Зубчаста муфта

Зубчаста муфта, яка складається із втулки та обойми з розташованими на них відповідно зовнішніми та внутрішніми прямими зубами, котрі знаходяться між собою в зачепленні, яка відрізняється тим, що зубчаста втулка виконана складеною із трьох вінців з довжиною зубів bm кожного із вінців, жорстко з'єднаних один з одним і розділених двома кільцевими канавками шириною на величину 2S , а мінімальні нормальні бічні зазори jn min між зубами лівого і правого вінців і зубами обойми - збільшеними на ту саму величину 2S , при цьому параметри bm, S, Sw і jn min знаходяться за формулами: b  2a ; bm  3 b  2a ; S   3 m 2b  2a  Sw   ; 2 3 (13) 62922 коефіцієнт лінійного розширення матеріалу; t різниця температур між зубами втулки та обойми. Недоліком відомої зубчастої муфти є обмежена навантажувальна здатність, обумовлена перекосом прямих зубів відносно один одного. Найбільш близькою за технічною суттю до пропонованого рішення є зубчаста муфта з двовінцевими втулкою і обоймою, в котрій вінці відділені один від одного кільцевими канавками [Д. п. України на винахід № 60785. Зубчаста муфта / О. П. Попов, Л. О. Попова, Є. Ю. Форносов, Є. Є. Лученков - 2003021507; Заявл. 20.02.2003; Опубл. 15.10.2003. Бюл. № 10.]. Недоліком вказаної зубчастої муфти є незначне підвищення її навантажувальної здатності, що не відповідає у повній мірі вимогам, що пред'являються до зубчастих муфт. (11) Корисна модель належить до галузі машинобудування. Відома зубчаста муфта, яка містить втулку із зовнішніми прямими зубами і охоплюючу її і кінематично зв'язану з нею обойму із внутрішніми прямими зубами, котра в процесі зачеплення зубів здійснює передачу корисного навантаження і частоти обертання від одних валів іншим валам машин і механізмів, компенсуючи при цьому розцентровки осей з'єднувальних валів за рахунок наявності гарантованих величин бічних і радіальних зазорів між зубами [Попов А. П. Зубчатые муфты в судовых агрегатах. - Л.: Судостроение, 1985.-240 с.]. Fp - накопичена похибка окружних кроків;  t UA де b - ширина втулки; S  b  2a / 3 - зазор між зубом правого вінця втулки і зубом обойми до навантаження на відстані bm від торця муфти;  задана величина кута перекосу осей; m - модуль зачеплення; z - число зубів;  w - кут зачеплення; U mz 1  2t t sin  w  cos    2b  2a , 2 3 (19) jn min  b  2Fp cos  w  a  35 мм, крім того, зуби лівого і правого вінців втулки виготовлені зі зменшеною товщиною Sw 3 62922 Задача корисної моделі - кардинальне підвищення навантажувальної здатності зубчастої муфти шляхом перерозподілу навантаження між спряженими парами зубів. Для вирішення задачі в зубчастій муфті, яка складається із втулки та обойми з розташованими на них відповідно зовнішніми та внутрішніми прямими зубами, зубчаста втулка виконана складеною із трьох вінців з довжиною зубів bm  b  2a / 3 кожного із вінців, жорстко з'єднаних один з одним і розділених двома кільцевими канавками шириною a  35 мм, крім того, зуби лівого і правого вінців втулки виготовлені зі зменшеною товщиною Sw на величину 2S , а мініма jn min  b  2Fp cos  w  4 мінімальні нормальні бічні зазори jn min між зубами лівого і правого вінців і зубами обойми - збільшеними на ту саму величину 2S , при цьому раметри мулами: bm  bm, S, Sw і jn min знаходяться за b  2a ; 3 b  2a ; S   3 m 2b  2a  ; Sw   2 3 mz 1  2t t sin  w  cos    2b  2a , 2 3 де b - ширина втулки; S  b  2a / 3 зазор між зубом правого вінця втулки і зубом обойми до навантаження на відстані bm від торця муфти;  - задана величина кута перекосу осей; m - модуль зачеплення; z - число зубів;  w - кут зачеплення; Fp - накопичена похибка окружних кроків;  t - коефіцієнт лінійного розширення матеріалу; t - різниця температур між зубами втулки та обойми. Порівняльний аналіз з прототипом показує, що у зубчастій муфті, котра заявляється, яка складається із втулки та обойми з розташованими на них відповідно зовнішніми та внутрішніми прямими зубами, котрі знаходяться між собою в зачепленні, згідно з корисною моделлю, зубчаста втулка виконана складеною із трьох вінців з довжиною зубів bm  b  2a / 3 кожного із вінців, жорстко з'єднаних один з одним і розділених двома кільцевими канавками шириною a  35 мм, крім того, зуби лівого і правого вінців втулки виготовлені зі зменшеною товщиною Sw на величину 2S , а мінімальні нормальні бічні зазори jn min між зубами лівого і правого вінців і зубами обойми - збільшеними на ту саму величину 2S , при цьому параметри bm, S, Sw і jn min знаходяться із вище приведенихформул. У відповідності з фіг. 1 і 2 маємо наступні позначення: b - ширина тривінцевої зубчастої втулки; b1 ширина обойми; bm - довжина зубів кожного із вінців; a - ширина кільцевої канавки;  - задана величина кута перекосу осей; S - збільшення мінімального нормального бічного зазору між зубами лівих і правих вінців втулки та обойми; jn min - мінімальний нормальний бічний зазор між зубами лівих і правих вінців втулки та обойми. Зубчаста муфта складається із втулки, що містить лівий 1, середній 2, правий 3 вінці з прямими зубами, і обойми 4 також з прямими зубами. При цьому лівий, середній і правий вінці втулки містять зуби 5, 6 і 7, а обойма - зуби 8. Вказані зуби вінців втулки та обойми знаходяться між собою в зачепленні. При цьому вінці 1, 2 і 3 втулки відділені один від одного кільцевими канавками 9 і 10. Крім того, вказані лівий 1 і правий 3 вінці втулки жорстко з'єднані із середнім вінцем 2 втулки за допомогою штифтів 11 і 12. Вказані штифти розподілені рівномірно по окружностях, розташованих в торцях зубчастої муфти. Вісь обертання 13 зубчастої втулки характеризується кутом перекосу  відносно осі обертання 14 обойми. У зібраній конструкції всі зуби втулки розташовані між зубами обойми. Із фіг. 2 очевидно, що зуби 5,6 і 7, що належать трьом вінцям втулки, знаходяться між зубами 8 і 15. Для здійснення можливості компенсації розцентровок осей в зубчастій муфті передбачені гарантовані бічні і радіальні зазори. Центровка зубчастої муфти в залежності від величин перекосу осей навантаження, що передається, частоти обертання, а також від форми зубів здійснюється по бічних поверхнях зубів, або по діаметру впадин обойми. Конструкція тривінцевої зубчастої муфти, що розглядається, є нереверсивною, так як незалежно від напряму обертання дотримується ідентичний контакт зубів втулки з зубами обойми, що очевидно із фіг. 2. Зменшення товщини зубів лівого і правого вінців втулки здійснюється шляхом шліфування на спеціальних високоточних зубошліфувальних верстатах типу "Хоффлер" або "Пфаутер" німецького виробництва. Зубчаста муфта працює наступним чином. При навантаженні тривінцевої втулки крутним моментом від двигуна, вісь обертання 13 котрої повернута на кут  відносно осі 14 обойми, зовнішні зуби 5, 6 і 7 втулки почнуть впливати на внутрішні зуби 8 обойми (фіг. 2) або на внутрішні зуби 15 обойми в залежності від напряму обертання, здійснюючи при цьому передачу корисного навантаження і частоти обертання, наприклад від двигуна, виконавчому механізму. 5 В процесі роботи зубчастої муфти в умовах перекосу осей зусилля розподіляються украй нерівномірно між спряженими парами зубів. Так, наприклад, спряжена пара зубів, що знаходиться в площині перекосу осей, характеризується мінімальним навантаженням або повною відсутністю навантаження. Мінімальне навантаження зубів у вказаній площині характерне для випадку участі всіх зубів в зачепленні. Якщо при перекосі осей частина зубів виходить із зачеплення, то в цьому випадку спостерігається відсутність навантаження зубів. В площині, перпендикулярній площині перекосу осей, має місце максимальне навантаження спряжених пар зубів. На фіг. 2 показано випадок знаходження спряжених і ненавантажених зубів в площині, перпендикулярній площині перекосу осей. Із даної фіг. 2 очевидно, що в процесі навантаження зубчастої муфти зусилля будуть сприйматися двома спряженими парами зубів 7 і 8 (точка к), а також 6 і 15 (точка к1). В процесі навантаження вказаних зубів вони будуть контактувати один з одним по ділянках певних розмірів. Виходячи із умов контакту зубчастої муфти, що розглядається, можемо зробити висновок, що в процесі експлуатації на спряжені пари зубів 6 і 8, а також 7 і 8 буде діяти не повна величина сили Fn , як це має місце в традиційних одновінцевих зубчастих муфтах, а лише її половина, тобто Fn / 2 . Крім того, замість загальної довжини зубів b (ширини зубчастої втулки), характерної для традиційної зубчастої муфти, в пропонованій зубчастій муфті при розрахунках будуть фігурувати довжина зубів bm , де Fn  2T / mz - нормальна сила, діяча на будь-яку довільно взяту спряжену пару зубів при відсутності перекосу осей, тобто при   0 ; T - крутний момент, що передається муфтою. В процесі роботи зубчастої муфти при перекосах осей в зачепленні зубів