Черв’ячне зачеплення

Реферат: Черв'ячне зачеплення містить елементи зачеплення у вигляді гвинтових поверхонь витків черв'яка й відповідних криволінійних поверхонь зубів черв'ячного колеса, розташовані щодо перехресних осей і сполучені по контактних лініях. Черв'ячне зачеплення оснащене механізмом ліквідації інтерференції зубів, що включає віртуальну контактну поверхню, отриману в інерційній системі відліку з урахуванням флуктуації функцій силового й термічного впливу, конформне відображення цієї поверхні на поверхню черв'ячного зачеплення, а також відображення віртуальної контактної поверхні на один або обидва елементи зачеплення в їхньому відносному русі. Черв'ячне зачеплення також оснащене локальними концентраторами надлишкового тиску змащення у вигляді щілин, обмежених у просторі елементами зачеплення, і розбіжних до їхньої периферії, локальні концентратори надлишкового тиску оснащені акумуляторами змащення, виконаними із плавно заглибленими порожнинами, розташованими по краях віртуальної контактної поверхні. UA 83312 U (12) UA 83312 U UA 83312 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі механічних передач зачепленням, конкретніше - до черв'ячних передач як із циліндричним, так і з глобоїдним черв'яком. Відомий черв'ячний привід, що містить наступні ознаки, що збігаються з існуючими ознаками винаходу: черв'як і черв'ячне колесо з дугоподібним профілем бічних поверхонь, що входять у зачеплення по лінії зачеплення в зоні контакту, бічна поверхня витка черв'яка становить частину еліпса, частина параболи, частина гіперболи [див. наприклад, опис пат. США № 3,728,907, кл. 74/425, 74/458, МПК F 16 h 1/16, F 16 h 55/04]. У відомому пристрої на бічних поверхнях витка черв'яка є принаймні дві ділянки, що входять у зачеплення з бічними поверхнями зубів черв'ячного колеса, одна ділянка має профіль, нахилений щодо перпендикуляра до осі черв'яка, або прямій, злегка ввігнутий, або злегка опуклий профіль. Інша ділянка сильно викривлена, а лінія зачеплення зберігається в зоні контакту. Наявність декількох різних профілів поверхні витка черв'яка, як і на зубі колеса, істотно ускладнює конструкцію й технологію виробництва відомої черв'ячної передачі, потребує підвищеної точності складальної операції. Деформації черв'ячної пари під навантаженням, особливо прогин і крутіння черв'яка, через велику відстань між його опорами, спотворюють відносне положення профілів і порушують умови сполучення поверхонь. Це викликає інтерференцію й заклинювання черв'ячного зачеплення при порівняно невеликих навантаженнях. Відзначені недоліки усунуті в іншому відомому пристрої, що містить глобоїдний черв'як з кільцевою проточкою, на одному торці якої утворені установлювальний буртик і циліндричний контрольний пасок, що примикає до нього, і глобоїдне колесо, на одному з торців маточини глобоїдного колеса також виконана кільцева проточка, що утворить установлювальний буртик і циліндричний контрольний пасок, радіус якого дорівнює відстані від горловини черв'яка до торця його установлювального буртика, а радіус контрольного паска черв'яка дорівнює відстані від горловини колеса до торця його установлювального буртика [див. наприклад, авт. свід. СРСР 1307128 МПК F 16 h 1/16]. Відома глобоїдна передача має недоліки: висока чутливість до неточності виготовлення, більша нерівномірність розподілу навантаження по ширині черв'ячного колеса, наявність зон підвищеного поверхневого зношування й заклинювання зубів на вході й виході із зачеплення. Найбільш близьким аналогом є відома черв'ячна передача [див. наприклад, авт. свід. СРСР 818222 МПК F 16 Н 1/16]. Заявлений і відомий пристрої мають наступні подібні