автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Разработка конструкций и методики расчёта шариковых муфт свободного хода

Державний уншерситет "Льв'шська псштехшка"

# #

copokibcbkini Олег 1горович'

/

УДК 621.825.5

РОЗРОБКА КОНСТРУКЦШ I МЕТОДИКИ РОЗРАХУНКУ КУЛЬКОВИХ МУФТ ВЫЬНОГО ХОДУ

05.02.02 - машинознавство

Автореферат дисертацц на здобуття наукового ступеня кандидата техшчних наук

Льв1в-2000

Дисертащею е рукопис.

Робота виконана у Державному ушверситетч "Льв1вська полЬехшка" Мшютерства освпги 1 науки УкраТни.

Науковий кершник - доктор техшчних наук, професор

Малащенко Володимир Олекеандрович, Державний ушверситет "Льв1вська полаехжка", професор кафедри "Детал1 машин".

Офвдйш опоненти:

доктор техшчних наук, професор Вольченко Олександр 1ванович, 1вано-Франк1вський Державний техшчний ушверситет нафти 1 газу, професор кафедри "Мехашка машин",

кандидат техшчних наук, доцент Палюх Мнхайло Дмитрович, ВАТ "ЛымвськиП автобусний завод", директор Асощац'и "Автобус".

Провщна установа - Нацюнальний техшчний университет УкраУни "Кшвсышй псштехшчний ¡нститут" Мшютерства освпи 1 науки УкраТни, м. КиТв.

Захист в'1дбудеться 29 березия 2000 р. о 15— годит на засщант спеша-шзованоУ вченоТ ради Д 35.052.06 у Державному ушверсите-п "Льв1вська полпгехнка" (79646, Льв1в-13, вул. С. Бандери, 12, ауд.226 головного корпусу).

3 дисерташею можна ознайомитися у науковш б!блютеш Державного ущверситету "Льв1вська полггехшка" (Льв1в, вул.Професорська, 1)

Автореферат розюланий Ж лютого 2000 р.

Вчетш секретар спец1ал1зовано'1 ечено'(ради / С. Ю. Форнальчик

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуалыпсть теми. Важливою народно-господарською техшчною проблемою с пщвищення довпшчносп машин i мехашзм!в, яка вимагае вщ науковфв та шженер1в розробки нових мехашчних засоб1в пщвищеноУ HaflifinocTi 3i збшьшеним термшом служби та !стотним спрощенням Ух конструкци i виготовлення. До таких пристроУв вщносяться кульков! муфти в!льного ходу (КМВХ), яю розроблеш на кафедр! "Детал! машин" Державного ушверситету "Льв1вська пол'1техшка" i захищеш авторськими свщоцтвами та патентами.

Для доведения КМВХ до впровадження у виробництво та розробки бшьш прогресивних Ух конструкшй, яю випдно вщр!зняються вщ ¡снуючих, необхщно виконати анал!з юнематико-геометричних i силових параметр!в, та розробити методику розрахунюв на мщтсть елемент1в цих муфт.

Результати теоретичних i експериментальних дослщжень подюних пристроУв вщображеш в працях Барабаша 1.Д., Вольченко O.I., Гаршнева Ю.Г., Калшша С.Г., Кшдрацького Б.1., Кузьо I.B., Куликова Н.К., Малащенко В.О., Мальцева В.Ф., Павлище В.Т., Пилипенко М.Н., Полякова B.C., Ряховського O.A. та шших вчених.

Слщ зауважити, що для автоматичного з'еднання та роз'еднання вал!в застосовуються роликов! муфти вщьного ходу, яы мають жорсти вимоги технолопчного та експлуатацшного характеру, тому Ух, де можливо, замшяють храповими мехашзмами, як! також мають ряд суттевих недолшв: сильний шум при холостому ход!, штенсивне зношування защток та шше. Отже, задач!, що направлен! на створення прогресивних мехашчних засоб!в (КМВХ), е актуальними, а Ух розв'язання мае важливе значения для народного господарства. У свою чергу процес проектування цих муфт вимагае досконалого вивчення закошв руху Ух елеменпв, визначення анал1тичних залежностей м1ж геометричними та силовими параметрами.

Зв'язок робот» з науковнмн програ.маин, планами, темами. Дисертацшна робота виконувалась згщно з планом науково-досл!дних pooii кафедри "Детал! машин" факультету машинобудування та автомобильного транспорту Державного ун!верситету "Льв!вська пол!техн!ка" за тематикою "Динам!ка та мщшсть машин цикл!чноУ дГГ', яка безпосередньо пов'язана з державною науково-техшчною програмою "П!двищення над!йност! i довгов!чност! машин та конструкшй", а також Програмою Кабшету MiHicTpiß "УкраУна - 2010" (проект 4 - "Технолопчне та техшчне оновлення виробництва"). Kpi.m цього окрем! питания, що пов'язаш з розробкою конструкци ново!" муфти для сершного велосипеда та ТУ випробуванню, виконувались на основ! госпдоговору № 6592 в!д 1 ачня 1999 р.

. Мета i задач! дослвдження. Мета роботи - наукове обгрунтування методики визначення юнематичних, геометричних та силових характеристик, розрахунюв на мщшсть КМВХ i на Ух основ! розробка та впровадження у

виробництво прогресивних конструкцш муфт цього класу з шдвищенням Тх експлуатацшних показник!в.

