ЗВЕЗДОЧКА ЦЕПНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДЛЯ ЦЕПНОЙ ПИЛЫ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
CHAIN WHEEL FOR CHAIN SAW (VERSIONS) AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Данное изобретение относится к звездочке цепной передачи для приведения пильной цепи цепной пилы, причем пильная цепь содержит, например, центральные приводные звенья, соединенные со спаренными боковыми звеньями, некоторые из которых являются боковыми режущими звеньями, и, в частности, к конструкции для такой звездочки цепной передачи, для которой используется меньше материала, и, таким образом, она имеет меньший вес и соответствует или имеет увеличенную прочность. Более конкретно и/или дополнительно оно относится к способу изготовления звездочки с уменьшенным процентом брака.
Звездочки цепной передачи могут иметь центральную секцию в форме звезды (то есть иметь проходящие по радиусу зубья), расположенную между боковыми стенками в форме дисков. Расстояния между зубьями по окружности и между боковыми стенками в поперечном направлении определяют углубления между зубьями, которые принимают хвостовики привода центральных звеньев пильной цепи, а боковые стенки дополнительно образуют внешние периферийные опорные поверхности или рельсы, которые поддерживают боковые звенья пильной цепи. Звездочки имеют образованные в форме шпоночной канавки центральные отверстия, проходящие по толщине всех трех секций, которые принимают приводной вал, например, переходного устройства, приводимого энергией цепной пилы. В примере такой цепной пилы центробежное сцепление, приводимое двигателем, зацепляет манжету и вращает вал переходного устройства для вращательного приведения звездочки цепной передачи и, таким образом, пильной цепи, установленной на звездочке цепной передачи. Таким образом, пильную цепь приводят по направляющей цепной пилы для распиливания деревьев или бревен и т.п.
Ведущая звездочка является ключевым компонентом системы привода цепной пилы и подвергается грубой неправильной эксплуатации и быстрому изнашиванию. Желательно выполнять звездочку, которая может противостоять грубой неправильной эксплуатации в течение многих часов использования, например в течение срока службы нескольких режущих цепей, а также чтобы ее изготовление было по возможности недорогим.
Был разработан способ выполнения таких звездочек. Для этого образовывали древовидную схему пресс-формы. Древовидной схемой пресс-формы является пластмассовая форма с вертикальной центральной секцией, выполненной из множества взаимосвязанных сегментов, имеющих спицы, проходящие в горизонтальном направлении. К каждой спице прикреплена пресс-форма звездочки или пресс-форма, которая имеет форму звездочки цепной передачи, подлежащей изготовлению. Такую древовидную схему покрывают керамикой, а пластмассовую форму выжигают, оставляя керамическую пресс-форму. Таким образом выполняют проходы, проходящие вниз к центру древовидной схемы пресс-формы, созданные выжженной центральной секцией (называемой вертикальным литниковым каналом), через выжженные спицы (называемые каналами литниковой системы), и в каждую полость пресс-формы звездочки. Расплавленную сталь заливают через проход в многочисленные полости пресс-формы звездочки за одну операцию. После охлаждения керамическую форму, окружающую затвердевшие звездочки, удаляют, хотя, несмотря на это, звездочки остаются соединенными друг с другом сталью, которая затвердела в каналах литниковой системы. Затвердевшую сталь, сформированную в каналах литниковой системы, иногда упоминают как стебли. После получения стальной стебель, образованный в канале литниковой системы и соединенный со звездочкой, имеет малый размер, и звездочку можно отделять от затвердевшего металла, образованного в вертикальном литниковом канале. Любой кусочек стебля, оставшийся на звездочке, можно легко зашлифовывать для удаления какого-либо признака взаимосвязи и, таким образом, обработки звездочки, готовой к заключительной обработке, например термообработке.
