Циклоїдальне зубчасте зачеплення

Винахід належить до машинобудування і може бути реалізований в насособудуванні і компресоробудуванні, а саме у насосах і компресорах об'ємного витиснення гвинтового типу, а також у гвинтових насосах для перекачування багатофазних сумішей. Крім того, може бути застосований в одно-, двох-, трьох- і багатозахідних гвинта х. Широко розповсюджені двогвинтові багатофазні насоси з циклоїдальним зачепленням. Відоме циклоїдальне зачеплення із симетричним профілем [1]. Бічні профілі утворюючих шестерень цього зачеплення складаються з таких елементів: основи зуба ас і вершини зуба св. Крива ас, що являє собою подовжену епіциклоїду, утворена точкою А при коченні першого кола по другому колу. Діаметри кіл рівні між собою і рівні межцентровій відстані. Крива св - епіциклоїда, утворена точкою Б при коченні першого кола по другому. Зазначені гвинтові насосі мають рад конструктивних і технологічних вад. Найбільш суттєва - це складність виготовлення профілю гвинтів з опуклістю й увігнутістю профілів, з дотриманням при цьому жорстких допусків і високої чистоти обробки поверхні. Крім того, опуклість впливає на роботу насоса, тому що перекочуючись по поверхні другого зуба, опуклість мнеться або сколюється. Внаслідок чого утвориться щілина, а значить виникне перетікання рідини що перекачується. Для усунення подібних вад, зуби циклоїдального зубчастого зачеплення коригують. Видаляють опуклість з одного колеса, а як ущільнення виступає друге колесо, де контур виконують з урахуванням видаленої опуклості. Так наприклад, відоме циклоїдальне зубчасте зачеплення [2], що містить зубчасті ротори, що зачіпляються між собою, із взаємнообгинаючими профілями зубів, що мають голівку, обкреслену трохоїдою і ніжку зуба, утворену подовженою епіциклоїдою, обкресленою точкою кола вершин іншого профілю. Вершина і ніжка зуба сполучені бічним відрізком у вигляді евольвенти. У зазначеному зачепленні голівка зуба утворюється укороченою точкою сполучення евольвенти бічного відрізка з подовженої епіциклоїдної ніжки другого профілю. Тобто маємо вигляд ПЕ+ЕВ+УКЕ (подовжена епіциклоїда + евольвента + укорочена епіциклоїда). Такі профілі застосовуються в однозахідних і двозахідних гвинтах бага тофазних насосів. Виготовлення гвинтів із циклоїдальним зубчастим зачепленням із профілями ПЕ+ЕВ+УКЕ також складне. Профіль зуба має виступ, а після ділильного кола переходить у поглиблення. Це значить, що профіль зубів ріжучого інструмента, у даному випадку мабуть буде фреза, повинна мата форму, що різко змінюється. Фреза такої конфігурації швидко зношується. При цьому, найчастіше для виконання канавки на заготовці гвинта застосовують набір інструментів, що спричиняє похибку у виготовленні гвинтів. А у випадку притуплення ріжучого інструмента в процесі різання, інструмент необхідно замінити або загострити. Дня цього його необхідно зняти. Зважаючи на те, що ріжучий інструмент має обернену форму зуба гвинта, його виступ буде в поглибленні зуба за ділильним колом. Відвести ріжучий інструмент не буде можливості, тому що він зачепить виступ з уба. Тому ріжучий інструмент виводять зворотним ходом із проробленої в заготовці гвинта канавки через усю її довжину, одночасно повертаючи заготовку. Проте, поряд із вадою (складністю виготовлення циклоїдального зубчастого зачеплення) виконане корегування, введення в профіль зуба ПЕ у відомому технічному рішенні є позитивним. Подібна корекція робить, теоретично, насос не герметичним, але практично він буде усе ж більш продуктивним, ніж насос із циклоїдальним зубчастим зачепленням без корегування профілю зубів гвинтів після нетривалої експлуатації. Природний знос гвинта, виготовленого з виступом, тим більше з гострим, буде більш шкідливий, тому що при цьому буде відсутня компенсація профілю 2-го зуба, що в кінцевому рахунку призведе до великого падіння герметичності