ЗУБЧАТАЯ МУФТА Российский патент 1994 года по МПК F16D3/18 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к зубчатым соединениям, и может быть использовано в приводах прокатного оборудования.

Известна зубчатая муфта, в которой участки боковых поверхностей зубьев втулок очерчены радиусом, равным радиусу эвольвент в сечениях, касательных к основному цилиндру .

Недостатком известной муфты является отсутствие связи формы боковой образующей зубьев втулок с переменностью жесткости зубьев по их длине.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является муфта, содержащая обойму с внутренними зубьями и находящиеся с ней в зубчатом зацеплении втулки с наружными зубьями, причем боковая поверхность зубьев втулок выполнена выпуклой в продольном направлении .

Боковая поверхность зуба втулки выполнена в виде участка синусоиды, описываемой выражением
S(x) = sin , где ∫x - координата точки по длине зуба, отсчитываемая от торца;
b - длина зуба;
ω- угол перекоса.

При заданных b и ωконтакт в максимально нагруженных зубьях выходит на торец, однако форма боковой поверхности, выполненная по синусоидальной зависимости, не обеспечивает равномерности распределения нагрузки по его длине за счет уменьшения жесткости при смещении силы к торцу. Это объясняется тем, что при такой форме боковой поверхности зубьев велика разнозазорность по зубьям, а следовательно неравномерность распределения нагрузки и их абсолютная величина.

Недостатком таких зубчатых муфт является неравномерность распределения нагрузок по зубьям из-за синусоидальной формы их боковой поверхности, которая не соответствует изменению жесткости по длине зуба при перемещении точки контакта вдоль его боковой образующей. Это приводит к снижению ресурса зубчатых муфт из-за повышения изгибных напряжений.

Целью изобретения является увеличение ресурса, снижение изгибных и контактных напряжений путем выравнивания нагрузок по зубьям при изменении их жесткости в продольном направлении.

Это достигается тем, что в зубчатой муфте, содержащей обойму с внутренними зубьями и находящиеся с ней в зубчатом зацеплении втулки с наружными зубьями, боковая поверхность которых выполнена выпуклой в продольном направлении, согласно изобретению боковые поверхности выпуклых зубьев втулок или обойм в сечении касательном к основному цилиндру на делительной окружности выполнены с радиусами, определяемыми из соотношений:
R_cp= 120 ;
R_max = , где σ_Hp - величина допустимых контактных напряжений;
l - высота зуба втулки;
b - длина зуба;
m - модуль зуба;
Ψ- длина зуба в долях модуля;
ω- угол перекоса;
Е - модуль упругости материала втулки (обоймы).

Такое конструктивное выполнение зубчатой муфты обеспечит повышение ресурса, снижение изгибных и контактных напряжений. Это достигается за счет того, что геометрия боковой поверхности зубьев втулки выполнена выпуклой в продольном направлении с радиусом в сечении, касательном к основному цилиндру на делительной окружности согласно соотношениям, указанным в формуле.

Такие соотношения позволяют учесть изменение жесткости по длине зуба в процессе вращения муфты и плавно в зависимости от изменения зазоров (и соответственно перемещения точки контакта вдоль по длине зуба), включать в работу жесткость зубьев необходимой величины, при которой уменьшаются усилия на зубьях, напряжения изгиба и контактные напряжения. При этом изменения их взаимосвязаны и плавно изменяются, уменьшая их неравномерность при повороте муфты в пределах каждого оборота, что также сказывается на величине динамических нагрузок.

На фиг. 1 изображена зубчатая муфта, общий вид; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 2.

Зубчатая муфта состоит из обоймы 1 с внутренними зубьями 2 и находящимися с ней в зубчатом зацеплении втулки 3 с наружными зубьями 4, боковая поверхность 5 которых выполнена выпуклой в продольном направлении.

Боковые поверхности 5 выпуклых зубьев 2, 4 втулок 3 или обойм 1 в сечении Б-Б, касательном к основному цилиндру Д на делительной окружности выполнены с радиусами, определяемых из приведенных соотношений.

Одновременно при перемещении точки контакта по длине зубьев изменяется их жесткость С_н
C_н= (1) где b - длина зуба;
Е - модуль упругости материала втулки,
Ψ- длина зуба в долях модуля m.

Известно также, что величина наибольших контактных напряжений определяется по формуле
= 0,418 , (2) где P_max - максимальная нагрузка на зубья
l - высота зуба втулки (равная 1,8 m),
R_ср - радиус боковой поверхности в среднем торцевом сечении зуба втулки.