Для досягнення мети були поставлен! 1 розв'язаш наступи! задач!:

а) узагальнити ¡снуючий матер1ал щодо розрахунку та конструктивних особливостей муфт вшьного ходу 1 на його основ! провести наукове обгрунтування основних принцишв створення професивних КМВХ з розробкою методики комплексного дослщження Ух параметр!в;

б) обгрунтувати необхщшсть 1 провести класифжащю розроблених КМВХ за конструктивними ознаками;

в) провести теоретичне дослщження основних характеристик КМВХ з визначенням к!нематичних, геометричних ! силових параметр1в \'х елемент!в;

г) виконати розрахунок на мщшсть елемент!в КМВХ для р!зних форм перифер!йних кшщв паз1в ведено! та ведучоТ швмуфт;

д) провести експериментальн! досл!дженння основних характеристик даних муфт з розробкою експериментальноТ установки та методики проведения дослвдв ! опрацювання Ух результат;

е) розробити та впровадити у виробництво прогресивну конструкщю кульковоТ муфти вшьного ходу з пщвищеними експлуатацшними показниками.

Розв'язання цих задач мае важливе наукове, шженерне та народно-господарське значения на стад!ях проектування ! експлуатацн нових професивних КМВХ.

Наукова новизна одержаних результатт. Науково обфунтовано методику створення нових конструкцш КМВХ, отримано два позитивн! решения про видачу патент!в на винаходи, а одна конструкщя кульковоТ муфти впроваджена у виробництво на ВАТ "Льв!вський мотозавод" для сершного велосипеда з покращенням есплуатацшних показниюв.

Обфунтовано необхщшсть ! розроблено класифкащю КМВХ за конструктивними ознаками, що розширюе ! доповнюе ¡снуючу загальну класифкащю муфт. Розроблено методику к!нематичних, геометричних ! силових розрахунк1в КМВХ з визначенням закону руху кульки шд час вмикання та вимикання муфти ! в!дпов!дних анаттичних залежностей.

Вперше проведено розрахунки на мщшсть елемеьтв КМВХ для р!зних форм перифершних кшщв паз1в ведучоТ та ведено! швмуфт, що дало змогу вибрати ращональну конструкцш впровадженоТ у виробництво муфти.

Визначено величини деформац!й гпвмуфт з урахуванням осьових зусиль, що д!ють на них у робочому режим!. Розглянуто випадки навантаження КМВХ зосередженою осьовою силою ! розподшеним симетричним навантаженням. Наведено аналггичш залежносп для визначення поперечних сил, згинальних момент1в 1 зм!щень елеметчв цих муфт для обох випадюв навантаження.

Проведено експериментальш дослщження впливу конструктивних особливостей 1 геометричних параметр!в на юнематичш характеристики

КМВХ з розробкою та виготовленням дослщноУ установки 1 описаниям методики проведения дослшв та опрацювання результат1в.

Експериментально визначено тривагисть з'еднання вал!в для р1зних пускових режим1в роботи двигуна приводу та форм паз1в ведучоУ швмуфти з виведенням сигналу давач1в через аналогово-цифровий перетворювач на комп'ютер. Це дало змогу провести вим!рювання з достатньо високою точшстю в широкому д1апазош швидкостей ведучого вала.

Практнчне значения одержаних результате. На пщстав1 теоретичних 1 експериментальних дослщжень розроблено техшчну документац'|ю 1 виготовлено експериментальш зразки кульковоГ муфти вшьного ходу. Конструкщя даноУ муфти впроваджена у виробництво для сершного велосипеда. Попередш випробування показали и високу иадшшсть та безшумшсть роботи. Теоретичш положения дисертацм та розроблеш рекомендащУ стосовно вибору рацюнальних характеристик КМВХ можуть бути використаш при проектуванш, виготовленш та експлуаташ'У под1бних мехашчних пристрой.

Основш результати дисертащйноУ роботи знайшли застосування у навчальному процес1 та впроваджеш у виробництво ВАТ "Льв1вський мотозавод".

Особистин внесок здобувача. Основш результати дисертацшноУ роботи отримаш автором самостшно. Суттев1 здобутки досягнуто у сшвавторств! з пращвниками кафедри "Детал1 машин". В роботах [1-3, 5-7] автору належить розв'язок наступних задач: визначення аналп-ичних залежностей ,\пж кшематичними та геометричними параметрами КМВХ; методика розрахунку деформащй Ух елеметтв з урахуванням осьових зусиль, що дноть на пшмуфти у робочому режиму для випадюв Ух навантаження зосередженою силою \ розподыеним симетричним навантаженням. Особисто здобувачев! належать: розробка конструкци та виготовлення експериментального зразка кульковоУ муфти; розробка дослщноУ установки та методики проведения експеримент1в; проведения експериментальних випробувань з опрацювання Ух результате з допомогою комп'ютера та формулювання висновкчв 1 рекомендаций стосовно вибору найбшьш рацюнальноУ конструкци КМВХ; розробка прогресивноУ конструкщУ муфти велосипеда, шдготовка та впровадження и у виробництво.

