Зубчатая муфта А.П.Попова Советский патент 1988 года по МПК F16D3/18 

(21)4063606/31-27

(22)25.02.86

(46) О7..р5.88. Бюл. № 17

(71)-Николаевский кораблестроительный институт им. адм. С.О. Макарова

(72)А.П. Попов

(53)621.825.5(088.8)

(56)Попов А.П. Зубчатые формы в судовых агрегатах. - Л.: Судостроение, 1985, с. 240.

(54)ЗУБЧАТАЯ МУФТА А.П. ПОПОВА

(57)Изобретение относится к области машиностроения, в частности к соединениям валов судовых машин. Цель - повьш1ение нагрузочной и компенсирующей способностей путем уменьшения

неравномерности распределения нагрузки между зубьями при перекосе осей. Зубчатая муфта состоит из обоймы 1 с прямыми зубьями 2 и втулки 3 с бочкообразными (или прямыми) зубьями 4. Зубчатые венцы втулки 3 и обоймы 1 выполнены с дугообразными выемками на торцах. Выемки расположены в диаметрально противоположных зонах и смещены относительно друг друга на угол 90°. Зубья втулки с максимальной длиной находятся в зацеплении с эу бьями обоймы наименьшей длины. Зубья обоймы максимальной длины зацепляются с зубями втулки наименьшей длины в зоне, отстоящей от предьщущих на /гол 90°. 7 ил.

1

(Л

оо со со ;о

4 О1

Изобретение относится к машиностроению, в частности к судовому машиностроению .

Цель изобретения - повышение грузочной и компенсиругощей возможностей путем уменьшения: неравномерности распределения нагрузки между зубьями при перекосе осей.

На фиг. 1 изображена зубчатая муфта, общий вид; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - схема распределения нормальных боковых зазоров между ненагруженными зубьями при перекосе осей; на фиг. 4 и 5 - кривые распределения зазоров и усилий между зубьями стандартной зубчатой муфты и предлагаемой муфты при перекосе осей; на фиг. 6 - форма развертки делительного цилиндра втулки зуб- чатой муфты; на фиг. 7 - то же, для обоймы зубчатой муфты.

Зубчатая муфта, состоит из обоймы с прямыми зубьями 2 и втулки 3 с бочкообразными (или прямыми) зубьями 4. Причем ось 5 втулки перекошена, на угол относительно оси обоймы 1. В сечении (фиг. 2) .бочкообразный зуб втулки, находящийся в плоскости перекоса осей, является ненагруженным и расположен симметрично относительн

зубьев обоймы расстоянии (jn - величина нормального бокового зазора

Зубчатые венцы втулки 3 и обоймы I выполнены JC дугообразными выемками 6 ра торцах. Это обеспечивает создание венцов с зубьями переменной длины. Выемки 6 расположены в венцах вtyлки и обоймы в двух диаметрально противоположных зонах и смещены одна относительно другой на угол 90°. Причем для прямых зубьев втулки и обоймы длина зубьев определяется из выражения

1. V 2flS-.bv(l-cosU )

D,

( cos(f

а для бочкообразных зубьев втулки и прямых зубьев обоймы длина зубьев определяется из. выражения

M,) 2Rv- b 4 :5-lM.,

cos Ц) где b(tf) - длина произвольно взятых

зубьев, мм; b - заданная (максимальная)

длина зубьев, мм; R - радиус бочкообразности

зубьев втулки, мм; Ц) - угол перекоса осей, рад;

Lf - угол поворота относительно оси, отстоящей от плоскости перекоса осей на

угол -| +о( град;

угол зацепления, град;

&S - зазор между контактными

поверхностями равнонагру- женной части зубьев при перекосе осей, принимаемый

.„ bV

для прямьгх зубьев дЬ -,- ,

uS

для бочкообразных зубьев Ry 4

Выполнение зубчатых венцов втулки и обоймы с зубьями переменной длины обеспечивает снижение неравномерности распределения нормальных боковых зазоров между. зубь5 ми, снижает неравномерность распределения усилий.

