Зубчатая цепь с оптимизированным соединением звеньев и увеличенным углом между внешними поверхностями зубчатой пластины - RU2416047C2
Код документа: RU2416047C2
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение относится к зубчатой цепи, состоящей из чередующихся внутренних и наружных звеньев, соединенных между собой. Согласно одному из вариантов реализации изобретения, внутренние звенья цепи включают по меньшей мере одну внутреннюю пластину и по меньшей мере две перпендикулярные ей и проходящие сквозь нее соединительные втулки, а наружные звенья цепи включают по меньшей мере две наружные пластины и по меньшей мере два перпендикулярных им и проходящих сквозь них соединительных валика, причем для формирования соединения звеньев каждый соединительный валик наружного звена проходит сквозь соединительную втулку внутреннего звена.
Подобная зубчатая цепь известна, например, из GB 2373833 В. Внутренние звенья этой цепи состоят из двух внутренних зубчатых пластин, которые с помощью двух соединительных втулок зафиксированы на некотором расстоянии друг от друга с обеспечением параллельности. Для этого соединительные втулки запрессованы внутрь зубчатых пластин. Наружные звенья цепи состоят из двух зубчатых пластин, которые расположены параллельно друг другу, и из расположенных снаружи направляющих пластин. По меньшей мере направляющие пластины соединены с помощью двух запрессованных в них соединительных валиков. Соединительный валик наружного звена цепи проходит сквозь одну втулку внутреннего звена с небольшим зазором. Угол наклона внешних граней зубьев в подобных зубчатых цепях составляет 60°. Этот угол определяет точность взаимодействия внешних граней зубьев с цепной звездочкой. Подобные зубчатые цепи, в частности, используются в механизмах газораспределения автомобильных двигателей. Использование известных цепей, в таких механизмах, сопряжено с высокими издержками. Вследствие этого постоянно предпринимаются попытки повышения надежности цепей без повышения их стоимости. Кроме того, зубчатые цепи, используемые в таких механизмах, уже достигли своего предела допускаемой нагрузки, так что небольшое улучшение рабочих характеристик двигателя может повлечь за собой необходимость разработки новой конструкции всего цепного привода. Вследствие этого даже небольшое увеличение срока службы зубчатой цепи является существенным преимуществом.
Из ЕР 1293704 А2 известна зубчатая цепь без соединительных втулок, в которой снижена ударная нагрузка на соединительный валик. Для этого угол α наклона внешних граней зубьев выбирается из диапазона 64°≤α≤68°.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание зубчатой цепи, которая имеет увеличенный срок службы и повышает эффективность конструкции цепного привода.
Согласно настоящему изобретению, эта задача решена с помощью упомянутой в начале описания зубчатой цепи, отличающейся тем, что угол α наклона внешних граней зубьев, который задан двумя внешними поверхностями зубчатой пластины, выбирается из диапазона 65°≤α≤75°, а отношение VBa шага р зубчатой цепи к наружному диаметру dBa соединительного валика лежит в диапазоне от 2,15 до 2,65 включительно. Таким образом, в цепи с шагом 8 мм наибольший возможный диаметр dBamax соединительного валика, соответственно, составляет 3,81 мм. Это гарантирует сохранение требуемой толщины соединительной втулки соответствующей пластины с заданным шагом.
Благодаря такому конструктивному изменению может быть увеличена прочность зубьев звездочки. Кроме того, это дает возможность сопрягать зубчатую цепь с цепными звездочками, имеющими уменьшенное количество зубьев. Количество зубьев звездочки может быть уменьшено до 18. В цепи с шагом 8 мм минимальный наружный диаметр dBa соединительного валика составляет 3,019 мм.
Следует отметить, что, вместо наружного диаметра соединительного валика, определяющим фактором может служить внутренний диаметр соединительной втулки.
Согласно варианту реализации настоящего изобретения, в определенных геометрических условиях могут использоваться соединительные втулки с большим диаметром dHA. В этом случае может быть выбрано такое отношение шага р зубчатой цепи к наружному диаметру dHA соединительной втулки, величина которого меньше или равна 1,85.
