Зубчаста муфта

Реферат: Зубчаста муфта складається із втулки з зовнішніми бочкоподібними зубами і обойми з внутрішніми симетрично скошеними відносно їх середини прямими зубами, які знаходяться між собою в зачепленні. Зуби втулки і обойми виконано прямими, а кінцеві ділянки зовнішніх прямих зубів втулки виконані скошеними. UA 81556 U (54) ЗУБЧАСТА МУФТА UA 81556 U UA 81556 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі машинобудування. Відома зубчаста муфта, що складається із втулки з прямими зовнішніми і охоплюючої її і кінематично зв'язаної з нею обойми з прямими внутрішніми зубами, котра при 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 наявності гарантованих величин радіальних і бічних зазорів між зубами [Попов А.П. Зубатые муфты в судовых агрегатах. – Л.: Судостроение, 1985.-240 с.]. Недоліком відомої зубчастої муфти є вкрай високі контактні напруження в умовах експлуатації при перекосах осей, котрі різко обмежують навантажувальну здатність вказаної муфти. Найбільш близьким аналогом за технічною суттю до пропонованої корисної моделі є зубчаста муфта з зовнішніми бочкоподібними зубами втулки і внутрішніми симетрично скошеними відносно їх середини прямими зубами [Патент України № 69705, Зубчаста муфта / О.І. Савенков - u201112523; заявл. 25.10.2011; опубл. 10.05.2012. Бюл. № 9]. Недоліком вказаної зубчастої муфти є важка технологія виготовлення поздовжньо модифікованих зубів втулки і обойми, а також недостатня її ефективність з точки зору необхідного зниження величин контактних напружень. Задачею корисної моделі є суттєве спрощення технології виготовлення зубів, кардинальне зниження величин контактних напружень і, як наслідок, збільшення навантажувальної здатності пропонованої муфти. Поставлена задача вирішується тим, що в зубчастій муфті, яка складається із втулки з зовнішніми бочкоподібними зубами і обойми з внутрішніми симетрично скошеними відносно їх середини прямими зубами, які знаходяться між собою в зачепленні, згідно з корисною моделлю, обойми виконано прямими, крім того, кінцеві ділянки зовнішніх прямих зубів втулки виконані скошеними на кут  = +1 і в межах відстаней c = b/3 від їх торців, де b - довжина зовнішніх зубів;  - заданий кут перекосу осей з'єднувальних валів; 1 = /к - кут, який характеризує положення скошеної ділянки зовнішнього зуба втулки при перекосі осей на кут  відносно прямого внутрішнього зуба обойми; к - коефіцієнт, що визначає розмір довжини ділянки контакту скошеної ділянки зовнішнього зуба в умовах навантаження, який змінюється в межах 0  к  10 . Зубчаста муфта, яка заявляється, що складається із втулки з зовнішніми бочкоподібними зубами і обойми з внутрішніми симетрично скошеними відносно їх середини прямими зубами, котрі знаходяться між собою в зачепленні, яка відрізняється тим, що зуби втулки і обойми виконано прямими, крім того, кінцеві ділянки зовнішніх прямих зубів втулки виконані скошеними на кут  = +1 в межах відстаней c = b/3 від їх торців, де b, , 1 - параметри муфти, визначення яких подано вище. На Фіг. 1 представлена зубчаста муфта з прямими скошеними на кінцевих ділянках зовнішніми зубами, а на Фіг. 2 і 3 зображені спряжені пари зубів за відсутності перекосу осей і навантаження відповідно прототипу і пропонованої зубчастої муфти. На Фіг. 4 дано зображення спряженої пари зубів в умовах перекосу осей без навантаження пропонованої зубчастої муфти, а на Фіг. 5 - епюра розподілення контактних напружень по довжині ділянки контакту спряженої пари зубів (Фіг. 4) при її навантаженні. У відповідності з Фіг. 1-5 маємо наступні позначення:  - кут перекосу осей з'єднувальних валів;  - кут скосу кінцевих ділянок зовнішніх зубів обойми; a - довжина кінцевої ділянки зовнішнього зуба, в межах якого зуб скошено з двох сторін на кут ; b,b1 - довжина відповідно зовнішніх і внутрішніх зубів, причому b1  b  (8...10 м) ; jn - величина нормального бічного зазору між зубами при відсутності перекосу осей; 0 - кут скосу прямих внутрішніх зубів у найближчому аналозі; R - радіус бочкоподібності зовнішніх зубів втулки в найближчому аналозі; 1 - кут, який характеризує положення скошеної ділянки зовнішнього зуба втулки при перекосі осей на кут  