(57) 1. Zespół wał-piasta z układem uzębień do przenoszenia PL B1 F16D 1/ ,DE, BUP 25/

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (1 9 ) PL (11) (21 ) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (1 3 ) B1 (51) IntCl7 F16D 1/06 (54) Zespół wał-piasta (30) Pierwszeństwo: ,DE, (73) Uprawniony z patentu: Beigang Wolfgang Manfred, Ruppichteroth, DE ( 4 3 ) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 25/98 (72) Twórcy wynalazku: Wolfgang Manfred Beigang, Ruppichteroth, DE (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 09/03 (74) Pełnomocnik: Dreszer-Lichańska Hanna, DRESZER i WSPÓLNICY sp.j., Kancelaria Patentowo-Prawna PL B1 (57) 1. Zespół wał-piasta z układem uzębień do przenoszenia momentów obrotowych, zawierający wał z uzębieniem oraz piastę z uzębieniem, które to uzębienia wchodzą w siebie wzajemnie, przy czym m o- menty obrotowe są wprowadzane przez trzpień wału, na którego końcu znajduje się uzębienie wału, zaś profil uzębienia wału w kierunku wzdłużnym ma zmienny przebieg, znamienny tym, że uzębienie (5) wału ma w kierunku wzdłużnym stały przebieg średnicy koła wierzchołków a uzębienie (7) piasty ma w kierunku wzdłużnym stały przebieg średnicy koła stóp, przy czym układ uzębień zawiera co najmniej dwa obszary (9, 10) osiowego wymiaru o stałym przebiegu średnicy koła stóp uzębienia (5) wału i stałym przebiegu średnicy koła w ierzchołków uzębienia (7) piasty, przy czym z każdych dwóch sąsiednich obszarów ten obszar, który jest zwrócony do trzpienia (4) wału, ma w iększą średnicę koła stóp uzębienia (5) wału i w iększą średnicę koła wierzchołków uzębienia (7) wału, natomiast z każdych dwóch sąsiednich obszarów ten obszar, który jest zwrócony do trzpienia (4) wału, ma profil uzębienia (5) wału, który pokrywa się z górną częścią, tworzącego profil, odcinka wierzchołkowego sąsiedniego obszaru. Fig. 1