Согласно еще одному варианту реализации, для использования пластины известной толщины, величина отношения VBi должна лежать в диапазоне 1,45≤VBi≤1,85. Максимально допустимая длина пластины в значительной степени зависит от шага, поэтому величина наружного диаметра dНa соединительной втулки должна быть максимально возможной, однако из соображений прочности не должна превышать заданного значения. Согласно этому условию, например, в зубчатой цепи с шагом 8 мм максимально возможная величина наружного диаметра dHa составляет 5,517 мм, а наименьшая возможная величина диаметра dBa составляет 4,324 мм.
В предпочтительном варианте реализации предлагается угол α наклона внешних граней зубьев, равный приблизительно 70°. Этот угол оказался наиболее предпочтительным с точки зрения обеспечения прочности, в частности, цепных звездочек.
Кроме того, наружное звено цепи может содержать две направляющие пластины, которые направляют зубчатую цепь на цепную звездочку, и каждая из которых размещена снаружи на соединительных валиках. Преимущество заключается в том, что в этом случае не требуется цепная звездочка специальной формы; однако направляющие пластины несколько увеличивают ширину цепи.
В еще одном варианте реализации по меньшей мере одна направляющая пластина размещена во внутреннем звене цепи на соединительных втулках. В этом случае цепная звездочка должна содержать ответную направляющую канавку, но цепь становится уже, так как отсутствует необходимость в увеличении ширины цепи относительно звездочки.
Кроме того, изобретение относится к зубчатым цепям, внутренние звенья которых не содержат соединительных втулок, а соединительные валики размещены непосредственно в соединительных отверстиях внутренних пластин. Таким образом, внутренние звенья цепи содержат по меньшей мере одну внутреннюю пластину и две перпендикулярные ей, проходящие сквозь нее и выполненные заодно с ней соединительные втулки, а наружные звенья цепи содержат по меньшей мере две наружные пластины и по меньшей мере два перпендикулярных им и проходящих сквозь них соединительных валика, причем для формирования соединения звеньев один соединительный валик наружного звена цепи проходит сквозь соединительное отверстие внутреннего звена цепи, а по меньшей мере одна внутренняя пластина внутреннего звена цепи и/или одна наружная пластина наружного звена цепи выполнена в форме зубчатой пластины с двумя зубьями, образующими одну внешнюю грань и одну внутреннюю грань. Согласно изобретению, угол α наклона внешних граней зубьев зубчатой пластины лежит в диапазоне 65°≤α≤75°, а отношение VBa шага р зубчатой цепи к наружному диаметру dBa соединительных валиков меньше или равно 2,0.
В цепи с шагом 8 мм наружный диаметр dBa соединительного валика составляет, соответственно, по меньшей мере 3,636 мм, предпочтительно по меньшей мере 4 мм. Благодаря этому может быть обеспечено существенное увеличение контактной поверхности. Кроме того, больший угол α наклона внешних граней зубьев обеспечивает высокую износоустойчивость цепного привода.
Отношение VBa предпочтительно лежит в диапазоне 1,5≤VBa≤2,2. В описанном варианте реализации для цепи с шагом 8 мм максимальный диаметр соединительного валика выбирается равным 5,333 мм из соображений прочности пластины.
Кроме того, изобретение относится к цепному приводу с по меньшей мере двумя цепными звездочками и зубчатой цепью согласно одному из пп.1-8 формулы. Цепной привод отличается тем, что цепные звездочки имеют угол давления, который соответствует углу α наклона внешних граней зубьев зубчатых пластин, а количество зубьев по меньшей мере одной цепной звездочки меньше или равно 20. Предлагаемая зубчатая цепь позволяет создать цепной привод, в котором по меньшей мере одна цепная звездочка имеет более прочные зубья, а количество зубьев по меньшей мере одной звездочки может быть сокращено по меньшей мере до 20. До недавнего времени при использовании зубчатых цепей с внешним углом давления, равным 60°, наименьшее экономически оправданное количество зубьев составляло 21.
Настоящее изобретение также относится к зубчатой цепной группе, содержащей по меньшей мере две зубчатые цепи согласно одному из пп.1-6 формулы, имеющие разный шаг р. Например, указанная группа может содержать зубчатые цепи одинаковой конструкции с шагами 9,525 мм (3/8"), 8 мм и 7 мм. Зубчатая цепная группа характеризуется тем, что наружный диаметр dBа соединительного валика входящих в группу цепей определяется по следующей формуле:
dBa=0,125·р2-1,347·р+С, где
р - это шаг соответствующей зубчатой цепи, а
С - это величина, зависящая от наружного угла α давления, причем С в 2,1-2,25 раз больше тангенса угла α.
