УПРУГАЯ МУФТА Российский патент 1997 года по МПК F16D3/52 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в различных областях техники для осуществления плавной передачи динамических знакопеременных нагрузок.

Известна пружинная муфта, содержащая винт с резьбой, перемещающуюся гайку, имеющая шлицевое соединение с ведомым валом и подпружиненная с обеих сторон пружинами. При этом ход гайки ограничивается с обеих сторон втулками, закрепленными в ведомом валу с помощью резьбового соединения и последующего стопорения. Соединение винта с резьбой осуществляется с помощью дополнительного вала [1]
Данная муфта предназначена работать в реверсивном режиме с целью обеспечения более точной компенсации неравномерности передаваемой муфтой крутящего момента, т.к. витые пружины работают на сжатие, а ход гайки ограничен с той и другой стороны втулками, закрепленными на ведомом валу. При знакопеременных нагрузках будут наблюдаться динамические удары. Наличие витых пружин, центральный главный момент инерции которых не совпадает с его осью вращения, и опирающихся на обоих концах на втулки, не являющиеся подпятниками, показывает, что данная конструкция передает ограниченные крутящие моменты при относительно невысоких оборотах вращения. Кроме того, наличие двух, а не многозаходных шлицев на ведомой полумуфте также говорит, что она передает ограниченные крутящие моменты. К тому же габариты ведомой полумуфты велики по отношению к поперечному размеру вала.

Наиболее близкой по совокупности признаков к изобретению является упругая муфта, содержащая ведущую полумуфту в виде резьбового стержня и ведомую полумуфту со шлицами на внутренней поверхности, гайку с выступами, входящими в зацепление со шлицами. Гайка смонтирована на резьбовом стержне с возможностью осевого перемещения. Пружины расположены по обе стороны гайки и удерживаются профильными шайбами, упирающимися в кольцевой выступ ведомой полумуфты. Между профильными шайбами и ведомой полумуфтой расположены упругие элементы в виде витых пружин [2]
Работает упругая муфта следующим образом. При вращении ведущей полумуфты (ведущего вала) крутящий момент передается ведомой полумуфте через гайку. Ведомая полумуфта находится в покое до тех пор, пока гайка, перемещаясь, деформирует одну из пружин на такое усилие, которое превысит момент сопротивления механизма. После этого ведущие и ведомые полумуфты начинают вращаться с одинаковыми оборотами. Пружина с одной стороны гайки находится в неработающем состоянии, а пружина с другой стороны гайки в сжатом.

При вращении ведущего вала в обратную сторону, т.е. при изменении знака крутящего момента на противоположный, ведомая полумуфта продолжает вращаться в прежнем направлении до тех пор, пока сила реакции пружин не вернет гайку до соприкосновения с профильной шайбой. После этого гайка, перемещаясь, деформирует пружины на усилие, превышающее сопротивление механизма, и оба вала станут вращаться с одинаковыми оборотами.

Существенным недостатком конструкции упругой муфты является то, что при знакопеременном крутящем моменте неизбежно возникает ударное воздействие гайки на профильные шайбы, что обуславливает недолговечность муфты и связанных с ней элементов механизма.

Недостатком конструкции муфты является то, что на концах пружин как со стороны гайки, так и с торцов полумуфты, вследствие трения происходит интенсивный нагрев, который, с одной стороны, снижает эффективность передаваемой с ведущей полумуфты на ведомую полумуфту мощности, а с другой стороны, ведет к быстрому износу муфты.

Также следует отметить, что конструктивное решение данной муфты требует болтового и фланцевого соединения полумуфт, которое увеличивает габариты устройства.

Основной целью упругой конструкции по [2] является повышение стабильности срабатывания механизмов с большим моментом инерции, т.е. она относится к реверсивному режиму работы и не предназначена для работы со знакопеременными нагрузками. Профильные шайбы в ней предназначены для предотвращения осевого смещения ненагруженных пружин, но никак не для работы со знакопеременными нагрузками. При знакопеременных нагрузках в этом случае будут наблюдаться динамические удары, аналогичные динамическим ударам по авт. св. N 182445. Все сказанное о предыдущей конструкции: витых пружинах, втулках, названных здесь профильными шайбами, не несущих основных нагрузок при знакопеременных режимах работы, двух шлицах, в основном распространяется и на конструкцию по авт.св. N 1388603.

В основу изобретения положена задача создания упругой муфты, имеющей такое конструктивное решение, которое позволило бы увеличить амортизационную способность муфты и одновременно уменьшить демпфирующую способность при значительных двусторонних знакопеременных динамических нагрузках, а также повысить долговечность и надежность муфты за счет исключения ударных воздействий и уменьшения тепловых потерь.

