Для обеспечения в зубчатом зацеплении полумуфт наиболее благоприятного (с точки зрения
нагружения опор и снижения интенсивности износа) распределения окружного усилия, необходимо
в первую очередь выполнять муфты с увеличенными радиальными зазорами ( Cr>JБ), в которых
центрирование обоймы и втулки должно осуществляться по боковым поверхностям зубьев. В этом
случае образуются явно выраженные контактные зоны зубьев, передающих нагрузку (рис. 1).
Рисунок 1 - Распределение нагрузки на зубьях муфты в зависимости от угла перекоса соединяемых валов.
Рекомендуемые значения радиальных зазоров по отношению к величине боковых зазоров
приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Рекомендуемые значения радиальных зазоров в муфтах нормальной точности, мм
На контактные зоны, обусловленные радиальными зазорами,
накладываются контактные зоны, обусловленные ошибками по шагу зубьев, которые имеют
примерно такой же порядок величин (рис. 2).
Рисунок 2 - Распределение нагрузки вследствие ошибок шага.
Для достижения симметричного распределения нагрузки между контактными зонами работающих
зубьев возможны различные пути.
В первую очередь – это выбор оптимального соотношения ширины зуба втулки и расстояния
между зубчатыми венцами, которое характеризуется коэффициентом Тн
где В – ширина зуба втулки; А – расстояние между серединами зубчатых венцов.
Коэффициент Тн характеризует конструктивное совершенство зубчатой муфты. При проектировании
необходимо стремиться к уменьшению коэффициента Тн, что приводит к симметричному
распределению нагрузки между зонами работающих зубьев.
При назначении указанных параметров приходится принимать компромиссное решение, поскольку,
с одной стороны увеличение расстояния между зубчатыми венцами втулок приводит к увеличению
габаритов муфты, с другой стороны – при этом возрастает компенсирующая способность.
Другой путь, ведущий к выравниванию нагрузки между контактными зонами, заключается в
увеличении податливости обоймы как наиболее жесткого элемента муфты.
Повышение податливости обода обоймы приводит к увеличению зоны нагруженных зубьев и более
равномерному распределению нагрузки между ними. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению
результирующих сил на опорах муфты. Для количественной оценки этого фактора проведены
теоретические и экспериментальные исследования.
Будем считать, что усилия на опорах пропорциональны приведенной жесткости муфты
Спр, которая зависит от жесткости собственно зубьев Сз и обода обоймы Соб
Жесткость зубьев с прямолинейной образующей Сз может быть принята равной
где Е – модуль упругости материала обоймы.
Жесткость обода обоймы, представленной в виде упругого тонкостенного кольца может быть
принята равной
где ? - радиус нейтральной окружности обода обоймы; J - момент инерции поперечного сечения
кольца, J=BH3/12 ; В – ширина кольца; Н – толщина кольца; Kw - коэффициент деформации обода;
А – коэффициент, учитывающий составляющие нормального усилия на зубьях муфты;
K? - коэффициент, учитывающий характер распределения нагрузки в пределах зоны нагружения
Коэффициент K? зависит от толщины обода обоймы: с уменьшением Н он будет уменьшаться,
так как зона нагруженных зубьев будет увеличиваться.
Согласно (2), (3), (4) отношение усилий на опорах при жестком и податливом ободе обоймы КR будет равно
Экспериментом установлено, что толщина обоймы оказывает заметное влияние на распределения
нагрузки между зубьями лишь при
Поэтому, выражая толщину обода Н в долях модуля зацепления m получим, что при в расчетах
нагрузки на зубьях муфты и реакций на опорах можно не учитывать повышенную податливость
обода обоймы. Следовательно, если специальным расчетом показано обеспечение прочности обода
обоймы, то для более равномерного распределения нагрузки на зубьях муфты и снижения реакций
на опорах, толщина обода обоймы должна выбираться из условия h < 0,6 m.
Повышенная жесткость зубьев муфты приводит к резкой концентрации нагрузки при перекосе осей
муфты, что сказывается как на контактной прочности, так и на характере распределения
окружного усилия, а, следовательно, на нагружении опор и увеличении интенсивности изнашивания.
С другой стороны, наличие больших неуравновешенных масс приводит к увеличению динамических
нагрузок на опорах валов, так как увеличение жесткости обоймы в первую очередь достигается
увеличением ее веса.
Следовательно, выполнив обойму более податливой можно добиться уменьшения жесткости зубьев,
что благоприятно скажется на распределении нагрузки и приведет к уменьшению вращающихся
неуравновешенных масс и снижению нагрузки на опоры соединяемых валов.
И в этом случае при выборе толщины обоймы приходится принимать компромиссное решение,
поскольку с одной стороны уменьшение толщины обоймы способствует уменьшению нагрузки на
зубьях и опорах, а, с другой стороны, приводит к уменьшению долговечности обоймы по
усталостной прочности. Поэтому выбор рациональной толщины обоймы возможен на основе анализа
обоих слабых звеньев муфты из условия их равнопрочности.
Повышенная жесткость обоймы обуславливает еще один недостаток зубчатых муфт – нерациональное
использование материала.
В связи с этим является целесообразным создавать такие конструкции зубчатых муфт, в которых
зубчатая обойма, имея повышенную податливость, одновременно обеспечивала бы снижение
динамических нагрузок на опорах.
Если по каким либо соображениям не представляется возможным выравнивание нагрузки между
зубьями, рассмотренными выше способами, то необходимо воспользоваться изменением жесткости
обода втулки.
Втулки зубчатых муфт обычно выполняют в виде диска со ступицей и имеют одинаковую жесткость
на наружном и внутреннем торцах (по отношению к полости муфты). Учитывая тот факт, что
нагрузка со стороны двух торцов при смещении валов распределяется неравномерно (обычно со
стороны внутреннего торца она больше), то для выравнивания нагрузки необходимо внешний торец
втулки выполнять более податливым, чем внутренний. Это приведет к увеличению числа зубьев
передающих нагрузку.
Также выравниванию нагрузки способствует синфазность сборки зубчатого зацепления полумуфт.
Так как муфты, выполненные с увеличенными радиальными зазорами менее чувствительны к
погрешностям изготовления, необходимо стремиться нарезать зубья обоймы и втулки на одном и
том же станке и тем же инструментом с последующей маркировкой муфт.
Эффективным в отношении распределения нагрузки является втулка с криволинейной образующей
зуба, так как в этом случае пятно контакта перемещается к середине зубчатого венца и тем
самым способствует более симметричному распределению нагрузки между зубьями.
Следует отметить, что предлагаемые пути выравнивания нагрузки между зубьями хотя и приводят
к положительным результатам, однако не полностью устраняют силовое воздействие муфт на опоры
валов. Поэтому представляется целесообразным дальнейшее совершенствование конструкций
зубчатых муфт с целью более эффективного их использования.
Список использованой литературы
- Айрапетов Э. Л., Миржаджанов Д. Б. Зубчатые соединительные муфты. -М.: Наука, 1991.- 250 с.
- Польченко В. В., Михайлов А. Н. Износ в зубчатых муфтах.// Прогрессивные технологии и
системы машиностроения: сб. научных трудов.–Донецк: ДонГТУ,1997. Вып.4 – с.131-135.
- Польченко В. В., Соловей А. В. Распределения нагрузки между зубьями зубчатой
муфты.//Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных
трудов.– Донецк: ДонГТУ,1998. Вып.5 – с.177.