Апробашя результате дисерташУ. Основш результати дисертацшноУ роботи доповщались на 3-му та 4-му М1жнародних симпоз!умах украУнських ¡нженер1в-механшв у Львову ДУ "Льв1вська пол1техшка" (м. Льв1в 1997, 1999); науково-теоретичних конференщях ДУ "Льв1вська полггехшка", (м. Льв1в 1996, 1997); першому украУнському з'гзд! по теорп мехашзмш 1 машин "ТММ и техносфера Украины XXI века" (м. Харюв, 1997); науковому семшар! кафедри "Детал1 машин" ДУ "Льв1вська пол1техшка" (м. Льв1в 1998, 1999); науково-техшчшй конференщУ "Проблеми створення та експлуаташ'У шдйомно-транспортних машин та обладнання", Харовський державний полггехшчний

ушверситет (м. Харгав 1999).

Публ1кашТ. Результати дисертацшно'Г робота опубл1коваш у 7 друкованих працях, в тому числ! дв1 CTarri у BicanKy ДУ "Льв1вська пол1техшка" "Динам1ка, мщшсть та проектування машин i прилад1в", № 323; одна стаття у збфнику праць Aconiaai'i "Автобус" "Проектування, виробництво та експлуатащя автотранспортних 3aco6iB i поУздв"; одна стаття у Вюнику XapKiBCbKoro державного полкехшчного ушверситету "Подъёмно-транспортная техника и технологии", выпуск 48; 3-х збфниках матер1ал!в наукових симпоз1ум1в i конференцн; отримано два ршення про видачу патент1в на винахщ.

Структура i обсяг роботи. Дисертацшна робота викладена на 148 сторшках i складаеться ¡з вступу, чотирьох роздш1в, загальних висновюв, списку використаноТ Л1тератури з 101 назви, мютить 64 рисунки, 5 таблиць, а також мае додаток на 2 сторшках. Загальний обсяг роботи - 150 сторшок.

3MICT РОБОТИ

У встуш обгрунтовано актуальшсть теми роботи, висвЬлено мету, важлившть i ochobhi задач!; визначено наукову новизну та практичну цшшсть отриманих результат дослщжень. Сформульовано основш положения дисертащ! i особистий внесок здобувача в розроблення наукових результата.

У першому роздш[ "Анал1з стану досладжень муфт вкпьного ходу" подано короткий огляд ¡снуючих конструкцш, методики розрахунюв та рекомендацш щодо проектування муфт вшьного ходу, що дало змогу вибрати об'ект дослщження, обгрунтувати та викласти мету роботи з вибором завдань щодо п реал1зац11.

У другому роздш "Досладження геометрнчннх та кшемагичннх параметрш КМВХ" наведено конструкцп нових муфт та принцип Тх роботи, описано будову та процес вмикання у роботу. Розроблено класифкащю КМВХ за конструктивними ознаками (рис.1).

Об'ектом дослщження вибрана кулькова муфта (рис.2), конструкщя якоУ розроблена на основ1 ретельного анал!зу вщомих муфт вшьного ходу. Вона складаеться з ведучоУ швмуфти 1, на topui якоУ виконано пази 2 31 змпценням в'1д геометричноУ oci муфти до периферй' (рис.3), веденоУ швмуфти 3, на Topui якоУ виконано кшьцевий 4 та дотичш пази 5 (рис.4). В пазах \иж твмуфтами розташовано кульки 6.

Муфта працюе наступним чином. У випадку обертання ведучоТ швмуфти за годинниковою стр'шкою кулька шд д!ею вщцентровоУ сили змщуеться вщ oci муфти на величину R i виштовхуеться у дотичний паз веденоТ швмуфти. Дал1, п1д д1ею тиску бокових поверхонь паз ¡в швмуфт i вщцентровоУ сили, кулька досягае перифершного кшця цього паза i тисне на ведену швмуфту, яка починае обертатись i передавати робоче навантаження.

При зм1ш напрямку обертання кулька виштовхуеться боковими поверхнями паз1в швмуфт у кшьцевий паз, i, ковзаючи по ньому, порушуе

зв'язок М1ж швмуфтами. Автоматичне роз'еднання вал'1в вщбуваеться 1 у випадку коли з техшчних причин ведена швмуфта матиме бшьшу кутову швидккть шж ведуча.

\

V.

Куль КОВ 1 муфти в1льного ходу

л

Муфти з горизонтально розмщеними валами

я и я о я ей

3

Й с й 3 Й

с- е

И .а

со в

Муфти з вертикально розмщеними валами

о. в

м

о, с о >.

** о

о И

а О и

в о

й Я

в л

а

В

Р м

о

X я

п и о

а я ЕГ в

о о

И 5

I

с. я

в 5

.2 е-

а ю ей о

'о

о

3

к

§ 1

5 я;

М 5

Я §

о

со и

3 прямимн пазами пщ

КуТОМ ДО Д0ТИЧН01

3 прямими па^а.ми по дотнчшй

о дугоподюними пазами

Рис. 1. Класифшацш конструкцш кульковнх муфт ошьного ходу

ш

////////А *

м

4

- 4

3 метою визначення рацюнальних розм1рт основних елемент1в КМВХ виведено залежшеть рад1уса кшыдевого паза веденоТ швмуфти вщ кутовоУ швидкост1 обертання ведучоТ швмуфти. Для будь-якого взаемного положения швмуфт р!внод!йна сила Гц, що д1с на кульку, бшьша векторно'Г суми наступного вигляду

(О

Рис. 2. Кулькова муфта виыюго ходу з р > рв+ (]

кмльцевпм пазом

де - вщцентрова сила, що д1е на кульку шд час руху; (7 - сила п власио!' ваги.