Описанный процесс имеет некоторое количество критических аспектов, так что в результате имеются проблемы, которые описаны более подробно далее. Расплавленную сталь по желанию заливают при установленной температуре плавления для обеспечения полного заполнения пресс-форм и обеспечения желаемой структуры стали конечного продукта. Стебли, получившиеся в каналах литниковой системы, должны быть выполнены с возможностью обеспечения полного отделения затвердевших звездочек. Металл по всей форме звездочки предпочтительно должен быть однородным по плотности, то есть пористость должна быть исключена. Другие желаемые признаки звездочек цепной передачи заключаются в том, что производимые звездочки облегчают удаление древесной стружки при распиливании древесины, причем вес звездочки снижают до минимума.
Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является патент США №4776826, в котором раскрыта звездочка цепной передачи для приведения пильной цепи цепной пилы, отлитая из расплавленной стали способом литья множества изделий и выполненная с отстоящими друг от друга боковыми стенками, соединенными вместе расположенными по окружности зубьями и имеющими внешние периферийные участки для поддержания боковых звеньев пильной цепи и внутренние периферийные участки, выполненные с возможностью размещения шпоночного приводного вала цепной пилы для приведения во вращение звездочки, причем расположенные по окружности зубья предназначены для приема и зацепления с хвостовиками центральных приводных звеньев пильной цепи и приведения в движение пильной цепи цепной пилы.
Настоящее изобретение получено на основании исследования нежелательного высокого процента брака, который получают, в частности, при формовке звездочек цепной передачи больших размеров, например более 1,5 дюйма в диаметре. Было определено, что более высокий процент брака возникает в значительной степени из-за преждевременного застывания металла в каналах литниковой системы. Таким образом, для обеспечения потока достаточного количества металла в большие полости и таким образом устранения пористости необходимо увеличивать каналы литниковой системы или порталы в спицах. Однако если их увеличивать, то больший стебель, который образуется внутри канала литниковой системы (после затвердевания металла), будет труднее отделять от звездочки, что приводит к случайному откалыванию (скалыванию) участка корпуса звездочки.
Дальнейшее исследование привело к попытке уменьшить количество металла для звездочки большего размера для сохранения меньших размеров порталов. Конфигурация центральной секции в форме звезды и боковых стенок в форме дисков обусловлена, по меньшей мере, частично конфигурацией приводимой пильной цепи. Размер центрального отверстия зависит от переходного устройства, устанавливаемого в манжете, которая приводит в действие звездочку. Таким образом, первоначальные попытки уменьшения объема заключались в образовании каналов в боковых стенках боковых секций. Эти попытки были успешны, так как объем металла был уменьшен, причем это приводило к уменьшению процента брака, и изготовленные таким образом звездочки, как было обнаружено, сохраняли желаемую прочность. Такой успех вдохновил на дальнейшие попытки уменьшения количества используемого металла, и в боковых стенках стали выполнять отверстия, в осевом направлении между зубьями звездочки, при этом на третьей стадии разработки также уменьшили толщину боковой стенки над зубьями звездочки.
Удаление вышеописанного металла и последующее испытание привело к дополнительному открытию, которое заключалось в том, что некоторые из более тонких секций, образующих обод звездочки, часто оказывались более прочными или, по меньшей мере, такими же прочными, как и более толстые секции согласно предшествующему уровню техники. Более того, срок службы, как оказалось, увеличивался из-за получающихся в результате более твердых поверхностей в критических областях напряжения. Было определено, что более толстые секции согласно предшествующему уровню техники были несколько более пористыми и что такая пористость была следствием процесса охлаждения и затвердевания металла. Когда расплавленный металл охлаждается, он затвердевает и в процессе этого сжимается. Таким образом, необходимо обеспечивать дополнительный расплавленный металл в течение процесса сжатия, чтобы поддерживать более плотное заполнение полости. В противном случае образуются промежутки, которые создают нежелательную пористость и менее твердые площади поверхности.