Поставленная задача обеспечивается тем, что упругая муфта, содержащая установленную между полумуфтами с возможностью осевого перемещения шлицевую гайку, соединенную с одной из полумуфт шлицевым соединением, а с другой - резьбовым соединением, упругие элементы установлены по обе стороны от шлицевой гайки, снабжена упорным кольцом, установленным в выполненной в ведомой полумуфте проточке, подпятниками, размещенными между другим концом одного упругого элемента и ведомой полумуфтой и между упорным кольцом и другим концом другого упорного элемента или по обе стороны от шлицевой гайки и обоими концами упругих элементов, при этом упругие элементы установлены с предварительным напряжением.

В предлагаемой упругой муфте используются мощные тарельчатые пружины с главным центральным моментом инерции, совпадающие с его осью вращения и опирающиеся на подпятники. Муфта может работать при высоких угловых скоростях и передавать большие знакопеременные нагрузки, включая реверсивные.

В случае знакопеременных нагрузок происходит изменение функции ведомой и ведущей полумуфт. Наглядный пример тому движение автомобиля на холостом ходу, когда крутящий момент передается двигателю от колес еще движущегося, но замедляющего движения или останавливающегося автомобиля.

Предлагаемое конструктивное решение упругой муфты позволяет увеличить амортизационную и уменьшить демпфирующую способности муфты за счет размещения шлицевой гайки между предварительно напряженными упругими элементами в виде пружин, в том числе тарельчатых пружин, в промежуточном положении на ведущей полумуфте в зависимости от направления и величины крутящего момента при нестационарных двусторонних изменениях нагрузки, в том числе пиковых и ударных. При этом на шлицевую гайку действует сила, определяющая величину передаваемого крутящего момента и равная F F₁ F₂, где F₁, F₂ силы, действующие на гайку со стороны упругих элементов.

Силы F₁, F₂ в свою очередь являются результирующими между сжимающей (растягивающей) силой упругих элементов и реакцией опоры - подпятников, при этом F₁ + F₂ const.

Кроме того, на концах упругих элементов, опирающихся на подпятники, происходит уменьшение нагрева поверхностей за счет увеличения площади рассеивания и уменьшения коэффициента трения контактирующих элементов. Это приводит к увеличению эффективности передаваемой мощности, а также уменьшает износ как отдельных элементов, так и всей муфты.

На чертеже изображена предлагаемая муфта, продольный разрез.

Муфта содержит ведомую полумуфту 1 с внутренней резьбой 2. Полумуфта 1 жестко связана с ведомым валом 3. На ведущей полумуфте 4 размещена шлицевая гайка 5 с наружной резьбой 6, предназначенной для взаимодействия с внутренней резьбой 2 полумуфты 1. Шлицевая гайка 5 установлена на ведущей полумуфте 4 с возможностью осевого перемещения по шлицам 7 ведущей полумуфты 4.

Шлицевая гайка 5 расположена между упругими элементами 8, 9, установленными соосно полумуфте 1. Противоположные шлицевой гайке 5 концы упругих элементов 8, 9 опираются на подпятники 10, 11. При этом подпятник 10 опирается на дно полумуфты 1, а подпятник 11 через опорный подпятник 12 и упорное кольцо 13 на полумуфту 1, в надлежащем месте которой выполнена проточка 14. Для отделения внутренней рабочей полости полумуфты 1 от внешней среды предусмотрен защитный кожух 15, в котором размещен сальник 16.

Подобная компоновка элементов упругой муфты исключает болтовые или подобные соединения и позволяет значительно уменьшить габариты устройства.

Работает упругая муфта следующим образом.

При вращении ведущей полумуфты 4 крутящий момент передается на шлицевую гайку 5 через шлицы 7 ведущей полумуфты 4. Шлицевая гайка 5, перемещаясь по шлицам 7 и одновременно вращаясь по резьбе 6, взаимодействует с ведомой полумуфтой 1 через резьбу 2 и одновременно взаимодействует на упругие элементы 8, 9, сжимая, например, упругие элементы 8 и отпуская элементы 9. Усилие через резьбу 2 ведомой полумуфты 1 передается ведомому валу 3 и приводит его в движение в соответствии с крутящим моментом. При этом величина углового перемещения шлицевой гайки 5 вызывает равное угловое перемещение упругих элементов 8, 9 и подпятников 10, 11.

При уменьшении нагрузки на ведущую полумуфту 4 шлицевая гайка 5 под воздействием уменьшаемого крутящего момента движется по шлицам 7 и резьбе 6 в обратную сторону, сжимая упругие элементы 9 и отпуская элементы 8. Это воздействие через резьбу 2 ведомой полумуфты 1 передается ведомому валу 3 и изменяет режим его вращения.

