SI22871A - Poševnozoba valjasta zobniška dvojica za enakomeren prenos moči - Google Patents

Abstract

Poševnozoba valjasta zobniška dvojica za enakomeren prenos moči temelji na posebni obliki bokov zob ki omogočajo enakomeren prenos moči z gonilnega na gnani zobnik Princip delovanje teh zobnikov je v tem da se moč sila F prenaša preko bočnih vijačnic ki se stikajo v kontaktnih mestih Pd in Pa Na vsakem od obeh kontaktnih mest imamo po eno vijačnico boka zoba gonilnega pri Pa in pri Pd in po eno vijačnico boka zoba gnanega zobnika pri Pa in pri PdVijačnice zob gonilnega zobnika potiskajo vijačnice gnanega zobnika okoli kinematične osi zobnikov pri tem se pa kontaktni mesti Pd in Pa kotalita od čelne radialne ravnine proti hrbtni radialni ravnini vzporedno s kinematično osjo zobnikov C Pri tem prvo kontaktno mesto v smeri vrtenja nekoliko prehiteva drugo kontaktno mesto Kontaktni mesti Pd in Pa sta v diametralni medsebojni legi na drsnem krogu s kinematičnim polom C v sredini Kontaktni površini bokov zob gonilnega zobnikadrsita po bokih zob gnanega zobnika na drsnem krogu ne da bi pri tem prečkali kinematično os S tem so ustvarjeni pogoji da se velikost sil in drsne razmere na poti od čelne ravnine do hrbtne ravnine zobnikov ne spreminjajo zato se prenaša moč od gonilnega na gnani zobnik enakomerno Pomembno je tudi to da se sila vedno prenaša prekodveh kontaktnih mest zato je obremenitev le teh manjša Obe kontaktni mesti sta v prečnem prerezu konkavno konveksne oblike v smeri kotaljenja pa konveksno konveksnezato so dani pogoji za eliptoidno obliko porazdelitve tlakov v dotikalni površini

Description

Poševnozoba valjasta zobniška dvojica za enakomeren prenos moči

Predmet izuma je poševnozoba valjasta zobniška dvojica ki je v čelni ravnini prikazana na sliki 1 in obsega zobnik z zobatim vencem gonilnega zobnika (1) in zobnik z zobatim vencem gnanega zobnika (2) pri katerih se moč prenaša enakomerno od gonilnega na gnani zobnik. Zobnika v taki zobniški dvojici imajo enak modul, praviloma različni števili zob in enaka kota poševnosti, vendar nasprotnih smeri navoja, en zobnik z levim in drugi z desnim.

Področje uporabe in jedro problema

Prenos energije z energetskih k delovnim strojem je prisoten na vseh področjih strojništva in predstavlja gibalo moderne civilizacije. Razvojne tendence energetskih strojev so usmerjene v večje vrtilne hitrosti (plinske turbine, motorji z notranjim zgorevanjem, elektromotorji), v večji transfer moči, boljši izkoristek itd. Pri delovnih strojih pa morajo biti hitrosti prilagojene delovnim pogojem, zato se uporabljajo pretvorniki hitrosti, kamor prištevamo tudi zobniške prenosnike, ki so ožje področje tega izuma. Zobniški prenosniki se uporabljajo praktično na vseh področjih tehnike za pretvarjanje vrtilnih hitrosti od najmanjših do največjih moči, od majhnih do velikih prestav in od majhnih pa do zelo velikih vrtilnih hitrosti. Iz tega širokega področja tehnike se bomo posebej omejili na valjaste zobnike s poševnimi zobmi za prenos vrtenja velikih moči, ki se pojavijo npr. pri težkih industrijskih pogonih, velikih delovnih strojih, črpalnih napravah za nafto in pri pogonih na velikih vetrnih elektrarnah.

Rezultati obsežnih znanstvenih raziskav in tehnoloških dosežkov s področja zobniških prenosnikov so objavljeni v splošno znani, zelo obsežni literaturi iz tehniško najbolj razvitih držav in so opisani v učbenikih avtorjev iz renomiranih univerz iz Evrope, Japonske do ZDA. Strokovna združenja vodilnih industrijsko razvitih dežel so v okviru mednarodne ISO organizacije oblikovala obsežne ISO standarde za dimenzioniranje in kontrolo zobnikov, še vedno pa se razhajajo mnenja za dimenzioniranje zobnikov na zajedanje, ki je posledica pretvarjanja dela trenja v toploto. Ta izum se nanaša na enakomerno torno obremenitev bokov zob, ki je posledica trenja, oziroma drsnih hitrosti. Na tem področju je dimenzioniranje zobnikov na zajedanje (»scoring«) še vedno nedorečeno poglavje (integralna ali flash temperaturna metoda). V tem izumu pa predlagamo tako obliko bokov zob, ki omogoča enakomerno prenašanje obremenitev, enakomerno drsenje, manjše trenje in manjše kontaktne obremenitve.

