RU2291337C1 - Беззазорная червячная передача и способ нарезания зубьев червячного колеса беззазорной червячной передачи - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройству реверсивных беззазорных червячных передач с переменной толщиной витка червяка и может быть использовано в приводах, оснащенных системой автоматического контроля точности изделий, например в нажимных устройствах прокатных станов. Передача содержит рабочий червяк с переменной толщиной витка и червячное колесо. Осевые углы профиля для правой и левой сторон витка рабочего червяка выполнены различными между собой. Углы профиля для обеих сторон витка производящей поверхности фрезы для обработки зубьев червячного колеса выполнены равными между собой и связаны между собой определенными зависимостями. Приведен способ нарезания зубьев червячного колеса беззазорной червячной передачи, который осуществляется путем разворота оси фрезы при обработке зубьев червячного колеса по отношению к средней плоскости колеса в сторону увеличения наклона зуба червячной фрезы на заданный угол. Делительный диаметр фрезы выполнен большим делительного диаметра червяка и выбран из заданного условия. Технический результат - упрощение изготовления червячного колеса и снижение трудоемкости изготовления передачи. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к устройству реверсивных беззазорных червячных передач с переменной толщиной витка червяка, используемых, как правило, в приводах, оснащенных системой автоматического контроля точности изделий, например, в нажимных устройствах прокатных станов.

При этом беззазорность передачи должна сохраняться и по мере износа зубьев червячного колеса. Для достижения этой цели червяк выполняется с переменной вдоль оси толщиной витка, т.е. осевой шаг р_xL по левой стороне витка выполняется отличным от шага р_xR по правой стороне витка. Соответственно, осевые модули по левой m_xL и по правой стороне витка m_xR также различны. По мере износа зубьев червячного колеса червяк перемещают в осевом направлении, в зацепление вводится более толстый участок витка, и таким образом производится выборка зазора.

Известна червячная передача, содержащая двухшаговый рабочий червяк и сопряженное с ним одношаговое червячное колесо. Двойной шаг червяка в передаче получается за счет выполнения образующей начальной поверхности рабочего червяка под углом к оси рабочего червяка. При такой конструкции рабочего червяка шаги для левого и правого профиля вдоль оси различны, а в направлении образующей начальной поверхности одинаковы (см. патент РФ №2044194, кл. F 16 Н 1/16, заявлен 13.01.1992 г., опубликован 20.09.1995 г.). Нарезание зубьев червячного колеса в известной беззазорной червячной передаче осуществляется стандартизованными червячными фрезами для червячных колес. Однако, так как образующая начальной поверхности рабочего червяка расположена под углом к оси рабочего червяка, то впадины зубьев этого червяка располагаются на конической поверхности.

Известной червячной передаче присущи два недостатка. Во-первых, рабочий червяк невозможно отшлифовать на существующих червячно-шлифовальных станках без их значительной модернизации, а, во-вторых, из-за выполнения впадин зубьев рабочего червяка на конической поверхности происходит уменьшение радиального зазора в червячной передаче при перемещении червяка вдоль оси, что может привести к заклиниванию.

Наиболее близкой из известных беззазорных червячных передач является беззазорная червячная передача, описанная в отчете ЭНИМСа «Геометрический расчет червячных передач с червяками двойного шага» Захарьев Д.А., Острецов Г.В., Шарова С.С. Москва, 1953 г. Эта беззазорная червячная передача содержит рабочий червяк с переменной толщиной витка, обеспечиваемой разностью осевых модулей для правой и левой стороны витка, и червячное колесо, активные поверхности зубьев которого выполнены как огибающие производящей поверхности червячной фрезы. Разность правого и левого шагов Δр_x=p_xL-p_xR обычно принимается в пределах (0,1...0,2)·m_xcp. Осевой угол профиля на обеих сторонах витка рабочего червяка выполнялся равным стандартному α_x1=20°. Переменная толщина витка червяка известной червячной передачи позволяет регулировать боковой зазор посредством осевого смещения рабочего червяка, что обеспечивает получение необходимого бокового зазора в передаче. Нарезание зубьев червячного колеса известной беззазорной червячной передачи выполнялось либо специальной фрезой, производящая поверхность которой была бы идентична активной поверхности витков червяка, либо однорезцовой летучкой в два прохода раздельно для каждой стороны зуба. Для первого из проходов тангенциальная подача рассчитывалась, исходя из осевого модуля m_xL, для второго - из m_xR.