гвинта. Отже, виправлення теоретичних профілів утворюючих зубів гвинтів, цілком доцільно. Для усунення зазначених вад в основу винаходу циклоїдальне зубчасте зачеплення поставлена задача, шляхом удосконалення (корекції) геометрії профілю зубів, створити високотехнологічні гвинти для високопродуктивних насосів. Для рішення зазначеної задачі, циклоїдальне зубчасте зачеплення, що заявляється так само, як і відоме, містить зубчасті ротори, зачеплені між собою, із взаємно-обгинаючими профілями зубів, що мають голівку, обкреслену укороченою епіциклоїдою і ніжку, обкреслену подовженою епіциклоїдою і сполучені бічним відрізком, на відміну від відомого циклоїдального зубчастого зачеплення, відповідно до винаходу, бічний відрізок має пряму лінію, яка переходить в просту епіциклоїду і далі переходить в укорочену епіциклоїду голівки зуба, утворену точкою спряження подовженої епіциклоїди і прямої лінії ніжки другого зуба, до того ж, проста епіциклоїда утворена прямою лінією другого зуба. Крім цього, відрізняється тим, що пряма лінія може бути розташована радіально або може бути розташована під кутом до радіальної складової, також відрізняється там, що початком прямої лінії є точка, розташована на контурі подовженої епіциклоїди. Відповідно до винаходу, профіль зуба технічного рішення, що заявляється, буде мати вигляд ПЕ+ПЛ+ПРЕ+УКВ (подовжена епіциклоїда + пряма лінія + проста епіциклоїда + укорочена епіциклоїда). Відрізняючі ознаки технічного рішення, що заявляється дають ряд позитивних якостей, що впливають на технічний результат, а саме; - бічний відрізок має пряму лінію. Прима лінія одного зуба в процесі робота стикаючись з епіциклоїдою другого з уба, створюють рідинний клин, що позитивно впливає на змазування профілю зубів; - пряма лінія переходить у просту епіциклоїду голівки зуба. Це дозволяє виконати плавний перехід, максимально сполучений з профілем середньої частини ніжки другого зуба; - проста епіциклоїда переходить в укорочену епіциклоїду. Такий перехід забезпечує плавний перехід однієї кривої в другу. Крім цього одержуємо в завершеному вигляді голівку зуба, що взаємодіє з коренем ніжки другого зуба; - укорочена епіциклоїда голівки зуба утворена точкою сполучення подовженої епіциклоїда і прямої лінії ніжки другого зуба, а проста епіциклоїда утворена прямою лінією другого зуба. - Це підтверджує слушність вибору профілю зубів двох робочих гвинтів, форму яких взаємно-описують контури профілів; - пряма лінії розташована радіально, таке рішення забезпечує класичний профіль зуба як одного так і другого ротора; - пряма лінія розташована під кутом до радіальної складової, таке розташування припускає виготовлення циклоїдального зубчастого зачеплення з більш широким полем допусків або виготовлення зі зміною профілю на відрізку простої епіциклоїди; - початком прямої лінії є точка, розташована на контурі подовженої епіциклоїди. Це дозволяє спростити виготовлення гвинта, а коли пряма лінія буде брати початок із точки найбільше наближеної до подовжньої осі зуба, то ріжучий інструмент можна видаляти прямо з зони різання, без виведення його по всій довжині нарізаної канавки. Це найбільш оптимальний варіант. Таким чином, з усуненням поглиблення б ніжці зуба, тобто у витках, спрощується виготовленні зубів гвинтів і ріжучого інструмента. Профіль, ж зубів гвинтів, так і зубів ріжучого інстр умента буде без різких виступів і западин, що спрощує їх виготовлення. Обраний профіль зубів забезпечує високу герметичність і в той же час створюються гарні умови змащування при роботі гвинтів насосів, компресорів, а також багатофазних насосів. Зазначені суттєві ознаки знаходяться в причинно-наслідковому зв'язку з вищевикладеними результатами і дозволяють удосконалити конструкцію циклоїдального зубчастого зачеплення шляхом корекції профілю зубів. На Фіг.1 зображений контур циклоїдального зубчастого зачеплення ПЕ+ПЛ+ПРЕ+УКЕ. На