Конічна зубчаста передача

УКРАЇНА (19) UA (11) 41123 (13) U (51) МПК (2009) F16H 1/00 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС видається під відповідальність власника патенту ДО ПАТЕНТУ НА КОРИСНУ МОДЕЛЬ (54) КОНІЧНА ЗУБЧАСТА ПЕРЕДАЧА жина зуба; DS = 0,005...0,03мм - параметр криволінійності твірних бічних поверхонь зубів конічної шестерні; m t - торцевий модуль зачеплення. Зіставлювальний аналіз з найбільш близьким аналогом показує, що конічна зубчаста передача, що заявляється, відрізняється тим, що прямолінійні твірні бічних поверхонь зубів конічної шестерні замінені криволінійними твірними з постійним радіусом кривизни R, крім того, евольвентні зуби шестерні і колеса виконані з глибоким профілем, який характеризується висотою голівок зубів в торці hat і кутом зачеплення a* = 17,5°, де параw метри R і hat знаходяться, виходячи із отриманих виразів. Порівняння технічного рішення, що заявляєть (13) 41123 навантажувальної здатності по контактним напруженням, зниження вібрації і шуму і можливість використання при окружних швидкостях 35м/с і вище. Для рішення задачі в конічній зубчастій передачі, яка складається із конічних шестерні і колеса з перетинаючимися осями і розташованими на них евольвентними прямими зубами, які змінюються по висоті і по товщині, прямолінійні твірні бічних поверхонь зубів конічної шестерні замінені криволінійними твірними з постійним радіусом кривизни R = b2 / 8DS , крім того, евольвентні зуби шестерні w і колеса виконані з глибоким профілем, який характеризується висотою голівок зубів в торці hat= 1,25mt і кутом зачеплення a* = 17,5°, де bw - довw U жина зуба; DS = 0,005...0,03 мм - параметр криволінійності твірних бічних поверхонь зубів конічної шестірні; mt - торцевий модуль зачеплення. (11) Корисна модель відноситься до галузі машинобудування. Відома конічна зубчаста передача, яка складається із конічних шестерні і колеса з перетинаючимися осями і розташованими на них евольвентними прямими зубами, котрі шляхом взаємодії одне з одним здійснюють передачу обертання і навантаження від одних валів іншим валам машин і механізмів [1]: Златопольский М.Д. Основы теории и расчёта конических зацеплений. - М.: Машгиз, кн.1, 1947. Недоліком відомої конічної зубчастої передачі є низька навантажувальна здатність по контактним напруженням внаслідок нерівномірності розподілення навантаження по довжині зубів, великий шум і вібрація, невисокі окружні швидкості в межах 10... 12м/с до пропонованого рішення є конічна зубчаста передача Найбільш близьким за технічною сутністю до пропонованого рішення є конічна зубчаста передача з бочкоподібними евольвентними прямими зубами шестерні і колеса, у котрих величина бочкоподібності f збільшується у напрямі до вершин конусів від 0 до 0,005mt [2]: Часовников Л.Д. Передачи зацеплением. Зубчатые и червячные. Изд. во «Машиностроение», М., 1969. Недоліком вказаної конічної зубчастої передачі є досі незначне підвищення навантажувальної здатності, наявність вібрації і шуму і відсутність можливості використання даної передачі при окружних швидкостях вище 10... 15м/с. Задача корисної моделі - суттєве підвищення няється тим, що прямолінійні твірні бічних поверхонь зубів конічної шестірні замінені криволінійними твірними з постійним радіусом кривизни R = b2 / 8DS , крім того, евольвентні зуби шестірні і w колеса виконані з глибоким профілем, який характеризується висотою головок зубів в торці hat= 1,25mt і кутом зачеплення a* = 17,5°, де bw - довw UA (21) u200812835 (22) 03.11.2008 (24) 12.05.2009 (46) 12.05.2009, Бюл.№ 9, 2009 р. (72) ПОПОВ ОЛЕКСІЙ ПАВЛОВИЧ, UA, ПОПОВА ЛАРИСА ОЛЕКСІЄВНА, UA (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕБУДУВАННЯ ІМЕНІ АДМІРАЛА МАКАРОВА, UA (57) Конічна зубчаста передача, яка складається із конічних шестірні і колеса з перетинними осями і розташованими на них евольвентними прямими зубами, які змінюються по висоті і по товщині і знаходяться між собою в зачепленні, яка відріз 2 (19) 1 3 ся, не лише з прототипом, але й з іншими технічними рішеннями в даній галузі техніки, не виявило в них признаки, які відрізняють, технічне рішення, що заявляється, від прототипу, що дозволяє зробити висновок про відповідність критерію «винахідницький рівень». На Фіг.1 зображена одноступінчата конічна зубчаста передача, на Фіг.2 - загальний вигляд модифікованого зуба конічної шестерні з глибоким профілем, а на Фіг.3 - характер зміни висоти модифікованого зуба конічної