діють пружні згинальні моменти від дії неврівноважених зусиль і сил тертя, котра негативно впливає на роботу елементів трансмісії. Попередньо встановлено, що величина пружно-згинального моменту від дії неврівноважених зусиль в зачепленні пропонованої зубчастої муфти приблизно в 2/ 1 кm  рази перевищує вказаний згинальний момент, який має місце в традиційній одновінцевій конструкції зубчастої муфти, де кm  bm / b - коефіцієнт. На доповнення до сказаного слід відмітити, що пружні згинальні моменти в зубчастих муфтах приблизно в 5…7 разів менше пружних згинальних моментів від сил тертя. В результаті виконаних рішень на основі [Попов А. П. Зубчатые муфты в судовых агрегатах. Л.: Судостроение, 1985.-240 с.] знайдені вирази максимального зусилля Fn max   , діючого на найбільш навантажену спряжену пару зубів, а також функції A   параметричного кута  , котрі мають вигляд: 62922 6 Fn max    Fn b  2a  sin   1  ;  4 6      A    sin    cos   (1) 3Fn , 2b  2a  (2) де  - параметричний кут, що характеризує вихід із зачеплення частини зубів, котрий змінюється в межах 0    90 ;   7  106 мм/Н - сумарна податливість спряженої пари зубів. Формула (1) характеризує участь в зачепленні частини зубів. Якщо в зачепленні беруть участь всі зуби, то в цьому випадку, прийнявши кут    / 2 , перетворимо формулу (1) до виразу Fn max  Fn   2 b  2a   . 2 6 (3) Мінімальний нормальний бічний зазор між зубами в традиційній зубчастій муфті знаходиться за формулою [Попов А. П. Зубчатые муфты в судовых агрегатах. - Л.: Судостроение, 1985.-240 с.]: jn min  b  2Fp cos  w  mz 1 2t t sin  w  cos   ,(4) 2 а в пропонованій зубчастій муфті із виразу: jn min  b  2Fp cos  w   . mz 1  2 t t sin  w  cos    2b  2a 2 3 (5) Для оцінки ефективності нової конструкції зубчастої муфти, що розглядається, виконаємо розрахунки, виходячи із N  20000 кВт; n  5000 об/хв.; m  5 мм; z  60 ; w  20 ; b  66 мм;   7  106 мм/Н; Fp  0,09 мм;  t  1,1 105 ; t  20C ; 3   8,7  10 рад. По загальновідомих формулах 3 знаходимо 6 T  9550N / n  38,2  10 H  м  38,2  10 Н  мм ; Fn  2T / mz2 cos  w  4716H . мм, тоді Приймаємо bm  66  2  3 / 3  20 a3 мм; A   Fn / 2bm  0,298 . У відповідності зі знайденим значенням функції A   по формулі (2) знаходимо кут   57,25 . Так як кут   90 , що означає вихід із зачеплення частини зубів при перекосі осей, то, скориставшись виразом (1), знайдемо максимальну величину зусилля Fn max    5678H . При цьому коефіцієнті перенавантаження зубів складе кF1  Fn max   / Fn  5678 / 4716  1204 . Крім , того, величина пружного згинального моменту від дії неврівноважених зусиль в зубчастій муфті, що розглядається, у порівнянні з традиційною однові 7 нцевою зубчастою муфтою знизиться в 2 / 1 bm / b  2 / 1 20 / 66  1535 разу. , Величини мінімальних нормальних бічних зазорів jn min між зубами в традиційній і пропонованій конструкції зубчастих муфт, що знаходяться за формулами (4) і (5), відповідно будуть рівні 0,743588 мм і 1,091588 мм. Крім того, модуль m збільшиться на 0,348 мм, а товщина зубів зменшиться зі значення Sw  m / 2  7,85 мм до значення Sw  7,502 мм. Стосовно одновінцевої традиційної зубчастої муфти у відповідності з [Попов А. П. Зубчатые муфты в судовых агрегатах. - Л.: Судостроение, 1985.-240 с.] знайдемо A   0,1805 ;   47,75 ; Fn max    13741 Н і кF2  13741/ 4716  2,856 . Із порівняння між собою коефіцієнтів кF1  1204 і , кF2  2,836 очевидно, що навантажувальна здатність пропонованої зубчастої муфти в 62922 8 кF2 / кF1  2,373 разу вище традиційної конструкції зубчастої муфти. Виконані розрахунки підтвердили достатньо високу ефективність пропонованого технічного рішення, що дозволяє використовувати нову конструкцію зубчастої муфти не лише при кутах перекосу осей   8,7  103 рад, але й при кутах  , котрі значно перевищують вищевказаний кут  . Економічний ефект від впровадження пропонованого технічного рішення забезпечується за рахунок підвищення в 2 і більше разів навантажувальної здатності зубчастої муфти і її ефективності. Суспільна користь технічного рішення, що заявляється, полягає у покращенні віброакустичних характеристик зубчастої муфти за рахунок зниження рівня вібрації і шуму (промсанітарія) внаслідок суттєвого зниження ударного навантаження зубів за рахунок зменшення діючого на них навантаження. 9 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 62922 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601