ЗУБЧАТАЯ МУФТА
GEAR CLUTCH

Изобретение относится к общему машиностроению и может быть использовано при проектировании трансмиссий для передачи крутящего момента в машинах разного назначения.
В технике известны и широко применяются жесткие компенсирующие муфты, допускающие, в небольших пределах, продольные, поперечные и угловые смещения одного вала относительно другого на небольшую величину за счет относительного перемещения жестких металлических деталей муфты. К таким муфтам относится зубчатая муфта, содержащая втулки с наружными зубчатыми венцами, предназначенные для установки на ведущем и ведомом валах, и обойму, на оконечностях которой с внутренней стороны образованы ответные зубчатые венцы, входящие в зацепление с зубчатыми венцами втулок. Обычно зубья выполняют эвольвентного профиля. Поверхности наружных зубьев втулок на окружности выступов обтачивают по сфере, форма боковых поверхностей прямолинейная или бочкообразная (см., например, книгу Э.Л. Айрапетов, Д.М. Мирзаджанов. Зубчатые соединительные муфты. М.: Наука, 1991 - 248 с.).
Недостатком известной муфты является то, что при несоосности валов в процессе работы зубья испытывают переменные контактные и изгибные напряжения, а также скольжение, возникающее между рабочими, контактирующими поверхностями зубьев муфты, что приводит к износу, нагреву и потере мощности. В данном случае присутствует необходимость интенсивной подачи смазки к трущимся поверхностям.
Наиболее близким техническим решением является зубчатая муфта, содержащая втулки с наружными зубчатыми венцами, установленные на ведущем и ведомом валах, и обойму, на оконечностях которой с внутренней стороны образованы ответные зубчатые венцы, входящие в зацепление с зубчатыми венцами втулок, между боковыми поверхностями зубьев втулок и обоймы установлены тела качения, а по обеим сторонам зубчатых венцов установлены с зазором по отношению к венцам ограничительные кольца, скрепленные с обоймой и втулками (см. Патент RU 107300, опубликован 10.08.2011). Тела качения, устанавливаемые между боковыми поверхностями зубьев втулки и обоймы, могут изначально занимать любое положение в пределах длины зубьев. Однако, если изначально тело качения находится у края зубчатого венца, то при вращении муфты в условиях перекоса осей втулки и обоймы тело качения должно с каждым оборотом муфты перекатываться вдоль длины зубьев в обе стороны. Недостатком известного решения является то, что тела качения при перекатывании с силой воздействуют на ограничительное кольцо, что приводит к дополнительным силам трения и к повреждениям устройства.
Техническим результатом изобретения является уменьшение потерь на трение, исключение необходимости интенсивной подачи смазки к трущимся поверхностям, увеличение мощности, повышение КПД устройства, исключение возможности смещения тел качения от исходного положения в общей плоскости, обеспечение устойчивого положения тел качения при их свободном перекатывании.
Технический результат достигается благодаря тому, что зубчатая муфта для передачи вращения содержит втулки с наружными зубчатыми венцами, предназначенные для установки на ведущем и ведомом валах, и обойму, на оконечностях которой с внутренней стороны образованы ответные зубчатые венцы, входящие в зацепление с зубчатыми венцами втулок, между боковыми поверхностями зубьев втулок и обоймы установлены тела качения, а по обеим сторонам зубчатых венцов установлены с зазором по отношению к венцам ограничительные кольца, причем тела качения представляют собой ролики, оси которых в исходном состоянии пересекаются с осью муфты под углом 90° и находятся в одной плоскости, при этом ограничительные кольца выполнены изогнутыми в поперечном сечении таким образом, что каждое ограничительное кольцо связано с обоймой или втулками одним своим краем, а другим краем упирается в соответствующий ролик.
Кроме того, боковая наружная поверхность роликов может быть выполнена цилиндрической, или бочкообразной, или конической, образующая которой пересекается с осью муфты.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
На фиг.1 - показано предлагаемое устройство в продольном разрезе;
На фиг.2 - показано место зубчатого зацепления втулки с обоймой с цилиндрическими роликами (разрез А-А на фиг.1);
На фиг.3-показано место зубчатого зацепления втулки с обоймой с коническими роликами (разрез А-А на фиг.1);
На фиг.4 - показано место соединения зубьев втулки с зубьями обоймы посредством роликов (разрез Б-Б на фиг.2 и фиг.3);
На фиг.5 - показано место соединения зубьев втулки с зубьями обоймы посредством роликов при взаимном смещении частей муфты в процессе работы в условиях перекоса валов (также разрез Б-Б на фиг.2 и фиг.3);
На фиг.6 - показан цилиндрический ролик (выносной элемент В, фиг 2);
На фиг.7 - показан конический ролик (выносной элемент Г, фиг.3).