шестерні з глибоким профілем від торця до вершини конуса. У відповідності з Фіг.1-3 маємо наступні позначення: w1,w2 - кутові швидкості конічних шестерні і колеса; bw - довжина зуба; L - довжина твірної початкового (дільникового) конуса; j1,j2 - кути початкових (дільникових) конусів відповідно шестерні і колеса; Q - міжосьовий кут; 0 - точка перетину осей обертання шестерні і колеса, котра є вершиною конусів; р - полюс зачеплення; a* - кут зачепw лення; R - радіус кривизни твірних бічних поверхонь зубів конічної шестерні; ht = hat + hft = 2,75mt максимальна висота зуба в торці; hat = 1,25 - висота голівки зуба в торці; hft - 1,5mt - висота ніжки зуба в торці; mt = mmL/(L-0,5bw) - торцевий модуль зачеплення; mm - модуль зачеплення в середньому нормальному перерізі на відстані bw/2 від торця; hm = 2,75mm - висота зуба в середньому перерізі; hk = 2,75mk - мінімальна висота зуба; mk = mmL/(L-bw) - мінімальна величина модуля зачеплення на відстані bw від торця; DS - параметр криволінійності твірних бічних поверхонь зубів конічної шестерні; Swt = pm t / 2 - товщина зуба по дузі початкової (дільникової) окружності в торці; Swt = pmk / 2 - мінімальна товщина зуба по дузі початкової (дільникової) окружності на відстані bw від торця; NN - лінія зачеплення. Зубчаста передача складається з конічних шестерні 1 і колеса 2 з розташованими на них модифікованими зубами відповідно 3 і 4 з глибоким профілем. Зуби 3 і 4 є прямими, а їх висота і товщина в межах довжини bw спадають від торців до вершини конусів, котра знаходиться в точці 0. Конічна шестерня 1 і колесо 2 мають початкові (дільникові) конуси з твірними 5, а також конуси вершин і впадин. При цьому твірні, котрі співпадають з вершинами зубів конічних шестерні і колеса, характеризують конуси вершин, а твірні співпадаючі з впадинами вказаних шестерні і колеса, представляють собою конуси впадин. Перетин осей 6 і 7 конічної передачі відбувається в вершині конусів (точка 0) з міжосьовим кутом Q . Найбільше розповсюдження мають конічні передачі з міжосьовим кутом Q = 90°. Однак міжосьовий кут Q може бути більше або менше Q = 90°. Прямі зуби 3 конічної шестерні 1 являються продольно модифікованими, у зв'язку із чим твірні їх бічних поверхонь описані кривими лініями 8 з радіусом кривизни R. Вказані модифіковані зуби виконані таким чином, що параметр криволінійності DS в їх торцях є однаковою величиною. 41123 4 Наряду з продольною модифікацією прямі зуби конічної шестерні характеризуються так званим глибоким профілем, котрий передбачає зменшення кута зачеплення a w із 20° до 17,5° з одночасним збільшенням висоти голівки зуба з величини, яка рівна mt, до величини, яка рівна 1,25mt Конічна зубчаста передача працює наступним чином. При обертанні двигуна, приєднаного через вал до конічної шестерні 1, вказана шестерня набуває кутову швидкість w1 . При цьому евольвентні зуби 5, розміщені на конічній шестерні, діють на аналогічні 4 конічного колеса 2, в зв'язку із чим воно починає обертатися з кутовою швидкістю w2 , сприймаючи навантаження, що передається. Обертання осей 6 і 7 конічних шестерні і колеса здійснюється в одній площині, однак їх напрями обертання різні. Шестерня 1 з віссю 6 сприймає від двигуна горизонтальне обертання, а колесо 2 внаслідок дії на його зуби 4 зубів 3 шестерні має вертикальне обертання. В процесі роботи конічної передачі зуби 3 шестерні 1 обкатуються із ковзанням по зубам 4 колеса 2 з моменту їх входу і до моменту виходу із зачеплення. Швидкість сковзання в полюсі зачеплення (точка р) рівна нулю, а на вході і виході спряжених пар зубів із зачеплення вона досягає максимальних значень. Наряду із ковзанням, збільшення коефіцієнта торцевого перекриття зубів сприяє, по аналогії з косими зубами, можливості роботи конічних зубчастих передач при підвищених окружних швидкостях, котрі, як показав аналіз виконаних розрахункових даних, перевищують 35м/с. Якщо виходити із продольної модифікації не лише зубів конічної шестерні, але й зубів конічного колеса, то в цьому випадку контактні напруження трохи підвищаться, а навантажувальна здатність знизиться. Крім того, у даному випадку ускладниться технологія виготовлення конічної зубчатої передачі, обумовлена виготовленням модифікованих зубів як шестерні, так і колеса. Однак наявність продольної модифікації у зубів шестерні і колеса дозволяє нейтралізувати помилки виготовлення зубів і монтажу передачі і дозволяє їй працювати в умовах суттєвих розцентровок