Для пояснения механизма выравнивания нагрузок между зубьями рассмотрим зубчатую муфту, которая имеет, например, число зубьев Z, равное 16. Тогда в одной четверти зубчатой Муфты по окружности находится 4 зуба (фиг.З).

На схеме распределения нормальных боковых за зоров между прямыми зубьями втулки и обоймы указанной зубчатой муфты, оси которых перекошены по отношению друг к другу на угол (f, в одном секторе зубчатой муфты с углом

охвата

II / 2 (

осей на угол

находится в непотрех других секторах

распределение зазоров аналогично), зуб 7 втулки, находящейся в плоскости, отстоящей от плоскости перекоса

ГГ. 2

средственном соприкосновении с прямым зубом 8 обоймы. Однако следующий зуб 9 втулки характеризуется по отношению к зубу 10 обоймы определенной величиной нормального бокового зазора. В дальнейшем, по мере приближения к плоскости перекоса осей, величина нормального бокового зазора между зубьями втулки и обоймы возрастает, зубья 11 и 12 и, наконец, зуб 13 втулки, отстоящий от зуба 7

1Г

2 мальную величину нормального боковоЬ ,,

го зазора, равную т- . Распределение нормальных боковых зазоров между

(фиг. ) на угол

имеет максиненагруженными прямыми зубьями втулки и обоймы подчиняется закону

C(if) 1 (l-cos(f),

где if - угол поворота относительно оси (фиг, 4 и 5), отстоящей от плоскости перекоса осей.

При нагружении зубчатой муфты кру- тжцим моментом первой начинает вое- принимать усилия сопряженная пара зубьев 7 и 8 втулки и обоймы, затем ,9 и 10 и т.д. Последним вступает в контакт с зубом обоймы зуб 13 втулки при условии, если величина крутящего момента достаточна для того, чтобы деформация наиболее нагруженной пары

Ъы зубьев 7 и 8 оказалась вьше - .

Предположим, что необходимо сбли- зить зуб 13 (фиг. 3) с зубом 4 обоймы на величину 4S. Указанному сближению зубьев 13 и 14 препятствуют зубья 7 и В, между которыми уже выбран нормальный боковой зазор, поэтому зуб 7 не может перемещаться. Для того, чтобы зуб 7 сблизился с зубом 8 на величину dS, необходимо, как следует из фиг. 3, укоротить правую половину зуба 7 на величину участка 15, равного лЬ(ч ), а всю длину зуба 7 уменьшить на величину двух частков 15 и 16, равных между собой, т.е. на 2 Ь(ч ). При этом зазор между зубьями 7 и 8 в результате сближения на величину AS становится равным нулю;

Так как следующий зуб 9 втулки

находится на расстоянии C(i/) -г- I4;osif) от зуба 10 обоймы, то для то- го, чтобы сблизить зуб 9 с зубом 10 до их соприкосновения на величину ЛЗ, необходимо уменьшить длину зуба 9 с двух сторон на величину участков 17 и 18, которые по длине короче участ- ков 15 и 16 зуба 7.

Дпя сближения очередного зуба 11 втулки с зубом 12 обоймы на величину AS необходимость в уменьшении длины зуба 11 отпадает, так как минималь- ная величина зазора между зубьями 1I и 12 равна US, Зуб II втулки (фиг.З) характеризуется углом поворота 1/ Ц.

Зуб 13 втулки, расположенный в плоскости перекоса осей, параллелен зубу 14 обоймы и характеризуется максимальной величиной зазора у- , торый при сближении на величину ЛЗ

5

0 5 О

0 5

5

bw

уменьшается до ЛВ, -AS, следовательно, надобность в уменьшении дли7 ны зуба 13 также отпадает.

В действительности число зубьев может быть равно не только 16, но может быть и больше 16. В таких случаях процесс постепенного уменьшения длины зубьев втулки продолжается до тех пор, пока из числа рассматриваемых п зубьев втулки, расположенных в одной четверти по окружности зубчатой муфты, не найдется такой зуб т, которьш по отношению к зубу т+1 обоймы характеризуется величиной зазора Л8, определяемого углом поворота

tPcИз этого следует, что зубья втулки, принадлежающие одному сектору

зубчатой муфты с углом охвата -|- ,

являются неодинаковыми по длине. Причем наиболее нагруженньй зуб имеет минимальную длину Ъ|,у„ (фиг. 2), а наименее нагруженньй (он может быть и ненагруженным) зуб - максимальную длину , равную первоначальной длине зубьев Ъ. Кроме того, уменьшение зубьев от длины Ъ до длины происходит в пределах угла i if.

