ЗУБЧАТАЯ МУФТА Российский патент 2004 года по МПК F16D3/18 

Изобретение относится к жестким компенсирующим муфтам для соединения валов с угловым и параллельным смещением осей, преимущественно к тяжелонагруженным зубчатым муфтам с повышенными углами перекоса соединяемых валов, например к муфтам зубчатых шпинделей прокатных станов.

Известна зубчатая муфта (аналог), включающая полумуфты с наружными бочкообразными зубьями и обойму с прямолинейными внутренними зубьями эвольвентного профиля, находящимися в зацеплении и выполненными с одинаковыми радиусами делительных окружностей и расположением центров делительных окружностей на осях полумуфт и обоймы (см. Иванов М.Н. Детали машин. М.: Высшая школа, 1998 г., с.346-348, рис.17.7).

Недостатком известной муфты является выход пятна контакта зубьев при передаче крутящего момента и перекосе обоймы относительно полумуфты на кромки зубьев обоймы. Это вызывает повышенные контактные давления между зубьями, их интенсивный износ (фиг.1), снижение долговечности и быстрый выход муфты из строя. Повышенные контактные давления между зубьями ограничивают применение зубчатых муфт в тяжелонагруженных трансмиссиях.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является зубчатая муфта, включающая полумуфты с наружными бочкообразными зубьями и обойму с прямолинейными внутренними зубьями эвольвентного профиля, находящимися в зацеплении (см. а.с. 503051 СССР, МКИ F 16 D 3/18. Зубчатая муфта. А.И.Стажаров, B.C.Плотников. Опубл. в БИ 1976, №6.).

Отличие прототипа от налога заключается в том, что наружная поверхность зубьев полумуфты выполнена сферической, а на обойме в зоне контакта с зубьями полумуфты выполнена сферическая проточка.

Однако это отличие не устраняет выхода пятна контакта на кромки зубьев обоймы, что приводит к тем же недостаткам, что и у аналога.

Целью настоящего изобретения является повышение долговечности и нагрузочной способности зубчатой муфты.

Поставленная цель достигается тем, что в зубчатой муфте, содержащей полумуфты с наружными бочкообразными зубьями и обойму с внутренними зубьями эвольвентного профиля, находящимися в зацеплении, радиусы делительных окружностей эвольвентных профилей впадин между зубьями обоймы выполнены больше радиуса делительной окружности зубьев полумуфт, центры делительных окружностей профилей впадин расположены на пересечении их осей с окружностью, центр которой лежит на оси обоймы, а радиус делительных окружностей профилей впадин обоймы определяется по соотношению:

r₂=r₁+(1,125...1,6)·b,

где r₂ - радиус делительных окружностей профилей впадин обоймы;

r₁ - радиус делительной окружности зубьев полумуфты;

b - длина зубьев полумуфты.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены:

Фиг.1. Износ зубьев обоймы.

Фиг.2. Центральное сечение зубчатого соединения в соосном положении.

Фиг.3. Относительное положение зубьев обоймы и полумуфты в сечении А-А на фиг.4 в плоскости перекоса.

Фиг.4. Сечение N-N на фиг.3.

Фиг.5. Место I на фиг.4.

Фиг.6. Зависимость r₂=f(b) для зубчатой муфты шпинделя стана 1700.

Фиг.7. Профиль зубьев обоймы шпинделя, выполненный в соответствии с изобретением (сплошные линии) и известный профиль (пунктир).

Зубчатая муфта включает полумуфты с наружными бочкообразными зубьями 1 и обойму с прямолинейными внутренними зубьями 2 эвольвентного профиля, находящимися в зацеплении.

Зубья полумуфты выполнены с делительной окружностью радиуса r₁, высотой и толщиной зубьев, определяемыми по заданному модулю зацепления.

Боковые поверхности впадин между зубьями обоймы выполнены меньшей кривизны, чем у боковых поверхностей зубьев полумуфты. Радиусы r₂ делительных окружностей боковых поверхностей каждой впадины между зубьями обоймы (в дальнейшем - радиусы делительных окружностей впадин) выполнены больше радиуса r₁ делительной окружности зубьев полумуфты и одинаковыми для каждой впадины. Центры Оϕ делительных окружностей впадин расположены на пересечении осей впадин с окружностью радиуса r_ц, центр которой О_о лежит на оси обоймы.