Opis nove rešitve

Poševnozoba valjasta zobniška dvojica, ki je v čelni ravnini prikazana na sliki 1 in obsega gonilni (1) in gnani (2) zobnik. V tem izumu so profili zob (3) zobnikov v radialni ravnini sestavljeni iz krožnega loka vrha zoba (4) in iz krožnega loka korena zoba (5), kjer je lok vrha zoba del kroga vrha zoba (6), lok korena zoba pa del kroga korena zoba (7). Gonilni zobnik ima gonilni kinematični valj (9), gnani zobnik pa gnani kinematični valj (10), ki se stikata v kinematični točki C, skozi katero poteka tudi srednjica zobnice (11). Obliko boka zoba v okolici kinematičnega valja (12) določa orodje pri izdelavi posameznega zobnika skladno z obliko profila osnovne zobnice (13), prikazane na sliki 2.

Moč oz. sila F, ki se prenaša od gonilnega zobnika (1) na gnani zobnik (2) poteka preko dveh konkavno-konveksnih kontaktnih površin, to je preko kontaktnega mesta P_a in kontaktnega mesta P_d. Kontaktno mesto P_d tvorita konveksni profil zobnega vrha gnanega zobnika in konkavni profil zobnega korena gonilnega zob3 nika, kontaktno mesto P_a pa tvorita konveksni profil vrha zoba gonilnega zobnika in konkavni profil korena zoba gnanega zobnika. Kontaktni povšini P_a in P_d ležita na drsnem krogu (8), imata skupni normali, sta diametralno nasproti kinematične točke C. Razdalja kontaktnih mest je določena z:

P_a — P_b = m - π · cos a kjer so m - modul; α - kot, ki omejuje lok vrha in lok korena zoba (slika 2); m-π = p = e + s, p - razdelek zob, ki se razdeli na s - debelino zob in e - širino medzobne vrzeli.

Zobnike, ki so predmet tega izuma lahko izdelamo na poljubnem stroju za zobčanje z orodjem, ki ustreza profilu osnovne zobnice (13) in je prikazana na sliki 2. Širina vrzeli zobnice k m-π ustreza debelini zoba zobnika s in debelina zoba zobnice (1-k) k-m-π ustreza širini medzobne vrzeli zobnika e. Lok ED, ki je del kroga vrha zoba (6), tvori korenski del boka zoba zobnice (4) in lok GF, ki je del kroga korena zoba (7), tvori vrhnji del boka zoba zobnice (5). Krožni lok (14) s središčem v točki Oj je v točki 1 tangencialno povezan s korenskim krožnim lokom El zoba zobnice in v točki 2 z lokom 2G' vrha zoba zobnice. Lok (17) z radijem p povezuje desni in levi bok zoba zobnice. Tangencialna povezava vseh treh lokov predstavlja gladek rob rezilnega orodja. Če pa želimo globlji presledek DF' med lokom vrha zoba zobnice (4) in lokom korena zoba (5) pa izdelamo povezovalni lok (15) s premerom kroga vrha zoba (6) skozi točki D in F. Dno vrzeli zobnice (16) je omejeno z ravno črto na globini h ki je enaka ali večja od modula zobnika. Razlika med debelino zob zobnikov s in širino vrzeli zob e je določena s koeficientom k<0,15.

