ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНАЯ ФРИКЦИОННАЯ МУФТА Российский патент 1997 года по МПК F16D7/02 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам для передачи крутящих моментов ограниченной величины.

Наиболее близкой к заявляемой по совокупности признаков является предохранительная фрикционная муфта, содержащая ведущую и ведомую полумуфты, связанные посредством фрикционных дисков, жестко связанный с ведущей полумуфтой опорный элемент, установленные на ведущей полумуфте с возможностью вращения и осевого перемещения нажимные диск и втулку, жестко связанную с упорным фрикционным диском, отжимной стабилизирующий и нажимной узлы, выполненные в виде тел качения, расположенных в гнездах переменной глубины соответственно нажимной втулки и нажимного диска, опорного элемента и нажимной втулки, и нажимную пружину /1/.

Недостаток известной муфты заключается в невысокой точности срабатывания в условиях изменения коэффициента трения. Это объясняется тем, что уменьшение силы сжатия пружины при срабатывании происходит после начала буксования, т. е. после достижения максимального значения крутящего момента срабатывания, величина которого и определяет фактическую перегрузку муфты, при которой происходит срабатывание. Кроме того, муфта обладает низкой плавностью работы при буксовании вследствие значительных колебаний осевых сил из-за осциллирующего характера движения нажимной втулки.

В изобретении решается задача улучшения эксплуатационных свойств предохранительной фрикционной муфты путем повышения точности срабатывания и плавности работы. Поставленная задача решается тем, что в предохранительной фрикционной муфте, содержащей ведущую и ведомую полумуфты, связанные по меньшей мере одним фрикционным диском, поджатым посредством нажимной пружины к упорному фрикционному диску через установленный с возможностью вращения и осевого перемещения относительно ведущей полумуфты нажимной диск, жестко связанный с ведущей полумуфтой опорный элемент, расположенную между нажимным диском и опорным элементом нажимную втулку, установленную с возможностью вращения и осевого перемещения относительно ведущей полумуфты, отжимной стабилизирующий и нажимной узлы, выполненные в виде тел качения, расположенных в гнездах переменной глубины соответственно нажимного диска и нажимной втулки, опорного элемента и нажимной втулки, упорный фрикционный диск установлен с возможностью вращения и осевого перемещения относительно ведущей полумуфты и нажимной втулки и связан фрикционно с опорным элементом, выполненным в виде фрикционного диска, а величина угла между боковой поверхностью гнезда переменной глубины опорного элемента и осью муфты определяется из выражения:

где α₁ угол между боковой поверхностью гнезда переменной глубины опорного элемента и осью муфты;
r радиус окружности, на которой расположены тела вращения нажимного узла;
Z число пар поверхностей фрикционных дисков;
R_ср средний радиус трения фрикционных дисков;
f_max максимальное значение коэффициента трения;
α угол между боковой поверхностью гнезда переменной глубины нажимного диска и осью муфты.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема предохранительной фрикционной муфты; на фиг. 2 разрез A-A на фиг. 1.

Предохранительная фрикционная муфта содержит ведущую и ведомую ведомую 2 полумуфты, связанные фрикционным диском 3. Упорный фрикционный диск 4 установлен с возможностью вращения и осевого перемещения относительно полумуфты 1 между фрикционным диском 3 и опорным элементом, выполненным в виде фрикционного диска и жестко закрепленным на полумуфте 1.

Нажимной диск 5 установлен с возможностью осевого и окружного перемещения относительно полумуфты 1.

Нажимной узел выполнен в виде тел качения 6, расположенных в гнездах переменной глубины, одна часть которых выполнена в опорном элементе.

Отжимной стабилизирующий узел выполнен в виде тел качения 7, расположенных в гнездах переменной глубины (фиг. 2), одна часть которых выполнена в нажимном диске 5.

Вторые части гнезд переменной глубины нажимного и отжимного стабилизирующих узлов выполнены в нажимной втулке 8, установленной с возможностью осевого и окружного перемещения относительно полумуфты 1.

Упорный фрикционный диск 4 установлен с возможностью осевого и окружного перемещения относительно нажимной втулки 8.

Прижатие фрикционных дисков друг к другу осуществляется нажимной пружиной 9, усилие сжатия которой может быть отрегулировано при помощи регулировочного элемента 10.

Для уменьшения трения между упорным фрикционным диском 4 и буртиком нажимной втулки 8, а также между нажимным диском 5 и пружиной 9 установлены упорные подшипники.

