Зубчаста муфта

Реферат: Зубчаста муфта складається із втулки з зовнішніми бочкоподібними евольвентними зубами та охоплюючої її обойми з прямими внутрішніми евольвентними зубами, скошеними відносно їх середини до торців, котрі знаходяться між собою в зачепленні. Внутрішні зуби обойми виконані бочкоподібними з радіусом кривизни R2, який за своєю величиною менше радіуса кривизни R1 зовнішніх бочкоподібних зубів втулки, тобто R2 < R1. UA 102164 U (54) ЗУБЧАСТА МУФТА UA 102164 U UA 102164 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі машинобудування. Відома зубчаста муфта, що містить втулку з зовнішніми прямими або бочкоподібними евольвентними зубами та охоплюючої її обойму з внутрішніми прямими евольвентними зубами, котрі в процесі зачеплення здійснюють передачу обертання і навантаження у вигляді крутного моменту від одних валів іншим валам машин і механізмів, компенсуючи при цьому перекоси 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.] Недоліком відомої зубчастої муфти є низька навантажувальна здатність, обумовлена вкрай нерівномірним розподіленням зусиль між спряженими парами зубів внаслідок їх перекосів відносно один одного. Найбільш близьким аналогом за технічною суттю до пропонованої корисної моделі є зубчаста муфта, що складається із втулки з зовнішніми бочкоподібними евольвентними зубами та охоплюючої її обойми з внутрішніми прямими евольвентними зубами, скошеними відносно їх середини до торців [АС СРСР.№ 1504394 Зубчатая муфта / А.П. Попов (СССР). - 4089604 / 3127; Заявл. 09.07.86; Опубл. 30.08.89. Бюл. № 32.] Недоліком вказаної зубчастої муфти є високі контактні напруження, обумовлені моделлю контакту циліндра (бочкоподібний зуб) з ломаною площиною (скошений зуб). Задачею корисної моделі є суттєве зниження величин контактних напружень і підвищення навантажувальної здатності зубчастої муфти. Поставлена задача вирішується тим. що в зубчастій муфті, що складається із втулки з зовнішніми бочкоподібними евольвентними зубами та охоплюючої її обойми з прямими внутрішніми евольвентними зубами, скошеними відносно їх середини до торців, котрі знаходяться між собою в зачепленні, згідно з корисною моделлю, внутрішні зуби обойми виконані бочкоподібними з радіусом кривизни R2, котрий за своєю величиною менше радіуса кривизни R1 зовнішніх бочкоподібних зубів втулки, тобто R2 0, займає вказане положення 5. При відсутності перекосу осей зовнішні бочкоподібні зуби 3 втулки можуть займати середнє положення відносно внутрішніх зубів 3 і 7 обойми 2. Твірні 8 і 9 бічних поверхонь бочкоподібних зубів відповідно втулки 1 і обойми 2 є криволінійними з радіусами кривизни відповідно R1 і R2, що знаходяться із виразів: R1  b 2 / 8S і R2  2R1 / 2R1  mz  w cos  w  ; S  0,03...0,10 мм - параметр, що характеризує кривизну бочкоподібних зубів в їх торцевих перерізах, тобто на відстані b/2 відносно середини зубів. В зубчастій муфті, що порівнюється (найближчий аналог) твірні бічних поверхонь зубів 10 обойми являють собою сукупність ломаних прямих ліній 11, отриманих шляхом скосів зубів відносно їх середини на кут ψ0. Висота зубів муфти ha менше такої зубів висоти зубчастих передач, і вона дорівнює h  ha  h ƒ  185m , де ha  0,8m і h ƒ  1,05m - відповідно висота голівки і ніжки зубів; m , модуль зачеплення. Для здійснення можливості компенсації розцентровок осей з'єднувальних валів конструктивно передбачено наявність гарантованих величин радіальних с і бічних jn зазорів. Для підвищення зносостійкості і контактної міцності зуби зубчастих муфт, як правило, підлягають хіміко-термічному зміцненню шляхом азотування або цементації. Хіміко-термічне 1 UA 102164 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 зміцнення зубів дозволяє до двох раз збільшити контактну міцність їх робочих поверхонь і значно підвищити їх зносостійкість. Довжина внутрішніх зубів обойми b1 приймається більше довжини зовнішніх