Недостатком известного способа нарезания является то, что он крайне нетехнологичен и трудоемок. Кроме того, профили зубьев в среднем сечении колеса получаются несимметричными, причем профиль, соответствующий большему модулю, как правило, получается подрезанным.

Задача настоящего изобретения состоит в создании беззазорной червячной передачи, позволяющей за счет изменения конструкции червяка упростить изготовление червячного колеса и снизить трудоемкость изготовления передачи.

Поставленная задача достигается тем, что в беззазорной червячной передаче, содержащей рабочий червяк с переменной толщиной витка, обеспечиваемой разностью осевых модулей для правой и левой стороны витка, и червячное колесо, активные поверхности зубьев которого выполнены как огибающие производящей поверхности червячной фрезы, согласно изобретению осевые углы профиля для правой и левой стороны витка рабочего червяка выполнены различными между собой и при этом угол профиля витка червяка на стороне с большим значением модуля выполнен большим, чем угол профиля на противоположной стороне витка, а осевые модули и углы профиля для обеих сторон витка производящей поверхности фрезы для обработки зубьев червячного колеса выполнены равными между собой, причем указанные углы и модули связаны между собой зависимостями

m_xR·cosγ_Rcosα_nR=m_xL·cosγ_Lcosα_nL=m_x0·cosγ₀cosα_n0.

где m_xR, m_xL - осевые модули соответственно правой и левой сторон витка червяка;

m_x0 - осевой модуль червячной фрезы;

γ₀, γ_R и γ_L - делительные углы подъема червячной фрезы и правой и левой сторон витка червяка, определяемые как

γ₀=arctg(m_x0·z₀/d₀), γ_R,L=arctg(m_xR,L·z₁/d₁);

α_n0, α_nR и α_nL - нормальные углы профиля червячной фрезы и правой и левой стороны витка червяка, связанные с осевыми углами профиля α_х0, α_xR и α_xL зависимостями

tgα_n0=tgα_x0cosγ₀; tgα_nR,L=tgα_xR,Lcosγ_R,L;

z₀ и d₀ - число заходов и делительный диаметр червячной фрезы.

Z₁ и d₁ - число заходов и делительный диаметр рабочего червяка.

Кроме того, в способе нарезания зубьев червячного колеса беззазорной передачи, согласно изобретению, ось фрезы при обработке зубьев червячного колеса развернута по отношению к средней плоскости колеса в сторону увеличения наклона зуба червячной фрезы на угол

Δγ=γ_R-γ₀ (если m_xR<m_xL) или

Δγ=γ_L-γ₀, (если m_xR>m_xL),

а делительный диаметр фрезы выполнен большим делительного диаметра червяка и выбран из условия

Такое конструктивное выполнение беззазорной червячной передачи и выполнение способа нарезания зубьев червячного колеса беззазорной червячной передачи позволяют упростить изготовление червячного колеса за счет изменения конструкции червяка и снизить трудоемкость изготовления передачи за счет повышения технологичности червячного колеса. Это достигается благодаря тому, что зубья червячного колеса нарезают обычной архимедовой червячной фрезой увеличенного по отношению к червяку диаметра со стандартными модулем m_x0, осевым углом профиля α_x0 и соответствующим им модулем зацепления m_b0, а равенство шагов зацепления на двух сторонах витка обеспечивать за счет коррекции осевых углов α_xL и α_xR профиля червяка.

Для пояснения изобретения ниже приводится конкретный пример выполнения изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг.1 изображено сечение предлагаемой беззазорной червячной передачи плоскостью, проходящей через ось O₁-О₁ червяка и перпендикулярной оси O₂-O₂ колеса;

на фиг.2 изображено сечение предлагаемой беззазорной червячной передачи плоскостью А-А (на фиг.1), касательной к делительному цилиндру червяка и параллельной оси O₂-О₂ колеса.