Из вышеупомянутых испытаний и ошибок были определены критические взаимосвязи, то есть связь площади поверхности литой звездочки с массой металла, необходимого для заполнения полости пресс-формы звездочки. В частности, отношение веса, например, в граммах к площади поверхности, например, в квадратных дюймах должно быть порядка от 4 до 1 или менее, то есть не больше чем приблизительно 4 грамма расплавленного металла на каждый квадратный дюйм площади поверхности, составляющей внешнюю поверхность литой звездочки. Этого желаемого отношения достигают посредством уменьшения толщины звездочки в ненапряженных критических областях и, насколько допустимо, увеличения площади поверхности. Звездочки, изготовленные согласно настоящему изобретению с помощью более быстрого охлаждения и затвердевания, являются более легкими и менее дорогостоящими в изготовлении и, кроме того, имеют более долгий срок службы. Изобретение можно будет более полно оценить и понять после прочтения нижеприведенного подробного описания предпочтительных вариантов его осуществления изобретения, выполненного со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Таким образом, согласно первому объекту настоящего изобретения создана звездочка цепной передачи для приведения пильной цепи цепной пилы, отлитая из расплавленной стали способом литья множества изделий и выполненная с отстоящими друг от друга боковыми стенками, соединенными вместе расположенными по окружности зубьями и имеющими внешние периферийные участки для поддержания боковых звеньев пильной цепи и внутренние периферийные участки, выполненные с возможностью размещения шпоночного приводного вала цепной пилы для приведения во вращение звездочки, причем расположенные по окружности зубья предназначены для приема и зацепления с хвостовиками центральных приводных звеньев пильной цепи и приведения в движение пильной цепи цепной пилы. Внутренние и внешние периферийные участки боковых стенок образованы непрерывными периферийными кольцами, причем боковые стенки и зубья выполнены совместно с образованием сквозных отверстий, проходящих через обе боковые стенки между зубьями, и с обеспечением заданной массы материала, которая зависит от площади внешней поверхности звездочки и составляет приблизительно от 4 до 1 грамма на квадратный дюйм площади ее поверхности.
Предпочтительно сквозные отверстия в боковых стенках образуют соединительные участки между непрерывными периферийными кольцами, причем соединительные участки уменьшены по толщине по сравнению с толщиной непрерывных периферийных колец.
Согласно второму объекту настоящего изобретения создана звездочка цепной передачи для приведения пильной цепи цепной пилы, отлитая из расплавленной стали способом литья множества изделий и выполненная с отстоящими друг от друга боковыми стенками, соединенными вместе расположенными по окружности зубьями и имеющими внешние периферийные участки для поддержания боковых звеньев пильной цепи и внутренние периферийные участки, выполненные с возможностью размещения шпоночного приводного вала цепной пилы для приведения во вращение звездочки, причем расположенные по окружности зубья предназначены для приема и зацепления с хвостовиками центральных приводных звеньев пильной цепи и приведения в движение пильной цепи цепной пилы. Внутренние и внешние периферийные участки боковых стенок образованы непрерывными периферийными кольцами, при этом обе боковые стенки между непрерывными кольцами уменьшены по толщине для размещения в них вставок по форме углублений и увеличения площади поверхности и уменьшения массы, причем масса составляет приблизительно от 4 до 1 грамма на квадратный дюйм площади поверхности, а диаметр звездочки превышает 1,5 дюйма.
Согласно третьему объекту настоящего изобретения создан способ изготовления звездочки цепной передачи для приведения пильной цепи цепной пилы, включающий изготовление отливки, имеющей центральный вертикальный литниковый канал, множество полостей звездочки и каналы литниковой системы, соединяющие центральный вертикальный литниковый канал с полостями. Полости звездочек изготавливают с образованием боковых стенок, имеющих внутренние и внешние опорные кольца для установки, соответственно, приводного вала цепной пилы и опорных боковых звеньев пильной цепи, зубья между боковыми стенками для зацепления хвостовиков привода пильной цепи и соединительные участки, при этом внешние и внутренние опорные кольца и зубья звездочки образуют в виде высоконапряженных критических участков, а соединительные участки - в виде невысоконапряженных участков меньшей толщины для обеспечения величины массы материала в зависимости от площади поверхности не больше 4 грамм на квадратный дюйм площади поверхности.
Предпочтительно полости звездочек изготавливают с образованием сквозных отверстий в боковых стенках между внешними и внутренними опорными кольцами и между зубьями звездочки для уменьшения массы и увеличения удаления древесной стружки.
