Зубчаста муфта

Реферат: Винахід належить до загального машинобудування. Зубчаста муфта складається із обойми з внутрішніми прямими зубами та охоплюючої її і кінематично зв'язаної з нею втулки з зовнішніми зубами, котрі знаходяться між собою в зачепленні. Зовнішні зуби втулки виконані зі змінною бочкоподібністю в межах їх довжини. Змінний радіус бочкоподібності R зовнішніх зубів знаходиться з певного співвідношення. Технічним результатом є спрощення технології виготовлення з одночасним забезпеченням рівномірності зусиль між зубами. UA 108010 C2 (12) UA 108010 C2 UA 108010 C2 5 10 15 20 25 Винахід належить до галузі машинобудування. Відома зубчаста муфта, що містить обойму з внутрішніми прямими евольвентними зубами та охоплюючої її і кінематично зв'язаної з нею втулки з бочкоподібними зубами, котра в процесі взаємодії зубів один з одним здійснює передачу корисного навантаження і частоти обертання від одних валів іншим валам машин і механізмів, компенсуючи при цьому перекоси осей з'єднувальних валів з урахування наявності гарантованих величин бічних і радіальних зазорів між зубами [1]: Попов А.П. Зубчатые муфты в судовых агрегатах. - Л.: Судостроение, 1985. 240с. Недоліком відомої зубчастої муфти є обмежена навантажувальна здатність, обумовлена вкрай нерівномірним розподіленням зусиль між спряженими парами зубів в умовах перекосу осей з'єднувальних валів. Найбільш близьким за технічною суттю до пропонованого рішення є прийнята за прототип зубчаста муфта, що складається із обойми з внутрішніми зубами, скошеними під деяким кутом відносно їх середини до торців та охоплюючої її і кінематично зв'язаної із нею втулки з бочкоподібними зубами, котрі знаходяться між собою в зачепленні [2]: А.с. 1504394 СССР. Зубчатая муфта/А.П. Попов (СССР). - 4089604 / 31-27; Заявл. 09.07.86; Опубл. 30.08.89. Бюл. № 32. Недоліком вказаної зубчастої муфти є вкрай важка технологія виготовлення поздовжньо модифікованих внутрішніх зубів обойми, яка передбачає отримання вказаних скошених зубів відносно їх середини до торців. Задача корисної моделі - спрощення технології виготовлення шляхом виключення поздовжньої модифікації внутрішніх зубів обойми та застосування нової раніше відомої поздовжньої модифікації зовнішніх зубів втулки. Для рішення задачі в зубчастій муфті, що складається із обойми з внутрішніми скошеними відносно середини до торців зубами, та охоплюючої її і кінематично зв'язаної з нею втулки з бочкоподібними зубами, внутрішні зуби обойми виконані прямими, а зовнішні зуби втулки виконані зі змінною бочкоподібністю в межах їх довжини, при цьому змінний радіус бочкоподібності R зовнішніх зубів знаходяться із виразу: R  30 35 40 45 50 mz cos  w  w  tg , 2 де m - модуль зачеплення; z - число зубів;  w - кут зачеплення;  - кут повороту довільно взятої спряженої пари зубів. Порівняльний аналіз з прототипом показує, що зубчаста муфта, котра заявляється, що складається із обойми з внутрішніми скошеними відносно середини до торців зубами, та охоплюючої її і кінематично зв'язаної з нею втулки з бочкоподібними зубами постійної кривизни, котрі знаходяться між собою в зачепленні, яка відрізняється тим, що внутрішні зуби обойми виконані прямими, а зовнішні зуби втулки виконані зі змінною бочкоподібністю в межах їх довжини, при цьому змінний радіус бочкоподібності R зовнішніх зубів знаходяться із вищенаведеного виразу. Порівняння технічного рішення, що заявляється, не лише з прототипом, але й з іншими технічними рішеннями в даній галузі техніки, не виявило в них ознаки, характерні для технічного рішення, яке заявляється, що