ознаки: елементи зачеплення у вигляді гвинтових поверхонь витків черв'яка й відповідних криволінійних поверхонь зубів черв'ячного колеса, розташовані щодо перехресних осей і сполучені по контактних лініях. Відома черв'ячна передача не містить механізм усунення інтерференції зубів під навантаженням, як і концентраторів надлишкового тиску змащення, що порушує плавність і рівномірний характер розподілу навантаження в зачепленні, що приводить до інтерференції зубів під навантаженням, а також до заклинювання на вході зубів у зачеплення через масляне "голодування". Зазначені недоліки знижують плавність передачі крутного моменту, навантажувальну здатність і ресурс роботи відомої передачі. В основу корисної моделі поставлена задача створення черв'ячного зачеплення, що враховує вплив деформації вхідних елементів і запобігає інтерференції сполучених поверхонь, а також усуває масляне "голодування" і у зв'язку із цим, заклинювання зубів на вході в зачеплення, щоб підвищити плавність передачі крутного моменту, навантажувальну здатність і ресурс роботи. Поставлена задача вирішується тим, що полягає в збільшенні розмірів і стабілізації плями контакту, а, отже, зниженні контактних напруг, а також концентрації надлишкового тиску змащення в зоні входу зубів у зачеплення, а, виходить, усунення масляного "голодування". Для досягнення цього технічного результату в черв'ячному зачепленні, що містить елементи зачеплення у вигляді гвинтових поверхонь витків черв'яка й відповідних криволінійних поверхонь зубів черв'ячного колеса, розташовані щодо перехресних осей і сполучені по контактних лініях, черв'ячне зачеплення оснащено механізмом ліквідації інтерференції зубів, що включає віртуальну контактну поверхню, отриману в інерційній системі відліку з урахуванням деформації під навантаженням, що у свою чергу відображена на елементи зачеплення в їхньому відносному русі, черв'ячний зачеплення також має локальні концентратори надлишкового тиску змащення, які виконані у формі щілин, що розходяться до периферії черв'ячного зачеплення, при цьому локальні концентратори надлишкового тиску оснащені акумуляторами змащення у вигляді плавно заглиблених порожнин, розташованих по краях віртуальної контактної поверхні, активні поверхні витків черв'яка й зубів черв'ячного колеса 1 UA 83312 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 сформовані за допомогою відображення віртуальної контактної поверхні, локальні концентратори надлишкового тиску змащення розміщені переважно по всій висоті зубів черв'ячного колеса на периферії їхніх активних поверхонь. Між відмінними ознаками корисної моделі й технічним результатом, що досягається, є причинно-наслідковий зв'язок. Для збільшення й стабілізації плями контакту й зниження контактних напруг, а також концентрації надлишкового тиску змащення в зоні входу зубів у зачеплення, а, виходить, усунення масляного "голодування", необхідна наступна сукупність відмінних ознак: - механізм ліквідації інтерференції зубів, що включає віртуальну контактну поверхню, отриману в інерційній системі відліку з урахуванням деформації під навантаженням, що у свою чергу відображена на елементи зачеплення в їхньому відносному русі, а активні поверхні витків черв'яка й зубів черв'ячного колеса сформовані за допомогою відображення віртуальної контактної поверхні, що потрібно для перетворення розрахункових деформацій елементів зачеплення у відповідні геометричні параметри кореляції активних поверхонь сполучених ланок черв'ячної пари; - локальні концентратори надлишкового тиску змащення, які виконані у формі щілин, що розходяться до периферії черв'ячного зачеплення, оснащені акумуляторами