Для нахождения радиуса r_ц окружности, на которой расположены центры делительных окружностей впадин, необходимо определить минимальные зазоры между зубьями обоймы и полумуфты по окружности зацепления при их относительном перекосе на заданный угол ω.

Величина зазоров определяется в плоских сечениях зацепления, перпендикулярных оси полумуфты длиной дуг окружностей между точками эвольвентных боковых поверхностей зубьев полумуфты и обоймы в их сечениях концентрическими цилиндрами переменного радиуса ρ_ц, изменяемого по высоте зубьев.

В соосном положении полумуфты и обоймы (фиг.2) зазоры между боковыми поверхностями зубьев по делительной окружности одинаковы и на практике принимаются равными 0,15-0,25 модуля зацепления.

Координаты точки А_в при расположении оси зуба полумуфты с отклонением на угол ϕ относительно оси Y в соосном положении полумуфты и обоймы и расположении этих точек в центральном сечении определяются из выражений

где ρ - текущий радиус-вектор точки А_в полумуфты, при этом ρ=ρ_ц;

δ₁ - угол между осью зуба полумуфты и радиус-вектором точки А_в его эвольвентной поверхности;

ϕ - угол поворота зубьев относительно оси Y;

Угол δ₁ определяется из отношений

где S₁ - толщина зуба полумуфты по окружности радиуса ρ_ц; определяются из соотношений

где S_d1 - толщина зуба полумуфты по делительной окружности;

r₁ - радиусы делительных окружностей зубьев полумуфты и обоймы;

α - угол профиля инструмента;

α₁ - угол профиля зубьев полумуфты,

В соосном положении делительная окружность зубьев полумуфты радиуса r₁ и делительные окружности зубьев обоймы радиуса r₂ касаются в точках, лежащих на осях зубьев полумуфты. Для этого положения выражения для координат некоторой точки В₀ эвольвентного профиля зубьев обоймы имеют вид

где δ₂ - угол между осью зуба полумуфты и радиус-вектором точки B₀, исходящим из центра Oϕ_{делительной окружности профилей впадины между зубьями обоймы, который определяется из выражения}

Расстояние между зубьями обоймы по окружности радиуса ρ+r_ц:

где S_d2 - расстояние между зубьями обоймы по делительной окружности радиуса r₂;

α₂ - угол профиля зубьев обоймы относительно центра Oϕ;

определяется из выражения

Для определения зазоров между боковыми поверхностями зубьев обоймы и полумуфты при их взаимном перекосе рассмотрим положение зубьев в двух проекциях пространственной системы координат.

При этом принимаем, что линия смещения исходного контура зубьев полумуфты, используемая при нарезании, выполнена по дуге окружности радиуса R (фиг.3), описанной из центра шарнира О_ш. В общем случае может быть использована линия смещения исходного контура другой формы, состоящей из участков окружностей различного радиуса, описанных из различных центров.

При перекосе обоймы относительно полумуфты на угол ω координаты некоторой точки А боковой поверхности зуба полумуфты Х_А и Y_А в текущем сечении N-N плоскостью, перпендикулярной оси полумуфты на расстоянии z от центра шарнира О_ш при отклонении зуба на угол ϕ от оси Y (фиг.4), определяются из выражений

где ρ_А - радиус-вектор точки А;

δ_А - угол между осью зуба полумуфты и радиус-вектором точки А в сечении N-N.

Радиус-вектор ρ_А остается постоянным для всех зубьев полумуфты на окружности зацепления. Его удобно определять в положении зуба полумуфты, ось которого расположена на оси Y при ϕ=0. В этом случае выражение для определения радиус-вектора ρ_А будет иметь вид:

В случае использования линии смещения исходного контура зубьев полумуфт, состоящей из отдельных участков окружностей различного радиуса, это выражение изменится в соответствии с условием, что радиус-вектор ρ_А распложен на дуге окружности, концентричной окружности соответствующего участка линии смещения исходного контура.

Угол

где х_Ау - координата точки А_у боковой поверхности зуба полумуфты, расположенного на оси Y:

Координаты точки В эвольвентного профиля зубьев обоймы в текущем сечении N-N при перекосе на угол ω относительно полумуфты:

где Δ=z·tg(ω) - смещение оси обоймы относительно оси полумуфты в сечении N-N.

