Редуктор

(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики и надежности машин Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Берестнев Олег Васильевич Басинюк Владимир Леонидович Кирейцев Максим Валерьевич Комаров Александр Иванович Антюшеня Любовь Михайловна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики и надежности машин Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Редуктор, содержащий корпус, в котором размещены зубчатые колеса, установленные на валах и подшипники, размещенные в корпусе через виброизолирующий элемент,отличающийся тем, что виброизолирующий элемент выполнен в виде последовательно чередующихся в осевом направлении кольцевых элементов из материала с коэффициентом сухого трения 1-2,5, например металлокерамики, и полимерных кольцевых элементов,при этом крайними являются кольцевые элементы из материала с коэффициентом сухого трения 1-2,5. 2. Редуктор по п. 1, отличающийся тем, что кольцевые элементы из материала с коэффициентом сухого трения 1-2,5 выполнены на ширине 0,2-0,8 ширины подшипника. 3. Редуктор по пп. 1 или 2, отличающийся тем, что кольцевые полимерные элементы установлены в корпусе с предварительным натягом. 4. Редуктор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что кольцевые элементы из материала с коэффициентом сухого трения 1-2,5 выполнены неразъемно с корпусом редуктора. 7412 1 2005.09.30 Изобретение относится к деталям машин и может быть использовано в конструкциях редукторов, их механизмов и узлов, и прочих деталях машин, применяемых в машиностроительной, металлообрабатывающей, станкостроительной, авиационной промышленности и других. Известна конструкция узла с зубчатыми колесами, где для улучшения виброакустических характеристик применяются виброизолирующие элементы. В таком узле основной источник шума - зубчатые колеса - виброизолируют путем размещения упругих элементов из резины или полимерного материала между ступицей колеса и валом (патент США 5113713, МПК 16 55/18, 1991). Недостатком этой конструкции является низкая прочность и нагрузочная способность упругого элемента из резины или полимерного материала при повышенных нагрузках и нагреве редуктора до 150300 С (например в технологическом оборудовании химического производства). В этих условиях резко снижаются модуль упругости и прочностные свойства упругого элемента и теряется жесткость фиксации зубчатого колеса относительно его оси. Это приводит к относительному смещению зубчатого колеса относительно вала, возникновению эксцентриситета и дисбаланса, а также связанному с этим ухудшению виброакустических характеристик редуктора. Из известных аналогов наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является конструкция редуктора с виброизолирующим элементом (заявка 01753, МПК 16 1/48, 1982). Этот редуктор содержит корпус, в котором размещены зубчатые колеса, установленные на валах, подшипники, установленные в корпусе через кольцевой виброизолирующий элемент, выполненный из резины. Существенным недостатком этой конструкции редуктора является низкая прочность и нагрузочная способность резинового виброизолирующего элемента при повышенных нагрузках и температурах в эксплуатации. При нагреве свыше 150-300 С резиновый элемент размягчается, отслаивается от корпуса и разрушается, существенно снижая свои прочностные и виброизолирующие свойства. При этом под действием относительно низких нагрузок подшипник смещается в корпусе редуктора. В результате вышеуказанные недостатки приводят к повышению вибраций и колебаний редуктора, снижению его рабочих характеристик. Задачей изобретения является создание редуктора, имеющего улучшенные прочностные и виброизолирующие характеристики при повышенных нагрузках и температурах. Для решения поставленной задачи в редукторе, содержащем корпус, в котором размещены зубчатые колеса, установленные на валах, подшипники, размешенные в корпусе через виброизолирующий элемент, согласно техническому решению виброизолирующий элемент выполнен в виде последовательно чередующихся в осевом направлении кольцевых элементов из материала с