змащення у вигляді плавно заглиблених порожнин, розташованих по краях віртуальної контактної поверхні, причому локальні концентратори розміщені переважно по всій висоті зубів черв'ячного колеса на периферії їхніх активних поверхонь і служать для нагнітання під надлишковим тиском сконцентрованого струменя змащення в зону масляного "голодування" на вході в зачеплення. Виключення із зазначеної сукупності відмітних ознак кожного з них не забезпечує прояв нової якості - збільшення й стабілізацію плями контакту, а, отже, зниження контактних напруг, а також концентрацію надлишкового тиску змащення в зоні входу зубів у зачеплення, а, виходить, усунення масляного "голодування" і заклинювання. Ця нова якість проявляється в корисності запропонованого пристрою - підвищується рівномірність розподілу навантаження, знижуються контактні напруги, усувається інтерференція й заклинювання зубів, підвищується навантажувальна здатність, плавність зачеплення й ресурс роботи. Для більше достовірного визначення рівня техніки вивчена патентна документація по МКИ (США): 74/425; 74/458; 29/893; 72/88, а також МКИ: F 16 Н 1/16; F 16 Н 55/22; F 16 Н 55/08; В 23 F 21/16, а також відкрита інформація фірм виробників черв'ячних передач. У пророблених патентних матеріалах і літературних джерелах не виявлена сукупність ознак, подібних з відмітним ознаками винаходу. Таким чином, винахід задовольняє умові новизни, тому що в рівні техніки не виявлений аналог. Крім того, з відомих черв'ячних зачеплень і черв'ячних передач не можна було заздалегідь пророчити шляхом звичайної інженерної діяльності, розробку механізму ліквідації інтерференції зубів, що включає віртуальну контактну поверхню, отриману в інерційній системі відліку з урахуванням деформації під навантаженням, і відображену на елементи зачеплення в їхньому відносному русі, а також застосування локальних концентраторів надлишкового тиску змащення, виконаних у формі щілин, що розходяться до периферії черв'ячного зачеплення, і оснащених акумуляторами змащення у вигляді плавно заглиблених порожнин, розташованих по краях віртуальної контактної поверхні. У виявлених аналогах відсутні відомості, які б могли з'явитися очевидною підказкою для конструювання фахівцями більш довершеного черв'ячного зачеплення. Більше того, є нові наукові знання в галузі конструювання черв'ячних передач. Тобто, винахідниками запропонований новий тип черв'ячного зачеплення, де активні поверхні сформовані на основі віртуальної контактної поверхні, отриманої в інерційній системі відліку з урахуванням деформації під навантаженням, що у свою чергу відображена на кожний елемент зачеплення в їхньому відносному русі. У результаті вже відомі технічні характеристики черв'ячних передач здобувають нові споживчі властивості. Тому в цьому випадку задача вирішена нетрадиційним шляхом і технічний результат не випливає з очевидністю з відомих властивостей черв'ячного зачеплення. За рахунок цього досягнуте значне підвищення навантажувальної здатності, к.к.д., плавності й ресурсу роботи черв'ячної передачі, що істотно розширило область її застосування у важкому машинобудуванні. Заявлена корисна модель, промислово застосовна - призначена для використання в промисловості. Розроблено технічний проект черв'ячної передачі із заявленим зачепленням, розроблена й випробувана в промислових умовах технологія нарізки черв'ячної пари із 2 UA 83312 U 5 10 15 20 25 30 35 40 програмним продуктом, у т.