Радиус-вектор r_в точки В:

или с учетом (17) и (18):

Угол между осью зуба полумуфты и радиус-вектором точки В обоймы, исходящим из центра O_ш, в текущем сечении N-N при перекосе на угол ω:

где - угол между осью Y и радиус-вектором точки В.

Координата z принимается как заданная величина с заданным интервалом изменения ее значений в пределах длины зуба полумуфты. Изменяя радиус ρ_ц цилиндрических сечений и координаты z положения сечения N-N, определяют координаты точек боковых поверхностей зубьев полумуфты и обоймы для различных углов ϕ положения зубьев на окружности зацепления.

Искомые текущие зазоры между зубьями полумуфты и обоймы определяются по длине дуги окружности радиуса ρ_ц между соответствующими точками A₁ и B₁ (фиг.5), лежащими на боковых поверхностях зубьев в поперечном сечении N-N, из выражения:

где δ_A1, δ_B1 - углы между осью зуба полумуфты и радиус-векторами точек A₁ и B_1, лежащих на окружности радиуса ρ_ц.

Аналитическое определение этих углов связано с необходимостью составления уравнений сечений боковых поверхностей зубьев полумуфты и обоймы плоскостью N-N и последующего определения расстояния между точками A₁ и B₁ по дуге окружности радиуса ρ_ц. Такой путь является достаточно сложным и существенно ограничивает применение предлагаемого метода анализа зубчатого зацепления на практике. Для определения углов δ_A1 и δ_B1 разработан метод подбора решения с использованием пакета Microsoft Office.

Сущность метода заключается в том, что вначале с использованием уравнений (14) для полумуфты и (19) для обоймы определяют значения радиус-векторов ρ_А и ρ_В точек боковых поверхностей зубьев в сечении N-N. При перекосе обоймы относительно полумуфты радиус-векторы ρ_А и ρ_В не равны радиусу ρ_ц цилиндрического сечения зубьев: ρ_А меньше ρ_ц и ρ_В не равен ρ_ц. Затем, последовательно увеличивая значения радиус-вектора для полумуфты и изменяя его для обоймы с заданным интервалом и подставляя эти значения в формулы (14) и (19), добиваются равенства радиус-векторов ρ_А и ρ_В радиусу цилиндрического сечения зубьев ρ_ц. Далее по формулам (15) и (21) с учетом полученного значения радиус-вектора ρ определяют углы δ_A1 и δ_B1.

Ввиду симметричности расположения одинаковых зазоров относительно центра шарнира между диаметрально расположенными зубьями полумуфты и обоймы достаточно определить зазоры на половине длины зубьев полумуфты в пределах половины окружности зацепления. На другой половине величина и распределение зазоров будут аналогичными.

Сначала задается значение r_ц=0, при котором радиус делительной окружности обоймы будет равен радиусу делительной окружности полумуфты и параметры эвольвентного профиля зубьев обоймы являются стандартными.

Задаваясь последовательно углами ϕ от 0 до 180°, координатами z поперечных сечений зубьев в пределах от нуля до половины длины зубьев полумуфты и радиусами ρ_ц цилиндрических сечений с принятыми интервалами их изменения, получают массив значений зазоров ΔS между зубьями обоймы и полумуфты по окружности зацепления.

При замыкании зубьев без нагрузки (геометрическом замыкании) в контакт будут вступать зубья на половине окружности зацепления, между которыми образуется минимальный зазор. Этот зазор находится на окружности радиуса ρ_ц, проходящей через радиус-вектор ρ_к точки, расположенной на кромке зубьев обоймы. При нагрузке для исключения выхода пятна контакта на кромки зубьев обоймы радиус ρ_ц цилиндрического сечения, на окружности которого расположен минимальный зазор, должен быть больше радиус-вектора ρ_к точки, расположенной на кромке зубьев обоймы.

Анализ показал, что для исключения выхода пятна контакта зубьев на кромки зубьев обоймы минимальный зазор, соответствующий центру пятна контакта, должен быть расположен на окружности радиуса ρ_ц, большем радиус-вектора ρ_к точки, расположенной на кромке, на величину, равную не менее четверти высоты зубьев обоймы от его вершины.