Фіг.2 - контур зуба ПЕ+ЕВ+УКЕ з корекцією. Циклоїдальне зубчасте зачепленні, що містить зубчасті ротори, які зачіплюються між собою, (на Фіг. не показані) із взаємно-обгинаючими профілями зубів, що мають голівку 1, 2 і ніжку 3, 4. Голівка 1, 2, обкреслена укороченою епіциклоїдою 5 і відповідно 6 і ніжку 3, 4, обкреслену подовженою епіциклоїдою 7, 8. Сполучені вони бічним відрізком у вигляді прямої лінії 9, 10 із переходом її в просту епіциклоїду 11, 12. У свою чергу проста епіциклоїда 11, 12 переходить в укорочену епіциклоїду 5, 6 голівки 1 зуба, що утворена точкою сполучення подовженої епіциклоїди 8 і прямої лінії 10 ніжки 4 другого зуба. При цьому, проста епіциклоїда 11 утворена прямою лінією 10 другого зуба. Те ж відбувається з простою епіциклоїдою 12, що переходить в укорочену епіциклоїду 6 голівки 2 зуба. Епіциклоїда 12 утворена точкою сполучення подовженої епіциклоїди 7 і прямої лінії 9 ніжки 3 першого зуба. При цьому проста епіциклоїда 12 утворена прямою лінією 9 першого чуба. Пряма лінія 9, 10 може розташовува тися радіально або під кутом до неї. Циклоїдальне зубчасте зачеплення працює так. При прокручуванні одного ротора одночасно обертається другий ротор. Голівка 1 зуба, форма якої складається з укороченої епіциклоїди 5 і простої епіциклоїди 11 повільно перекочується по ніжці 2 другого зуба, що складається з подовженої епіциклоїди 8 і прямої лінії 10. Внаслідок чого відбувається формування голівки 1 зуба. Укорочена епіциклоїда 5, описується ніжкою профілю другого зуба, конкретніше точкою сполучення подовженої епіциклоїди 8. У свою чергу, проста епіциклоїда 11 цього зуба формується прямою лінією 10 другого зуба. У даному випадку пряма лінія 10 перекочується по простій епіциклоїді 11 точкою. Це означає, що з обох сторін точні створюється рідинний змащувальний клин. Контур голівки другого зуба складається з укороченої епіциклоїди 6 і простої епіциклоїди 12. Укорочена епіциклоїда 6 формується точкою сполучення подовженої епіциклоїди 7 і прямої лінії 9 першого зуба А проста епіциклоїда 12 формується прямою лінією 9 першого колеса. Таким чином, контури зубів формуються обопільно. Ніжка першого зуба формує контур голівки другого зуба і навпаки - ніжка другого зуба формує контур голівки першого зуба. Порівняння відомого профілю циклоїдального зубчастого зачеплення вигляду ПЕ+ЕВ+УКЕ і профілю зачеплення, що заявляється вигляду ПЕ+ПЛ+ПРЕ+УКЕ показало, що ніжка зуба набула стовщення, а голівка зуба на розмір стовщення ніжки зменшилась (Фіг.2). Виготовлення профілів зубів значно спрощується також і за наявності прямої лінії 9, 10. Відкорегована форма зубів забезпечила роботу насоса без перетікання рідини, що перекачується, в сторону, протилежну нагнітанню й у той же час створила оптимальний і гарантований рідинний клин, що змащує і діє, як в бік голівки зуба, так і в бік ніжки зуба. Математичні розрахунки з застосуванням комп'ютерного опрацювання даних, дозволили зробити корекцію форми зубів, що у свою чергу призвело до високо точного вибору форми зуба, а далі й до виготовлення гвинтів. У результаті випробувань багатофазного насоса з запропонованим циклоїдальним зачепленням при номінальній подачі 500м 3/час, тиску 30кг/см 2 з вмістом до 10% газу в середовищі, що перекачується, об'ємний коефіцієнт склав 88-90%. Дані результати підтверджені при випробуванні дослідної партії насосів у кількості 3-х виробів. При проведенні ревізії циклоїдального зубчастого зачеплення після 72 - годинного наробітку, на зубах не виявлено відколів, задиров, тріщин або наклепів металу по металі. Виконане коригуванні циклоїдального зубчастого зачепленні дозволило вибрати найбільш прийнятний варіант, що вирішує задачу виготовлення, не знижуючи те хнічних показників багатофазного насоса. Джерела інформації: 1. Гвинтові насоси. Під ред. Д.Ф.Балденко. – 1982, стор.153. 2. А.С. №1772470 МПК F16H1/06 – прототип.