Рис. 3. Ведуча швмуфта

Рнс. 4. Ведена швмуфта

Шсля перетворень з отримаемо наступну залежшсть

тю2 гг

> mg, або, гк >

JL со2

(2)

де со - кутова швидюсть ведучо!' швмуфти; гк - рад1ус ктьцевого паза; g - прискорення вшьного падшня; т -маса кульки.

Для наочносп побудовано графж залежност1 м1ж кутовою швидкютю ведучо!.' ланки та рад1усом кшьцсвого паза ведено!' швмуфти (рис.5), з якого видно, що при збшьшенш кутовоТ швидкост! ведучоТ п!вмуфти, на веденш швмуфт1 можна виконати к!льцевий паз меншого рад!уса.

Практична його п'шшсть полягае в тому, що знаючи кутову швидк!сть, можна пшбрати рад!ус к!льцевого паза ведено!" п!вмуфти, при якому вмиканя муфти буде в'щбуватись у будь-якому положена!.

Для забезпечення працездат-ност! юнематичного ланцюга з КМВХ дослщжено процес автоматичного вмиканя мехашзму, що вщбуваеться шд час обертання ведучо!' ланки у бажаному напрямку.

Умова надшного вмикання муфти

К-Рт-о>0, (3)

де Рщ - сила ¡нерцн; Гт - сила тертя.

Пкля перетворень вираз (3) матиме вид

а > гка2к + (4)

де а - прискорення руху кульки по пазу ведучо'! швмуфти; к - коефвдент тертя кочення.

Рис. 5. Залежшсть mí» кутовою швидюстю ведучо» швмуфн та рад1усом кшьцевого naja ведено') швмуфти

Визначено тривал!сть пер!оду, на протягом якого вщбуваеться вмикання муфти у роботу. Найменше значения цього часу мае м!сце у випадку, коли

кулька знаходиться на початку нижнього дотичного паза веденоТ гпвмуфти, тобто, у найбшьш сприятливому для вмикання положенш. Для з'еднання кшшв вал1в необхщно, щоб ведуча швмуфта здшснила поворот на кут фтш. Отже, в даному випадку ведуча швмуфта здшснюе поворот на кут

Фт;„=Р,+р2. (5)

де (3|, р2 - кутов1 положения центр1в мае кульки (рис.6, а).

У випадку, коли на ведешй швмуфт1 виконано тшьки три дотичш пази, можливе таке Тх розташування, що у сприятливому для зачеплення положенш буде знаходитись т'шьки один паз (рис. 6, б). Але при цьому кулька може дещо змщуватись по вщношенню до початку дотичного паза, I и закочування в цей паз стае неможливим. Тод1 для вмикання муфти ведуча швмуфта мае здшенити поворот на кут фтах, що дор1внюе

фт„=ф|+р2в360-+р2, (6) Якщо припустите, що шд час вмикання муфти кутова швидюсть ведучого вала е сталою, то час з'еднання валш знаходиться в межах

,30°

ф

min j ^ тшзу ^

тт180° 6° п вм 6° П де п - частота обертання ведучого вала муфти в хв'1.

Отримана залежшеть (7) дозволяе встановити перюд, протяом якого вщбуваеться повне з'еднання кшцш BajiiB залежно вщ частоти обертання ведучоТ швмуфти та кьпькост1 паз1в на пторш.

У третьому роздЫ "Забез-печення miuHOCTi елемен"пв КМВХ" одержано закон руху кульки по пазу ведучоТ швмуфти пш час вмикання у роботу КМВХ. Рух мае елеменпв муфти розглянуто на основ! вщомих р1внянь Лафанжа, яш для даного випадку мають такий вигляд:

<-

Рис. 6. МшЫалышп (я) та макснмалышй (б) кути вмикання муфти

dt\dx) дх

Ö,;

£(дТ_ dt\5(p

ЭТ 5ф

= Ö,

(8)

де х - координата перем1щення кульки по паз1 ведучоУ швмуфти; ф - кут повороту ведучоТ швмуфти; Т- кшетична енерпя сиистеми; ()х, £)ф - узагальнеш сили.

Шсля визначення узагальнених сил, кшетично! енерги системи 1 и похщних ¡з (В) остаточно отримано наступну систему ршнянь:

ф:

2Г,

т,г? +2тЯ2'

Зс = у £(соб ф - & бш ф),

(9)

де 7к - обертальний момент; т\, гг маса ! рад1ус ведучоГ швмуфти; Я - вцшаль вщ центра муфти до центра кульки в заклиненому положенш; к - коефщкнт тертя.

Отриман'1 ршняння (9) дозволили визначити основш к'шематичш характеристики руху кульки при вмиканш муфти (рис.7). Важливою частиною цього роздшу е також проведен! автором розрахунки на мщшсть елемент'т муфти з виведенням необхщних аналггичних залежностей, що характеризують

величину напружень в робочш зош з урахуванням конструктивних

особливостей паз1в твмуфт.

