Зубчаста муфта

Реферат: Винахід належить до галузі машинобудування. Зубчаста муфта, що складається із обойми з внутрішніми прямими зубами і втулки з трьома вінцями однакової довжини, розділеними відносно один одного двома кільцевими канавками і такими, що містять зовнішні прямі зуби, котрі знаходяться в зачепленні з зубами обойми, яка відрізняється тим, що втулка виконана одновінцевою з розташованими на ній зовнішніми скошеними під кутом  прямими зубами відносно їх середини на відстані b/2, при цьому кут  знаходиться із співвідношення     c , де b - довжина зовнішніх зубів втулки;  - заданий кут перекосу осей;  c  2 /(n  1) - кут, що характеризує положення скошеної ділянки половини довжини зовнішнього зуба при перекосі осей на кут  відносно прямого зуба обойми; n - коефіцієнт, визначаючий розмір довжини ділянки контакту скошеної ділянки зовнішнього зуба в умовах навантаження, що змінюється у межах 10  n  100. UA 106788 C2 (12) UA 106788 C2 UA 106788 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі машинобудування. Відома зубчаста муфта, що складається із втулки з прямими зовнішніми зубами і охоплюючої її і кінематично зв'язаної з нею обойми з прямими внутрішніми зубами, котра в результаті 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 за рахунок гарантованих величин радіальних і бічних зазорів між зубами [1]: Попов А.П. Зубчатые муфты в судовых агрегатах. -Л.: Судостроение, 1985. - 240 с. Недоліком відомої зубчастої муфти є вкрай високі контактні напруження в зубах при експлуатації їх в умовах перекосу осей, котрі недопустимо обмежують навантажувальної здатність вказаної муфти. Найбільш близьким за технічною суттю до пропонованого рішення є зубчаста муфта котра складається із обойми з прямими внутрішніми зубами і втулки з трьома вінцями однакової довжини, розділеними відносно один одного двома кільцевими канавками [2]: Патент № 62922 на корисну модель. Україна. Зубчаста муфта/ О.П. Попов, О.І. Савенков - u 201100858; заявл. 26.01.11; опубл. 26.09.11. Бюл. № 18. Недоліком вказаної зубчастої муфти є важка технологія виготовлення тривінцевої втулки і недостатнє зниження величин контактних напружень, що особливо наглядно проявляється при зростанні кутів перекосу осей, що реалізуються муфтою. Задача винаходу - спрощення технології виготовлення зубів втулки і кардинальне зниження величин контактних напружень, направлене на підвищення навантажувальної здатності муфти або на збільшення кутів перекосу осей з'єднувальних валів агрегатів. Для рішення задачі в зубчастій муфті, що складається із обойми з внутрішніми прямими зубами і втулки з трьома вінцями однакової довжини, розділеними відносно один одного двома кільцевими канавками і такими, що містять зовнішні прямі зуби, котрі знаходяться в зачепленні з зубами обойми, втулка виконана одновінцевою з розташованими на ній зовнішніми скошеними під кутом λ прямими зубами відносно їх середини на відстані b/2, при цьому кут λ знаходиться із співвідношення λ=ψ+ψс, де b - довжина зовнішніх зубів втулки; ψ - заданий кут перекосу осей; ψс=2ψ/(n-1) - кут, що характеризує положення скошеної ділянки половини довжини зовнішнього зуба при перекосі осей на кут ψ відносно прямого зуба обойми; n - коефіцієнт, визначаючий розмір довжини ділянки контакту скошеної ділянки зовнішнього зуба в умовах навантаження, що змінюється у межах 10n100. Зіставлювальний аналіз з прототипом показує, що зубчаста муфта, яка заявляється, котра складається із обойми з внутрішніми прямими зубами і втулки з трьома вінцями однакової довжини, розділеними відносно один одного двома кільцевими канавками і такими, що містять зовнішні прямі зуби, котрі знаходяться в зачепленні з зубами обойми, яка відрізняється тим, що втулка виконана одновінцевою з розташованими на ній зовнішніми скошеними під кутом λ прямими зубами відносно їх середини на відстані b/2, при цьому кут λ, знаходиться, виходячи із вищевказаних співвідношень, де b - довжина зовнішніх зубів втулки. 