Определим закон изменения длины прямых зубьев втулки с учетом их сближения на величину 4S. Из рассмотрения фиг. З (зубья 9 и 10) очевидно, что величина сближения зуба 9 с зубом 10, обусловленная уменьшением длины зубьев, равна Л3(() ,и имеет вид

Л8({/)Д5- 1 (costf}.. (1)

Величина з меньшения длины зуба 9 втулки, равная 2ЛЪ((/), определяется из рассмотрения прямоугольного треугольника аЪс:

2аЪ « 2ас

sinVfi V-j 2.b(cf) 2)

(fJCOS If .

где (l/); ((f); sinv при малых углах равен ф/,.

Тогда длина b(i/) укороба 9 втулки с учетом выра и (2) равна:

b{lf)b-2&b(if) b 2ДЗ-Ьу(1-созс) VCOSV

Таким образом, выражение (З) является исходным для определения закона изменения длины зубьев предлагаемой зубчатой муфты. В этом выражении це- известной величиной является задаваемая в процессе проектирования величина сближения зубьев jS, которую выбирают следующим образом. Если принять

М 2

ность распределения зазоров и усилий между зубьями, то в этом случае длина зубьев Ъ((|), как следует из (З), :равна нулю. Поэтому в качестве вели чины сближения зубьев следует выбиЛ3

, что исключает неравномер

рать такую величины/1 S

bV

, при ко

торой вследствие изменения длины зубьев их напряженное состояние не изменяется. В результате проделанных расчетов установлено, что величину сближения зубьев следует назначать

Ъ W

исходя из соотношения 43 -г- .

4

Очевидно, что закон распределения деформаций между нагруженными зубьями определяется законом распределения нормальных боковых зазоров между ними.

Кривая 9 (фиг. 4) представляет собой закон распределения нормальных боковых зазоров между зубьями при перекосе осей, а кривые 20 и 21 - распределение уси.пий между зубьями, соответствующее указанному закону распределения зазоров. Причем кривая 20 характеризует случай, когда деформация наиболее нагруженной пары зу1bV

бьев больше .у- , а кривая 2 характерна для случая, когда деформация максимально нагруженной пары зубьев Ь 2

Таким образом, чем.меньше величины нормальных боковых зазоров между зубьями, тем ниже неравномерность распределения усилий между ними. Теоменьше

ретически при

Ьц)

-г- - 0 все

зубья втулки контактируют с зубьями обоймы, и в этом случае усилия распределяются равномерно между ними, однако практически это осуществить очень трудно. В то же время предетавляется возможным уменьшить величины нормальных боковых зазоров между зубьями пу5

0

5

0

5

тем их сближения за счет изменения, длины зубьев.

Кривая 22 (фиг. 5) характеризует изменение зазоров между зубьями втулки и обоймы с учетом изменения их длины. Как видно, .при (f i/ зазоры между зубьями равны нулю и лишь начиная от {/ до 1 - зазоры между

зубьями изменяются по закону формулы (1). В соответствии с распределением зазоров (кривая 22) распределяются усилия между зубьями (кривая 23). На дуге окружности радиусом г (фиг. 5) с углом охвата If усилия равномерно распределены между зубьями, а на дуге охвата от с/ if до

11 -J наблюдается неравномерность

распределения усилий.

Схематический характер распределения боковых зазоров между зубьями (фиг. 3) аналогичен характеру распределения зазоров между зубьями, находящимися в секторе зубчатой муфты, которьй расположен диаметрально противоположно рассматриваемому сектору зубьев. Вся разница заключается лищь в том, что.зубья в диаметрально противоположно расположенном секторе контактирует не правыми торцами, а левыми,

При повороте зубчатой муфты на

-if

угол -J

в зону максимального переко0

5

0

5

са зубьев попадают зубья втулки, имеющие длину. С целью сохранения эффекта, направленного на снижение неравномерности распр.еделения усилий между зубьями при перекосе осей, необходимо, чтобы с длинными зубьями втулки контактировали короткие зубья обоймы. При этом длина зубьев обоймы определяется аналогично длине зубьев втулки.