При отклонении шлицевой гайки на максимальную величину рабочего хода от положения равновесия возникает крутящий момент, связанный с углом поворота. При резком сбрасывании нагрузки (M_мак M_кр 0) могут возникнуть крутильные колебания. Если внутреннее трение упругой муфты будет равно нулю, то могут возникнуть свободные незатухающие колебания. На практике благодаря трению, например трению внутри подпятников или трению между ободами упругих элементов накопленная энергия в упругих элементах расходуется на нагрев. В случае, когда накопленная энергия упругих элементов будет равна энергии трения, расходуемой на нагревание упругой муфты, тогда гайка спокойно займет свое положение равновесия. Если накопленная энергия упругих элементов превысит энергию трения, то возникнут затухающие колебания системы.

Работа упругой муфты при изменении знака крутящего момента происходит аналогично.

Рассмотрим работу упругой муфты на конкретных примерах в режиме многоцикловых нестационарных нагружений, характерных для транспортных механизмов. В обобщенном виде в описываемом режиме можно выделить два типа. Первый, связанный с увеличением нагрузки на ведущую полумуфту, и второй, связанный с ее уменьшением. К первому типу можно отнести, в частности применительно к автомобилю, режим трогания с места, наезда на препятствие, а ко второму режим переключения передачи, наезда во впадину, торможения двигателем.

Установим упругую муфту в трансмиссии автомобиля вместо жесткого карданного вала и рассмотрим ее работу для каждого типа.

1. В режиме трогания с места крутящий момент от ведущей полумуфты 4 через шлицы 7 передается на шлицевую гайку 5. Шлицевая гайка 5, перемещаясь по шлицам 7 и одновременно вращаясь по резьбе 6, взаимодействует с ведомой полумуфтой 1 через резьбу 2 и одновременно воздействует на упругие элементы 8, 9, сжимая упругие элементы 8 и отпуская элементы 9. Усилие через резьбу 2 ведомой полумуфты 1 передается ведомому валу 3 и приводит его в движение в соответствии с передаваемым крутящим моментом. При этом угловое перемещение шлицевой гайки 5 вызывает равное угловое перемещение упругих элементов 8, 9 и подпятников 10, 11. Полученная величина углового перемещения позволяет осуществить плавный режим трогания с места при более высоких оборотах двигателя и быстром отпускании педали сцепления.

2. В режиме переключения передачи в момент выключения сцепления происходит уменьшение нагрузки на ведущую полумуфту. Шлицевая гайка 5 под воздействием уменьшаемого крутящего момента движется по шлицам 7 и резьбе 6 в обратную сторону, сжимая упругие элементы 9 и отпуская элементы 8. Это воздействие через резьбу 2 ведомой полумуфты 1 передается ведомому валу 3 и изменяет режим его вращения.

В момент включения сцепления происходит увеличение нагрузки на ведущую полумуфту и далее муфта работает, как описано в предыдущем режиме.

Упругую муфту можно устанавливать не только в трансмиссии автомобиля, но и в других транспортных средствах и механизмах, например в тракторах, экскаваторах, драгах, подъемниках, лифтах и др.

Упругую муфту целесообразно также устанавливать в устройствах с кратковременной аккумуляцией энергии и тяжелыми условиями работы (вибрация).

Использование: в машиностроении для осуществления плавной передачи динамических знакопеременных нагрузок. Сущность изобретения: упругая муфта содержит ведомую полумуфту с внутренней резьбой, шлицевую гайку с наружной резьбой для их взаимодействия и упругие элементы, установленные соосно ведущей и ведомой полумуфтам. Шлицевая гайка размещена на ведущей полумуфте между предварительно напряженными упругими элементами внутри ведомой полумуфты с возможностью движения вдоль ведущей полумуфты в обоих направлениях, а упругие элементы хотя бы одним концом опираются на подпятники, установленные в проточках в ведомой полумуфте. 1 ил.

Упругая муфта, содержащая ведомую и ведущую полумуфты, установленную между ними с возможностью осевого перемещения шлицевую гайку, соединенную с одной из полумуфт шлицевым соединением, а с другой резьбовым соединением, упругие элементы, установленные по обе стороны от шлицевой гайки в контакте одного из концов каждого упругого элемента с шлицевой гайкой, отличающаяся тем, что она снабжена упорным кольцом, установленным в выполненной в ведомой полумуфте проточке, подпятниками, размещенными между другим концом одного упругого элемента и ведомой полумуфтой и между упорным кольцом и другим концом другого упругого элемента или по обе стороны от шлицевой гайки и обоими концами упругих элементов, при этом упругие элементы установлены с предварительным напряжением.