Предпочтительно уменьшают массу участков боковых стенок звездочки путем образования каналов в боковых стенках для дополнительного увеличения площади внешней поверхности звездочек.
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1-5 - различные виды звездочки цепной передачи согласно изобретению, при этом на фиг.1 показан вид в перспективе; на фиг.2 показан вид с торца; на фиг.3 показан вид сбоку; на фиг.4 показан вид в разрезе по линии 4-4 с фиг.3; и на фиг.5 показан вид в разрезе по линии 5-5 с фиг.4;
Фиг.6-9 - подобные виды альтернативного варианта осуществления изобретения;
Фиг.10-14 - подобные виды второго альтернативного варианта осуществления изобретения; и
Фиг.15 - наглядное представление обычной формы древовидной схемы пресс-формы для процесса изготовления звездочек цепной передачи с фиг.1-14.
На фиг.15 показана форма 10 пресс-формы, которая изготовлена, например, из пластмассы, при этом она также представляет связанные друг с другом звездочки цепной передачи после литья, как будет описано далее. Форма 10 пресс-формы заключена в оболочку из керамики, которая выдерживает высокие температуры. Облицовка из керамики показана пунктирной линией 15. Пластмассу расплавляют и удаляют, в результате получая керамическую пресс-форму со сложными полостями, имеющими по существу размер и конфигурацию формы 10 пресс-формы. Расплавленный металл, например стальной состав, заливают вниз через центральный вертикальный литниковый канал (как показано стрелкой 12) и пропускают наружу к порталам или каналам литниковой системы и через них, которые представлены стеблями или участками 14 стеблей формы 10 пресс-формы, и в наружные полости, представленные формами 16 пресс-форм звездочек.
Следует отметить, что участки 14 стеблей, которые представляют каналы литниковой системы или порталы фасонной отливки, по существу имеют толщину боковых стенок 18 форм 16 пресс-форм звездочек. Кроме того, следует отметить, что расплавленная сталь (например, при температуре 3000°F или выше) течет из отверстий 12 вертикального литникового канала через каналы 14 литниковой системы и затем в многочисленные конфигурации 16 полостей до тех пор, пока полости звездочек не заполнятся. Такое заполнение требует только очень короткого промежутка времени. Затем расплавленная сталь охлаждается, после ее охлаждения она сжимается, и дополнительная расплавленная сталь вовлекается в конфигурации 16 полостей через каналы 14 литниковой системы. Плотность стали, требуемой для конфигураций 16 полостей звездочек, поддерживают до степени, когда дополнительная расплавленная сталь способна проходить через каналы 14 литниковой системы. Если расплавленная сталь в каналах 14 литниковой системы затвердела и таким образом закрыла каналы литниковой системы до затвердевания расплавленной стали конфигураций 16 полостей звездочки, то продолжающееся затвердевание стали в полостях приводит к сжиманию или сжатию стали, которое создает промежутки в корпусе звездочки и таким образом нежелательную пористость.
На фиг.1-5 проиллюстрирован один из вариантов осуществления изобретения. Принимая во внимание то, что обычная звездочка цепной передачи имеет боковые стенки 18 в форме двух плоских дисков, разделенных центральной секцией 20 в форме звездочки, и поскольку внешние и внутренние периферии как боковых стенок, так и центральных секций образованы, соответственно, пильной цепью, приводимой звездочкой (см. пунктирную линию 26 на фиг.5), и приводным валом, приводящим звездочку (см. пунктирную линию 42 на фиг.5), обеспечивается удаление материала из боковых стенок, причем только между внешними и внутренними перифериями. Более конкретно, как показано на фиг.3, внешний и внутренний периферийные участки 34, 36 боковых стенок 18 (иногда называемые периферийными рельсами) соединены между собой соединительными участками 38, причем эти участки совпадают с зубьями 20 звездочки, как лучше всего показано на фиг.1. Как будет отмечено, промежутки, образованные участками 34, 36 и 38, имеют сквозные отверстия 28 (следует также отметить, что сквозные отверстия 28 не должны прерывать зубья, то есть боковая грань прорези должна располагаться внутри боковой грани зубца, как показано на фиг.5; в противном случае это может вызывать напряжение вертикальной трубы, что приведет к появлению трещин).