2 Zespół wał-piasta Zastrzeżenia patentowe 1. Zespół wał-piasta z układem uzębień do przenoszenia momentów obrotowych, zawierający wał z uzębieniem oraz piastę z uzębieniem, które to uzębienia wchodzą w siebie wzajemnie, przy czym momenty obrotowe są wprowadzane przez trzpień wału, na którego końcu znajduje się uzębienie wału, zaś profil uzębienia wału w kierunku wzdłużnym ma zmienny przebieg, znamienny tym, że uzębienie (5) wału ma w kierunku wzdłużnym stały przebieg średnicy koła wierzchołków a uzębienie (7) piasty ma w kierunku wzdłużnym stały przebieg średnicy koła stóp, przy czym układ uzębień zawiera co najmniej dwa obszary (9, 10) osiowego wymiaru o stałym przebiegu średnicy koła stóp uzębienia (5) wału i stałym przebiegu średnicy koła wierzchołków uzębienia (7) piasty, przy czym z każdych dwóch sąsiednich obszarów ten obszar, który jest zwrócony do trzpienia (4) wału, ma większą średnicę koła stóp uzębienia (5) wału i większą średnicę koła wierzchołków uzębienia (7) wału, natomiast z każdych dwóch sąsiednich obszarów ten obszar, który jest zwrócony do trzpienia (4) wału, ma profil uzębienia (5) wału, który pokrywa się z górną częścią, tworzącego profil, odcinka wierzchołkowego sąsiedniego obszaru. 2. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że z profili uzębienia każdych dwóch sąsiednich obszarów, profil uzębienia (5) wału tego obszaru, który jest przeciwległy względem trzpienia (4) wału, jest poniżej odcinka wierzchołkowego, który tworzy górną cześć profilu i którego profil pokrywą się z profilem obszaru sąsiedniego, stopniowo poszerzony, zaś boki zębów uzębienia (5) wału tego obszaru, który leży na końcu wału, stykają się z bokami zębów uzębienia (7) piasty tylko na odcinku stóp zębów, tworzącym dolną część profilu. 3. Zespół według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że pomiędzy każdymi dwoma sąsiednimi obszarami znajduje się obszar przejściowy (11), w którym wartość średnicy koła stóp uzębienia (5) wału ma w kierunku wzdłużnym stały przebieg od średnicy koła stóp jednego obszaru do średnicy koła stóp drugiego obszaru i w którym wartość średnicy koła wierzchołków uzębienia (7) piasty ma w kierunku wzdłużnym stały przebieg od średnicy koła wierzchołków jednego obszaru do średnicy koła wierzchołków drugiego obszaru. 4. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że w obszarze (9), najbardziej oddalonym od trzpienia (4) wału, w uzębieniu (7) piasty i w uzębieniu (5) wału znajduje się po jednym obwodowym rowku (6, 8) do umieszczenia osiowego elementu zabezpieczającego, zwłaszcza pierścienia osadczego rozprężnego (3). * * * Przedmiotem wynalazku jest zespół wał-piasta z układem uzębień do przenoszenia momentów obrotowych, zawierający wał z uzębieniem oraz piastę z uzębieniem, które to uzębienia wchodzą w siebie wzajemnie, przy czym momenty obrotowe są wprowadzane przez trzpień wału, na którego końcu znajduje się uzębienie wału, a profil uzębienia wału w kierunku wzdłużnym ma zmienny przebieg. Tego typu zespoły wał-piasta stosuje się zwłaszcza do bezobrotowych połączeń pomiędzy wałem osiowym i elementem przegubowym przegubu obrotowego w toku napędowym samochodu. W niemieckim zgłoszeniu patentowym nr DE C 1 przedstawiony jest taki zespół wał-piasta, w którym profil uzębienia wału jest zmienny w kierunku wzdłużnym. Wysokość zębów uzębienia wału zmniejsza się przy tym w sposób ciągły w obszarze wylotowym. Ponieważ uzębienie wału ma postać uzębienia ewolwentowego, zaś uzębienie piasty ma postać uzębienia o prostych bokach, zachodzi pomiędzy nimi styk liniowy. Powyżej i poniżej