Величина угла между боковой поверхностью гнезда переменной глубины опорного элемента и осью муфты превышает величину аналогичного угла гнезда переменной глубины нажимного диска 5.

Муфта работает следующим образом.

В процессе работы половина крутящего момента муфты от полумуфмы 1 на полумуфту 2 (при одном фрикционном диске 3) передается посредством фрикционного взаимодействия между опорным элементом и упорным фрикционным диском 4, а также между фрикционным диском 3 и упорным фрикционным диском 4. С этой целью средние радиусы трения указанных фрикционных пар должны быть одинаковы. Вторая половина крутящего момента муфты передается от опорного элемента посредством шариков 6 на нажимную втулку 8, а от последней посредством шариков 7 на нажимной диск 5, который за счет фрикционного взаимодействия передает крутящий момент на фрикционный диск 3.

Вследствие этого на шариках 6 и 7 возникают распорные силы, причем распорная сила на шариках 6 стремится отжать вправо нажимную втулку 8, шарики 7, нажимной диск 6 и упорный фрикционный диск 4, а распорная сила на шариках 7 стремится отжать вправо нажимной диск 7. В результате этого уменьшается сила прижатия упорного фрикционного диска 4 к опорному элементу и нажимного диска 5 к фрикционному диску 3, что приводит к уменьшению моментов трения между фрикционными поверхностями дисков и к повышению точности срабатывания муфты.

В случае наступления перегрузки при максимальном значении коэффициента трения распорная сила на шариках 6 достигает величины, равной силе сжатия пружины 9, в результате чего прекращается передача крутящего момента между опорным элементом и упорным фрикционным диском 4 и последний при срабатывании муфты останавливается вместе с ведомой полумуфтой 2 и фрикционным диском 3.

Следовательно, при срабатывании крутящий момент полумуфтой 1 и 2 передается только фрикционной парой "нажимной диск 5 фрикционный диск 3".

Таким образом, в процессе срабатывания муфты с минимальным коэффициентом трения крутящий момент передается всеми фрикционными парами, тогда как при срабатывании с максимальным коэффициентом трения одной фрикционной парой.

Для установки аналитических зависимостей предельных крутящих моментов муфты от соответствующих величин коэффициента трения и определения вышеуказанного условия запишем в общем виде выражение, определяющее величину предельного крутящего момента:
T T₁ + T₂
где T крутящий момент муфты;
T₁ крутящий момент, передаваемый парой трения "опорный элемент - упорный фрикционный диск" ("упорный фрикционный диск 4 фрикционный диск 3");
T₂ крутящий момент, передаваемый нажимным диском 5.

Задача решается для многодискового варианта муфты.

Выражение для определения величины T₁ запишется в виде:
T₁ R_ср•f(F_n F_p),
где R_ср средний радиус трения (принят одинаковым для всех фрикционных пар);
f текущее значение коэффициента трения;
F_n первоначальная сила сжатия пружины 9;
F_p распорная сила на шариках 6.

Соответственно этому выражение для определения величины T₂ имеет вид:
T₂ (Z-2)R_ср•f(F_n-F_p1),
где Z число пар поверхностей трения фрикционных дисков, включая пару "опорный элемент упорный фрикционный диск 4";
F_p1 распорная сила на шариках 7, определяемая следующим образом:

или с учетом формулы (3):

где r радиус окружности, на которой расположены шарики 6 и 7 (принят одинаковым для обеих групп шариков);
α угол между боковой поверхностью гнезда переменной глубины нажимного диска 5 и осью муфты.

Поскольку шарики 6 не передают крутящий момент на упорный фрикционный диск 4 (моментом сил трения в упорном подшипнике между элементами 4 и 8 пренебрегаем ввиду его малой величины), крутящий момент, передаваемый шариками 6, равен крутящему моменту, который передают шарики 7. Следовательно

или с учетом формул (3) и (4):

где α₁ угол между боковой поверхностью гнезда переменной глубины опорного элемента и осью муфты.

Подставив в равенство (1) значение выражений (2) и (3) с учетом зависимостей (4) и (5), получим:

В соответствии с приведенным выше условием срабатывание муфты при максимальном значении коэффициента трения происходит при соблюдении равенства:
F_p F_n (7)
Решая равенство (7) с учетом выражения (5), получим:

где f_max максимальное значение коэффициента трения.