Таким образом, наружный диаметр соединительного валика определяется на основании шага р и выбранного угла α наклона внешних граней зубьев. В цепи с шагом 8 мм и углом α, равным 70°, минимальное значение dBa составляет 2,994 мм, а максимальное 3,406 мм. Цепи с другим шагом имеют другие минимальное и максимальное значения dBa. Благодаря этому обеспечен оптимальный срок службы цепной группы, в частности, при ее использовании в качестве цепи газораспределительного механизма в двигателе внутреннего сгорания, а также оптимизированный размер контактной поверхности, который зависит от наружного диаметра dBa и от угла наклона внешних граней зубьев. Таким образом, изобретение также относится к зубчатой цепной группе, состоящей по меньшей мере из двух цепей по одному из п.п.7 или 8 формулы, имеющих разные шаги р. Таким образом, согласно изобретению наружный диаметр dBa соединительного валика определяется следующим образом:
dBa=р-С, где
р - это шаг соответствующей зубчатой цепи, а
С - это величина, зависящая от наружного угла α давления, причем С в 1,27-1,3 раза больше тангенса угла α.
В зубчатой цепи с шагом 8 мм, с углом наклона внешних граней зубьев, равным 70°, не содержащей соединительных втулок, максимальный наружный диаметр соединительного валика составляет, соответственно, 4,511 мм, а минимальный наружный диаметр составляет 4,428 мм. В данном случае зубчатая цепная группа оптимизирована с точки зрения износоустойчивости, причем звенья соединены с помощью соединительных отверстий и соединительных валиков. Следует отметить, что, вместо наружного диаметра соединительного валика, расчет можно осуществлять исходя из величины внутреннего диаметра соединительного отверстия. Определяющим фактором является контактная поверхность, площадь которой зависит от диаметра.
Ниже приведено более подробное описание изобретения со ссылками на несколько вариантов его реализации и на чертежи, среди которых
фиг.1а показывает детальный вид сверху изобретения согласно первому варианту реализации;
фиг.1b показывает сечение изобретения согласно варианту реализации, показанному на фиг.1а;
фиг.1с показывает вид сбоку изобретения согласно варианту реализации, показанному на фиг.1а;
фиг.2 показывает вид сверху зубчатой цепи согласно второму варианту реализации;
фиг.3 показывает вид сверху зубчатой цепи согласно третьему варианту реализации;
фиг.4 показывает вид сверху зубчатой цепи согласно четвертому варианту реализации;
фиг.5 показывает вид сбоку цепного привода и зубчатой цепи согласно изобретению;
фиг.6 показывает сечение цепной звездочки по линии VI-VI, в показанном на фиг.5 цепном приводе;
фиг.7 показывает вид сбоку зубчатой цепи согласно четвертому варианту реализации;
фиг.8 показывает сечение зубчатой цепи, показанной на фиг.7; и
фиг.9 показывает сечение зубчатой цепи согласно пятому варианту реализации.
Зубчатая цепь 1 согласно изобретению, представленному на фиг.1, содержит чередующиеся наружные звенья 2 и внутренние звенья 3, которые соединены с помощью соединений 4. Звенья 2 включают наружные пластины 5, которые размещены снаружи параллельно друг другу, и соосно расположенные отверстия, внутрь которых запрессованы и заклепаны соединительные валики 6.
Звенья 3 расположены между пластинами 5 звеньев 2, а каждое звено 3 содержит две зубчатые пластины 7, которые размещены параллельно друг другу и пластинам 5. Пластины 7 в данном случае расположены со смещением относительно пластин 5. Кроме того, каждое звено 3 содержит направляющую пластину 9 и две соединительные втулки 10. Пластина 9 размещена в центре звена 3, а две пластины 7 размещены снаружи втулок 10 заподлицо с их торцами. В пластине 9 и расположенных снаружи пластинах 7 выполнены отверстия для втулки, которыми они напрессованы на втулку 10. В данном случае пластина 9 размещена перпендикулярно втулкам 10 и параллельно обеим пластинам 7.