Визначено напруження

зминання для випадку сферичних кшщв паз^в

2 Т,

(Ы

(Ю)

Рис.7. Залежшсть прискорення руху кульки по пазу ведучоТ швмуфти вщ кута и повороту

V 4

менше з двох допустимих напружень зминання елемештв, що контактують; с1 - д1аметр кульки; с -

Де К«]

величина зазору М1ж швмуфтами.

Припустивши, що рад1ус сферичноУ поверхш перифершних кшщв паз1в п'шмуфт е дещо б'шьшим за рад1ус кульки, нормальш напруження на площади! контакту будуть розподшеш по п!всфер1. Найбшьше значения напруження дк у центр! площадки контакту:

4(Я„-0,5О2

сг-е '

с = 0,388 -з4£

£,2£22

(И)

(Е1+Е2У

де £|, Е2 - модул1 пружност! матер1ал'т кульки 1 швмуфти; — рад1ус сферичноУ поверхш перифершних к!нц!в паз!в швмуфт; Г - сила, що д!е на кульку.

У випадку, коли рад1уси контактуючих поверхнь е однаковими, напруження у зош контакту розподьпяються за парабол1чним законом:

24^ ,2 24/"

о = —

гф<+-

гФ-

(12)

й ц>0 с!

де ф - кутова координата; *|/0 - кут, що характеризуе площу контакту.

У випадку, коли контакт вщбуваеться по лш1"! напруження зр1зу визначаються за формулою

4 Тг

■ы

(13)

де т

кЯ{с{2 -с2)

зр' [тзр] " розрахункове х допустиме дотичш напруження при зр!зь

Для шших форм перифершних кшщв паз1В контакт м!ж кулькою 1 швмуфтами може бути лшшним або у точщ. Коли пази у поперечному перерш мають форму трапецп розрахунок на мщшсть виконуеться за формулою

о. =0,388?

Тк

' 2/?з1п«1

2 Е.

(14)

де ан, [ал] - розрахункове та допустиме контакта! напруження;Епр-

приведений модуль пружност! матер1алу; с^ - кут М1Ж боковими поверхнями трапешевидного профшю паза.

У випадку, коли перифершш кшщ паз1в швмуфт мають цилшдричну форму максимальне контактне напруження визначають за формулою

< о.

П5)

сг„ = 275,(-^~

\м2

При передач! кульковою муфтою обертального моменту двигуна, у найбшьш несприятливому випадку, повне навантаження може передаватись за допомогою т!льки одн!е!' кульки. У випадку сферично"! форми перифер!йних к'шц!в паз'ш м!ж кулькою та поверхнею паза швмуфти виникае осьова сила /ч, що направлена перпендикулярно до торцевих поверхонь швмуфт, ! в !х перер1зах виникають поперечн! сили ! згинальш момента. Для визначення величин них сил ! момент!в розглянуто швмуфту, як к!льце пост!йно'! товщини (рис.8) н авантаж'ене осьовою силою Ру

Зосереджена осьова сила Г> зр!вноважуеться розподьтеким

навантаженням д, що д!с за законом

Ч=— Пг + соБСрД П6)

Щ )

Рис. 8. Навантаження швмуфти де Г| . внутр!шн!й рад1ус к!льцезоТ

зосерсджеиою осьовою силою

поверхш веденоТ швмуфти; ф0 - кутова координата п поточного перер!зу.

1з рис.8 видно, що в перервах твмуфт дноть поперечна сила 1 згинальн! моменти. Виходячи з наведених вище припущень навантажувальш параметри та деформацй' твмуфт описуються р1вняннями загального вигляду:

0 =

(л-ф0)зтф0--созф0-1

Мй=РуК-

{% - ф0)[ 1 - ^СОБфо 1 - ( :2 - 1 • ^^БШфо

и = -

2 к/Я

(1 + ^

1-1 2

я 3 ф0

----жр0

3 4 то ' 2

2 А

СОБфо •

:(л-ф0)з1Пф0 +>.

г_ т£__Я Я в г

(д~Фо2)

, О

+ - 2 —+ 3— соэфп 2 21, г Я)

Я

(л-ф)зтф0

(17)

де X - вцшошення жорсткостей та моментов ¡нерци при згиш та крученн'1; Q, Мг, ■ Мв - поперечна сила та згинальш моменти в перер1з1 швмуфти; и - змщення перерезу; Е, б - модуль пружносп 1 модуль зсуву материалу; Зу, Зк - моменти ¡нерцп перерву вщносно ос1 кручення; И - товщина; г{ - зовшшнш рад1ус.

Для збшьшення навантажувально1 здатност1 муфти можуть мати декшька робочих кульок. Тому, коли у зачеплеши знаходиться дв1, три, чи бшьше кульок осьова сила Ру, яка д1е на ведену швмуфту, розподшяеться симетрично

по колу з рад1усом Я. Це дозволяе

\Ъ

Г - -г

7////Ш

К

ъ

\,

розраховувати швмуфти на згин, як крупи пластинки постшноТ товшини /г (рис.9).