осей зубчастих колес. З іншої сторони, враховуючи наявність глибокого профілю зубів, одночасна продольна модифікація зубів шестерні і колеса призводить до додаткового зростання плавності роботи зачеплення і зниження шуму і вібрації. А тепер перейдемо до порівняння пропонованої і традиційної конічних зубчастих передач на основі нижче приведених розрахункових даних. Максимальні контактні напруження в традиційній зубчастій передачі знаходяться, як відомо, в середньому перерізі зубів по формулі Герца sн = 0,418 Eпр nnm b w rm , (1) де Епр = 2Е1Е2/(Е1 + Е2) - приведений модуль пружності; Е1, Е2 - модулі пружності матеріалів шестерні і колеса; Fnm - нормальна сила, яка діє на 5 41123 6 спряжену пару зубів в середньому перерізі; bw 68°12'; dm1 =z1mm = 120мм; rm =16,75мм. довжина зуба; rm = dm1u sin a w / u2 + 1 - приведений радіус кривизни в середньому перерізі; dm1 діаметр середньої окружності конуса; u - передаточне число. Для знаходження максимальних контактних напружень в конічній зубчастій передачі з просторовою точковою системою зачеплення, що пропонується, скористаємося опублікованою формулою проф. А.П. Попова, котра має вигляд Далі по формулам знаходимо mt = mm ya /( ya 0,5) = 4,7мм; de1 =mt(z1+2) = 150,4мм; de2 = mt(z2+2) (d e1 / 2) + (de 2 / 2) = 195,95мм; bw = 2 2 L/ ya = 57,64мм, де de1, de2 - діаметри окружностей виступів (вершин) конусів. Маючі параметри rm і bw, по формулі (1) знаходимо максимальні контактні напруження s н = 616,48МПа. При розрахунку конічної зубчастої передачі, що пропонується, приймаємо h*at = 1,25; a* = w 0,33 3 (am + n ) E F , (2) am R2 2 smax = = 361,9мм; L = 2 пр nm де a m = rm / R - коефіцієнт. 17,5°, DS = 0,005; 0,01; 0,02 і 0,03мм. При вказаних значеннях параметра DS знаходимо радіуси кривизни, використовуючи вираз R У якості прикладу розглянемо конічну зубчасту передачу, в якій z1=30; z2=75; mn=4мм; a w =20°; h*a=1 - коефіцієнт голівки зуба; y a = bw / L = 3,4 коефіцієнт; n = 0,3; Fnm = 104H; Eпp = E1 = E2 = 2,1×105МПа. Використавши відомі формули, знаходимо u = z2/z1 = 2,5; j1 = arcctgu = 21°48’; j 2 = arctgu = = b2w/8 DS , і коефіцієнти a m = rm / R . Знайдені значення R, a m i smax по формулі (2) приведені в таблиці. Таблиця Параметр криволінійності DS , мм 0,01 0,02 41,530 20,765 0,0201 0,0284 Визначувані параметри R.10-3, мм am 0,005 83,059 0,0142 smax , МПа 429,42 489,96 557,26 603,66 jk = sн / smax 1,436 1,258 1,106 1,021 jн = j 2,959 1,992 1,354 1,065 3 k Із приведених в таблиці даних очевидна висока навантажувальна здатність конічної зубчастої передачі з глибоким профілем продольно модифікованих прямих зубів, що пропонується, вражена коефіцієнтом jн . Рекомендується, якщо дозволяє стандартне устаткування, при проектуванні вказаних передач приймати параметр DS , виходячи із співвідношення 0,005мм £ DS £ 0,015мм. В заключения знайдемо значення коефіцієнтів торцевого перекриття для традиційної конічної зубчастої передачі по загальновідомій емпіричній формулі. æ1 1ö e a = 1,88 - 3,2ç + ÷ (3) ÷ çz è 1 z2 ø і для конічної зубчастої передачі з глибоким профілем продольно модифікованих зубів по вперше розробленій формулі ù é * p2 sin a w - sin a * ú. (4) e am = e a êhat + w p -1 û ë ( ) Із порівняння формул (3) і (4) слідує, що при h*at = h*a = 1 і a w = a* = 20°, що характерно для w відсутності глибокого профілю зубів і їх продольної 0,03 13,843 0,0348 модифікації, формула (4) перероджується в формулу (3). Таким чином, виходячи із формул (3) і (4), знайдемо ea = 1,73 і [ ( ) ] = 173 125 + p2 sin a w - sin a* / (p - 1) = 2,49. eam , , w Отже, при наявності глибокого профіля продольно модифікованих зубів конічної передачі коефіцієнт осьового перекриття зріс в 2,49/1,73 = 1,44 рази. А при e am > 2 в зачепленні знаходиться не менше двох пар зубів, що дозволяє забезпечити плавність і малошумність роботи при високих окружних швидкостях. Економічний ефект від впровадження технічного рішення, що пропонується, слід очікувати за рахунок збільшення навантажувальної здатності конічної зубчастої передачі, підвищення строку служби і ефективності роботи. Суспільна користь технічного рішення, що заявляється, заключається у суттєвому покращенні віброакустичних характеристик передачі за рахунок зниження вібрації і шуму (промсанітарія) внаслідок одночасного входу в зачеплення більш ніж двох пар зубів. 7 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 41123 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601