Полученное выражение устанавливает величину угла α₁ при которой срабатывании муфты происходит при выключенной из работы паре трения "опорный элемент упорный фрикционный диск 4 (диск 3 диск 4)". Поэтому величина предельного крутящего момента муфты при минимальном значении коэффициента трения определяется из выражения (6), а при максимальном значении коэффициента трения по выражению:

Выражение (9) получено путем решения уравнения (3) с учетом выражения (4) при f_max.

Подставив значение tgα₁ из выражения (8) в формулу (6), получим окончательно:

где f_min минимальное значение коэффициента трения.

В известной муфте /1/ срабатывание происходит под действием отжимного стабилизирующего устройства, поэтому выражение для определения предельного крутящего момента имеет тот же вид, что и, например, для известной муфты /В. С. Поляков, И. Д. Барбаш, Муфты. Конструкции и расчет. Л. Машиностроение, 1973 г. с. 286, рис. 204/:

Принимая Z 3, F_n 100 кг, R_ср 0,1 м, r 0,05 м, α 45^o, f_min 0,2, f_max 0,4, получим tgα₁ = tgα₂= 2,25, α₁= α₂= 66^°
Тогда для заявляемой муфты T_min 2,14 кГм, T_max 2,22 кГм, для муфты-прототипа T_min 2,14 кГм, T_max 2,61 кГм. Соответственно этому величины коэффициентов точности срабатывания муфт равны: К_т 1,04, К_т1 1,22.

Точность срабатывания описанной муфты выше точности срабатывания известной муфты /1/, она обладает также более высокой плавностью срабатывания, поскольку при срабатывании отсутствуют осциллирующие движения нажимной втулки 8.

Для более надежной работы муфты величина среднего радиуса трения опорного элемента может быть установлена на 5.10 выше, чем величина среднего радиуса трения фрикционного диска 3. Это позволяет увеличить в передаваемый опорным элементом крутящий момент по сравнению с крутящим моментом, который передает упорный фрикционный диск 4, и исключить случайные буксования пары "опорный элемент упорный фрикционный диск 4".

Использование: для передачи крутящего момента ограниченной величины. Сущность изобретения: ведущая 1 и ведомая 2 полумуфты связаны фрикционным диском 3, который зажат между упорным фрикционным диском 4 и нажимным диском 5, установленными с возможностью вращения и осевого перемещения относительно полумуфты 1. Прижатие фрикционных пар друг к другу осуществляется нажимной пружиной 9. Нажимной узел содержит шарики 6, размещенные в гнездах переменной глубины между опорным элементом полумуфты 1 и нажимной втулкой 8, установленной с возможностью вращения и осевого перемещения относительно полумуфты 1 и диска 4. При передаче нагрузки на шарики 6 нажимного узла и шарики 7 отжимного стабилизирующего узла возникают распорные силы, стремящиеся уменьшить силу прижатия фрикционных пар друг к другу. При срабатывании муфты с максимальным коэффициентом трения пара трения "опорный элемент полумуфты 1 - диск 4" выключается из работы, что позволяет эффективно ограничивать нагрузку между полумуфтами 1 и 2. 2 ил.

Предохранительная фрикционная муфта, содержащая ведущую и ведомую полумуфты, связанные по меньшей мере одним фрикционным диском, поджатым посредством нажимной пружины к упорному фрикционному диску через установленный с возможностью вращения и осевого перемещения относительно ведущей полумуфты нажимной диск, жестко связанный с ведущей полумуфтой опорный элемент, расположенную между нажимным диском и опорным элементом нажимную втулку, установленную с возможностью вращения и осевого перемещения относительно ведущей полумуфты, отжимной стабилизирующий и нажимной узлы, выполненные в виде тел качения, расположенных в гнездах переменной глубины соответственно нажимного диска и нажимной втулки, опорного элемента и нажимной втулки, отличающаяся тем, что упорный фрикционный диск установлен с возможностью вращения и осевого перемещения относительно ведущей полумуфты и нажимной втулки и связан фрикционно с опорным элементом, выполненным в виде фрикционного диска, а величина угла между боковой поверхностью гнезда переменной глубины опорного элемента и осью муфты определяется из выражения

где α₁ - угол между боковой поверхностью гнезда переменной глубины опорного элемента и осью муфты;
r радиус окружности, на которой расположены тела качения нажимного узла;
Z число пар поверхностей трения фрикционных дисков;
R_ср средний радиус трения фрикционных дисков;
f_max максимальное значение коэффициента трения;
α - угол между боковой поверхностью гнезда переменной глубины нажимного диска и осью муфты.