Каждое соединение 4 образовано совмещением валика 6 звена 2 и цилиндрического отверстия втулки 10. В данном случае контактная поверхность соединения 4 проходит вдоль всей внутренней поверхности указанного цилиндрического отверстия.
Каждая пластина 7 звена 3 содержит два зуба 8, симметрично расположенных по обе стороны от центральной оси (не показана), разделяющей пластину на две половины. Форма зуба 8 позволяет ему входить в зацепление с соответствующими цепными звездочками 12, 13. В данном случае угол α наклона внешних граней зубьев 8 пластины 7 составляет 70° (предпочтительно находится в диапазоне между 65° и 75°). Зацепление зубьев 8 или передача усилия к звездочкам 12, 13 в данном случае осуществляется посредством внешних граней зубьев. Кроме того, каждая пластина 7 содержит два расположенных на заданном расстоянии друг от друга отверстия для втулки, в которых во время работы размещена соответствующая втулка 10.
Пластины 5 звена 2 могут, как и пластины 7, иметь зубья 8 для зацепления со звездочками 12, 13. В другом варианте реализации настоящего изобретения пластины 5 или расположенные снаружи наружные пластины наружного звена цепи могут быть выполнены аналогично пластинам 9 и предназначаться для направления цепи 1.
В варианте реализации, показанном на фиг.1a-1с, пластины 9 выполнены в виде традиционных цепных пластин. В стандартном исполнении подобная пластина имеет расположенные на обоих ее концах отверстия для втулок, оба конца пластины скруглены, так что скругленная кромка пластины по всему периметру равноудалена от кромки отверстия для втулки, а скругленные концы пластины соединены с прямыми краями. Пластина 9 значительно тоньше пластин 7 и 5, толщина которых зависит от передаваемых усилий, и ее толщина не превышает приблизительно 62,5% толщины пластин 7 и/или 5. При обычной толщине пластин 7 и 5, равной 1,6 мм, толщина пластины 9 будет равна приблизительно 1 мм.
Так как расстояние между пластинами 7 звена 3, а следовательно, расстояние между пластинами 7 и центрально расположенной пластиной 9 определяется по оси (вдоль соединительного валика) втулок 10, то центрально расположенная пластина 9 и расположенные снаружи пластины 7 находятся на некотором расстоянии друг от друга. В данном случае это расстояние главным образом зависит от длины втулок 10, которая предпочтительно соответствует длине соединительной втулки стандартной звеньевой цепи, а также от толщины пластин 7 и 9.
В показанном на фиг.1 варианте реализации пластина 5 с зубьями 8 на обоих ее концах сопряжена с пластиной 7 звена 3. Зубчатая цепь имеет шаг р, который в автомобилестроении (например, в цепи газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания), как правило, равен 7 мм, 8 мм и 9,25 мм (3/8"). Наружный диаметр dBa валика 6 может быть оптимизирован по сравнению со стандартными зубчатыми цепями в зависимости от угла α наклона внешних граней зубьев (в данном случае 70°). Отношение VBa шага р к диаметру dBa соединительного валика в данном случае меньше или равно 2,65. Это означает, что при шаге 7 мм наименьший возможный диаметр dBa равен 2,642 мм, при шаге 8 мм наименьший возможный диаметр dBa равен 3,019 мм, а при шаге 9,525 мм наименьший возможный диаметр dBa равен 3,594 мм. Из соображений прочности также задан верхний предел диаметра dBa. Для этой же цели задано минимальное значение VBa, равное 2,15.
Втулки 10 имеют наружный диаметр dHa. Например, при шаге 9,525 мм диаметр dHa равен 6,35 мм, а при шаге 8 мм диаметр dHa равен 5 мм. Отношение VBi шага к диаметру dHa втулок 10 находится в диапазоне между 1,85 и 1,45.
На фиг.5 показан схематичный вид сбоку цепного привода 11. В приводе 11 цепь 1 согласно изобретению размещена вокруг ведущей звездочки 12 и ведомой звездочки 13, что соответствует обычной схеме размещения цепного привода газораспределительного механизма в двигателе внутреннего сгорания. Для функционирования схематически проиллюстрированного привода 11 в двигателе внутреннего сгорания в обычном режиме дополнительно требуется направляющая и натяжитель цепи, которые на фиг.5 не показаны. Для приема пластины 9, размещенной на внутреннем звене, звездочки 12 и 13 содержат канавку 14, которая разделяет их зубья 15.
