друг друга на этот же угол.
Большее колесо 2 составлено из венцов 8 циклоидального профиля. Для колеса внешнего зацепления профиль очерчен эквидистантой эпициклоиды. Соседние венцы 8 и 8'; 8' и 8” и т.д. повернуты относительно друг друга на угол, равный угловому шагу венца 8, деленному на число венцов. Т.е. угол поворота венцов определяется как 360/z/n, где z - число зубьев венца 8, а n - число венцов. Для профилей на фиг.1 этот угол составляет 8°. В зацеплении находятся соответствующие венцы колеса 1 и 2, причем зуб колеса 1 образует наружная обойма 4 подшипника 5. Т.е. с циклоидальными зубьями венцов 8 сопрягаются наружные обоймы 4 подшипников 5. На чертежах в качестве примера изображены подшипники качения, имеющие более высокий КПД, но, в принципе, это могут быть и подшипники скольжения, выполненные из антифрикционных материалов.
Технологически задача посадки подшипников 5 на повернутые относительно друг друга эксцентрики 6 может быть решена следующим образом. Для этого эксцентричные участки общего вала 7 выполняют с разным диаметром, уменьшающимся от середины вала к его концам, как это показано на фиг.3 и 4. Эксцентрик 9, находящийся в середине вала 7, имеет максимальный размер. Соответственно подшипник 10, который посажен на этот эксцентрик, имеет также наибольший внутренний диаметр. Соседние слева и справа эксцентрики 11 и 12 имеют диаметры меньше, чем эксцентрик 9, на величину, которая учитывает их поворот относительно эксцентрика 9. Это означает, что окружности эксцентриков 11 и 12 вписываются в окружность эксцентрика 9, поэтому подшипник 10 свободно надевается на эксцентрик 9 с любой из сторон, минуя эксцентрики 11 и 12. Точно также эксцентрики 13 и 14 на краях общего вала 7 имеют диаметр меньший, чем эксцентрики 11 и 12, и соответствующие окружности эксцентриков также вписываются в окружности эксцентриков 11 и 12. Подшипники 15 и 16 свободно проходят через эксцентрики 13 и 14 и надеваются на эксцентрики 11 и 12. Диаметр вала 7 также меньше диаметра эксцентриков 13 и 14, и далее сборка продолжается точно так же. Наружные диаметры всех подшипников 10, 15, 16, 17 и 18 одинаковы, т.е. мы получаем составной зубчатый профиль из одинаковых венцов, повернутых относительно друг друга.
На фиг.5 меньшее однозубое колесо выполнено точно так же, как это изображено на фиг.2, а большее колесо 19 составлено из венцов 20 внутреннего зацепления. Соседние венцы 20, 20', 20”, … имеют зубья циклоидального профиля (для внутреннего зацепления это эквидистанта гипоциклоиды) и повернуты относительно друг друга на угол, равный угловому шагу венца, деленному на число венцов. Для зацепления на фиг.5 этот угол составляет 360°/9/5=8°. Здесь с внутренними циклоидальными зубьями венцов 20 сопрягаются также наружные обоймы 4 подшипников 5, посаженных на эксцентрики 6, образующие венцы составного колеса 1.
На фиг.6 в зацеплении составных профилей участвуют все то же однозубое меньшее колесо 1 и венцы 21 составной зубчатой рейки 22. Венцы 21 имеют также циклоидальный профиль, который для рейки представляет собой эквидистанту циклоиды. С циклоидальными венцами 21 сопрягаются внешние обоймы 4 подшипников 5.
Рассмотрим работу предлагаемого зацепления на примере цилиндрических колес внешнего зацепления, изображенных на фиг.1. При повороте колеса 1 по часовой стрелке, как показано на чертеже, венец 3 колеса 1 входит в фазу силового контакта с венцом 8 колеса 2. Т.е. при повороте эксцентрика 3 наружная обойма 4 подшипника 5 будет давить на зуб венца 8, вызывая его поворот вокруг оси С против часовой стрелки. Точно в таком же силовом контакте через обойму подшипника будут находиться венцы 3' и 8'. А вот венцы 3” и 8” в этом положении начнут выходить из силового контакта, т.е. занимать нерабочее положение. При дальнейшем повороте колеса 1 положения рабочих и нерабочих венцов будут последовательно меняться, однако все время будет по меньшей мере один венец, находящийся в рабочем положении (в положении силового контакта). Таким образом, поворот колеса 1 на один оборот вызовет поворот колеса 2 на угол, соответствующий его угловому шагу. Вращение колеса 1 преобразуется в противоположное вращение колеса 2 с передаточным отношением, равным числу зубьев большего колеса. При этом при повороте соответствующих профилей их проскальзывание относительно друг друга будет компенсироваться поворотом обойм подшипника. Т.е. потери на трение в зацеплении фактически будут определяться потерями в подшипниках, которые очень малы.
Все остальные варианты зацепления на фиг.5 и 6 работают аналогичным образом, за исключением того, что реечный профиль 22 на фиг.6 будет не поворачиваться на угловой шаг при повороте колеса 1, а линейно перемещаться на соответствующий шаг.
Таким образом, в изобретении описан новый вид эксцентриково-циклоидального зубчатого зацепления, имеющего минимально возможные потери на проскальзывание профилей относительно друг друга.