Задаваясь значениями r_ц в пределах от 0,1·r₁ до 2·r₁ с определенным интервалом увеличения и подставляя эти значения в выражения (6)-(11), (17)-(21), по вышеизложенной методике анализа зубчатого зацепления определяют минимальный зазор на половине окружности зацепления для каждого из этих значений. Из полученного массива минимальных зазоров для каждого значения r_ц выбирают то значение, при котором минимальный зазор ΔS между зубьями расположен в цилиндрическом сечении радиуса ρ_ц, проходящем через зуб обоймы на расстоянии четверти его высоты от вершины. Далее по формуле (10) определяют радиус делительной окружности впадин обоймы.

Исследования показали, что независимо от углов перекоса обоймы относительно полумуфты и использовании существующих форм линий смещения исходного контура между радиусом r₂ делительных окружностей впадин обоймы и длиной зубьев полумуфты b существует практически прямолинейная зависимость, выражаемая соотношением

где r₂ - радиус делительных окружностей профилей впадин обоймы;

r₁ - радиус делительной окружности зубьев полумуфты;

b - длина зубьев полумуфты.

На фиг.6 в качестве примера показана зависимость r₂=f(b) для зубчатой муфты шпинделя привода прокатных валков стана 1700 горячей прокатки полосы ОАО “Северсталь” с параметрами полумуфты: модуль m=14; радиус делительной окружности зубьев полумуфты r₁=259 мм.

Профиль зубьев обоймы для этого примера, соответствующий изобретению, представлен на фиг.7 сплошными линиями. Пунктиром показан профиль зубьев муфты известной конструкции. При длине зубьев полумуфты b=120 мм в соответствии с (23) радиус делительных окружностей впадин обоймы r₂=399 мм. Вследствие изменения профиля зубьев ширина между зубьями обоймы по окружности выступов увеличивается. В рассматриваемом примере ширина впадин увеличилась с l₁=30,25 мм до l₂=31,45 мм.

Эксплуатация зубчатых шпинделей с муфтами, профиль зубьев обойм которых выполнен в соответствии с настоящим изобретением, показала отсутствие выхода пятна контакта на кромки зубьев обоймы, уменьшение износа зубьев и увеличение срока службы муфт в сравнении со сроком службы муфт известных конструкций. Кроме того, применение зубчатых муфт с предлагаемым профилем зубьев обоймы позволяет увеличить нагрузочную способность муфт и использовать их для передачи повышенных крутящих моментов.

Изобретение относится к области машиностроения, более конкретно к жестким компенсирующим муфтам, и предназначено для соединения валов с угловым и параллельным смещением осей, особенно в тяжелонагруженных передачах с повышенными углами перекоса соединяемых валов. Муфта содержит полумуфты с наружными бочкообразными зубьями и находящуюся в зацеплении с ними обойму с внутренними зубьями эвольвентного профиля. Радиусы делительных окружностей эвольвентных профилей впадин между зубьями обоймы выполнены больше радиуса делительной окружности зубьев полумуфт. Центры делительных окружностей профилей впадин расположены на пересечении их осей с окружностью, центр которой лежит на оси обоймы. Радиус делительных окружностей профилей впадин обоймы определяется по соотношению: r₂ = r₁ + (1,125 … 1,6)b, где r₂ – радиус делительных окружностей профилей впадин обоймы, r₁ – радиус делительной окружности зубьев полумуфты, b – длина зубьев полумуфты. Техническим результатом является повышение долговечности и нагрузочной способности муфты. 7 ил.

Зубчатая муфта, включающая полумуфты с наружными бочкообразными зубьями и обойму с внутренними зубьями эвольвентного профиля, находящимися в зацеплении, отличающаяся тем, что радиусы делительных окружностей эвольвентных профилей впадин между зубьями обоймы выполнены больше радиуса делительной окружности зубьев полумуфт, центры делительных окружностей профилей впадин расположены на пересечении их осей с окружностью, центр которой лежит на оси обоймы, а радиус делительных окружностей профилей впадин обоймы определяется по соотношению

r₂=r₁+(1,125...1,6)·b,

где r₂ - радиус делительных окружностей профилей впадин обоймы;

r₁ - радиус делительной окружности зубьев полумуфты;

b - длина зубьев полумуфты.