коэффициентом сухого трения 12,5, например металлокерамики, и полимерных кольцевых элементов, при этом крайними являются кольцевые элементы из материала с коэффициентом сухого трения 1-2,5. Целесообразно, чтобы кольцевые элементы из материала с коэффициентом сухого трения 12,5 были выполнены неразъемно с корпусом редуктора по ширине 0,2-0,8 ширины подшипника, а кольцевые полимерные элементы установлены в нем с предварительным натягом. Повышенные прочностные характеристики виброизолирующего элемента и редуктора в целом обеспечены за счет того, что виброизолирующий элемент выполнен из последовательно чередующихся в осевом направлении кольцевых элементов из материала с коэффициентом сухого трения 1-2,5 и полимерных кольцевых элементов, размещенных между ними в замкнутом со всех сторон пространстве. При выполнении кольцевых элементов из материала с таким коэффициентом сухого трения, например из металлокерамики, обладающей высоким модулем упругости (до 250 ГПа) и микротвердостью (до 20 ГПа), значительно повышаются прочностные характеристики и надежность конструкции, а также увеличивается ее нагрузочная способность (табл. 1). При локальном нагреве до 150300 С и выше металлокерамические элементы не теряют свои прочностные свойства, что позволяет надежно удерживать подшипник в корпусе. Надежная фиксация подшипника, исключающая его проворачивание в корпусе или на валу с разрушением контактирующих поверхностей, обеспечена за счет высоких коэффици 2 7412 1 2005.09.30 ентов трения и твердости металлокерамических элементов при сухом контакте. При коэффициенте сухого трения меньшем 1 под действием окружных сил резко возрастает вероятность проворачивания подшипника в корпусе или на валу. При коэффициенте сухого трения большем 2,5, как правило, создаваемом с использованием элементов металлокерамики, требуются значительные усилия установки подшипника в корпусе или на валу. При этом создаются повышенные удельные контактные давления на трущихся поверхностях, что приводит к образованию трещин, микродефектов и разрушению металлокерамических элементов. Кольцевые элементы из материала с коэффициентом сухого трения 1-2,5 выполнены на ширине 0,2-0,8 ширины подшипника. При ширине этих элементов, например из металлокерамики, менее 0,2 ширины подшипника их площадь относительно невелика по сравнению с площадью полимерных кольцевых элементов, обладающих низкой твердостью и нагрузочной способностью. Подшипник опирается в основном на эластичную и скользкую поверхность полимерного элемента. В результате снижается надежность фиксации подшипника, резко возрастает вероятность его прокручивания и смещения в корпусе. Кроме того, повышаются удельные радиальные нагрузки на металлокерамические элементы, и происходит их локальное разрушение. При ширине этих элементов более 0,8 ширины подшипника резко снижается эффективность использования виброизолирующего элемента из-за существенного снижения уровня демпфирования, обеспечиваемого в основном полимерными элементами. В результате этого эффект снижения уровня вибраций и шума редуктора незначителен (табл. 2). Колебания и вибрации в диапазоне частот 0,5-6,0 кГц при температурах 150300 С и выше позволяют эффективно демпфировать полимерные кольцевые элементы, например из группы полиамидов, имеющие высокие виброизолирующие свойства. При размещении полимерных кольцевых элементов в корпусе с предварительным натягом между полимерным элементом и подшипником возникает упругонапряженный контакт. Это позволяет эффективно демпфировать колебания и вибрации, генерируемые телами качения и сепаратором подшипника, а также передаваемые валом от зубчатого зацепления. В совокупности этого существенно улучшаются виброакустические характеристики редуктора (табл. 1). Последовательное чередование кольцевых элементов с высоким модулем упругости и коэффициентом сухого трения, например из металлокерамики, и полимерных элементов позволяет надежно установить последние в корпусе с предварительным натягом. При размещении металлокерамических элементов по краям за счет их высокой прочности устраняется выдавливание