ч. робочі програми до універсальних багатокоординатних верстатів з ЧПУ. На фіг. 1 зображене зачеплення глобоїдної черв'ячної передачі; на фіг. 2 - схема побудови нормального профілю бічної поверхні витка черв'яка; на фіг. 3 - бічна поверхня зуба черв'ячного колеса, на фіг. 4 - зачеплення черв'ячної передачі із зображенням віртуальної контактної поверхні. Черв'ячне зачеплення (фіг. 1) містить сполучені між собою ввігнуті гвинтові поверхні 1 витків 2 черв'яки 3 (фіг. 2) і відповідні опуклі криволінійні поверхні 4 зубів 5 черв'ячного колеса 6, розташовані щодо перехресних осей 7 і 8 черв'яка 3 і черв'ячне колеса 6. Черв'як 3 і черв'ячне колесо 6 є, відповідно, рушійною і рухомою ланками. Гвинтові поверхні 1 у нормальному перерізі представляють евольвенту 9 з основною окружністю 10 діаметром. Мінімальний радіус евольвенти в підстави витка 2, максимальний радіус евольвенти у вершини витка. Гвинтові поверхні 1 у нормальному перерізі можуть представляти й інші лінії, у т.ч. і опуклі криві. Але при будь-якому сполученні кривизни сполучених поверхонь 1 і 4, черв'ячне зачеплення формує опукло-увігнутий контакт. На відміну від відомих технічних рішень і з метою оптимізації черв'ячного зачеплення за критерієм навантажувальної здатності, воно споряджено механізмом ліквідації інтерференції зубів, що включає віртуальну контактну поверхню 11, отриману в інерційній системі відліку з урахуванням деформації під навантаженням, а також конформне відображення поверхні 11 на один 4 або обидва елементи зачеплення 4 і 1 у їхньому відносному русі. У процесі формування поверхні 11 ураховуються не тільки контактні деформації поверхонь 1 і 4, але й деформації корпуса, опор, вала черв'ячного колеса, вигин і крутіння черв'яка, термічні деформації. При конформному відображенні поверхні 11 на елементи зачеплення, отримані поверхні 4 і 1 задовольняють умові сталості заданого передатного відношення під навантаженням. У процесі визначення контактної поверхні 11 використаються контактні лінії 12, отримані для ненавантаженого стану черв'ячного зачеплення, дискретно відображені на фіг. 3. Розроблено математичну модель пропонованого черв'ячного зачеплення, що при комп'ютерному моделюванні перетвориться в тривимірні геометричні відображення. У системі координат х1, y1, z1, задається рівняння гвинтової поверхні 1 витка 2 черв'яки 3 F1 (х1, y1, z1)= 0 (1) Значення координатних функцій х1, y1, z1 виразимо через координатні функції х2, у2, z2 бічної поверхні 4 зубів 5 черв'ячного колеса 6 x1  f1x 2 , y 2 , z 2 , i12 ,   y1  f2 x 2 , y 2 , z 2 , i12 , (2) z1  f3 x 2 , y 2 , z 2 , i12 ,  Вираження (2) підставимо у формулу (1) і після перетворень одержимо рівняння сімейства гвинтових поверхонь витка черв'яка в системі S2[x2,y2,z2), пов'язаній з черв'ячним колесом 6 F2 x 2, y 2, z2 , 1, i12   0 (3) де  1. - кут повороту черв'яка - параметр сімейства гвинтових поверхонь (3); і12 - передатне відношення черв'ячного зачеплення. Бічна поверхня 4 зубів 5 черв'ячного колеса 6 представляється в параметричній формі F2 x 2 , y 2 , z 2 , 1, i12   0   F2 x 2, y 2, z2, 1, i12   0 (4)  1  При фіксованому значенні параметра (р, рівняння (4) визначають контактну лінію сполучених поверхонь 1 і 4 черв'ячні зачеплення. Значення координатних функцій х2, у2, z2 виразимо через нерухомі координати х, у, z       x 2  f4 x , y , z , 1, i12 ,  y 2  f5 x , y , z , 1, i12 , (5) z 2  f6 x , y , z , 1, i12 ,  45 Вираження (5) підставимо у формули (4) і після перетворень одержимо рівняння сімейства ліній контакту в нерухомій системі, тобто рівняння поверхні зачеплення F x, y, z, 1, i12   0   (6) F x, y, z, 1, i12   0.  1  3 UA 83312 U У рівняння (6) уводяться переміщення поверхні черв'ячного зачеплення, викликані контактними деформаціями  1,4, деформаціями корпуса  К, опор  О, вала черв'ячного колеса  в.ч.