3 3 styku liniowego powstaje zatem luz pomiędzy bokami zębów. W obszarze wylotowym, w którym wysokość zębów uzębienia wału leży poniżej wysokości styku liniowego, zęby uzębienia wału i uzębienia piasty nie stykają się ze sobą. Wprowadzenie momentu obrotowego powoduje skręcanie wału w obszarze wylotowym, przy czym boki uzębienia wału przylegają osiowo w coraz większym stopniu do boków uzębienia piasty. W ten sposób zmniejsza się typowe maksimum naprężeń na położonym od strony trzpienia wału końcu układu uzębień, zaś obszar wysokich wartości naprężeń ulega rozciągnięciu na większej długości układu uzębień. Niekorzystne w tym zespole wał-piasta jest to, że obszar wylotowy można wykonać wyłącznie za pomocą dodatkowej obróbki skrawaniem. We francuskim opisie patentowym nr FR ujawniony został wał z uzębieniem dla zespołu wał-piasta, w którym średnica koła stóp i średnica koła wierzchołków leżą w kierunku wzdłużnym na stożku, przy czym wysokość zębów jest stała na całej długości układu uzębień. Średnica koła stóp i średnica koła wierzchołków zwiększają się w kierunku tej strony wału, do której jest przykładany moment obrotowy. Takiego uzębienia nie można jednak wykonać ani za pomocą typowej technologii z osiowym kierunkiem posuwu, jak przeciąganie lub ciągnienie, ani poprzez walcowanie za pomocą równoległych belek walcarki. Ponadto osiowa pozycja piasty na wale jest zależna od tolerancji stożka. Przy płaskim kącie rozwarcia bocznych powierzchni stożka niewielkie odchyłki kąta mają duży wpływ na osiową pozycję piasty. W wielu zastosowaniach jest to nie do przyjęcia. Celem wynalazku jest opracowanie zespołu wał-piasta, w którym przy zadanym momencie obrotowym naprężenia na położonym od strony trzpienia wału końcu układu uzębień są jak najmniejsze, zaś uzębienia można wykonać za pomocą prostych technik wytwarzania. Zespół wał-piasta według wynalazku, charakteryzuje się tym, że uzębienie wału ma w kierunku wzdłużnym stały przebieg średnicy koła wierzchołków a uzębienie piasty ma w kierunku wzdłużnym stały przebieg średnicy koła stóp, przy czym układ uzębień zawiera co najmniej dwa obszary osiowego wymiaru o stałym przebiegu średnicy koła stóp uzębienia wału i stałym przebiegu średnicy koła wierzchołków uzębienia piasty, przy czym z każdych dwóch sąsiednich obszarów ten obszar, który jest zwrócony do trzpienia wału, ma większą średnicę koła stóp uzębienia wału i większą średnicę koła wierzchołków uzębienia wału, natomiast z każdych dwóch sąsiednich obszarów ten obszar, który jest zwrócony do trzpienia wału, ma profil uzębienia wału, który pokrywa się z górną częścią, tworzącego profil, odcinka wierzchołkowego sąsiedniego obszaru. Korzystnie, z profili uzębienia każdych dwóch sąsiednich obszarów, profil uzębienia wału tego obszaru, który jest przeciwległy względem trzpienia wału, jest poniżej odcinka wierzchołkowego, który tworzy górną część profilu i którego profil pokrywa się z profilem obszaru sąsiedniego, stopniowo poszerzony, zaś boki zębów uzębienia wału tego obszaru, który leży na końcu wału, stykają się z bokami zębów uzębienia piasty tylko na odcinku stóp zębów, tworzącym dolną cześć profilu. Korzystnie, pomiędzy każdymi dwoma sąsiednimi obszarami znajduje się obszar przejściowy, w którym wartość średnicy koła stóp uzębienia wału ma w kierunku wzdłużnym stały przebieg, od średnicy koła stóp jednego obszaru do średnicy koła stóp drugiego obszaru, i w którym wartość średnicy koła wierzchołków uzębienia piasty ma w kierunku wzdłużnym stały przebieg od średnicy koła wierzchołków jednego obszaru do średnicy koła wierzchołków drugiego obszaru. Korzystnie, w obszarze, najbardziej oddalonym od trzpienia wału, w uzębieniu piasty i w uzębieniu wału znajduje się po jednym obwodowym rowku do umieszczenia osiowego elementu zabezpieczającego, zwłaszcza pierścienia osadczego rozprężnego. Wskutek zwiększenia średnicy koła stóp pomiędzy poszczególnymi obszarami, w kierunku trzpienia wału zwiększa się moment oporowy wału. To z kolei powoduje zmniejszenie naprężeń na końcu układu uzębień, położonym od strony trzpienia. Dzięki temu, że z każdych dwóch sąsiednich obszarów ten obszar, który jest zwrócony do trzpienia, ma profil uzębienia wału, pokrywający się z odcinkiem wierzchołkowym, który tworzy górną