Зубчатая муфта (фиг.1) содержит предназначенные для установки на ведущем и ведомом валах 4 и 5 втулки 1, 2, на наружной поверхности которых имеются зубчатые венцы 3. Перекрывая втулки 1, 2, установлена обойма 6, на оконечностях которой с внутренней стороны образованы ответные зубчатые венцы 7, входящие в зацепление с зубчатыми венцами 3 втулок 1, 2 (фиг.1), посредством шарниров из твердого, упругого материала, например из стали. Между боковыми поверхностями зубьев втулок 1, 2 и обоймы 6 установлены с возможностью качения цилиндрические ролики 10 (фиг.2), выполняющие роль шарниров. Оси 11 цилиндрических роликов 10 в исходном состоянии пересекаются с осью 12 муфты под углом 90° и находятся в одной плоскости. Размеры цилиндрических роликов 10 соответствуют размерам между противолежащими боковыми поверхностями зубьев втулок 1, 2 и обоймы 6. По обеим сторонам зубчатых венцов 3, 7 установлены с зазором по отношению к венцам 3, 7 ограничительные кольца 8, 9, связанные с обоймой 6 или втулками 1, 2, перекрывающие с торцов зону зубчатого зацепления. При этом ограничительные кольца 8, 9 закреплены посредством промежуточных колец на соответствующей втулке 1, 2 (фиг.1, 4) или на обойме 6 (на чертежах не показано). Опорные поверхности 13, 14 зубьев втулок 1, 2 и обоймы 6 расположены в плоскостях, параллельных оси 12 муфты (фиг.1, 2). Ограничительные кольца 8, 9 выполнены упругими и изогнутыми в поперечном сечении таким образом, что каждое ограничительное кольцо 8, 9 связано с обоймой 6 или втулками 1, 2 одним своим краем, а другим краем упирается в соответствующий ролик 10, 15 (фиг.4, 5).
Шарниры могут быть выполнены как в виде роликов 15 с конической боковой наружной поверхностью (фиг.3), при этом образующие этих поверхностей роликов 15 пересекаются с осью 12 муфты, так и в виде роликов 10 с бочкообразной боковой наружной поверхностью.
Преимущества предложенного устройства заключаются в следующем:
- при взаимодействии рабочих частей зубчатой муфты в процессе работы в зубчатом соединении полностью исключено трение скольжения за счет введения роликов 10, 15. Перемещение частей зубчатой муфты осуществляется через качающиеся ролики 10 или 15, что на порядок уменьшает силы трения, а следовательно, и потери энергии на их преодоление;
- существенно уменьшается износ деталей зубчатого зацепления, отпадает необходимость подачи интенсивной смазки к трущимся поверхностям, уменьшается нагрев частей муфты;
- появляется возможность упрощения технологии обработки профилей зубчатых венцов, их эвольвентных профилей с приданием «бочкообразности», вместо этих сложных поверхностей вводится обработка простейших форм - цилиндрических образующих зубьев 9 и 10.
Ограничительные кольца 8 и 9, связанные с обоймой 6 или с втулками 1, 2, не препятствуют вращению частей муфты в процессе работы и предотвращают выпадение роликов 10, 15 из зоны зацепления зубьев втулок 1, 2 и обоймы 6.
Предложенное устройство обладает повышенным КПД, поскольку трение скольжения в частях муфты исключено, а присутствует трение качения. Существенно уменьшается износ деталей муфты и отпадает необходимость подачи интенсивной смазки к трущимся поверхностям деталей муфты.
Особенности конструкции шарниров в устройстве отражаются на работе муфты, улучшая ее характеристику при определенных видах смещения, например:
- при продольном, вдоль оси муфты, смещении втулок 1, 2 относительно обоймы 6 происходит прямолинейное качение роликов 10 или 15 по опорным поверхностям зубьев втулки 1, 2 и обоймы 6, в этом случае ролик (шарнир) 10 цилиндрической формы совершает чистое качение, а ролик (шарнир) 15 конической формы будет совершать качение с небольшим проскальзыванием;
- при угловом смещении втулок 1, 2 относительно обоймы 6 происходит качение ряда роликов 10 или 15 по дуге окружности, в этом случае ролик (шарнир) 15 конической формы совершает чистое качение, а ролик (шарнир) 10 цилиндрической формы будет совершать качение с небольшим проскальзыванием.
В общем случае ролики в муфте испытывают комбинированное движение в сочетании поступательного перемещения с угловым, в этом случае целесообразно роликам придавать бочкообразность их боковым опорным поверхностям, однако, при этом, несколько уменьшается пятно контакта с сопрягаемыми поверхностями зубьев втулки и обоймы, что вызывает некоторое повышение контактных напряжений.
Таким образом, выполнение зубчатой муфты с телами качения в виде роликов, оси которых в исходном состоянии пересекаются с осью муфты под углом 90° и находятся в одной плоскости (при этом вершины образующих поверхностей роликов совпадают с точкой пересечения осей втулки и обоймы), а также введение изогнутых в поперечном сечении ограничительных колец позволяет:
- обеспечить изначальное положение роликов посередине длины зубчатого венца, что гарантирует свободное перекатывание роликов (тел качения) при работе муфты, при этом ограничительные кольца не препятствуют движению роликов за счет упругости их изогнутых частей;
- повысить несущую способность муфты за счет увеличения длины контакта ролика с зубьями втулки и обоймы;
- обеспечить перекатывание роликов по дуге окружности вокруг центра сферической опоры втулки с обоймой без проскальзывания;
- обеспечить передачу силового воздействия с зубьев втулки на зубья обоймы по касательной к делительной окружности зубчатого зацепления, что является наиболее рациональным при передаче крутящего момента.