відносно прямого внутрішнього зуба обойми; x - вісь абсцис; к - максимальна величина контактних напружень; кл ( х) , кп ( х) - поточне значення контактних напружень зліва і справа від вертикальної осі к ( х), bк - параметр, що характеризує довжину ділянки контакту справа від осі к ( х) ; k - коефіцієнт довжини ділянки контакту kbк зліва від осі к ( х) ; c - довжина скошених під кутом  кінцевих ділянок зовнішніх прямих зубів втулки. Зубчаста муфта складається із обойми 1 з розміщеними на ній внутрішніми прямими зубами 2, які знаходяться в зачепленні із зовнішніми зубами 3 втулки 4. Крім того, осі обертання 5 і 6 відповідно втулки 4 і обойми 1 не співпадають одна з одною в зв'язку із тим, що вони перекошені відносно одна одної на кут . 1 UA 81556 U 5 При цьому бічні поверхні зубів 3 на кінцевих ділянках 7 і 8 в межах довжин c скошені на кут , в зв'язку із чим прямолінійні твірні 9 і 10 бічних поверхонь зубів втулки переломлюються в похилі прямі 11 і 12. Будь-яка конструкція зубчастої муфти передбачає наявність гарантованих величин радіальних, рівних (0,2…0,25)m, а також бічних, рівних 0,2…0,5 мм зазорів. Крім того, радіуси кривизни евольвентних бічних профілів зовнішніх і внутрішніх зубів рівні один одному, в зв'язку * із чим забезпечується повне прилягання зубів по всій їх робочій висоті hp  ha  m , де 10 15 20 * ha  0,8...10 - коефіцієнт висоти головки зуба; m - модуль зачеплення зубів. , При виготовленні зовнішніх зубів 3 втулки 4 використовують ріжучий інструмент у вигляді довб'яка, який в межах довжин c з двох сторін зубів здійснює рух відносно вертикальної осі заготовки втулки, розміщеної горизонтально, під кутом . Зубчаста муфта працює наступним чином. При передачі на втулку 4 крутного моменту зі сторони двигуна навантажені зуби 3 втулки діють на зуби 2 обойми 1, здійснюючи при цьому передачу корисного навантаження і частоти обертання через муфту конкретному механізму, наприклад зубчастому механізму. При цьому осі 5 і 6 зубчастої муфти перекошені відносно одна одної на кут  , який вимірюється в радіанах. При експлуатації зубчастої муфти 3 втулки (Фіг. 3) при відсутності перекосу осей, тобто   0 , в процесі навантаження контактує із зубом 2 обойми в межах робочої довжини контакту, яка дорівнює b  2c . Однак при перекосі осей муфти на кут  взаємодія зубів 2 і 3 здійснюється як зліва направо від точки к в межах довжини b к (Фіг. 4), так і справа від точки к в межах довжини кbк . Таким чином, стосовно до пропонованої зубчастої муфти в умовах навантаження і 25 30 35 40 перекосу осей повна довжина лінії контакту буде рівна bк  кbк  (1  к )bк . З Фіг. 4 очевидно, що при зменшенні кута     1 величина кута 1 також зменшується, а це як буде показано далі, призводить до зростання коефіцієнта к і, як наслідок, до збільшення довжини кbк і зменшення контактних напружень. При навантаженні зубчастої муфти в умовах перекосу осей епюра розподілення контактних напружень к ( х) є несиметричною (Фіг. 5). При цьому під к ( х) (Фіг. 5) треба розуміти максимальну величину контактних напружень, які мають місце в точці к , тобто при х  0 . В процесі експлуатації зубчастої муфти в умовах перекосу осей задані, тобто вихідні, величини радіальних і бічних зазорів змінюються. При цьому навантаженою є спряжена пара зубів (Фіг. 4), яка розміщена в площині, віддаленій від площини перекосу осей на кут  / 2   w ,  де  w  20 - кут зачеплення зубів. Для оцінки ефективності пропонованої корисної моделі з точки зору контактної міцності виконаємо рішення плоскої контактної задачі для навантаженої силою Fn спряженої пари зубів (Фіг. 4) в умовах перекосу осей, виходячи із коефіцієнтів Пуассона 1  2 і модулів пружності матеріалів E1  E2 . Для цього скористаємося основами нової теорії контактної міцності пружно стислих тіл, розробленої проф. О.П. Поповим [Зубчатые механизмы с точечным контактом зубьев. - Николаев: Атолл, -2010.-774 с.]. У відповідності з вищевказаним стосовно до розрахункової моделі контакту (Фіг. 4) представимо в кінцевому вигляді вирази b к , к і повну довжину ділянки контакту b   (1  к )bк , які мають вигляд: bк  к   1 2 1 2  1  2  E2  (к 1  )hp  E1  ; (1) 2  к   1 2 1 2  1  2  (1  к )  E1 E2    (2) (1  к )Fn 2 2 UA 81556 U b   (1  к )bк   1 2 1 2  1  2  E2  (к 1  )hp  E1  , (1  к )2 Fn (3) 2 де к  - величина контактних напружень, що допускається. 