4 część profilu obszaru sąsiedniego, w związku z czym zęby na średnicy dowolnego koła mają w całym układzie uzębień jednakową grubość, zarówno uzębienia wału, jak też uzębienia piasty można wykonać za pomocą technik wykonawczych o osiowych kierunkach posuwu. Jedna z możliwości wykonania polega na tym, że liczba obszarów dąży do nieskończoności, w związku z czym w praktyce średnica koła stóp uzębienia wału i średnica koła wierzchołków uzębienia piasty leżą w kierunku wzdłużnym na stożku. W postaci wykonania zespołu wał-piasta, w której profil uzębienia wału tego obszaru, który jest przeciwległy względem trzpienia wału, jest poniżej odcinka wierzchołkowego, stopniowo poszerzony, zaś boki zębów uzębienia wału tego obszaru, który leży na końcu wału, stykają się z bokami zębów uzębienia piasty tylko na odcinku stóp zębów, wszystkie obszary mają stopniowane grubości zębów uzębienia wału. Przy tym tylko tworzący dolną cześć profilu odcinek stopowy uzębienia wału tego obszaru, który jest najbardziej oddalony od trzpienia wału, zazębia się bez luzu z uzębieniem piasty. We wszystkich dalszych obszarach boki uzębienia wału wykazują luz względem boków uzębienia piasty. Wskutek tego po przyłożeniu momentu obrotowego wał jest w stanie w obszarach, w których boki zębów uzębienia wału i boki zębów uzębienia piasty nie stykają się, skręcać się aż do zetknięcia boków we wszystkich obszarach. Dzięki temu, że boki uzębienia wału stykają się w kierunku osiowym w coraz większym stopniu z bokami uzębienia piasty, obszar, w którym następuje przenoszenie momentu obrotowego, ulega wydłużeniu i obejmuje większą długość układu uzębień. W porównaniu do układu uzębień, w którym średnica koła stóp uzębienia wału i średnica koła wierzchołków uzębienia piasty są stałe na całej długości układu uzębień, w tej postaci wykonania uzyskuje się mniejsze maksima naprężeń. W postaci wykonania, w której zespół wał-piasta zawiera obszary przejściowe, w których wartość średnicy koła stóp uzębienia wału ma w kierunku wzdłużnym stały przebieg od średnicy koła stóp jednego obszaru do średnicy koła stóp drugiego obszaru, zapobiega się istnieniu ostrych stopni pomiędzy obszarami, co z kolei zapobiega powstawaniu niekorzystnych pików naprężeń wskutek działania karbów, a także upraszcza wykonanie uzębień. Inna możliwość ukształtowania polega na tym, że w obszarze przejściowym średnica koła stóp uzębienia wału i średnica koła wierzchołków uzębienia piasty przebiegają po stożkach. Kolejna postać wykonania zawierająca, dla osiowego zabezpieczenia piasty na wale, pierścieniowy rowek w uzębieniu wału i leżący naprzeciw tego rowka, pierścieniowy rowek w uzębieniu piasty, umożliwia umieszczenie w tych rowkach osiowych elementów zabezpieczających. Aby zapobiec niepożądanemu wyślizgnięciu się pierścienia osadczego rozprężnego wskutek zbyt małej wysokości zębów, pierścieniowe rowki znajdują się w obszarze, najbardziej oddalonym od trzpienia wału. Zapewnia to skuteczne podparcie pierścienia osadczego rozprężnego w stosunku do boków pierścieniowych rowków. Osiowa pozycja piasty względem wału jest przy tym uzależniona jedynie od tolerancji pierścieniowych rowków oraz tolerancji osiowych elementów zabezpieczających. Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zespół wał-piasta w przekroju wzdłużnym, fig. 2 - zespół wał-piasta z fig. 1 w obszarze przeciwległym do trzpienia wału, w przekroju poprzecznym, fig. 3 - zespół wał-piasta z fig. 1 w obszarze zwróconym ku trzpieniowi wału, w przekroju poprzecznym, fig. 4 - zespół wał-piasta w obszarze przeciwległym do trzpienia wału, przy czym uzębienie wału ma stopniowaną grubość zębów, w przekroju poprzecznym, fig. 5 - zespół wał-piasta w obszarze zwróconym ku trzpieniowi wału, w przekroju poprzecznym, fig. 6 - przebieg naprężeń na całej długości układu uzębień z fig. 2 i 3, zaś fig. 7 - przebieg naprężeń na całej długości układu uzębień z fig. 4 i 5. Figura 1 ukazuje fragment przekroju wzdłużnego zespołu wał-piasta według wynalazku, składającego się z wału 1, piasty 2 i pierścienia osadczego rozprężnego 3 o przekroju kołowym. Wał 1 zawiera trzpień 4, przez który do układu wał-piasta wprowadzane są momenty obrotowe. Ponadto wał 1 ma na końcu, przeciwległym względem trzpienia 4, uzębienie 5