дозволяє зробити висновок про відповідність критерію "винахідницький рівень". На фіг. 1 зображена зубчаста муфта, а на фіг. 2 - переріз зубів А - А, що відповідає фіг. 1. На фіг. 3 - дано переріз однієї четверті зовнішнього зуба втулки з урахуванням зміни параметрів бочкоподібності S i і радіусів бочкоподібності R в межах половини довжини зуба. У відповідності з фіг. 1-3 маємо наступні позначення:  - заданий кут перекосу осей з'єднувальних валів агрегатів; b - довжина зовнішніх зубів; b 1 - довжина внутрішніх зубів, при цьому b1  b на 5…10 мм; R - радіус бочкоподібності зовнішніх зубів втулки у довільно взятій точці, котра характеризується кутом повороту  ; S max - максимальна величина параметру бочкоподібності в торцях зубів; S a , S b , S e , S u , S k , S m , S n , S o , S p , S r - параметри бочкоподібності зовнішнього 1 UA 108010 C2 зуба у відповідних точках а, b, e, u, k, m, n, о, р, r; R a ,R b ,R e ,R u ,R k ,R m ,R n ,R o ,R p ,R r - радіус 5 10 бочкоподібності зовнішнього зуба в точках a, b, e,u,k,m,n, o, p, r криволінійної твірної бічної поверхні зуба. Зубчаста муфта складається із втулки 1 і обойми 2 з розташованими на них відповідно зовнішніми зубами 3 зі змінною бочкоподібністю, котра характеризується змінним радіусом кривизни R , а також внутрішніми прямими зубами 4. Вісь обертання втулки 5, що співпадає при відсутності перекосу осей з'єднувальних валів машин і механізмів з віссю обойми 6, у випадку перекосу осей на кут  займає положення, вказане на фіг. 1, тобто положення 6. Прямі внутрішні зуби 4 обойми 2 розташовано у середньому ненавантаженому положенні на відстані нормального бічного напівзазору відносно зовнішнього зуба 3 втулки 1. При цьому твірна 7 бічної поверхні зовнішнього зуба 3 втулки 1 є криволінійною, описаною змінним радіусом кривизни R . Вказаний радіус кривизни R в середині зуба (точка a )   дорівнює нескінченності, тобто R   R a   , і він зменшується до торця зуба до мінімальної 15 20 25 30 35 40 45 50 55   величини R   R r  R min (точка r ). Зменшення радіусу кривизни R від середини зуба до його торця призводить, навпаки, до зростання параметру криволінійності (бочкоподібності) від нульового до максимального значення. Всередині зуба при цьому параметр S a  0 , а в торці зуба він досягає величини R r  S max . Зубчаста муфта працює наступним чином. При навантаженні втулки 1 крутним моментом, вісь 5 котрої перекошена на кут  відносно вісі 6 обойми 2, зовнішні зуби 3 втулки будуть діяти на внутрішні зуби 4 обойми 2, здійснюючи при цьому передачу корисної потужності і частоти обертання від одних валів іншим валам машин і механізмів. Для здійснення компенсації розцентрувань осей у вигляді зламів і зсувів, виражених через кут перекосу  , в зубчастій муфті передбачені гарантовані величини бічних і радіальних зазорів, в межах котрих відбувається відносне переміщення спряжених пар зубів. В процесі експлуатації зубчастої муфти, що розглядається, в умовах перекосу осей з'єднувальних валів, навантаження котре передається у вигляді зосереджених зусиль, діючих на усі спряжені пари зубів, як і порівнюваній зубчастій муфті з поздовжньо модифікованими не лише зовнішніми, але й внутрішніми зубами, розподіляється рівномірно між зубами. Вказане рівномірне розподілення зусиль між зубами досягається за рахунок їх одночасного входу у зачеплення внаслідок рівномірного розподілення нормальних бічних зазорів між зубами до їх навантаження. При цьому рівномірне розподілення нормальних бічних зазорів між зубами в умовах перекосу осей досягається за рахунок поздовжньої