Використовуючи загальш р1вняння розрахунку круглих пластинок для даного випадку розв'язок отримано у вигляд1

Рнс. 9. Навантаження швмуфти розподшеною наступноТ системи р1внянь:

осьовою силою

Г

Мг{г)

1 + v + (i •

г \2

г

А/»

1 + V - (1 - V

8л£>

М,(г

4 О

1 +

К \ V

• ' 1 - 21п '

Ч?Г

(18)

де коефщент 8 = 0 при г,- < 7? 1 5 = 1 при г, >К\В- цил'шдрична жорстюсть при згиш; V - коефщкнт Пуассона; - прогин твмуфти; г1 - поточний рад1ус.

У четвертому роздш "Експериментальш дослщження нових КМВХ" для тдтвердження отриманих теоретичних положень розроблено 1 виготовлено дос.щдний зразок кульковоТ муфти, на ведучш швмуфт1 яко\" виконано три пази: прямий паз по дотичшй, прямий паз тд кутом 15° до дотично'Г та дугопод!бний паз. Використовуючи отримаш залежност1, визначено теоретично мш1мальний 1 максимальний час зашзнення вмикання для кожного з паз1в ведучоТ швмуфти при пусковш частот! обертання вала електродвигуна 500 хв"1 ! 1200 хв"1.

Таблиця 1

Тип паза ведучоТ твмуфти Зашзнення вмикання КМВХ, мс

500 хв-' 1200 хв-1

М1Н. макс. мш. макс.

Прямий паз по дотичнш 24,7 144,7 10,3 60,3

Прямий паз пщ кутом 15° до дотичноТ 20,3 140,3 8,5 58,5

Дугопод1бний паз з початковим напрямком паза 30° до дотичноТ 23,7 143,7 9,9 59,9

к'I;

\

f

вс

^_SL

ж 4

ф m ф

1 ф ф 9 \)

Для проведения експеримен-тальних досл!джень розроблено ! виготовлено досл!дний стенд, пщ1брано вщповщне обладнання: експериментальна установка 1 на баз1 сершного приладу ДП-5К, шдсилювач електричних сигнал'т 8АЫЧ-7М 2, персональний комп'ю-тер Pentium з тактовою частотою 166 МГц 4 та аналогово-цифровий перетворювач (АЦП) 3 (рис.10). Реестрування сигнашв проведено з допомогою профамного забезпечен-ня комп'ютера. Шсля вмикання привщний вал електродвигуна обертае ведучу швмуфту. При досягненш кулькою перифершного кшця паза ведучоТ швмуфти вщбуваеться вмикання муфти. Через тензорезистори вимфювальних пристроТв експериментально'! установки сигнали подавались на шдсилювач. Дал1 сигнал потрапляв на АЦП, перетворювався i Рнс.10. Обладнання для проведения рееструвався на жорсткому диску дослиження кульковнх муфт виьною ходу комп'ютера у випвдп окремого файла. Шсля чого, установка вимикалась. На однш i Т1Й ж частот! обертання приводного вала проводилось по 50 повторних ви\нр1в зашзнення вмикання кульковоТ муфти. Пюля цього кулька переставлялась у ¡нший паз та визначення зашзнення вмикання муфти повторювалось. Пкля проведения повного циклу дослщжень отримаш результата опрацьовувались на комл'ютер! з допомогою профамного забезпечення "Wave". Результата дослшв заносились у вщповцщу таблицю, середн! значения яких наведен! в табл. 2.

Таблгщя 2

Результати експериментальних дослщжень

Тип паза ведучоТ швмуфти Зашзнення вмикання КМВХ, мс

500 хв'1 |_ 1200 хв'1

Прямий паз по дотичн!й 90 62,6

Прямий паз шд кутом 15° до дотичноТ 88 59,4

Дугопод!бний паз з початковим напрямком паза 30° до дотично!' ■ 108,1 56,5

Найбшьш характерш графжи дослщ1в для двох р1зних пускових швидкостей двигуна приводу наведено на рис.11 1 12, де верхш ¡з них - навантаження двигуна приводу, а нижш -навантаження робочого органу. Умовно верхнш графш (рис.11) можна роздшити на три перюди: 1-й перюд спокою, коли експериментальна установка вимкнута ! двигун приводу не обертаеться (перюд характеризуется малими значениями амплпуди сигналу); II-й момент замикання елек-тричного кола (характеризуемся наводками у випщп резкого збшьшення амплпуди електрич-ного сигналу на верхньому 1 нижньому граф1ках одночасно); 1У-Й робоче навантаження на вал1 ротора електродвигуна (характеризуеться перюдични-ми синусоТдальними змшами амплпуди).

Граф!к, що показуе змшу в час1 обертального моменту на валу навантажувального пристрою, можна умовно подшити на чотири перюди: 1-й перюд спокою, коли експериментальна установка вимкнута, а амшитуда сигналу близька до нульовоТ лшп; И-й момент замикання електричного ланцюга, що мае вид р1зкого зростання амшитуди сигналу протягом короткого про\ижку часу; Ш-й перюд зашзнення вмикання кульково!' муфти вшьного ходу; 1У-й робоче навантаження на вихщному вал1 у випвди перюдичних синусо'щальних змш ампл1туди електричного сигналу. Вертикальними пунктирними лшями на цих графжах позначено вщмики часу. Момент часу, коли вщбулося вмикання двигуна приводу I вмикання у роботу кульковоГ муфти, заф1ксовано автоматично та його числов1 значения в мЫсекундах наведено пщ цими графжами.