Максимальные изгибные напряжения определяются в зависимости от величины P_max из соотношения
σ_Fmax= ·P_max·f(λ) (3) где К_г, К_в, К₁ - эмпирические коэффициенты, учитывающие концентрацию напряжения в галтели зуба, место приложения нагрузки, качество изготовления согласно экспериментально обоснованной методике расчета нагрузочной способности зубчатых муфт;
f (λ) - функция затухания напряжений по длине зуба;
h - толщина зуба в опасном сечении, мм.

Величина максимальной нагрузки P_max определяется из соотношений
P_max= C_н(1-2_q)q (1-cos2β) (4) при β<90^о, где ω- угол перекоса;
q = - коэффициент, характеризующий положение точки контакта по длине зуба;
К_s - эмпирический коэффициент зазора;
R - радиус боковой поверхности зуба;
r - радиус делительной окружности;
β- четвертая часть угла охвата всех наружных зубьев в процессе их нагружения, или
P_max= C_н(1-2_q)q (2+δ) (4.1)
при β>90^о
δ = (4.2) безразмерная величина дополнительной деформации зубьев при увеличении угла охвата β>90^о
= (4.3) М_кр - передаваемый муфтой крутящий момент в безразмерной форме;
Z - число зубьев зубчатой муфты.

Проводя поиск с использованием различных модификаций формы зубьев, задавая при этом необходимые запасы прочности по изгибным и контактным напряжениям, а также при равенстве этих величин в среднем и крайнем торцовых сечениях зубьев с применением соотношений 1-4.3 получаем
R_cp= (5)
R_max= (6) где R_ср - радиус боковой поверхности в среднем торцовом сечении зуба втулки;
R_max - радиус боковой поверхности в торцовом сечении, удаленном от торца на величину 0,5m;
f_max - максимальная нагрузка на зубья, определяемая по формулам (2) и (4) с учетом допускаемых контактных σ_Hp напряжений и изгибных σ_Fpнапряжений, согласованных между собой по величине;
α- угол профиля исходного контура;
С_н - номинальная (в среднем торцовом сечении) жесткость зуба, определяемая по формуле (1).

Решая уравнение 1-5, получим окончательные зависимости:
R_cp= = 120 ;
R_max = ; где σ_Hp - допустимое контактное напряжение, согласованное (по величине) с допустимым изгибным напряжением σ_Fp .

Муфта работает следующим образом. При передаче крутящего момента и наличии перекоса между осями втулки 3 и обоймы 1 зазоры между их зубьями и нагрузка на них определяются текущим значением угла перекоса для данного зуба, а также жесткость данного зуба в зависимости от расположения точки контакта.

Выполнение зубьев втулки в продольном сечении по приведенным соотношениям обеспечивает взаимосвязанное выравнивание нагрузки по зубьям, уменьшение изгибных и контактных напряжений, увеличение ресурса зубчатых муфт и привода в целом. При этом также улучшается равномерность вращения и снижаются динамические нагрузки. Увеличение ресурса позволяет также более рационально использовать металл и уменьшить расход металла как на изготовление муфт, так и приводом в целом.

Предложенная зубчатая муфта позволяет увеличить ресурс, снизить изгибные и контактные напряжения, выравнять нагрузки по зубьям при изменении их жесткости в продольном направлении.

Использование: в области машиностроения, в частности в приводах прокатного оборудования. Сущность изобретения: зубчатая муфта состоит из обоймы 1 с внутренними зубьями 2 и находящихся с ней в зубчатом зацеплении втулок 3 с наружными зубьями 4, боковая поверхность которых выполнена выпуклой в продольном направлении. Боковые поверхности выпуклых зубьев втулок или обойм в сечении, касательном к основному цилиндру на делительной окружности, выполнены с радиусами, определяемыми из приведенных в формуле соотношений. Такое решение позволяет учесть изменение жесткости по длине зуба в процессе вращения муфты и плавно включать в работу жесткость зубьев необходимой величины. 3 ил.

ЗУБЧАТАЯ МУФТА, содержащая обойму с внутренними зубьями и находящиеся с ней в зубчатом зацеплении втулки с наружными зубьями, боковая поверхность которых выполнена выпуклой в продольном направлении, отличающаяся тем, что боковые поверхности выпуклых зубьев втулок или обойм в сечении, касательном к основному цилиндру на делительной окружности, выполнены с радиусами R_ср и R_max, определяемыми из соотношений
R_cp= 120 ; ;
R_max = - , ,
где σ_Hp - величина допустимых контактных напряжений;
l - высота зуба втулки;
b - длина зуба;
m - модуль зуба;
Ψ - длина зуба, доли модуля;
ω - угол перекоса;
E - модуль упругости материала втулки (обоймы).