модифікації зубів, при якій твірні бічних поверхонь зубів знаходиться по заздалегідь знайдених законах їх змінення. При роботі навантаженої зубчастої муфти в умовах перекосу осей з'єднувальних валів машин і механізмів відбувається обкатування зубів один по одному з урахуванням ковзання. При перекосі осей валів в процесі роботи зубчастої муфти під навантаженням в зачепленні виникають так звані неврівноважені зусилля, зміщені до торців зубів, а також сили тертя внаслідок відносного проковзування робочих зубів при ковзанні, дія котрих призводить до виникнення в зачепленні пружних згинальних моментів, в зв'язку із чим останні оказують негативний вплив на роботу з'єднувальних валів. У зубчастій муфті що розглядається внаслідок рівномірного розподілення зусиль між зубами величина пружних згинальних моментів може бути зменшена в два і більше рази у порівнянні з традиційними конструкціями зубчастих муфт, що супроводжується зниженням негативного впливу вказаних моментів на роботу трансмісій енергетичних установок. Отже, пропонована зубчаста муфта, яка характеризується в процесі роботи рівномірним розподіленням зусиль між всіма спряженими парами зубів, являє собою ідеальний шарнір, в зв'язку із чим вказані зубчаті муфти на теперішній час не мають аналогів в сучасному машинобудуванні. При цьому слід також відзначити, що поздовжня модифікація лише зовнішніх зубів здійснюється шляхом використання високоточних зубошліфувальних верстатів, наприклад німецького виробництва, і не викликає будь-яких ускладнень при виготовленні пропонованих зубчастих муфт. В той же час поздовжня модифікація внутрішніх зубів обойми, окрім варіанту, коли вказані зуби характеризуються скосами відносно їх середини до їх торців під деяким 2 UA 108010 C2 5 постійним кутом  0 , для всіх інших випадків поздовжньої модифікації зубів на теперішній час технологічно не здійсненна. Для знаходження залежності радіуса R скористаємося роботою [3]: Попов, А.П. Исследование законов распределения зазоров между зубьями зубчатых муфт с различными формами образующих боковых поверхностей зубьев [Текст] / А.П. Попов // Смазка и трение в судовых машинах. Сб. науч. тр. - Николаев: НКИ, 1992. - С. 30-46, виходячи з якої запишемо функцію розподілення нормальних бічних зазорів jn  між ненавантаженими зубами в умовах перекосу осей для зубчастої муфти з прямими внутрішніми і бочкоподібними зовнішніми зубами.   10 jn   jn R 2 mz 2 sin    w cos cos  ,  cos2   2 2 cos  w 4 де R 15 jn - нормальний бічний зазор між зубами при відсутності перекосу осей; - радіус бочкоподібності зовнішніх зубів втулки; m - модуль зачеплення; z - число зубів;  w - кут зачеплення;   20 - кут повороту довільно взятої спряженої пари зубів; - кут перекосу осей. Для рівномірного розподілення нормальних бічних зазорів між зубами, котрі знаходяться в середньому ненавантаженому положенні відносно один одного, необхідно, як випливає із вищенаведеного рівняння, передбачити рівність jn   jn / 2  const . Вказана рівність можлива у випадку рівності нулю суми другого і третього доданків правої частини приведеного вище рівняння, а саме:   R 2 mz 2 sin    w cos cos   0 . cos2   2 cos  w 4 Виходячи із даної рівності і вважаючи R  R , запишемо mz cos  w  w  tg , R  2  25 що й потрібно було довести. Для знаходження параметрів поздовжньої модифікації зовнішніх зубів втулки пропонованої зубчастої муфти як приклад візьмемо суднову зубчасту муфту, у якої m  5 мм; z  50 ; 30 35 40 45  w  20 и b  50 мм. Розділимо півдовжину зуба b / 2  50 / 2  25 мм на десять рівних частин, в зв'язку із чим (у відповідності