На фиг.6 показано сечение звездочки 12 с канавкой 14, которая проходит точно через середину зубьев 15 и в которую входит пластина 9, размещенная посередине между пластинами 7 в звене 3 цепи 1, показанной на фиг.1а-1с.
Угол давления звездочки 12 равен 70°, что соответствует внешнему углу α давления пластин 5 и 7, которые зацепляются с зубьями цепной звездочки своими внешними гранями. При таком выбранном угле между внешними гранями зубьев количество зубьев звездочки 12 сокращено менее чем до 20, в данном случае до 18.
Показанный на фиг.1a-1с вариант реализации может быть использован в зубчатой цепной группе. Имея одинаковую конструкцию, зубчатые цепи, входящие в группу, имеют шаги 7 мм, 8 мм и 9,525 мм (3/8"). Оптимизация зубчатой цепной группы обеспечена за счет того, что наружный диаметр dBa валика 6 зубчатых цепей определяется по формуле
dBa=0,125·р2-1,347·р+С, где
р - это шаг зубчатой цепи, а
С - это величина, зависящая от наружного угла α давления, причем С в 2,1-2,25 раз больше тангенса угла α.
Указанному условию соответствует цепная группа с внешним углом давления 70°, шагами 7 мм, 8 мм и 9,525 мм и диаметрами dBa, соответственно, 2,67 мм, 3,315 мм и 4,41 мм.
При функционировании привода 11 цепь 1 приводится в движение звездочкой 12, при этом пластины 7 своими зубьями 8, а также зубья пластин 5 входят в зацепление с зубьями 15 звездочки 12. Направление зубчатой цепи обеспечено пластинами 9, которые входят в канавку 14, благодаря чему предотвращается смещение цепи со звездочек 12 и 13. Усилие передается со звездочки 12 через цепь 1 на звездочку 13 и далее на соединенный со звездочкой 13 модуль (например, на шестерню распределительного вала). Увеличенный срок службы зубчатой цепи по сравнению с традиционными зубчатыми цепями - это результат измененного угла α наклона внешних граней зубьев и оптимизации соединительной поверхности.
На фиг.2 представлен второй вариант реализации цепи 1, в котором на концах втулок 10, сопрягаясь друг с другом, размещены две пластины 7. В данном варианте расстояние между расположенными снаружи пластинами 7 и пластиной 9 такое же, как и в варианте реализации, показанном на фиг.1. Однако возможен вариант реализации цепи 1, в котором длина втулки 10 такая же, как и в варианте реализации, показанном на фиг.1, а расстояние между пластинами 9 и 7 уменьшено за счет толщины дополнительно напрессованной пластины 7.
На фиг.3 показан третий вариант реализации цепи 1, в котором по обеим сторонам пластины 9 на втулке 10 звена 3 размещено по одной дополнительной пластине 7, причем между пластиной 9 и ближайшими к ней пластинами 7, а также между сопряженными двумя пластинами 7, размещенными по обеим сторонам пластины 9, имеется некоторое расстояние. В данном случае расстояния между пластинами 7 и пластиной 9 могут быть одинаковыми или разными. Кроме того, возможен вариант реализации, когда между пластинами 9 и пластинами 7 отсутствует расстояние.
На фиг.4 показан четвертый вариант реализации цепи 1, в котором на звено 2 на каждом конце валиков 6, примыкая друг к другу, напрессованы две наружные пластины. В приведенном варианте реализации обе примыкающие друг к другу наружные пластины могут быть выполнены в виде зубчатых пластин, либо одна пластина может быть выполнена в виде зубчатой пластины, а вторая - в виде расположенной снаружи направляющей пластины. Показанные на фиг.4 наружные пластины имеют такую же толщину, как и пластины 7 звена 3, однако в таком варианте реализации пластины 5 могут быть тоньше и/или находиться друг от друга на заданном расстоянии.