На основ! теоретичних дослщжень та результат лабораторних експерименпв розроблено конструкщю КМВХ I виготовлено дослщш зразки, що пройшли випробування на сершному велосипед!.

Амплгг/да. %

I 1 IV

- ______

111 Сап энеьня? - -^„'.«йжжй®»—■» —--- — ; IV

1

•п.» ШМ к

688 781 Час, мс

Рпс.11. Заппнення вмикання КМВХ при пусковш частот! обертання ведучого вала 500 хв"1

Амплпуда. %

I 1 ^ , ' IV

I I Зоп.:н5ннл ГУ

м 1

374 417 Час. мс

Рис.12. Заппнення вмикання КМВХ при пусковш частот! обертання ведучого вала 1200 хв"'

висновки

1.Проведено поршнялышй анал1з використаних джерел щодо муфт вшьного ходу, на основ! якого зроблено вибф об'екта доогпдження, сформульовано тему 1 задач1 диссртацшноТ робота.

2.Розроблено класифжащю КМВХ, що дало змогу суттево розширити та доповнити ¡снуючу класифкащю мехашчних муфт новими елементами.

3.Проведено теоретичш дослщження геометричних 1 кшематичних параметр1в нових кулькових муфт, що дало змогу вивести аналтнш залежное™ м1ж основними розм1рами елеменив муфт 1 встановити закони Тх руху, а також розробити рекомендацн з практичного вибору цих пристроТв за в ¡дом им обертальним моментом.

4.Дослщжено вплив форми паз1в ведучоТ та ведноТ швмуфт на час вмикання муфти та розроблено рекомендацп з ращонального виготовлення стосовно Тх форм та взаемного розмадення.

5.На основ'1 проведених теоретичних дослщжень створено три нов1 прогресивш конструкци КМВХ, на дв1 з яких отримано позитивш р1шення про видачу патентов на винахщ, чим пщтверджуеться новизна та значим1сть роботи.

б.Запропоновано методику розрахуншв на мщнють елеменпв цих механ1зм1в для р1зних форм перифершних кшщв паз1в, що дало змогу встановити найбшьш рацюнальну форму поверхш контакту м>ж кулькою та швмуфтами. На основ1 проведеного кшьккного анал1зу навантажувальноТ здатност1 нових муфт та ¡снуючих встановлено, що при под1бних геометричних параметрах запропоноваш муфти мають у 1,1-2,3 рази бшьшу навантажувальну здатшеть.

7.Проведено розрахунок кулькових муфт з урахуванням осьових зусиль, що Д1ють на неТ у робочому режим!. Розглянуто випадки навантаження швмуфт зосередженою осьовою силою I розподшеним симетричним навантаженням. Це дало змогу отримати вщповщш аналгшчш залежност1, як1 використаш для розрахунку реальноТ конструкци велосипедноТ муфти, що штверджуе можливють застосування виведених формул в ¡нженерних розрахунках.

8.Розроблено методику проведения експериментальних дослщжень з проектуванням 1 виготовленням експериментальноТ установки, та методики опрацювання результате, що дало змогу пщтвердити основш теоретичш положения та визначити залежшеть величини часу зашзнення вмикання вщ конструктивних чинниюв муфти.

9.Розроблено нову конструкцио муфти вшьного ходу з виготовленням дослшного зразка, який впроваджено на ВАТ "Льв1вський мотозавод" з економ1чним ефектом. Попередш випробування та розрахунки показали, що при сершному виробництв1 витрати на виготовлення запропонованоТ муфти зменшуються на 20-30%, а термш служби збшьшуеться на 20-25% з вищою надшшетю та безшумшетю ТТ роботи.

Список опубл1кованнх праць за темою дисертацм

1. Калшш С.Г., Сороювський O.I. Залежшсть м1ж юнематичними та геометричними параметрами кульковоТ муфти в!льного ходу // Динамка, мщшсть та проектувания машин i прилад1в: Вкник ДУ "Льв1вська полиехнка", № 323. - ЛьвЕв: Льв'шська пол1технка, 1997. - С. 86-88.

2. Малащенко В.О., Сороювський 0.1. Динам1чш залежност1 кульковоТ муфти вшьного ходу // Проектувания, виробництво та експлуатац'ш автотранспортних 3aco6iß i поТзд1в: 36. праць Асощацп "Автобус". - Льв1в, 1998.-С. 48-49.

3. Малащенко В.О., Сороювський 0.1. Ocboei деформацп кулькових муфт вьтьного ходу // Подъёмно-транспортная техника и технологии: Весник Харковского политехнического университета. Выпуск 48. - Харюв, 1999. - С. 130-134.

4. Сороювський O.I. Динам1чш характеристики кулькових муфт вкьного ходу // Динамка, мщшсть та проектувания машин i прилад1в: Bichhk ДУ "Льв1вська полпехнка", № 323. - Львш: Льв1вська полггехнка, 1997. - С. 59-61.

5. Малащенко В.О., Калшш С.Г., Сороювський 0.1. Кшематичний анал1з кульковоТ муфти вкьного ходу // Первый украинский съезд по теории механизмов и машин "ТММ и техносфера Украины XXI века": Тезисы докладов. - Харюв, 1997. - С. 42.

