Зубчатая муфта
Изобретение относится к зубчатым муфтам, преимущественно к муфтам для соединения валов с применением промежуточного вала, особенно к зубчатым муфтам шпинделей прокатных станов. Зубчатая муфта включает зубчатую втулку с наружными бочкообразными зубьями и обойму с внутренними зубьями поперечного эвольвентного профиля и продольного прямолинейного профиля, находящимися в зацеплении с зубьями втулки, при этом поперечный профиль зубьев втулки выполнен модифицированным, совпадающим на делительной окружности с теоретическим эвольвентным профилем и с отклонением от теоретического профиля внутрь тела зуба по обе стороны от делительной окружности, определяемым по разнице отклонений модифицированного и теоретического профилей от касательной к теоретическому профилю в точке на делительной окружности из выражения где ƒ - отклонение модифицированного профиля зуба втулки от теоретического; х - расстояние по касательной к теоретическому профилю зуба от точки на делительной окружности до сечения зуба плоскостью, перпендикулярной этой касательной, в которой определяется отклонение ƒ; ρпр - приведенный радиус кривизны поперечного профиля зубьев втулки и обоймы в точке их контакта на делительной окружности, определяемый по соотношению где m - модуль зубьев втулки; Rб - радиус кривизны (бочкообразности) зуба в продольном сечении, проходящем через точку профиля зуба на делительной окружности перпендикулярно касательной в этой точке к профилю зуба; Мн - номинальный крутящий момент, передаваемый муфтой; z - число зубьев втулки; αw - угол теоретического профиля зубьев втулки. Поперечный профиль зубьев выполнен как огибающая прямобочной зуборезной рейки (осевого сечения червячной фрезы), передняя поверхность прямобочных зубьев которой выполнена вогнутой со стрелкой вогнутости, определяемой по формуле
где ƒ - отклонение модифицированного профиля зуба втулки от теоретического эвольвентного; αz - угол задних боковых поверхностей прямобочных зубьев червячной фрезы. Изобретение обеспечивает повышение нагрузочной способности и долговечности зубчатых муфт преимущественно для соединения валов с применением промежуточного вала, особенно зубчатых муфт шпинделей прокатных станов, сокращение аварийных простоев и повышение производительности станов, повышение точности прокатки и качества прокатываемых полос. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к зубчатым муфтам, преимущественно к муфтам для соединения валов с применением промежуточного вала, особенно к зубчатым муфтам шпинделей прокатных станов.
Известна зубчатая муфта (аналог), включающая зубчатые втулки с наружными бочкообразными зубьями и обойму с внутренними зубьями прямолинейного продольного профиля, находящимися в зацеплении с зубьями втулки. Поперечный профиль зубьев втулки и обоймы выполнен эвольвентным (Справочник машиностроителя. Том 4. Книга 1. Под редакцией Н.С.Ачеркана. Издание третье. - М.: Машгиз, 1962, с.182, 183, схема 4, фиг.4, 5).
Недостатком аналога является выполнение зубьев втулки и обоймы с одинаковым поперечным эвольвентным профилем.
При передаче крутящего момента и силовом замыкании зубьев обоймы и втулки в их соосном положении эвольвентные профили зубьев обоймы и втулки совпадают (см. указанный источник, с.183, фиг.5, в). При этом пятно контакта зубьев расположено в их центральной части.
При передаче крутящего момента с перекосом обоймы относительно втулки пятно контакта смещается по высоте зубьев и выходит на их кромки. В результате возникает интенсивный износ зубьев на кромках у вершин и оснований, что приводит к снижению долговечности и быстрому выходу муфты из строя.
Недостатком известной муфты также является неэффективность ее применения в трансмиссиях соединения механизмов и машин, для соединения элементов которых требуется применение промежуточного вала, например в шпинделях для соединения валков прокатного стана с редуктором привода валков. Так как обойма известной муфты содержит два зубчатых пояса, при использовании промежуточного вала в трансмиссии увеличиваются суммарные зазоры и возрастают динамические нагрузки, вызывающие повышенный износ, разрушение зубьев и быстрый выход муфт из строя. Динамические нагрузки сопровождаются крутильными колебаниями масс трансмиссии, что отрицательно сказывается на точности их заданного движения. В частности, в трансмиссии привода валков прокатного стана, в которой соединение валков с редуктором осуществляется с помощью зубчатых шпинделей, крутильные колебания валков отрицательно сказываются на точности прокатки и качестве прокатываемых полос.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является зубчатая муфта для соединения валов с использованием промежуточного вала. Муфта включает зубчатую втулку с наружными бочкообразными зубьями и обойму с внутренними зубьями прямолинейного продольного профиля, находящимися в зацеплении с зубьями втулки, при этом поперечный профиль зубьев обоймы и втулки выполнен эвольвентным (см. там же, с.180, 183, фиг.6, с.186). К числу таких муфт также относятся зубчатые муфты шпинделей прокатных станов (см. патент РФ №2134169, МПК 6 В 21 В 35/14, 1999 г.; патент РФ №2153404, МПК 7 В 21 В 35/14, 1998 г.).