Ниже со ссылками на фиг.7 и 8 более подробно описан пятый вариант реализации цепи 1 согласно изобретению. Описаны главным образом отличительные особенности, поэтому для обозначения элементов с одинаковой конструкцией и назначением использованы одинаковые числовые обозначения, и, кроме того, даны ссылки на приведенное выше описание. Главным отличием цепи 1 является то, что она содержит две пластины 9, каждая из которых напрессована снаружи на концевые участки валиков 6. Соответственно, каждое звено 2 состоит из двух валиков 6, двух пластин 5 и двух пластин 9.
Звено 3 состоит из двух втулок 10 и четырех напрессованных на них пластин 7. Две пластины 7 размещены в центре втулок 10 и сопряжены друг с другом, а две другие пластины 7 напрессованы на концы втулок 10. Соотношения и требования к сборке такие же, как и для описанных выше вариантов реализации.
Ниже со ссылкой на фиг.9 более подробно описан шестой вариант реализации, главное отличие которого от описанных выше вариантов реализации в том, что в нем не использованы соединительные втулки, а в соединительные отверстия 20 пластин 7 непосредственно вставлены более крупные валики 6. В данном случае звено 3 состоит из трех размещенных друг за другом и сопрягающихся друг с другом пластин 7 с внешним углом α давления 70° (предпочтительно заключенным в диапазоне между 65° и 75°).
Звено 2 включает два параллельных друг другу валика 6, две пластины 5, каждая из которых сопряжена с внешними поверхностями пластин 7, и пластины 9, которые напрессованы на концевые участки валиков 6.
Между соединительным отверстием, которое образовано пластинами 7, и вставленным в это отверстие валиком 6 имеется небольшой зазор, так что формируется соединение 4.
Наружный диаметр dBa валиков 6 выбран таким образом, что отношение VBa шага р к диаметру dBa меньше или равно 2,0. При шаге 8 мм диаметр dBa в одном варианте реализации равен 4,44 мм, а при шаге 9,525 мм (3/8") диаметр dBa равен 6 мм. Таким образом, при обоих шагах р условие выполнено. В зубчатой цепной группе, в которой цепи имеют одинаковую конструкцию и разный шаг р, также должно быть выполнено следующее требование:
dBa=р-С, где
р - шаг соответствующей зубчатой цепи, а
С - величина, зависящая от наружного угла α давления, причем С в 1,27-1,3 раза больше тангенса угла α.
При шаге 8 мм максимально допустимый диаметр dBa соединительного валика составляет 4,511 мм, а минимально требуемый диаметр dBa соединительного валика составляет 4,428 мм. При шаге 9,525 мм (3/8") максимальное значение dBa из соображений прочности составляет 6,036 мм, а минимальное значение dBa составляет 5,953 мм. Все эти значения соответствуют углу α наклона внешних граней зубьев, равному 70°.
Выполнение этих требований позволяет получить наибольшую возможную контактную поверхность, а повышение прочности зубьев цепных звездочек позволяет получить более прочный цепной привод. Также возможен расчет по диаметру соединительного отверстия 20, так как он, как и диаметр dBa, тоже является определяющим для цепного соединения.
Реферат
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к зубчатым цепям. Зубчатая цепь включает соединенные чередующиеся внутренние и наружные звенья. Внутренние звенья цепи содержат по меньшей мере одну внутреннюю пластину и по меньшей мере две перпендикулярные ей и проходящие сквозь нее соединительные втулки. Наружные звенья цепи содержат по меньшей мере две наружные пластины и по меньшей мере два перпендикулярных им и проходящим сквозь них соединительных валика. Причем для соединения звеньев каждый соединительный валик наружного звена проходит сквозь соединительную втулку внутреннего звена. Внутренняя пластина внутреннего звена и/или наружная пластина наружного звена выполнены в виде зубчатых пластин. Каждая зубчатая пластина имеет два зуба, причем каждый из указанных двух зубьев имеет внешнюю грань и внутреннюю грань. При этом угол α наклона внешних граней зубьев зубчатых пластин заключен в диапазоне 68°≤α≤75°, а отношение VBa шага зубчатой цепи к диаметру соединительных валиков заключено в диапазоне 2,15≤VBa≤2,65. Решение направлено на повышение прочности цепи и износоустойчивости цепного привода. 5 н. и 6 з.п. ф-лы, 11 ил.