Zobje zobnikov po tem izumu nastanejo s postopnim odrezovanjem obdelovanca z orodjem katerega osnovni profil ustreza profilu zobnice (13) s slike 2 tako, da se srednjica zobnice (11) po vsakokratnem rezu zakotali po kotalnem krogu (9) obdelovalnega zobnika za debelino reza, za tem pa se izvrši naslednji rez. Postopek kotalnega načina izdelave je prikazan na sliki 3 s tem, da so diskretne lege profila zobnice (16) prikazane črtkano. Ko doseže kinematična točka C na srednjici zobnice (11) kinematično točko »C« na kinematičnem valju (9), izdelata rezili krožnih lokov zobnice (orodja) obliko vrha zoba (4) in korena zoba (5). To je položaj zobni4 ce (orodja), v katerem je zaključena izdelava krožnega loka vrha zoba zobnika, ki je enak krožnemu loku korena zoba orodja, hkrati pa je dokončno oblikovan tudi krožni lok korena zoba zobnika, ki je enak krožnemu loku vrha zoba orodja. Zato imajo vsi zobniki, izdelani z istim orodjem (isto zobnico), enake loke vrhov zob (4) in enake loke korenov zob (5). Del rezila, ki ga tvori (oblikuje) na zobnici povezovalni lok (14) ali (15), pa oblikuje profil boka zoba (12) (glej sliko 1) med lokoma vrha (4) in korena zoba (5). Profil boka zoba (12) zmanjša debelino zoba v območju kotalnega kroga in prepreči dotikanje bokov zob v radialni ravnini na poti od kontakta P_d do kontakta P_a, kot kaže slika 4.

Iz slike 1 je razvidno, da se sila F prenaša z gonilnega na gnani zobnik preko kontaktov P_d in P_a. Ker so zobniki poševni, imajo boki zob obliko vijačnice, zato sta obe kontaktni mesti locirani na dveh vijačnicah, ki sta prikazani na sliki 5. Kontaktni točki P_d tako ustreza vijačnica (18), ki poteka po boku korena zoba gonilnega zobnika in vijačnica (20), ki poteka po boku vrha zoba gnanega zobnika. Enako temu ustreza kontaktni točki P_a vijačnica (19), ki poteka po boku vrha gonilnega zobnika in vijačnica (21), ki poteka po boku korena zoba gnanega zobnika. Pri vrtenju potiskata vijačnici gonilnega zobnika (18) in (19) vijačnici gnanega zobnika (20) in (21) v smeri vrtenja. Kontaktni točki P_d in P_a, ki se nahajata na stičiščih vijačnic, se zaradi kotaljenja vijačnic gonilnega zobnika po vijačnicah gnanega zobnika pomikata od čelne radialne ravnine k hrbtni radialni ravnini s hitrostjo v_r. Medtem ko se bok zoba gonilnega zobnika v kontaktnih točkah P_d in P_a kotali po boku gnanega zoba v aksialni smeri s hitrostjo v_r, drsi bok zoba gonilnega zobnika na drsnem krogu po boku zoba gnanega zobnika z drsno hitrostjo v_g.

Iz slike 5 razberemo, da poševnozobi valjasti zobniki za enakomeren prenos moči v kontaktnih točkah P_d in P_a prenašajo pri enakomernem vrtenju gibanje in s tem tudi sile enakomerno od čelne do hrbtne strani zobnikov, kar se z vsakim vprijemom para zob ciklično ponavlja od zoba do zoba. Pri evolventnih zobnikih se v kinematični točki smer drsenja spremeni, njena hitrost pa z oddaljenostjo od kinematične točke narašča, tako kot kaže slika 6a. Pri evolventnih zobnikih se velikost dela trenja spreminja in s tem tudi vrednost kontaktne temperature !4fi_a, ki narašča z večjo oddaljenostjo od kinematične točke C. Pri nekaterih obratovalnih pogojih obstaja nevarnost, da flash temperatura (9_fla) prekorači dopustno mejo proti zajedanju, kar privede do resnih poškodb bokov zob (»scuffing«).

Pri poševnozobih valjastih zobnikih za enakomeren prenos moči se obodna sila deli na dve kontaktni točki, zato je tlak v posameznih kontaktnih točkah manjši in je po vsej širini enak (slika 6b). Razdalje kontaktnih točk od kinematične točke so krajše od tistih pri evolventnih zobnikih, zato je manjša drsna hitrost, prav tako je manjše delo trenja, zmanjša pa se tudi nevarnost poškodb zobnikov.

Kratka predstavitev slik

SLIKA 1 prikazuje dvojico poševnozobih valjastih zobnikov za enakomeren prenos moči. Prikazani so profili zob obeh zobnikov. Označeni sta legi obeh kontaktnih mest Pa in P_a, preko katerih se prenaša obremenitev. Predstavljen je tudi položaj kontaktnih mest glede na kinematično točko C in krog drsenja (7) skozi obe kontaktni točki s središčem v točki C.

SLIKA 2 prikazuje zgradbo profila zobnice (13), ki ji mora ustrezati orodje za zobčanje poševnozobih valjastih zobnikov za enakomeren prenos moči. Bočni profil te zobnice (3) je sestavljen iz krožnega loka vrha zoba (5), krožnega loka korena zoba (4) in povezovalnega loka 14 ali 15. Debelina zoba zobnice (1-k) m^ izdela vrzel zoba EPM zobnika, debelina vrzeli zobnice km-π pa oblikuje zob zobnika.