и отслоение полимерных элементов, обеспечивается их установка с натягом. Кольцевые элементы из материала с коэффициентом сухого трения 1-2,5 выполнены неразъемно с корпусом редуктора, за счет чего повышена прочность и надежность всей конструкции в целом. Формирование этих элементов неразъемно с корпусом из алюминиевого сплава осуществляется, например микродуговой обработкой рабочих поверхностей. В зависимости от конструкционных особенностей и требуемых прочностных и виброакустических характеристик редуктора виброизолирующий элемент выполняется на корпусе и (или) на валу. Эксплуатационные характеристики редуктора зависят от реализованной комбинации и формы слоев, мест размещения виброизолирующих элементов. На чертеже изображен редуктор, содержащий корпус 1, зубчатые колеса 2, установленные на валу 3, подшипник качения 4, размещенный в корпусе через виброизолирующий элемент 5, который состоит из полимерного кольцевого элемента 6, например из полиамидов, и наружных кольцевых элементов 7, например из металлокерамики. В процессе работы редуктора вибрации от зубчатых колес 2 передаются через вал 3 на подшипники качения 4, которые, кроме того, генерируют собственные колебания. Общие колебания, генерируемые зубчатыми колесами 2 и подшипником 4, поглощают виброизолирующие элементы 5, размещенные между корпусом и наружной обоймой подшипника. За счет многоэлементной и неоднородной структуры виброизолирующего элемента достигается дискретное, многоступенчатое поглощение вибраций и шума. Полимерный кольцевой элемент 6 упруго деформируется, демпфируя вибрации и поглощая шум в редукторе. Кольцевые элементы 7 из материала с коэффициентом сухого трения 1-2,5, например металлокерамики, обеспечивают высокую нагрузочную способность и прочность редук 3 7412 1 2005.09.30 тора. В такой совокупности виброизолирующий элемент эффективно поглощает колебания и вибрации, препятствуя их распространению в редукторе, а также обеспечиваются высокие прочностные характеристики системы в целом. Экспериментально установлено, что виброизолирующий элемент в редукторе, согласно полезной модели, не разрушается и способен выдерживать значительные нагрузки и нагрев до 150-300 С и выше. Подшипник и редуктор в целом работают надежно. Их нагрузочная способность значительно превышает данные характеристики прототипа. Реализация полезной модели позволяет создать редуктор с улучшенными прочностными и виброакустическими характеристиками при повышенных нагрузках и температурах в эксплуатации. Таблица 1 Сравнительные характеристики редукторов Температура 100 С Температура 300 С Предлагаемый Предлагаемый Прототип Прототип Частотный диапазон редуктор редуктор Уменьшение Уменьшение Вибрация,Вибрация,вибрации, дБ вибрации, дБ 100 100 Частота до 700 Гц 13 25 100 100 Частота 0,71,5 кГц 46 36 100 100 Частота 1,53,5 кГц 57 48 100 100 Частота 3,03,5 кГц 45 47 100 100 Частота 3,54,5 кГц 35 46 100 100 Частота 4,55,5 кГц 25 37 100 100 Частота 5,06,0 кГц 34 46 Таблица 2 Сравнительные характеристики редукторов Ширина меТемпература 300 С Температура 100 С таллокераПрототип Предлагаемый редуктор Прототип Предлагаемый редуктор мических Нагрузоч- Относитель- Уменьше- Нагрузочная Относитель- Уменьэлементов от ная способ- ная нагру- ние вибра- способность ная нагрушение ширины зочная ции, дБ кр 1 принята зочная вибрации,ность кр 1 подшипника принята за 1 способность,способность,дБ за 1 кр 2 к 1 кр 2 к 1 0,1 1 менее 1 1 менее 1 1 1 0,2 1 1,45 1 1,8 34 24 0,3 1 1,9 1 2,3 25 36 0,6 1 2,4 1 2,9 36 57 0,7 1 3,2 1 3,6 24 36 0,8 1 3,5 1 4,3 1,53 23 0,9 1 3,7 менее 1 1 4,6 менее 1 кр 1 - удельные напряжения, приводящие при осевом или радиальном нагружении к смещению наружной обоймы подшипника относительно корпуса редуктора при исполнении виброизолирующего элемента согласно предлагаемому техническому решению кр 2 удельные напряжения, приводящие при осевом или радиальном нагружении к смещению наружной обоймы подшипника относительно корпуса редуктора при исполнении виброизолирующего элемента согласно прототипу. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.