Таким образом, при повороте зубчатой муфты на один оборот в зону максимального перекоса зубьев дважды попадают короткие зубья втулки, находящиеся в зацеплении с длинными зубьями обоймы, и дважды короткие зубья обоймы, находящиеся в зацеплении с длинными зубьями втулки.

bV Определим угол ц (f при й5 т ,

в пределах которого все зубья втулки соприкасаются с зубьями обоймы вследствие неодинаковой длины зубьев. При

(/(fo величина 4S(if)0, в связи с чем из выражения (2) следует

о ЪЦ

2as

bv

by

0,5,

откуда if

Л 3

Форма развертки 24 делительного цилиндра втулки (фиг. 6) и форма развертки 25 делительного цилиндра обоймы (фиг, 7) получены по формуле (3)

bV при AS -.- . Кроме того, из располо

жения этих раверток одна относительно

другой (фиг. 6 и 7), следует, что при сборке предлагаемой зубчатой муфты короткие зубья втулки должны зацепляться с длинными зубьями обоймы, а короткие зубья обоймы, наоборот, с длинными зубьями втулки.

Снижение неравномерности распределения усилий между зубьями в предлагаемой зубчатой муфте, повьшение ее нагрузочной и компенсирующей способности осуществляется не только за счет изменения длины зубьев, но и вследствие возрастания податливости Зтсороченньк зубьев. Предлагаемое ре- шение полностью распространяется на зубчатую муфту с бочкообразными зубьями втулки и прямыми зубьями обоймы. При этом зависимости (l) и (З) имеют вид

дз(1)43- (1-cosV;

b(()2Rv- ( -cos)

Vcostf

В качестве допускаемой величины сближения бочкообразных зубьев втулки с прямыми зубьями обоймы следует RV rr о

При лз -f- .

принимать & S

угол 4 при котором не изменяется длина зубьев, определяется из вьфаже- ния (4) при dS(tp)0 и равен

l-0,,5, откуда

Таким образом, наличие бочкообраз- ности у зубьев втулки позволяет по

п

5

0

5 Q

5

0

5

Э

сравнению с прямыми зубьями вследствие разных углов ( уменьшить в зубчатой муфте количество зубьев, длина которых подлежит изменению.

Формула изобретения

Зубчатая муфта, содержащая зубчатую обойму и находящуюся с ней в зацеплении зубчатую втулку, отличающаяся тем, что, с целью повышения нагрузочной и компенсирующей возможностей путем уменьшения неравномерности распределения нагрузки между зубьями при перекосе осей, зубчатые венцы втулки и обоймы выполнены с дугообразными выемками на торцах, расположенными в каждой из них в двух диаметрально противоположных зонах и смещенными одна относительно другой на угол 90, причем для прямых зубьев втулки и обоймы длина зубьев определяется из выражения

Ъ(м,)ь- (1-сдМ

VCOS If

а для бочкообразньпс зубьев втулки и прямых зубьев обоймы длина зубьев определяется из выражения

Ъ(с,)2Нц i S-R lbWcf)

IfJCOSCf

I где Ь(ц) - длина произвольно взятых

зубьев, мм; Ъ - заданная (максимальная)

длина зубьев, мм; R - радиус бочкообразности

зубьев втулки, мм; «f - угол перекоса осей, град; qi - угол поворота относительно

оси, отстоящей от плос- ч:

кости перекоса осей на

-/

угол - o(y, град;

/да угол зацепления, град;

48 - зазор между контактными

поверхностями равнонагруженной части зубьев при перекосе осей, принимаемый

bi для прямых зубьев /18 т-- ,

для бочкообразных зубьев

лз

Кф

.

16

Z1

фиг л

22

2J

соиг.5

2

Фаг. 6

25

§

Фиг. 7