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 представлена зубчаста муфта з прямими зовнішніми зубами втулки, скошеними відносно їх середини, а на Фіг. 2 - спряжена пара зубів при перекосі осей тривінцевої втулки і обойми за відсутності навантаження, контактуюча в двох точках к. На Фіг. 3 і 4 зображені спряжені пари зубів зубчастої муфти, що розглядається, при відсутності навантаження відповідно без перекосу і з урахуванням перекосу осей, контактуючі в точці к. У відповідності з Фіг. 1-4 маємо наступні позначення: ψ - кут перекосу осей з'єднувальних валів; λ - кут скосу зубів відносно їх середини; b, b1 - довжина відповідно зовнішніх і внутрішніх зубів причому b1=b+8…10 мм; jn - величина нормального бічного зазору між зубами при відсутності перекосу осей; bm - довжина зубів одного вінця тривінцевої втулки муфти; а - ширина кільцевої канавки; ψс=2ψ/(n-1) - кут, що характеризує положення скошеної ділянки зуба втулки відносно прямого внутрішнього зуба обойми; n - коефіцієнт, визначаючий розмір довжини ділянки контакту скошеної ділянки зовнішнього зуба в умовах навантаження і перекосу осей, що змінюється у межах 10n100. Зубчаста муфта складається із обойми 1 з розміщеними на ній внутрішніми прямими зубами 2, котрі знаходяться в зачепленні із зовнішніми скошеними зубами 3 втулки 4. Крім того, осі 1 UA 106788 C2 5 обертання 5 і 6 відповідно втулки 1 і обойми 4 не співпадають між собою в зв'язку із тим, що вони перекошені відносно один одного на кут ψ. При цьому бічні поверхні зубів 3 втулки 4 відносно їх середини на ділянках 7 і 8 довжиною b/2 скошені під кутом λ, в зв'язку із чим прямолінійні твірні зубів втулки являють собою похилі прямі 9 і 10 відносно до прямолінійних твірних 11 внутрішніх зубів 2 обойми 1. У конструкції зубчастої муфти передбачені гарантовані величини радіальних С=(0,20…0,25)m і нормальних jn=f(m)=0,2…0,5 мм бічних зазорів, необхідні для компенсації розцентрування осей з'єднувальних валів машин і механізмів. Слід також відмітити, що радіуси кривизни бічних профілів зовнішніх зубів втулки і внутрішніх зубів обойми рівні один одному, що 10 дозволяє забезпечити повне прилягання вказаних зубів по всій їх робочій висоті hp=h a m, де * * 15 20 25 30 35 40 45 50 h a =0,8…1,0 - коефіцієнт висоти голівки зуба; m - модуль зачеплення. При нарізанні зовнішніх зубів 3 втулки 4 ріжучий інструмент у вигляді довб'яка і в межах довжин b/2 з двох кінцевих сторін зубів здійснює рух відносно вертикальної осі втулки, розміщеної в горизонтальному положенні на технічному столі, під кутом λ. Зубчаста муфта працює наступним чином. При передачі крутного моменту на втулку 4 зі сторони приєднаного двигуна, вісь 5 котрої перекошена відносно осі 6 обойми 1 на кут ψ, навантажені зуби 3 втулки оказують силову дію на зуби 2 обойми 1, в зв'язку із чим зубчастою муфтою здійснюється передача корисного навантаження і частоти обертання від вала двигуна конкретному пристрою, наприклад редуктору. В процесі роботи пропонованої зубчастої муфти бічні поверхні скошених під кутом λ зовнішніх зубів 3 втулки 4 обкатуються із ковзанням по бічних поверхнях внутрішніх зубів 2 обойми 1. При цьому найгіршим випадком контактної взаємодії спряженої пари зубів 2 і 3, є випадок, представлений на Фіг. 4 (контакт в точці к). Стосовно зубчастої муфти, котра виставляється як прототип (Фіг. 3), контактування спряженої пари зубів 2 і 3 здійснюється в двох точках к. Однак не дивлячись на сказане, контактні напруження в одній точці к (Фіг. 4) по своїй величині будуть менше напружень, котрі мають місце при двох точках контакту (Фіг. 3), про що більш детально буде сказано нижче. Введення поздовжньої модифікації на прямих зовнішніх зубах 3 і втулки 4 у вигляді скосів 9 і 10 в межах довжин b/2 призводить при роботі зубчастої муфти до двобічного розподілення контактних деформацій і, як наслідок, зниження контактних напружень відносно точки к. При цьому частина довжини ділянки контакту bк справа від точки к (Фіг. 4) буде менше другої частини довжини ділянки контакту nbк, розташованої зліва від точки к, тобто nbк>bк. При експлуатації зубчастої муфти величини раніш вказаних радіальних і бічних зазорів змінюються, не виходячи за межі С=(0,20…0,25)m і jn=0,2…0,5 мм. При цьому із всіх спряжених пар зубів найбільш навантаженою є пара зубів, розташована в площині, котра відстоїть від площини перекосу осей (Фіг. 1) на кут π/2+αw, де αw=20° - кут зачеплення зубів. Для найбільш навантаженої спряженої пари зубів в даному випадку спостерігається прилягання зубів в межах їх робочої висоти hр=(0,8…1,0)m. При проектуванні пропонованої зубчастої муфти необхідно виходити з того, щоб у процесі роботи зубчастої муфти в умовах навантаження і перекосу осей частина довжини ділянки контакту nbк (Фіг. 4) не перевищувала по своїх розмірах половини довжини b/2 зовнішнього скошеного зуба, тобто nbк=b/2. Для оцінки ефективності контактної міцності зубчастої муфти (Фіг. 2) і зубчастої муфти яка розглядається (Фіг. 4), виконаємо рішення плоских контактних задач, виходячи із коефіцієнтів Пуассона ν1ν2 і модулів пружності матеріалів Е1Е2. Основою для рішення вказаних задач є нова теорія контактної міцності пружно стислих тіл, розроблена проф. А.