Предлагаемая передача (фиг.1) включает в себя рабочий червяк 1 и червячное колесо 2. Рабочий червяк 1 снабжен одним или несколькими витками (заходами) 3. Для достижения беззазорности передачи осевые шаги по левой р_xL и правой р_xR стороне витка выполнены различными между собой. При этом осевые углы профиля витка α_xL и α_xR также различны и выбраны таким образом, чтобы осевой шаг зацепления

p_b=p_xRcosα_xR=p_xLcosα_xL

был одинаков для обеих сторон витка.

Червячное колесо 2 снабжено зубьями 4. Правый и левый торцовые профили зубьев 4 в рассматриваемом сечении выполнены симметричными и очерчены по эвольвентам общей основной окружности радиуса R_b2=z₂p_b/2π, где z₂ - число зубьев червячного колеса. Профили зубьев червячного колеса ограничены окружностью вершин радиуса R_a2.

Профили витков 3 червяка 1 зацепляются с профилями зубьев 4 червячного колеса 2 по линиям зацепления N_R-A_R для правого профиля и N_L-A_L для левого профиля. Обе линии зацепления касаются основной окружности колеса в точках N_R и N_L и пересекают межосевой перпендикуляр передачи в, соответственно, правом Р_R и левом P_L полюсах зацепления. Расстояния от точек Р_R и Р_L до оси О₁-О₁ червяка 1 определяет собой радиусы начальных цилиндров червяка для разных сторон профиля.

Ось червяка O₁-O₁ (фиг.2) расположена горизонтально. Зубья 4 червячного колеса 2 нарезаются обычной архимедовой червячной фрезой увеличенного по отношению к червяку 1 диаметра. Ось фрезы О₀-О₀ развернута относительно оси червяка O₁-О₁ на угол Δγ (для того, чтобы не загромождать рисунок, сама фреза на нем не показана).

Правый профиль 5 витка 3 червяка 1 касается профиля 6 зуба 4 червячного колеса 2 в точке К_R. Точка K_R расположена в средней плоскости колеса, и пятно контакта распространяется практически на всю ширину В колеса. На левой стороне 7 витка червяка пятно контакта локализовано в продольном направлении и смещено в сторону входа червяка в зацепление. Центр его находится в точке K_L, отстоящей от средней плоскости колеса на величину y_KL.

Для правой стороны витка центры кривизны профилей рассматриваемых сечений витка червяка и фрезы совпадают между собой в точке С. Прямая К_RС представляет собой общую нормаль к правому профилю 5 витка 3 червяка и зубу 4 червячного колеса в точке К_R. Прямая К_RС составляет с осью червяка O₁-O₁ угол γ_R, равный углу подъема правой стороны витка червяка на делительном цилиндре. С проекцией оси фрезы О₀-О₀ прямая К_RС составляет угол γ₀, равный углу подъема витка червячной фрезы на ее делительном цилиндре. Расстояние K_RC=R_R=R₀ представляет собой радиусы кривизны указанных профилей в расчетной точке K_R.

Центр С_L кривизны левого профиля 7 витка 3 червяка расположен на прямой FC_L, составляющей с осью O₁-О₁ угол γ_L равный углу подъема левой стороны витка на делительном цилиндре. Точка С_L и центр С₀ кривизны рассматриваемого сечения витка фрезы лежат на прямой K_LС₀, которая представляет собой общую нормаль к левому профилю 7 витка 3 червяка и профилю 8 зуба 4 червячного колеса в точке K_L. Расстояние C_LK_R=R_R и C₀K_L=R₀ представляют собой радиусы кривизны указанных сечений в расчетной точке.

Показанные на фиг.1 и 2 плоские сечения предлагаемой беззазорной червячной передачи вполне адекватно иллюстрируют ее принципиальные особенности. Пространственный характер зацепления учтен более строгими математическими формулами, приведенными ниже в примере расчета геометрических параметров.

Беззазорная червячная передача работает следующим образом.

Вводим в зацепление витки червяка и зубья червячного колеса, выдержав расстояние между осями О₁-О₁ и О₂-O₂ равным a_w. Перемещая червяк вдоль оси О₁-О₁, добиваемся минимального бокового зазора f_min, исключающего заклинивание зубьев в передаче.