Применение прототипа при использовании промежуточного вала устраняет описанный недостаток аналога, касающийся увеличения числа зубчатых соединений и зазоров в трансмиссии. Однако, как и аналогу, прототипу присущ наиболее существенный недостаток - выполнение зубьев обоймы и втулки с одинаковым поперечным профилем, вызывающим выход пятна контакта на кромки зубьев обоймы, интенсивный износ зубьев обоймы и втулки при их относительном перекосе, снижение долговечности и нагрузочной способности муфты. С увеличением зазоров возникают крутильные колебания масс трансмиссии, соединенных промежуточным валом. Особенно актуальна эта проблема для зубчатых муфт шпинделей прокатных станов с повышенными углами перекоса обоймы относительно втулки, которые достигают 4°. При возникновении крутильных колебаний валков, соединенных зубчатыми шпинделями с приводом, нарушается устойчивость прокатки, возникают случаи выброса полосы из линии стана и связанные с ними аварийные простои стана, снижается точность прокатки и качество прокатываемых полос.
Целью настоящего изобретения является повышение нагрузочной способности и долговечности зубчатых муфт преимущественно для соединения валов с применением промежуточного вала, особенно муфт шпинделей прокатных станов, сокращение аварийных простоев и повышение производительности станов, повышение точности прокатки и качества прокатываемых полос.
Поставленная цель достигается тем, что в зубчатой муфте, включающей зубчатую втулку с наружными бочкообразными зубьями и обойму с внутренними зубьями поперечного эвольвентного и продольного прямолинейного профиля, находящимися в зацеплении с зубьями втулки, поперечный профиль зубьев втулки выполнен модифицированным, совпадающим на делительной окружности с теоретическим эвольвентным профилем и с отклонением от теоретического профиля внутрь тела зуба по обе стороны от делительной окружности, определяемым по разнице отклонений модифицированного и теоретического профилей от касательной к теоретическому профилю в точке на делительной окружности из выражения
где f - отклонение модифицированного профиля зуба втулки от теоретического;
х - расстояние по касательной к теоретическому профилю зуба от точки на делительной окружности до сечения зуба плоскостью, перпендикулярной этой касательной, в которой определяется отклонение f;
ρпр - приведенный радиус кривизны поперечного профиля зубьев втулки и обоймы в точке их контакта на делительной окружности, определяемый по соотношению
где m - модуль зубьев втулки;
Rб - радиус кривизны (бочкообразности) зуба в продольном сечении, проходящем через точку профиля зуба на делительной окружности перпендикулярно касательной в этой точке к профилю зуба;
МH - номинальный крутящий момент, передаваемый муфтой;
z - число зубьев втулки;
αw - угол теоретического профиля зубьев втулки.
Модифицированный профиль зубьев при нарезании получается как огибающая прямобочной зуборезной рейки (сечения червячной фрезы), передняя поверхность зубьев которой выполнена вогнутой со стрелкой вогнутости
где αz - угол задних боковых поверхностей зубьев зуборезной рейки.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены:
фиг.1 - схема контакта зубьев втулки и обоймы;
фиг.2 - боковой профиль зуба червячной фрезы;
фиг.3 - сечение А-А на фиг.2;
фиг.4 - вид по стрелке Б на фиг.2.
Зубчатая муфта включает втулку с наружными бочкообразными зубьями 1 и обойму с внутренними зубьями 2 поперечного эвольвентного и продольного прямолинейного профиля, находящимися в зацеплении с зубьями втулки. Поперечный профиль 3 зубьев втулки выполнен модифицированным с отклонением от теоретического эвольвентного профиля внутрь тела зуба по обе стороны от делительной окружности.
В соосном положении обоймы и втулки при передаче крутящего момента модифицированный поперечный профиль 3 зуба втулки совпадает с эвольвентным поперечным профилем 4 в точке А на делительной окружности радиуса rд. Теоретический эвольвентный профиль зуба втулки совпадает с эвольвентным профилем зуба обоймы по всей высоте рабочей поверхности профиля, поэтому эвольвентный профиль 4 зуба 2 обоймы можно рассматривать как теоретический эвольвентный профиль зуба втулки.