6. Малащенко В.О., Петренко П.Я., Сороювський 0.1. Розробка та дослщження кулькових муфт вшьного ходу // Третш м1жнародний симпоз!ум украТнськпх шженер'ш-механшв у Львовк Тези доповщей. - Льв'ш: Льв1вська полпехнка, 1997.-С. 127-128.

7. Петренко П.Я., Сороювський 0.1. Дослщження кулькових муфт вьчьного ходу // 4-й м1жнародний симпоз1ум укра'Тнських шженер1в-мехашюв у Львовк Тези доповщей. - Льв1в: Льв1вська полпехнка, 1999. - С. 86.

Анотащя

Сороывський О. I. Розробка конструкцш I методики розрахунку кулькових муфт вшьного ходу. - Рукопис.

Дисерташя на здобуття наукового ступеня кандидата техшчних наук за спещальшстю 05.02.02 - машинознавство, - Державний ушверситет "Львшська полпгехшка", Льв1в, 1999.

В дисерташ'1 розглянуто питания визначення геометричних, юнематичних та силових характеристик нових кулькових муфт вшьного ходу, а також Тх розрахунку на мщшсть. Створено три нов1 прогресивш конструкцн кулькових муфт, виведено аналггичш залежное™ м1ж основними Тх розм1рами 1 запропоновано методику розрахунив на мщшсть з урахуванням осьових навантажень Тх елеметтв. Подано рекомендацн з ращонального виготовлення паз1в ведучоТ та вед но! швмуфт стосовно Тх форм та взаемного розмшення. Запропоновано методику проведения експериментальних дослщжень та опрацювання отриманих результат'^. Основш результата дисертацп знайшли промислове впровадження при проектуванш нових тишв муфт в1льного ходу з полшшеними техн^чними характеристиками.

Ключов1 слова: кулькова муфта в1льного ходу, паз, ведуча швмуфта, ведена П1вмуфта, мщшсть, осьов1 навантаження.

Аннотация

Сорокивский О. И. Разработка конструкций и методики расчёта шариковых муфт свободного хода. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02 - машиноведение, - Государственный университет "Львовская политехника", Львов, 1999.

В диссертации рассмотрены вопросы определения геометрических, кинематических и силовых характеристик шариковых муфт свободного хода. Представлена классификация новых шариковых муфт, которые созданы на кафедре "Детали машин" Государственного университета "Львовская политехника". Проведены теоретические исследования кинематических и геометрических параметров данных муфт с определением аналитических зависимостей между их основными размерами. Наводятся расчеты на прочность элементов шариковых муфт для разных форм периферийных концов пазов ведущей и ведомой полумуфт, на основе которых определена наиболее рациональная форма поверхности контакта шарика и полумуфт. На основе проведенны теоретических исследований созданы три новые конструкции шариковых муфт свободного хода, на две из которых получены решения о выдаче патентов на изобретение. Проведенный сравнительный анализ грузоподъёмности новых муфт и существующих показал, что при похожих геометрических параметрах предложенные муфты передают в 1,1-2,3 раза большие крутящие моменты. Определены величины деформаций полумуфт с

учетом осевых усилий. Рассмотрены случаи нагружения полумуфт сосредоточенной осевой силой и симметрически распределённой нагрузкой. Наводятся аналитические зависимости для определения поперечных сил, изгибающих моментов и смещений элементов шариковых муфт свободного хода. Предложены рекомендации по рациональному изготовлению пазов ведущей и ведомой полумуфт, а также по практическому выбору этих муфт за извесным крутящим моментом.

Разработаны и изготовлены новые конструкции шариковых муфт свободного хода, а также экспериментальная установка для исследования их работы. Проведены экспериментальные исследования с применением компьютерной техники, которые подтвердили основные теоретические положения. Разработана новая конструкция муфты свободного хода велосипеда с изготовлением экспериментального образца, который внедрён на ВАТ "Львовский мотозавод". Предварительные исследования и расчёты показали, что при серийном выпуске предложенной муфты затраты на изготовление снижаются на 20-30 % с улучшением эксплуатационных характеристик.

Ключевые слова: шариковая муфта свободного хода, паз, ведущая полумуфта, ведомая полумуфта, прочность, осевая нагрузка.

Sorokivsky O. I. Development of designs and technique of calculation of overrunning ball clutches. - Manuscript.

Thesis for a candidate of technical degree by speciality 05.02.02 - machinery.-The State University "Lviv Polytechnic", Lviv, 1999.

The questions of determination geometrical, kinematical and power characteristics of a new overrunning ball clutches. Their classification and technique calculation on strength are considered in the dissertation. Three new designs of overrunning ball clutches are worked. Experimental installation for research of their work are developed and made. The cases of load the drive and driven clutch halves by concentrated axial force and by a symmetrical distribution load are considered. The recommendations for rational manufacture of overrunning ball clutches are offered. The experimental researches, which have confirmed main theoretical results, are conducted.

The new design of the overrunning ball clutch of bicycle is developed and the experimental example is made, which it was established on Open Stock Company "Lviv Motozavod". Main results have found application at design of new types of overrunning clutches with better operational characteristics.

Key words: the overrunning ball clutch, strength, drive clutches halve, driven clutches halve, concentrated axial force, symmetrical distribution load.

Annotation