При вращении червяка вокруг оси О₁-O₁ витки 3 червяка 1 зацепляются с зубьями 4 червячного колеса 2, поворачивая все колесо вокруг оси O₂-О₂. Направление поворота червячного колеса зависит от направления захода (левое или правое) червяка и направления его вращения. Если червяк правый, то при повороте червяка вокруг оси O₁-O₁ в направлении, показанном стрелкой ω₁, червячное колесо будет вращаться вокруг оси O₂-O₂ в сторону ω_2пр. Если червяк левый, то при повороте червяка вокруг оси О₁-O₁ в сторону ω₁ червячное колесо повернется вокруг оси O₂-О₂ в сторону ω_2лев.

В процессе работы зубья 4 червячного колеса 2 изнашиваются. При этом в передаче появляется дополнительный боковой зазор f_t, больший требуемого f_min. При реверсе передачи (т.е. при изменении направления вращения червяка) червяк 1 должен будет повернуться на некоторый угол Δφ₁, равный Δφ₁=2f_t/(z₁m_xcp), прежде чем он начнет поворачивать червячное колесо 2 противоположной стороной витка. Указанный угол определяет возможную точность настройки положения червячного колеса, точность системы автоматического контроля изделия, в которой используется предлагаемая передача, и, в конечном счете, точность самого выпускаемого изделия.

Для восстановления минимального бокового зазора необходимо переместить червяк 1 вдоль оси O₁-O₁ по стрелке М, вводя в зацепление участок витка с большей толщиной. Необходимая величина Δ перемещения червяка определяется выражением:

Δ=πm_xcp(f_t-f_min)/Δp_x.

Пример расчета беззазорной червячной передачи согласно предполагаемому изобретению.

Исходные данные передачи:

a_w - межосевое расстояние передачи;

z₁ - число витков (заходов) червяка;

z₂ - число зубьев колеса;

d₁ - делительный диаметр червяка, мм;

m_xcp - средний осевой модуль червяка;

m_xL - осевой модуль по левой стороне витка;

m_xR - осевой модуль по правой стороне витка.

Исходные данные фрезы:

m_х0 - осевой модуль червячной фрезы;

d₀ - делительный диаметр червячной фрезы, мм;

z₀ - число витков (заходов) червячной фрезы;

α_х0 - угол профиля фрезы в осевом сечении, град;

γ₀ - делительный угол подъема витка червячной фрезы.

По этим исходным данным находим последовательно:

осевые шаги для левого и правого профиля червяка

Р_xL=πm_xL

р_xR=πm_xR

разность осевых шагов левого и правого профиля

Δp_x=p_xL-p_xR

делительные углы подъема для левой и правой стороны витка червяка

γ_L=arctg(m_xL·z₁/d₁)

γ_R=arctg(m_xR·z₁/d₁)

нормальный угол профиля червячной фрезы

α_n0=arctg(tgα_x0·cosγ₀) модуль зацепления

m_b0=m_х0·cosγ₀cosα_n0.

нормальные углы профиля для левой и правой стороны витка червяка

α_nL=arccos[m_b0/(m_xL·cosγ_L)]

α_nR=arccos[m_b0/(m_xRcosγ_R)]

осевые углы профиля для левой и правой стороны витка червяка

α_xL=arctg(tgα_nL/cosγ_L)

α_xR=arctg(tgα_nR/cosγ_R).

В случае если получившиеся значения α_xR выходят за пределы диапазона (15°...25°), корректируем исходные значения m_xL и m_xR, по возможности сохраняя заданную разность Δр_х, и повторяем расчет.

После этого определяем радиусы кривизны сечения витка плоскостью, касательной к его делительному цилиндру,

R_R=0,5d₁/(tgα_xRcos³γ_R)

R_L=0,5d₁/(tgα_xLcos³γ_L)

и сравниваем больший из них с радиусом кривизны аналогичного сечения витка фрезы

R₀=0,5d₀/(tgα_x0cos³γ₀).