При выполнении зубьев втулки с отклонением их профиля от теоретического внутрь тела зуба в направлении от точки А на делительной окружности к вершине и ножке зубьев образуется постепенно увеличивающийся зазор f. При нагружении из-за контактной деформации этот зазор будет уменьшаться с образованием пятна контакта между зубьями. При работе зубчатой муфты с перекосом обоймы относительно втулки пятно контакта смещается от центрального поперечного сечения к краям боковой рабочей поверхности зубьев и возможен его выход на вершину (кромку) зуба обоймы. В зубчатых муфтах расстояние от делительной окружности до вершины зуба обоймы обычно составляет 0,8 модуля. Выход пятна контакта на кромки зубьев обоймы, как уже было отмечено ранее, приводит к быстрому износу, разрушению зубьев и выходу муфты из строя. Поэтому кривизна модифицированного профиля зубьев втулки, возникающая при отклонении профиля от теоретического внутрь тела зуба, должна быть выбрана такой, чтобы пятно контакта зубьев по высоте под нагрузкой не выходило на кромку зуба обоймы.
Опыт эксплуатации, аналитические и экспериментальные исследования, проведенные заявителем, показали, что для исключения выхода пятна контакта на кромку при работе муфты малая (вертикальная) полуось пятна контакта не должна превышать величины 0,6 модуля зацепления муфты в соосном положении обоймы и втулки.
Э.Л.Айрапетов в статье "Расчет зубчатых передач на прочность как оптимизационный процесс" (см. Сборник докладов научного семинара учебно-научного центра зубчатых передач и редукторостроения. Ижевск - Москва, 2000, с.26, таблица 3, колонка 4, строка 2 сверху) показал, что между величиной b малой полуоси пятна контакта, приведенным радиусом кривизны ρпр в контакте зубьев втулки и обоймы, радиусом Rб бочкообразности зуба втулки в продольном сечении (определяется заданной линией смещения исходного контура) и усредненной безразмерной нагрузкой Р существует зависимость
Усредненная безразмерная нагрузка
где коэффициент 
νi, Еi - соответственно коэффициенты Пуассона и модуль упругости материала обоймы и втулки;
Рmax - максимальная нагрузка, действующая на зуб.
Исследования показали, что максимальная нагрузка Рmax, действующая на зубья обоймы и втулки при их взаимном перекосе, не превышает более чем в 2,5 раза номинальную нагрузку Рн, которая определяется из соотношения
где Мн - номинальный крутящий момент, передаваемый зубчатой муфтой;
z - число зубьев втулки;
αw - угол теоретического эвольвентного профиля зубьев втулки.
Из этих соображений максимальную нагрузку, действующую на зуб втулки, можно принимать
Для изготовления обоймы и втулки, как правило, применяется легированная сталь одинаковой марки, для которой ν=0,3; E=2,15·105 Н/мм2. В этом случае, преобразуя выражения (1)-(4) и принимая значение b=0,6m, то есть максимальное значение, соответствующее Pmax, где m - модуль зацепления, получим формулу для определения приведенного радиуса профиля зубьев ρпр в точке их контакта
Для того, чтобы пятно контакта зубьев обоймы и втулки по высоте под нагрузкой не выходило на кромки зубьев обоймы, кривизна модифицированного профиля зубьев втулки должна быть больше, чем кривизна зубьев обоймы, то есть радиус кривизны модифицированного профиля зубьев втулки должен быть меньше, чем радиус кривизны зубьев обоймы. Исследования показали, что условие не выхода пятна контакта на кромки зубьев обоймы, при котором малая полуось пятна контакта не превышает 0,6 модуля, то есть b≤0,6 m, может быть выполнено при изготовлении зубьев втулки с модифицированным профилем, выполненным с отклонением от теоретического эвольвентного внутрь тела зуба по его высоте в обе стороны от делительной окружности. Это отклонение определяется как разница отклонений модифицированного и теоретического профилей от касательной к теоретическому профилю в точке А на делительной окружности из выражения:
где x - расстояние по касательной к теоретическому профилю зуба от точки А на делительной окружности до сечения плоскостью PQ, перпендикулярной этой касательной, в которой определяется отклонение f.
