ЗУБЧАТОЕ КОЛЕСО
GEAR WHEEL

Изобретение относится к машиностроению, а именно - к деталям машин, и может быть использовано в зубчатых передачах.
Известно зубчатое колесо, содержащее тело и зубчатый венец с зубьями - см., например, Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Детали машин. Курсовое проектирование: Учеб. пособие для машиностроит. спец. техникумов. - М.: Высш. шк., 1984. - 336 с., ил., стр. 44.
Недостаток данного зубчатого колеса состоит в том, что конструкция зубьев его зубчатого венца не учитывает величину парности зацепления с сопряженным зубчатым колесом в передаче. При вращении колеса линия контакта зубьев перемещается в поле зацепления, у которого одна сторона равна ширине зубчатого венца, а вторая равна длине активной линии зацепления - на боковых поверхностях зубьев. На участке поля зацепления, расположенного в зоне колеса зацепления - на линии полюса зацепления и прилегающих к ней зонах (со стороны вершины и со стороны корня зуба) имеет место однопарное зацепление. На остальных участках поля зацепления - в сторону вершины корня зуба - имеет место двухпарное зацепление. При однопарном зацеплении зуб воспринимает (передает) нагрузку в два раза больше, чем при двухпарном. Контактная прочность зубьев рассчитывается исходя из величины нагрузок, воспринимаемых (передаваемых) зубьями. Исходя из величины контактной прочности зубьев рассчитывается ширина зубьев. Из этого следует, что величина парности зацепления влияет на необходимую ширину зубьев, и для обеспечения требуемой контактной прочности зубьев, ширина зубьев (ширина их боковых поверхностей - ширина поля зацепления) в зонах, прилегающих к полюсу зацепления - на участках однопарного зацепления - должна быть вдвое больше, чем на остальных участках поля зацепления. Т.е. выполнение ширины зубьев в зависимости от парности зацепления способно оптимизировать конструкцию зубьев зубчатого колеса, снизить потребное количество материала, идущего на их изготовление, и снизить издержки на изготовление колеса в целом. Выполнение зубьев равной ширины по всей их высоте приводит к перерасходу материала, идущего на изготовление зубьев, и повышению издержек на изготовление колеса в целом.
В качестве прототипа взята конструкция зубчатого колеса по патенту на изобретение РФ №2547201, кл. F16H 55/08, опубл. 10.05.2015 г., бюл. №10. Зубчатое колесо состоит из тела и зубчатого венца с зубьями, на участках головок которых ширина их боковых поверхностей выполнена ступенчато изменяющейся и обратно пропорционально зависящей от кратности парности зацепления, а граница изменения ширины смещена в сторону вершин зубьев на величину радиального зазора передачи.
Недостаток прототипа состоит в том, что уменьшена ширина (и материалоемкость) только головок зубьев, в то время как участки двухпарного зацепления, где воспринимаемая зубьями нагрузка также равна половине нагрузки, воспринимаемой колесом, выполнены с полной шириной, такой же, как на участках однопарного зацепления зубьев. Это приводит к нерациональному расходу материала, идущего на изготовление ножек зубьев и колеса в целом.
Изобретением решается задача оптимизации конструкции зубчатого колеса и снижения издержек на его изготовление.
Для этого зубчатое колесо содержит тело и зубчатый венец с зубьями, на участках головок и ножек которых ширина их боковых поверхностей выполнена ступенчато изменяющейся и обратно пропорционально зависящей от кратности парности зацепления; границы изменения ширины смещены в стороны вершин и оснований зубьев на величину половины осевого зазора передачи; зубья выполнены симметричными в своих поперечных сечениях; части головок, с уменьшенной шириной, расположены по осям симметрии зубьев, а части ножек, с уменьшенной шириной, разделены на две равные части и расположены у торцов зубчатого венца.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображен фрагмент зубчатого (вид сбоку в сечении) с проекцией на сечении характеристик боковых поверхностей зуба - осевой линии и участков с разной парностью зацепления.
н
г
1
2
3
На чертеже показаны: тело 1 колеса, зуб 2, ширина В зуба (зубчатого венца), высота h зуба, высота ножки h, высота головки h, полюсная линия p-p, осевой зазор с передачи, участки с двухпарным зацеплением а-b и c-d, участок с двухпарным зацеплением b-с, участок высоты зуба h с шириной боковой поверхности В, участок высоты зуба h с шириной боковой поверхности В/2, участок высоты зуба h с шириной боковых поверхностей В/4, ось симметрии зуба О-О.
г
н
1
2
Зубчатое колеса состоит из тела 1 и зубчатого венца с зубьями 2. Зубья выполнены симметричными относительно своей оси симметрии О-О; на участках головок h и ножек h ширина их боковых поверхностей выполнена ступенчато изменяющейся и обратно пропорционально зависящей от кратности парности зацепления. На участке с однопарным зацеплением b-c ширина боковых поверхностей равна В (ширине зубчатого венца), на участках с двухпарным зацеплением а-b и c-d, ширина боковых поверхностей составляет В/2; границы изменения ширины смещены в стороны вершин и оснований зубьев на величину половины величины зазора передачи с/2 (участки головок и ножек с уменьшенной шириной h и h). Головки расположены по осям симметрии О-О, а ножки разделены на две равные части шириной В/4 и расположены у торцов зубчатого венца.
При работе колеса его зубья на участках своих боковых поверхностей а-b и c-d участвуют в двухпарном зацеплении, а на участке b-с - зубья воспринимают половину нагрузки, воспринимаемой колесом. Этот фактор учитывается изменением ширины головок и ножек зубьев на участках с двухпарным зацеплением. Смещение границ изменения ширины боковых поверхностей на величину с/2 в сторону вершин и оснований зубьев, учитывает возможные погрешности при сборке и работе зубчатой передачи.
По сравнению с прототипом предлагаемая конструкция зубчатого колеса за счет уменьшения ширины ножек зубьев на участках с двухпарным зацеплением позволяет оптимизировать конструкцию зубчатого колеса и снизить издержки на его изготовление. Уменьшение ширины ножек зубьев не снижает изгибной прочности зубьев, т.к. ножки зубьев расположены симметрично относительно друг друга, а сами ножки в плоскости вращения колеса в районе оснований зубьев утолщены (по сравнению с головками зубьев), а изгибающие нагрузки действуют в плоскости вращения колеса (этих утолщений, которые не уменьшены, в отличие от боковых поверхностей зубьев).