Как будет очевидно, такое удаление материала выполняют уменьшением массы материала звездочки, обеспечивая повторное воздействие на поверхности, то есть области 40, окружающие сквозные отверстия 28, как лучше всего показано на фиг.1 и 3. Целью такого удаления материала является уменьшение отношения массы к площади поверхности, например, до массы стального материала, не превышающей 4 грамма на квадратный дюйм площади поверхности.
Как было описано выше и со ссылкой на фиг.1-5, звездочка 16 имеет сквозные отверстия 28, которые проходят по всей толщине звездочки, то есть через обе боковые стенки 18. Металлический материал находится выше, ниже и на каждой стороне сквозных отверстий обеих боковых стенок 18. Центральное отверстие, образованное приводным валом 42, образовано с выемками 32, которые соответствуют шпоночным канавкам приводного вала 42 для передачи энергии вращения от двигателя цепной пилы к звездочке и, таким образом, к пильной цепи 26, захватываемой на звездочке 16, как показано на фиг.5.
Конфигурацию звездочки 16 ранее считали слишком хрупкой на основании предшествующего опыта в отношении литых звездочек цепной передачи. Однако, как объяснялось выше, благодаря необходимости уменьшения массы в конечном итоге было определено, что "толще" не всегда означает "лучше", то есть "прочнее", для металлических фасонных отливок (пористый вместо непористого), причем было обнаружено, что выполнение сквозных отверстий 28 в области низкого напряжения уменьшает массу металла, составляющего звездочку. Это выполняют без уменьшения размера звездочки (то есть с такими же внутренними и внешними периферийными конфигурациями и контактной площадью поверхности, которая требуется для поддержания и приведения пильной цепи) и без потери прочности. Большая площадь поверхности и меньшая масса, в частности, позволяют изготавливать звездочки больших размеров, например более 1,5 дюймов в диаметре, в то же время поддерживая заданное отношение массы к площади поверхности. Посредством множества экспериментов определили, что отношение не должно превышать величину приблизительно от 4 до 1, то есть 4 грамма на каждый квадратный дюйм площади поверхности.
На фиг.6-9 показан альтернативный вариант осуществления изобретения. Этот альтернативный вариант осуществления имеет только одно отличие от варианта с фиг.1-5, которое заключается в уменьшении толщины соединительных участков 38' по сравнению с соединительными участками 38 с фиг.1-5. Следует отметить, что обозначенные зубья 20 и соединительные участки 38 предыдущего варианта осуществления отлиты в виде общего компонента звездочки. Что касается этих двух вариантов осуществления, то толщина комбинации 20, 38 показана с максимальной толщиной в первом варианте осуществления (фиг.1-5) и приблизительно с минимальной толщиной во втором варианте осуществления (фиг.6-9). При этом может быть предпочтительной промежуточная толщина, которая может наилучшим образом удовлетворить требования пользователя, предъявляемые к цепной пиле, причем в объем настоящего изобретения входит полный диапазон толщин между этими максимальной и минимальной толщинами.
Третий вариант осуществления изобретения показан на фиг.10-14. В этом варианте осуществления материал между внешними периферийными участками 34 и внутренними периферийными участками 36 (на обеих сторонах) утончен, то есть канал или впускное отверстие 44 образованы между внутренними и внешними периферийными участками, и эти периферийные участки могут иногда упоминаться как внутренние и внешние кольцеобразные участки. Как лучше всего показано на фиг.10, 12 и 13, выполнение таких каналов позволяет уменьшить количество используемого металлического материала и увеличить площадь поверхности, например, дополнением переходных площадей 46 поверхности.
Вышеприведенное раскрытие направлено на предпочтительные варианты осуществления изобретения, в которых возможно выполнение различных изменений и модификаций, входящих в объем защиты настоящего изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения, термины которой следует понимать в их широком и общепринятом значении в данной промышленности.