П. Поповим [3]: Попов А.П. Зубчатые механизмы с точечным контактом зубьев - Николаев: Изд - во Атолл, 2010. - 774 с. У відповідності із вищевикладеним стосовно до розрахункової моделі контакту (Фіг. 2), котра характеризується двома точками контакту к, залежність для визначення контактних напружень буде мати вигляд к  55 2  к   1 2 1 2  1  2 к   E1 E2    , (1) де к - число точок контакту, котре рівне двом, тобто к=2; [σк] - допустима величина контактних напружень. Стосовно до розрахункової моделі контакту (Фіг. 4) вирази σк і nbК мають вигляд: 2 UA 106788 C2 к  4n  1  2 1  2 1 2 (n 2  1)   E E2 1  nк  (n  1)Fn 2h1      к  (2) ;  1  2 1  2  1 2    E1 E2    (3) . Як приклад розглянемо зубчасту муфту з прямими азотованими зубами, виходячи з 5 -3 ν1=ν2=ν=0,3; Е1=E2=E=2,110 МПа; [σк]=400 МПа; ψ=8,710 рад; b=50 мм; b1=58 мм; N=20000 кВт; n=5000 об/хв; m=5 мм; z=60; αw=20°. 3 По загальновідомих формулах знаходимо величину крутного моменту T=9550N/n=38,210 5 10 * Нм=38,210 Нмм; Fn=2T/mz cosαw=4,71610 Н; hp=2h a m=20,95=9 мм. Стосовно Фіг. 2 максимальна величина нормального зусилля, діючого на спряжену пару зубів буде рівна 3 Fnmax=5,67810 Н. У відповідності із знайденими вище величинами параметрів, приймаючи в формулі (1) 3 Fn=Fnmax=5,67810 Н, знайдемо при к=2 значення напружень σк=1004 МПа>[σк]=400 МПа в 2,51 рази, що недопустимо. Для забезпечення працездатності зубчастої муфти (Фіг. 2) кут перекосу -3 -3 -3 замість величини ψ=8,710 рад повинен бути ψ=8,710 /2,51=3,46610 рад. Розрахунки по знаходженню σк і nbK пропонованої зубчастої муфти по формулах (2) і (3) при Fn=Fnmax і різноманітних значеннях коефіцієнта n з урахуванням вище приведених вихідних даних поміщені у таблиці 1. 6 2 3 15 Таблиця 1 Величини, що визначаються σк, МПа nbк, мм 20 25 30 35 40 45 10 405,6 2,80 20 201,3 5,97 Задані значення коефіцієнту n 30 40 50 60 134,0 100,45 80,34 66,94 9,11 12,86 15,23 18,54 80 50,22 24,83 100 40,16 31,11 Із таблиці 1 очевидно, що по мірі збільшення коефіцієнта n контактні напруження σк знижуються, а розмір довжини ділянки контакту nbK зростає. Враховуючи, що півдовжина зубів b/2=50/2=25 мм із таблиці 1 знаходимо необхідне значення nbK=24,83 мм, котре приблизно рівне 25 мм, тобто b/2=25 мм. При nbк=24,83 мм коефіцієнт n=80, а напруження σк=50,22 МПа, котре по своїй величині суттєво нижче [σк]=400 МПа. Таким чином, ефективність пропонованої зубчастої муфти з точки зору величин контактних напружень і, як наслідок навантажувальної здатності по цим напруженням і значень кутів перекосу осей ψ, що реалізуються, достатньо висока. Сказане дозволяє зробити висновок з приводу того, що пропонована зубчаста муфта по своїх показниках не має аналогів в сучасному машинобудуванні. Економічний ефект від впровадження пропонованого технічного рішення забезпечується за рахунок підвищення навантажувальної здатності або за рахунок збільшення строку служби муфти. Суспільна користь технічного рішення, що заявляється, полягає в покращенні віброакустичних характеристик пропонованої зубчастої муфти (промсанітарія) внаслідок зниження рівня вібрації і шуму за рахунок розподілення навантаження, що передається, по більшим ділянкам контакту в порівнянні з традиційними конструкціями зубчастих муфт. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Зубчаста муфта, що складається із обойми з внутрішніми прямими зубами і втулки, що містить зовнішні прямі зуби, котрі знаходяться в зачепленні з зубами обойми, яка відрізняється тим, що втулка виконана одновінцевою з розташованими на ній зовнішніми скошеними під кутом  прямими зубами відносно їх середини на відстані b/2, при цьому кут  знаходиться із співвідношення:     c , де b - довжина зовнішніх зубів втулки;  - заданий кут перекосу осей;  c  2 /(n  1) - кут, що характеризує положення скошеної ділянки половини довжини зовнішнього зуба при перекосі осей на кут  відносно прямого зуба обойми; n - коефіцієнт, визначаючий розмір довжини 3 UA 106788 C2 ділянки контакту скошеної ділянки зовнішнього зуба в умовах навантаження, що змінюється у межах 10  n  100. 4 UA 106788 C2 5 UA 106788 C2 Комп’ютерна верстка С. Чулій 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 6