з фіг. 3 ціна одного розподілу буде рівна ab=be = еu=uk=km=mn=nо = оp = рr=2,5 мм. При цьому точки а, b, e, u, k, m, n, о, р, r по куту повороту  відстоять одна від одної приблизно на 10°. У відповідності із чим визначаємо, що точкам а, b, e, u, k, m, n, о, р і r відповідають кути повороту  = 90°; 80°; 70°; 60°; 50°; 40°; 30°; 20°; 10° і 0°. По вищенаведеній формулі радіуси кривизни у вказаних точках у відповідності із величинами кута  = 90°; 80°; 70°; 60°; 50°; 40°; 30°; 20°; 10° і 0°, котрі рівні Ra = ∞; Rb=707,38 мм; Re=367,78 мм; Ru=244,52 мм; Rk=182,80 мм; Rm=141,35 мм; Rn=108,85 мм; Ro=83,78 мм; Rp=61,72 мм і Rr=41,02 мм. З урахуванням знайдених величин кутів перекосу осей і ціни розподілу ab=be = еu=uk=km=mn=nо = оp=pr=2,5 мм знайдемо параметри кривизни (бочкоподібності) поздовжньої модифікації зовнішніх зубів втулки у вказаних на фіг. 3 точках, а саме: ΔSa=0; ΔSb = 2 . 2 . ΔSa+2,5 /2 707,38 мм = 0,0044 мм; ΔSe = ΔSb+2,5 /2 367,78 мм = 0,129 мм; ΔSu = 2 . 2 . 2 . ΔSe+2,5 /2 244,52 мм = 0,142 мм; ΔSk = ΔSu+2,5 /2 182,80 мм = 0,159 мм; ΔSm = ΔSk+2,5 /2 141,35 2 . 2 . мм = 0,181 мм; ΔSn = ΔSm+2,5 /2 108,85 мм = 0,210 мм; ΔSo = ΔSn+2,5 /2 83,78 мм = 0,247 мм; 2 . 2 . ΔSp = ΔSo+2,5 /2 61,72 мм = 0,298 мм і ΔSr = ΔSp+2,5 /2 41,02 мм = 0,374 мм, при цьому ΔSr = ΔSmax. Отже, у відповідності із знайденими величинами радіусів Ra, Rb, Re, Ru, Rk, Rm, Rn, Ro, Rp, Rr і параметрів бочкоподібності ΔSa, ΔSb, ΔSe, ΔSu, ΔSk, ΔSm, ΔSn, ΔSo, ΔSp, ΔSr маємо конкретну форму пропонованих твірних бічних поверхонь зовнішніх зубів втулки. В процесі виробництва 3 UA 108010 C2 5 10 15 зубчастої муфти вказана форма досягається шляхом використання високоточних зубошліфувальних верстатів німецького виробництва. Таким чином, пропонована зубчаста муфта, в якій поздовжній модифікації піддаються лише зовнішні зуби втулки, характеризуються, на відміну від прототипу, простою технологією виготовлення. В цілому, виходячи із вищевикладеного можемо підбити підсумок, що вперше встановлено раніше невідому об'єктивно існуючу властивість зубчастої муфти, працюючої при перекосах осей з'єднувальних валів, яка полягає в тому, що при певному нелінійному законі зміни твірних бічних поверхонь зовнішніх зубів втулки зусилля в процесі навантаження муфти розподіляються рівномірно між всіма спряженими парами зубів. Економічний ефект від впровадження пропонованого технічного рішення забезпечується за рахунок суттєвого спрощення технології виготовлення зубів. Суспільна користь технічного рішення, що заявляється, полягає у покращенні віброакустичних характеристик пропонованої зубчастої муфти за рахунок зниження, як показали виконані розрахунки, рівня вібрації і шуму приблизно на 8…10 децибел (промислова санітарія) за рахунок рівномірного розподілення зусиль між всіма спряженими парами зубів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 Зубчаста муфта, що складається із обойми з внутрішніми зубами, та охоплюючої її і кінематично зв'язаної з нею втулки з бочкоподібними зовнішніми зубами, котрі знаходяться між собою в зачепленні, яка відрізняється тим, що внутрішні зуби обойми виконані прямими, а зовнішні зуби втулки виконані зі змінною бочкоподібністю в межах їх довжини, при цьому змінний радіус бочкоподібності R  зовнішніх зубів втулки знаходиться із виразу:   25 R  mz cos  w  w  tg , 2 де m - модуль зачеплення; z - число зубів;  w - кут зачеплення;  - кут повороту довільно взятої спряженої пари зубів. 4 UA 108010 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 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 5