зубів втулки b на 10…14 мм. Вказане співвідношення між довжинами b і b1 зубів муфти передбачає можливість запобігання впливу осьових переміщень зубів відносно один одного при теплових розширеннях, котрі, як правило, порушують умови контактної взаємодії спряжених пар зубів. Зубчаста муфта працює наступним чином. При навантаженні втулки 1 крутним моментом, що передається двигуном, вісь 5 котрої повернута на кут ψ відносно вісі 6 обойми 2, зовнішні зуби 3 втулки 1 почнуть діяти на внутрішні зуби 4 обойми 2, здійснюючи таким чином передачу навантаження і частоти обертання від одних валів іншим валам машин і механізмів. Для здійснення компенсації розцентровок осей у вигляді зламів і зсувів, виражених через кут перекосу ψ, в зубчастій муфті передбачені гарантовані величини бічних і радіальних зазорів, в межах котрих відбувається відносне переміщення спряжених пар зубів. В процесі роботи зубчастої муфти в умовах перекосу осей зусилля, переміщуючись по висоті і по довжині зубів, розподіляються вкрай нерівномірно між спряженими парами зубів, нерідко досягаючи неприйнятних величин. У зв'язку із цим, в пропонованій зубчастій муфті з бочкоподібними, тобто поздовжньо модифікованими зубами, здійснюється рівномірне розподілення навантаження між всіма спряженими парами зубами. При роботі навантаженої зубчастої муфти в умовах перекосу осей з'єднуваних валів здійснюється обкатування зубів один по одному з урахуванням ковзання. При цьому максимальні значення швидкостей кочення і ковзання не співпадають. Необхідно також відмітити, що при перекосі осей з'єднуваних валів в зубчастій муфті виникають неврівноважені зусилля і сили тертя, які призводять до появи пружних згинальних моментів, котрі негативно впливають на роботу трансмісії. В пропонованій зубчастій муфті внаслідок рівномірного розподілення зусиль між всіма спряженими зубами величина пружних згинальних моментів знижується не менше чим у два рази, що призводить до різкого зменшенню негативного впливу вказаних моментів на роботу трансмісій енергетичних установок. Слід також відмітити, що в пропонованій зубчастій муфті при контакті двох пружно стислих циліндрів з радіусами R1 і R2 (точка контакту к, фіг. 3) величина максимальних контактних напружень σH значно менше такої, що має місце в порівнювальній зубчастій муфті (точка контакту к, фіг. 4). Таким чином, пропонована зубчаста муфта, що характеризується в процесі роботи рівномірним розподіленням зусиль між всіма спряженими парами зубів, являє собою ідеальний шарнір. Виникаючі максимальні значення контактних напружень у зубчастій муфті що розглядається суттєво нижче таких, що мають місце в традиційних конструкціях зубчастих муфт, в зв'язку із чим вказана зубчаста муфта на сьогоднішній день не має аналогів в сучасному машинобудуванні. Розглянемо вивід рівняння радіуса R2 в пропонованій зубчастій муфті, скориставшись залежністю розподілення нормальних бічних зазорів j n(φ) між зубами при відсутності навантаження в умовах перекосу осей, котра має вигляд [1]: Попов А.П. Зубчатые муфты в судовых агрегатах. - Л.: Судостроение, 1985. - 240 с. jn R1 2  R  mz  2 1  1  cos 2   sin    w cos cos  .  2 2 cos  w  R 2  4   Для рівномірного розподілення нормальних бічних зазорів jn між зубами фіг. 2 необхідно у вищенаведеному рівнянні прийняти рівною нулю суму другого, третього і четвертого доданків, а саме: jn   50 R1 2  R  mz  2 1  1  cos 2   sin    w cos cos   0 . 2 cos  w  R 2  4   Виходячи з того, що мінімальний зазор між зубами має місце у площині перекосу, котрий характеризується кутом φ = 0°, запишемо у кінцевому вигляді вираз радіуса R2, прийнявши у вищенаведеному рівнянні кут φ = 0°. 2R1 . R2  2R 2  mz  w cos  w  2 UA 102164 U Для знаходження максимальних контактних напружень σH стосовно до прототипу в точці к (фіг. 4) при коефіцієнтах Пуассона 1   2   і модулях пружності матеріалів E1  E 2  E проф. О.