SLIKA 3 kaže, kako rezilo zobnice s postopnim odrezavanjem obdelovanca in kotaljenjem njegove srednjice (11) po kinematičnem krogu (9) oblikuje zobe zobnika. Vidi se kako koren zobnice oblikuje vrh zoba (4) poševnozobega valjastega zobnika za enakomeren prenos moči in kako vrh zoba zobnice oblikuje koren zoba (5) tega zobnika. Tako pri zobčanju dobita profila vrha in korena zoba zobnika obliko profila korena in vrha zobnice. Iz tega sledi, da imajo vsi zobniki, ki so izdelani z enakim orodjem (enako zobnico), enake profile vrhov in enake profile korenov zob.

SLIKA 4 kaže, kako se v radialni ravnini pomikata bok zoba gonilnega in bok zoba gnanega zobnika dvojice poševnozobih valjastih zobnikov za enakomeren prenos moči od kontaktnega mesta P_d do kontaktnega mesta P_a, ne da bi se pri tem dotikala. Ker se boka zob gonilnega in gnanega zobnika na tej poti ne dotikata, boka nista obremenjena in tudi ne povzročata trenja.

SLIKA 5 ponazarja kinematične razmere pri prenosu gibanja in obremenitve med gonilnim in gnanim zobnikom, prikazan je pogled na zobniško dvojico v aksialni smeri A in v tlorisu B. Glede na to, da so zobje zobnikov za enakomeren prenos moči poševni, imata obe kontaktni mesti P_d in P_a vsak svoj par vijačnic, ki potekajo po zobu vsakega od obeh zobnikov po celotni dolžini zob od čelne pa do hrbtne radialne ravnine. Vsaka vijačnica ima določeno širino dotika, ki pri prenašanju moči potuje s kontaktnim mestom P_d ali P_a po lastni poti, ki pa je vzporedna s kinematično osjo zobnikov skozi točko C. Vijačnice ležijo vsaka na svojemu osnovnemu valju, zato imajo različne kote vzpona β_Ρ s pripadajočim torzijskim krivinskim radijem τ. Gonilni zobnik ima vijačnici 18 in 19, gnani zobnik pa vijačnici 20 in 21. Obe kontaktni točki potujeta z isto hitrostjo v smeri pravokotno na radialno ravnino.

SLIKA 6 kaže potek kontaktnih obremenitev in potek drsnih hitrosti ter posledično tudi potek nastajanja temperaturnih vžigov (8fi_a) vzdolž ubirnice pri evolventnih zobnikih in razmere, ki nastajajo vzdolž vijačnic pri poševnozobih valjastih zobnikih za enakomeren prenos moči. Pri evolventnih zobnikih poteka ubirnica skozi kinematično točko C, kjer se sile prenašajo samo kotalno brez drsenja, na začetku in na koncu ubiranja so pa drsne hitrosti lahko velike, skladno s tem se spreminja trenje in segrevanje drsnih površin (d_fla). Nasprotno pa se pri poševnozobih valjastih zobnikih za enakomeren prenos moči obremenitve med boki zob prenašajo enakomerno, več s kotaljenjen kontaktnih površin in manj z drsenjem, pa tudi obremenitev bokov zob je razdeljena na dve kontaktni mesti. Zato je segrevanje površin (3fi_a) manjše, časovno enakomerno in ne vsebuje izrazito vročih točk.

Claims (7)

PATENTNI ZAHTEVKI

1. Poševnozoba valjasta zobniška dvojica za enakomerno prenašanje moči je označena s tem, da obsega gonilni zobnik (1) in gnani zobnik (2), pri katerih imajo boki zob (3) krožni lok vrha zoba (4), krožni lok korena zoba (5), pri čemer je krožni lok vrha zoba del vrhnjega kroga (6) in lok zobnega korena del korenskega kroga (7), kjer imata oba kroga skupno središče, pri čemer bok vrha zoba (4) vprijema v bok korena zoba (5) na drsnem krogu (8), katerega središče se nahaja v kinematičnem polu (C).