Для случая m_xR<m_xL условие R₀>R_R означает, что в передаче обеспечивается локализация пятна контакта. Если условие R₀>R_R не выполнено, то необходимо увеличить диаметр фрезы и повторить расчет. На другой стороне витка R_L будет заведомо меньше R₀.

Если m_xR>m_xL то аналогично локализация пятна контакта будет обеспечиваться при выполнении условия R₀>R_L. При невыполнении условия R₀>R_L также необходимо увеличить диаметр фрезы и повторить расчет. На правой стороне витка R_R будет заведомо меньше R₀.

Станочное межосевое расстояние при нарезании зубьев составляет

a₀=a_w+0,5(d₀-d₁).

Ось фрезы должна быть развернута относительно средней плоскости колеса в сторону увеличения наклона зуба на угол

Δγ=γ_R-γ₀, если m_xR<m_xL или

Δγ=γ_L-γ₀, если m_xR>m_xL.

При этом в показанном на фиг.2 случае m_xR<m_xL расчетная точка на правой стороне зуба расположена в средней плоскости колеса, а пятно контакта распространяется практически на всю ширину червячного колеса. На левой стороне зуба пятно контакта локализовано в продольном направлении и центр его немного смещен в сторону входа червяка в зацепление на величину, определяемую выражением

y_KL=-R₀R_L[sin(Δγ+γ₀)-sinγ_L]/(R₀-R_L).

В случае m_xR>m_xL, картина контакта на двух сторонах витка, показанная на фиг.2, развернется на 180° относительно точки К_R.

Величина продольного отвода у торцов колеса приближенно определяется выражениями:

со стороны входа витка червяка в зацепление

Δ_si≈(0,5В+y_кL)²(1/R_L-1/R₀)/2cos²γ_L;

со стороны выхода витка из зацепления

Предложенная беззазорная червячная передача позволяет упростить изготовление червячного колеса за счет изменения конструкции червяка и снизить трудоемкость изготовления передачи за счет повышения технологичности червячного колеса.

Claims (2)

1. Беззазорная червячная передача, содержащая рабочий червяк с переменной толщиной витка, обеспечиваемой разностью осевых модулей для правой и левой сторон витка, и червячное колесо, активные поверхности зубьев которого выполнены как огибающие производящей поверхности червячной фрезы, отличающаяся тем, что осевые углы профиля для правой и левой стороны витка рабочего червяка выполнены различными между собой и при этом угол профиля витка червяка на стороне с большим значением модуля выполнен большим, чем угол профиля на противоположной стороне витка, а осевые модули и углы профиля для обеих сторон витка производящей поверхности фрезы для обработки зубьев червячного колеса выполнены равными между собой, причем указанные углы и модули связаны между собой зависимостями:

m_xR·cosγ_Rcosα_nR=m_xLcosγ_Lcosα_nL=m_x0cosγ₀cosα_n0,

где m_xR, m_xL - осевые модули соответственно правой и левой сторон витка червяка;

m_x0 - осевой модуль червячной фрезы;

γ₀, γ_R и γ_L - делительные углы подъема червячной фрезы и правой и левой сторон витка червяка, определяемые как

γ₀=arctg(m_x0·z₀/d₀), γ_R,L=arctg(m_xR,L·z₁/d₁);

α_n0, α_nR и α_nL - нормальные углы профиля червячной фрезы и правой и левой сторон витка червяка, связанные с осевыми углами профиля α_х0, α_xR и α_xL зависимостями:

tgα_n0=tgα_x0·cosγ₀; tgα_nR,L=tgα_xR,Lcosγ_R,L;

z₀ и d₀ - число заходов и делительный диаметр червячной фрезы,

z₁ и d₁ - число заходов и делительный диаметр рабочего червяка.

2. Способ нарезания зубьев червячного колеса беззазорной червячной передачи по п.1, отличающийся тем, что ось фрезы при обработке зубьев червячного колеса развернута по отношению к средней плоскости колеса в сторону увеличения наклона зуба червячной фрезы на угол

Δγ=γ_R-γ₀, если m_xR<m_xL, или

Δγ=γ_L-γ₀, если m_xR>m_xL,

а делительный диаметр фрезы выполнен большим делительного диаметра червяка и выбран из условия

Images