5 Виходячи із рівності максимальних контактних деформацій, виражених кbк  1 / 2 зліва від точки к і к   / 2 справа від точки к (Фіг. 4), знайдемо залежність взаємозв'язку між параметрами к ,  , 1 , а саме:  (4) 1 . З урахуванням того, що кут скосу кінцевих ділянок зубів рівняння (4) представлено наступним чином:  к (5) . к 10 * Як приклад розглянемо зубчасту муфту m =5 мм;  w =20°; h a =0,9; z =50 - число зубів; b =45 мм; b1 =53 мм; T =50106 Нмм - крутний момент, який передається муфтою; 1   2    0,3 ; E1  E2  E  2,1105 МПа;  =510-3 рад; к  =240 МПа - зуби термопокращені. По загальновідомим залежностям знаходимо c=b/3=45/3=15 мм; * Fn  2T / mz 2  2  50  10 6 / 5  50 2  8  10 3 H ; hp  2ha  m  2  0,9  5  9 мм, а по формулах (1) (5) знайдемо 1 ,  , b  і к при заданих значеннях коефіцієнта 0  к  10 . Дані виконаних розрахунків приведені в таблиці. 15 Таблиця Величини, що визначаються Значення коефіцієнта к 2 4 6 Кут 1  10 , рад 1 0 3 0 8 8,735 5 2,5 1,25 0,83 0,625 0,57 0 10 7,5 6,25 5,83 5,625 5,57 1,541 3,082 4,622 7,704 10,785 13,886 15,000 1154 577 385 231 165 128 118 3 Кут   (  1)  10 , рад Довжина ділянки контакту b  , мм Напруження к , МПа Із таблиці очевидно, що при к  0 розрахункова модель контакту відповідає контакту прямих зубів традиційної зубчастої муфти при перекосі осей на кут  . Величина напружень к =1154 МПа при цьому в 1154/240=4,81 разу перевищує напруження к  =240 МПа, в зв'язку із чим 20 відома зубчаста муфта при   5  10 3 рад є непрацездатною. До сказаного слід додати, що в традиційній зубчастій муфті кути  і 1 не мають місця, тобто   1  0 , в зв'язку із чим формула     1 , на цю муфту не розповсюджується. У міру збільшення коефіцієнта к від 1 до 8,735 кути 1 і  зменшуються, а довжина ділянки контакту b  , навпаки, збільшується, що, як видно із таблиці, призводить до зменшення 25 30 напружень. При цьому оптимальним з точки зору величин напружень к є варіант, що 3 3 характеризується значенням b  =15 мм ( к =8,735; 1 =0,5710- і  =5,5710- ), при якому к =118 МПа, котре нижче [ к ]=240 МПа в 240/118=2,034 разу. В загальному випадку конструкція зубчастої муфти, що розглядається, працездатна при 3 3 кутах  =(5,5710- …6,2510- ) рад, при котрих напруження к =118….231 МПа нижче допустимих [ к ]=240 МПа. 3 UA 81556 U 5 10 Таким чином, пропонована конструкція зубчастої муфти є унікальною з точки зору кардинального зниження напружень к , характерних для традиційної конструкції зубчастої муфти, зуби котрої є прямими і не мають будь-яких скосів. Крім того, пропонована конструкція муфти не має аналогів в сучасному машинобудуванні. Економічний ефект від впровадження зубчастої муфти, що розглядається, забезпечується за рахунок зниження величин контактних напружень і, як наслідок, суттєвого підвищення її навантажувальної здатності по вказаних напруженнях. Суспільна користь корисної моделі, що заявляється, полягає у покращенні віброакустичних характеристик пропонованої зубчастої муфти (промсанітарія) внаслідок зниження рівня вібрації і шуму за рахунок розподілення зусиль, що передаються, по більших ділянках контакту. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 Зубчаста муфта, яка складається із втулки з зовнішніми бочкоподібними зубами і обойми з внутрішніми симетрично скошеними відносно їх середини прямими зубами, котрі знаходяться між собою в зачепленні, яка відрізняється тим, що зуби втулки і обойми виконано прямими, крім того, кінцеві ділянки зовнішніх прямих зубів втулки виконані скошеними на кут     1 в c  b / 3 від їх торців, де b - довжина зовнішніх зубів;  - заданий кут перекосу осей з'єднувальних валів; 1   / к - кут, який характеризує положення скошеної ділянки зовнішнього зуба втулки при перекосі осей на кут  відносно прямого внутрішнього зуба обойми; к - коефіцієнт, що визначає розмір довжини ділянки контакту скошеної ділянки межах відстаней 20 зовнішнього зуба в умовах навантаження, котрий змінюється в межах 0  к  10 . 4 UA 81556 U 5 UA 81556 U 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