к., вигином і крутінням черв'яка  ч., термічними деформаціями конструкції  Т - у вигляді функцій впливу силових факторів і температури 5 10 Fk x k , y k , zk , 1, i12 , 1,4 , k ,  O , в.ч.к.,  ч.,     0,  (7) Fk  xk , yk , zk , 1, i12   0  1  Віртуальна контактна поверхня (7) отримана в інерціальній системі відліку з урахуванням флуктуацій силового й термічного впливу. При цьому комбінація функцій впливу:  1,4,  К,  О,  в.ч.к.,  ч.,  Т повинна задовольняти умові конформного відображення віртуальної контактної поверхні (7) на поверхню черв'ячного зачеплення (6) dS 2   du 2  2F du d  Gd  2 ,  (8)  2 2 2 2  dS k   k du  2Fk du d  Gk d ,  2 2 де dS і dS к - лінійні елементи поверхонь (6) і (7);   2 2 2   x u  y u  zu ; F  x u x   y u y   zu z  G  x 2  y 2  z2;    2 2 2 k  x k  y k  z u ; Fk  x kux k  y kuy k  zkuzk 2 2 2 Gk  x k  y k  zk ; u u 2 2 відповідні коефіцієнти лінійних елементів dS та dS к;  - відношення подоби поверхонь (6) і (7); хu, уu, zu i x  , y  , z  - частинні похідні координатних функцій x, y,z по криволінійних 15 20 25 30 35 40 координатах u та  поверхні (6), хku, ,уku, ,zku, та x k , y k , zk - частинні похідні координатних   функцій xk, yk, zk, по криволінійних координатах u та  поверхні (7). Для конформності поверхонь (6) і (7) досить рівності відносин однойменних коефіцієнтів їхніх лінійних елементів  F G (9)   . k Fk Gk Координатні функції xk, yk, zk в рівняннях (7) виразимо через рухливі координати x2, y2, z2, пов'язані із черв'ячним колесом 6, і після перетворень одержимо систему рівнянь x k  f7 x 2 , y 2 , z 2 , i12 ,  y k  f8 x 2 , y 2 , z 2 , i12 , (10) zk  f9 x 2 , y 2 , z 2 , i12 ,  Підставляючи систему рівнянь (10) у рівняння (7), одержимо відображення віртуальної контактної поверхні на один з елементів зачеплення, тобто на бічну поверхню 4 зубів 5 черв'ячного колеса 6 у його відносному русі F x 2 , y 2 , z 2 , 1, i12 , 1,4 , k ,  O , в.ч.к.,  ч.,     0,  (11) Fk  x 2 , y 2 , z 2 , 1, i12   0  1  Відображення віртуальної контактної поверхні на другий елемент зачеплення в його відносному русі виконується аналогічно. Черв'ячне зачеплення споряджене локальними концентраторами надлишкового тиску змащення, отриманими за допомогою щілин 13, виконаних у просторі, обмеженому елементами зачеплення, і розбіжних до їхньої периферії. Локальні концентратори надлишкового тиску змащення розміщені переважно по всій висоті зубів черв'ячного колеса на периферії їхніх активних поверхонь і при цьому споряджені акумуляторами змащення, виконаними з плавно заглибленими порожнинами, 14, розташованими по краях віртуальної контактної поверхні 11. Сполучення черв'ячної пари забезпечується основними геометричними залежностями елементів черв'ячного зачеплення. Передаточне число черв'ячної пари: z u 2 , z1 де z1 - число витків черв'яка, z2 - число зубів колеса. Міжосьова відстань черв'ячної пари: aw=0,5 (z2+q + 2х) m, 4 UA 83312 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 де q - коефіцієнт діаметра черв'яка, х - коефіцієнт зсуву черв'яка. Ділильний кут підйому витка черв'яка: z tg  1 . q Ділильні діаметри черв'яка 3 і черв'ячне колеса 6: d=q m, D=z2m. Розрахунковий крок витків черв'яка: р =d m. Діаметр вершин витків черв'яка в площині, що проходить через міжцентрову лінію: d amin=d+2 ham, де ha - коефіцієнт висоти голівки витка. Діаметр вершин зубів черв'ячного колеса Da=D+2 (ha+x)m. Радіус кривизни профілю витка в осьовому перерізі:   0    rbz , де  0 - радіус кривизни профілю на діаметрі ділильного циліндра,   - кут повороту на виробляючій прямій щодо основної окружності, , rbz - радіус основної окружності. Черв'ячне зачеплення працює в такий спосіб. Під час роботи зачеплення провідна ланка 3 обертається навколо