П. Поповим отримана залежність     2 1   2 Fn 2 E   0    1 0    (1) hpR1E , H   2 2 1     5 Якщо в рівнянні (1) прийняти кут скосу зубів ψ0=0, то в цьому випадку дане рівняння прийме вигляд  H  0,418 10 15 EF n , h p R1 (2) Рівняння (2) характеризує пружну взаємодію радіусом R1 з площиною, і воно цілковито і повністю співпадає з відомим рівнянням Герца для вказаної моделі контакту тіл. Стосовно фіг. 3 розрахунок напружень σH слід проводити за формулою (2) з тією лише різницею, що замість радіусу R1 у вказану формулу слід підставити приведений радіус кривизни R w  R1R 2 / R1  R 2  . При заміні радіуса R1 приведеним радіусом кривизни Rw буде мати місце пружне стиснення двох циліндрів з радіусами R1 і R2. У формулах (1) - (2) під Fn розуміється нормальна сила, діюча на спряжену пару зубів, а під hp=1,6m - робоча висота зубів. При знаходженні кута скосу зубів ψ0 (фіг. 4) слід користуватися отриманою формулою котра має вигляд 0     4  2   w  mz cos  w     1    , (3) 2  R1   20 25 30 35 40 45 В якості прикладу виконаємо розрахунок суднової зубчастої муфти, виконаної із високолегованої сталі 18ХНВА, що характеризується наступними даними: z=60; m=5 мм; 5 3 αw=20°; b=40 мм; b1=50 мм; ν = 0,3; E=2,1·10 МПа; Fn=4·10 H; hp=1,6m=1,6·5=8 мм; ψ = 8,7·10 3 рад; R1=3000 мм. -3 За наведеною вище формулою (3) знаходимо кут ψ0=3,23·10 рад, в зв'язку із чим, виходячи із залежності (1), знаходимо σH=396,3 МПа. Потім, на основі виразу радіуса R2 (див. формулу винаходу) знаходимо його величину, тобто R2=2950 мм. Виходячи із величин радіусів R1=3000 мм і R2=2950 мм, знаходимо приведений радіус кривизни Rw=3000-2950/(3000+2950) = 1483 мм. Маючи значення радіусу Rw, за формулою (2), замінивши радіус R1=3000 мм приведеним радіусом кривизни Rw=1483 мм, знайдемо величину максимальних контактних напружень σH=112,5 МПа. Таким чином, в пропонованій зубчастій муфті максимальна величина контактних напружень зменшились в 396,3/112,5=3,52 рази у порівнянні з такою в порівнювальній зубчастій муфті. Вказане зменшення напружень еквівалентно підвищенню навантажувальній здатності по 2 контактними напруженням в 3,52 =12,4 рази. Виходячи з вищевказаного, пропонована зубчаста муфта характеризується дуже високою навантажувальною здатністю по контактних напруженнях у порівнянні з усіма існуючими конструкціями інших зубчастих муфт, у зв'язку із чим вона не має аналогів в сучасному машинобудуванні. Економічний ефект від впровадження пропонованої зубчастої муфти слід очікувати за рахунок збільшення її строку служби, або за рахунок зниження матеріалоємності конструкції. Суспільна користь запропонованої корисної моделі полягає у покращенні віброакустичних характеристик пропонованої зубчастої муфти за рахунок рівномірного розподілення зусиль між всіма спряженими парами зубів і покращеної контактної взаємодії зубів, що знаходяться в зачепленні (промислова санітарія). 3 UA 102164 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Зубчаста муфта, що складається із втулки з зовнішніми бочкоподібними евольвентними зубами та охоплюючої її обойми з прямими внутрішніми евольвентними зубами, скошеними відносно їх середини до торців, котрі знаходяться між собою в зачепленні, яка відрізняється тим, що внутрішні зуби обойми виконані бочкоподібними з радіусом кривизни R2, який за своєю величиною менше радіуса кривизни R1 зовнішніх бочкоподібних зубів втулки, тобто R2 < R1, при цьому радіус кривизни R2 знаходиться із виразу: 2R1 , R2  2R 2  mz  w cos  w де R1  b 2 / 8S - радіус кривизни твірних бічних поверхонь зовнішніх зубів втулки; S  0,03...0,10 мм - параметр, що характеризує кривизну бочкоподібних зубів в їх торцевих перерізах, тобто на відстані b / 2 відносно середини зубів; b - довжина зовнішніх зубів; m модуль зачеплення; z - число зубів;  w - кут зачеплення. 4 UA 102164 U 5 UA 102164 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6