2. Poševnozoba valjasta zobniška dvojica za enakomerno prenašanje moči po zahtevku 1 je označena s tem, da imajo zobje gonilnega zobnika (1) enak vrhnji krog (6) kot gnani zobnik (2), zato so krožni loki vrha zob pri gonilnem in pri gnanem zobniku enaki, prav tako imajo zobje gonilnega zobnika (1) enak korenski krog (7) kot zobje gnanega zobnika, zato so korenski krožni loki zobov gonilnega in gnanega zobnika enaki, sila (moč) pa se prenaša od gonilnega na gnani zobnik preko dveh kontaktnih mest P_a in P_d, ki ležita na nasprotnih straneh drsnega kroga (8).

3. Poševnozoba valjasta zobniška dvojica za enakomerno prenašanje moči po zahtevkih 1 in 2 je označena s tem, da je profil zoba zobnice (13) za zobčanje teh zobnikov sestavljen iz štirih lokov in sicer: (a) iz krožnega loka korena zoba zobnice (4), ki je enak krožnemu loku vrha zoba zobnika, (b) iz krožnega loka vrha zoba zobnice (5), ki je enak krožnemu loku korena zoba zobnika, (c) iz povezovalnega loka med krožnim lokom vrha zoba in krožnim lokom korena zoba zobnice (14,15) in (d) iz povezovalnega loka med desnim in levim bokom zoba zobnice (17), pri čemer debelina zoba zobnice ustreza velikosti vrzeli zobnika (e), vrzel zobnice pa ustreza debelini zoba zobnika (s), krog vrha (6) in krog korena zoba (7) pa sta enaka pri zobnici in pri zobnikih, pri čemer srednjica zobnice (11) poteka skozi središče drsnega kroga (8).

4. Poševnozoba valjasta zobniška dvojica za enakomerno prenašanje moči po zahtevkih 1, 2 in 3 je označena s tem, da je oblika zob zobnikov take zobniške dvojice oblikovana s kotalnim postopkom izdelave z orodjem, ki ustreza profilu zobnice (13), pri čemer se srednjica (11) kotali po kinematičnem krogu (9) brez drsenja, rezilo orodja pa s postopnim odrezovanjem oblikuje boke zob zobnika in ko se pri tem kinematični pol C na srednjici zobnice in kinematični pol C na kinematičnem krogu prekrijeta, dosežeta vrh zoba (4) in koren zoba (5) končno obliko in sicer profil vrha zoba zobnika privzame tak lok (4), kot ga ima koren zoba zobnice, profil korena zoba zobnika pa tak lok (5), kot ga ima vrh zoba zobnice, lok (14) ali lok (15) na zobnici pa oblikuje poglobitev profila boka zoba zobnika v območju kinematskega kroga.

5. Poševnozoba valjasta zobniška dvojica za enakomerno prenašanje moči po zahtevkih 1, 2, 3 in 4 je označena s tem, da sta pri teh zobnikih z določenim modulom in določenim kotom poševnosti β lok, ki definira profil boka vrha zoba (4) in je del kroga zobnega vrha (6) in lok, ki definira profil boka korena zoba (5) in je del kroga zobnega korena (7) pri pogoju, da so zobniki izdelani z orodji enakega profila zobnice (13) pri vseh zobnikih enaka, prav tako je polmer loka vrha zob manjši od loka korena zob, kar pomeni konkavno-konveksno prileganje bokov zob, ki je pri obeh kontaktih (P_a) in (P_d) enako.

6. Poševnozoba valjasta zobniška dvojica za enakomerno prenašanje moči po zahtevkih 1, 2, 3, 4 in 5 je označena s tem, da boki zob take zobniške dvojice v radialni ravnini na poti od kontaktne točke P_d do kontaktne točke P_a nimajo kontakta zaradi poglobitve bokov zob v območju kinematskih krogov (12), ki jo pri izdelavi oblikuje povezovalni lok (14) ali (15) na boku zoba zobnice, zato boki zob (v tem območju) niso obremenjeni, pa tudi trenja ni.

7. Poševnozoba valjasta zobniška dvojica za enakomerno prenašanje moči po zahtevkih 1, 2, 3, 4, 5 in 6 je označena s tem, da se gibanje in obremenitve prenašajo od gonilnega na gnani zobnik s kotaljenjem bočnih vijačnic zob gonilnega zobnika (18) (20) po bočnih vijačnicah zob gnanega zobnika (19) (21) s hitrostjo (v_r), pri tem pa Pa in P_a drsijo po drsnem krogu (8) s konstantno drsno hitrostjo (v_g), ), zaradi enakomerne obremenitve in enakomernega trenja po vsej širini zob zobnikov, so tudi toplotne obremenitve enakomerne.