осі 7, гвинтова поверхня 1 провідної ланки впливає на криволінійну поверхню 4 веденої ланки 6 і змушує обертатися останню навколо осі 8. При передачі навантаження відбуваються деформації й істотні відносні зсуви поверхонь 1 і 4, що звичайно викликає інтерференцію активних поверхонь і приводить до заклинювання. Однак, наявність механізму ліквідації інтерференції зубів, що включає віртуальну контактну поверхню, отриману в інерційній системі відліку з урахуванням флуктуацій силового й термічного впливу, а також конформне відображення поверхні 11 на поверхню черв'ячного зачеплення, а також відображення віртуальної контактної поверхні на один 4 або обидва елементи зачеплення 4 і 1 у їхньому відносному русі - компенсує відносні відхилення сполучених поверхонь 1 і 4 і усуває їхню інтерференцію. Активні поверхні зубів черв'ячного колеса й витків черв'яка отримані відповідно до відображення віртуальної контактної поверхні, що у свою чергу представляє конформне відображення на поверхню черв'ячного зачеплення, при сполученні під навантаженням відповідають умові збереження сталості заданого передатного відношення, що підвищує плавність передачі більших крутних моментів. Змащення на поверхнях 1 швидкообертової провідної ланки 3 має високу кінетичну енергію. Потрапляючи в щілини 13, що розходяться до периферії черв'ячного зачеплення, кінетична енергія змащення перетвориться в потенційну енергію тиску змащення. Остання акумулюється в плавно заглиблених порожнинах, 14, розташованих по краях віртуальної контактної поверхні 11, і під тиском змащення нагнітається в черв'ячне зачеплення. Це забезпечує сприятливі умови утворення гідродинамічного змащення в черв'ячному зачепленні, знижує енергетичні втрати, зношування активних поверхонь, усуває заклинювання, підвищує навантажувальну здатність і ресурс роботи черв'ячного зачеплення. Розміщення локальних концентраторів надлишкового тиску змащення по всій висоті зубів черв'ячного колеса на периферії їхніх активних поверхонь, забезпечує повномасштабне нагнітання змащення на вході зубів у зачеплення - в зону масляного "голодування". Це запобігає задиркам й заклинюванню сполучених елементів черв'ячного зачеплення, знижує їхнє зношування в умовах підвищених навантажень. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 1. Черв'ячне зачеплення, що містить елементи зачеплення у вигляді гвинтових поверхонь витків черв'яка й відповідних криволінійних поверхонь зубів черв'ячного колеса, розташовані щодо перехресних осей і сполучені по контактних лініях, яке відрізняється тим, що черв'ячне зачеплення оснащене механізмом ліквідації інтерференції зубів, що включає віртуальну контактну поверхню, отриману в інерційній системі відліку з урахуванням флуктуації функцій силового й термічного впливу, конформне відображення цієї поверхні на поверхню черв'ячного зачеплення, а також відображення віртуальної контактної поверхні на один або обидва елементи зачеплення в їхньому відносному русі, черв'ячне зачеплення також оснащене 5 UA 83312 U 5 локальними концентраторами надлишкового тиску змащення у вигляді щілин, обмежених у просторі елементами зачеплення, і розбіжних до їхньої периферії, локальні концентратори надлишкового тиску оснащені акумуляторами змащення, виконаними із плавно заглибленими порожнинами, розташованими по краях віртуальної контактної поверхні. 2. Черв'ячне зачеплення за п. 1, яке відрізняється тим, що локальні концентратори надлишкового тиску змащення розміщені переважно по всій висоті зубів черв'ячного колеса на периферії їхніх активних поверхонь. 6 UA 83312 U 7 UA 83312 U 8 UA 83312 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9