5 5 i pierścieniowy rowek 6. Piasta 2 ma uzębienie 7 i pierścieniowy rowek 8. Układ uzębień, złożony z uzębienia 5 wału i uzębienia 7 piasty, ma pierwszy obszar 9, drugi obszar 10 i obszar przejściowy 11, przy czym średnica koła wierzchołków uzębienia wału ma we wszystkich trzech obszarach stałą wartość Dw. Średnica koła stóp uzębienia piasty jest również we wszystkich trzech obszarach stała i ma wartość dn. Pierwszy obszar 9, przeciwległy względem trzpienia 4 wału, ma długość L1, przy czym uzębienie 5 wału ma średnicę koła wierzchołków o wartości dw1, zaś uzębienie 7 piasty ma średnicę koła wierzchołków o wartości dn1. Drugi obszar 10 o długości L2 jest zwrócony w stronę trzpienia 4 wału. W tym obszarze 10 uzębienie 5 wału ma średnicę koła stóp o wartości dw2, która jest większą niż wartość średnicy koła stóp dw1 pierwszego obszaru 9. Uzębienie 7 piasty w drugim obszarze 10 ma średnicę koła i wierzchołków o wartości Dn2, która jest większa niż wartość średnicy koła wierzchołków Dn1 pierwszego obszaru 9. Pomiędzy wymienionymi obszarami 9, 10 znajduje się obszar przejściowy 11 o długości L3, w którym średnica koła stóp uzębienia 5 wału i średnica koła wierzchołków uzębienia 7 wału wzrastają w sposób ciągły w kierunku wzdłużnym od pierwszego obszaru 9 do drugiego obszaru 10. Średnica koła stóp zmienia się przy tym w kierunku wzdłużnym od wartości dw1 do wartości dw2, zaś średnica koła wierzchołków uzębienia piasty zmienia się od wartości Dn1do wartości Dn2. W pierwszym obszarze 9 znajdują się pierścieniowe rowki 6, 8, w których osadzony jest pierścień Osadczy rozprężny 3 o przekroju kołowym, zabezpieczający w kierunku osiowym piastę 2 względem wału 1. Na figurze 2 przedstawiony jest częściowy przekrój poprzeczny zespołu wał-piasta według wynalazku, w pierwszym obszarze 9 na fig. 1. Zęby 14 uzębienia 5 wału mają wypukłe boki 12, natomiast zęby 15 uzębienia 7 piasty mają proste boki 13. Boki 12, 13 zębów stykają się przy tym w obszarze średnicy koła podziałowego DT. Uzębienie 5 ma średnicę koła stóp o średnicy dw1 i średnicę koła wierzchołków o wartości Dw. Uzębienie 7 piasty ma średnicę koła stóp o wartości dn i średnicę koła wierzchołków o wartości D n1. Figura 3 przedstawia częściowy przekrój poprzeczny zespołu wał-piasta według wynalazku, w obszarze 10 na fig. 1. Boki 23 zębów uzębienia 5 wału stykają się z bokami 24 zębów uzębienia 7 piasty w obszarze średnicy koła podziałowego DT Wysokości zębów 16, 17 są w obszarze 10 niniejsze niż w obszarze 9 na fig. 1. Przy jednakowej średnicy koła wierzchołków uzębienia 5 wału i jednakowej średnicy koła stóp uzębienia 7 piasty średnica koła stóp uzębienia 5 wału i średnica koła wierzchołków uzębienia 7 piasty mają w obszarze 10 większą wartość niż porównywalne średnice kół w obszarze 9 na fig. 2. Zęby 16 uzębienia 5 wału mają przy tym taki sam przekrój poprzeczny, jak zęby 14 z fig. 2 pomiędzy średnicą koła podziałowego DT i średnicą koła wierzchołków Dw. Zęby 17 uzębienia 7 piasty mają pomiędzy średnicą koła podziałowego DT i średnicą koła stóp dn taki sam przekrój poprzeczny, jak zęby 15 na fig. 2. Figura 4 przedstawia częściowy przekrój poprzeczny zespołu wał-piasta według wynalazku, w obszarze 9 na fig. 1. Uzębienie 7 piasty ma przy tym taki sam kształt, jak uzębienie piasty na fig. 2. Zęby 18 uzębienia 5 wału mają natomiast przekrój poprzeczny, poszerzający się stopniowo od koła wierzchołków do koła stóp. Stopień 21 leży przy tym w obszarze średnicy koła podziałowego DT. Przekrój poprzeczny zębów 18 pomiędzy średnicą koła podziałowego DT i średnicą koła stóp dw1pokrywa się z porównywalnym przekrojem zębów 14 na fig. 2. Boki 20 zębów 15 uzębienia 5 wału stykają się zatem z bokami 13 zębów 15 uzębienia 7 piasty w obszarze średnicy koła podziałowego DT. Boki 19 zębów 18 uzębienia 5 wału pomiędzy średnicą koła podziałowego DT i średnicą koła wierzchołków Dw nie stykają się z bokami 13 zębów 15. Na figurze 5 przedstawiony jest częściowy przekrój poprzeczny zespołu wał-piasta, w obszarze 10 na fig. 1. Uzębienie 7 piasty jest identyczne z uzębieniem piasty na fig. 3. Zęby 22 uzębienia 5 wału mają taki sam przekrój poprzeczny, jak zęby 18 na fig. 4 pomiędzy średnicą koła podziałowego DT i średnicą koła wierzchołków Dw. Bez obciążenia momentem obrotowym boki 19 i 13 zębów nie stykają się zatem, zaś wprowadzenie momentu obrotowego umożliwia skręcanie wału 1, przy czym począwszy od określonego momentu obrotowego wał 1 zostaje tak silnie skręcony, że boki 19 i 13 stykają się ze sobą.