Отклонение f удобно рассматривать в системе координат XAY с началом в точке А, у которой ось Y направлена по общей нормали к модифицированному и теоретическому профилям зуба (по направлению приведенного радиуса кривизны ρпр), а ось Х - по общей касательной к профилям в точке А (см. фиг.1).
Для определения отклонения f по высоте зуба с достаточной для практики точностью эвольвентный теоретический профиль зуба втулки, совпадающий с профилем обоймы, и модифицированный профиль можно заменить параболическими профилями. Тогда отклонение на расстоянии х от оси Y можно определить из соотношения
где ρ1, ρ2 - радиусы кривизны соответственно модифицированного и теоретического эвольвентного профилей зуба.
Из теории Герца известно, что выражение
то есть выражение (7) представляет собой формулу (6).
Для нарезания зубьев втулки с модифицированным профилем передняя поверхность зубьев червячной фрезы выполняется вогнутой со стрелкой вогнутости fф, определяемой по формуле
где f - отклонение модифицированного профиля зуба втулки от теоретического эвольвентного, определяемое по формуле (6) (см. фиг.2, 4);
αz - угол задних боковых поверхностей прямобочных зубьев червячной фрезы (см. фиг.3).
В этом случае модицицированный профиль зубьев прдставляет собой огибающую прямобочной зуборезной рейки (осевого сечения червячной фрезы), передняя поверхность прямобочных зубьев которой выполнена вогнутой со стрелкой вогнутости, определяемой по формуле (8) (см. фиг.2).
Зубчатые муфты с модифицированным профилем зубьев втулок применяются в шпинделях непрерывной группы прокатных клетей широкополосного стана 1700 горячей прокатки ОАО "Северсталь" (г. Череповец). При расчете модифицированного профиля использовали следующие исходные данные:
номинальный крутящий момент, Н·м - 8·108;
модуль зубьев, мм - 14;
число зубьев - 37;
радиус бочкообразности зуба в продольном сечении, мм - 953,5;
угол задних боковых поверхностей прямобочных зубьев червячной фрезы, αz, град - 4.
По формуле (5) получаем приведенный радиус кривизны ρпр=525 мм; по формуле (6) - максимальное отклонение f=0,061 мм при x=0,6 m; стрелка вогнутости передней поверхности прямобочных зубьев фрезы по формуле (8) fф=0,874 мм.
При применении зубчатых муфт с модифицированным профилем зубьев втулок исключается выход пятна контакта на кромки зубьев обоймы, повышается износостойкость зубьев, нагрузочная способность и долговечность муфт, особенно зубчатых муфт шпинделей прокатных станов, сокращаются аварийные простои и повышается производительность станов, повышается точность прокатки и качество прокатываемых полос.
1. Зубчатая муфта, включающая зубчатую втулку с наружными бочкообразными зубьями и обойму с внутренними зубьями поперечного эвольвентного профиля и продольного прямолинейного профиля, находящимися в зацеплении с зубьями втулки, отличающаяся тем, что поперечный профиль зубьев втулки выполнен модифицированным, совпадающим на делительной окружности с теоретическим эвольвентным профилем и с отклонением от теоретического профиля внутрь тела зуба по обе стороны от делительной окружности, определяемым по разнице отклонений модифицированного и теоретического профилей от касательной к теоретическому профилю в точке на делительной окружности из выражения
где ƒ - отклонение модифицированного профиля зуба втулки от теоретического;
х - расстояние по касательной к теоретическому профилю зуба от точки на делительной окружности до сечения зуба плоскостью, перпендикулярной этой касательной, в которой определяется отклонение ƒ;
ρпр - приведенный радиус кривизны поперечного профиля зубьев втулки и обоймы в точке их контакта на делительной окружности, определяемый по соотношению
где m - модуль зубьев втулки;
Rб - радиус кривизны/бочкообразности зуба в продольном сечении, проходящем через точку профиля зуба на делительной окружности перпендикулярно касательной в этой точке к профилю зуба;
Мн - номинальный крутящий момент, передаваемый муфтой;
z - число зубьев втулки;
αw - угол теоретического профиля зубьев втулки.
2. Зубчатая муфта по п.1, отличающаяся тем, что поперечный профиль зубьев втулки выполнен как огибающая прямобочной зуборезной рейки /осевого сечения червячной фрезы, передняя поверхность прямобочных зубьев которой выполнена вогнутой со стрелкой вогнутости, определяемой по формуле
где ƒ - отклонение модифицированного профиля зуба втулки от теоретического эвольвентного;
αz - угол задних боковых поверхностей прямобочных зубьев червячной фрезы.