6 Figura 6 ukazuje przebiegi naprężeń na długości układów uzębień. Krzywa A przedstawia przy tym przebieg naprężeń zespołu wał-piasta według wynalazku, uwidocznionych na fig. 2 i 3. Krzywa B przedstawia przebieg naprężeń, występujący w układzie uzębień według stanu techniki, w którym średnica kół wierzchołków i średnica kół stóp, zarówno uzębienia piasty, jak też uzębienia wału, są stałe na całej długości układu uzębień. Widoczne jest, że oba przebiegi naprężeń, wychodząc z niskiej wartości na przeciwnym względem trzpienia wału końcu układu uzębień wznoszą się w sposób ciągły aż do osiągnięcia maksimum, po czym znowu nieznacznie opadają. Za pomocą układu uzębień według wynalazku maksymalne naprężenie w obszarze przyłożenia momentu obrotowego jest wskutek zwiększenia momentu obrotowego wału mniejsze niż maksimum krzywej B. Figura 7 ukazuje dwa przebiegi naprężeń na długości układów uzębień. Krzywa C przedstawia przy tym przebieg naprężeń zespołu wał-piasta, uwidocznionych na fig. 4 i 5. Krzywa B przedstawia przebieg naprężeń, występujący w układzie uzębień według stanu techniki, i ma taki sam przebieg, jak krzywa B z fig. 6. Przebieg krzywej C, wychodząc z niskiej wartości na przeciwnym względem trzpienia wału końcu układu uzębień wznosi się w sposób ciągły aż do osiągnięcia pierwszego maksimum, po czym lekko opada, a następnie wznosi się do osiągnięcia drugiego maksimum. Oba maksima przedstawiają przy tym naprężenia w obu obszarach z fig. 4 i 5. Dzięki temu, że przykładanie momentów jest rozłożone na oba te obszary, wartości obu naprężeń maksymalnych są mniejsze niż maksima naprężeń krzywej A na fig. 6.

7

8

9 Fig. 3

10 Fig. 4

11 Fig. 5

12 Fig. 6

13 Fig. 7

14 Fig. 1 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 4,00 zł.