ЦЕНТРОБЕЖНАЯ МУФТА Российский патент 1999 года по МПК F16D43/14 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано на различных видах транспорта, а также в механизмах, где необходимо безударное включение ведомых валов.

Известна центробежная муфта, содержащая ведущую полумуфту, выполненную в виде ступицы с подвижными в радиальном направлении роликами, и ведомую полумуфту, выполненную в виде барабана, размещенной в нем упругой кольцевой обоймы и расположенных между стенками барабана и кольцевой обоймой эластичных камер, заполненных рабочей средой под статическим давлением /а.с. SU N 804934, кл. F 16 D 43/18, опубл. 18.02.81 г./. Камеры выполнены из прорезиненной ткани и привулканизированы к внутренней поверхности барабана.

Такая муфта работает следующим образом.

Ведущая полумуфта с роликами вращается с постоянным числом оборотов. В случае, если давление рабочей среды во всех камерах одинаково, упругая кольцевая обойма имеет форму окружности, и ролики, обкатываясь по внутренней поверхности обоймы, не создают на ней крутящего момента, крутящий момент, в данном случае, равен нулю.

Если постепенно увеличивать давление в одной из пар камер и соответственно понижать его в другой паре камер, то упругая кольцевая обойма примет форму эллипса, и ролики начнут создавать крутящий момент на ней и на барабане, жестко связанным с ведущим валом. Плавно трансформируя таким образом форму обоймы, можно постепенно изменять величину передаваемого крутящего момента.

Недостатками известной центробежной муфты являются сложность перепускания рабочей среды из одной пары камер в другую, неустойчивое положение упругой кольцевой обоймы в барабане, наличие вращающихся внутри обоймы роликов, подвижных в радиальном направлении, что технически сложно и, следовательно, ненадежно.

Известна также центробежная муфта, содержащая ведущую полумуфту, выполненную в виде двух пар установочных элементов, выполненных в виде дисков, гарантированно установленных /жестко закрепленных/ на ведущем валу, ведомую полумуфту, включающую в себя барабан, установленный на ведомом валу, два кольца, установленные в указанном барабане с возможностью радиального смещения и без возможности поворота относительно упомянутого барабана, два магнита, установленные внутри барабана, причем указанные магниты имеют возможность взаимодействовать с упомянутым кольцом, при этом в упомянутых установочных элементах ведущей полумуфты выполнены пазы, в которых установлены плунжеры, расположенные внутри упомянутых колец ведомой полумуфты с возможностью воздействия на них под действием центробежной силы, а полость барабана заполнена антифрикционным веществом. Каждое из колец со стороны, куда будет смещаться, подпружинено к оси муфты пластинчатой пружиной и упирается другой стороной в сердечник электромагнита, расположенного между стенкой барабана и кольцом. Включение и выключение электромагнита осуществляется скользящими контактами по токопроводящим кольцам.

Установочно кольца ведомой полумуфты смещены от истинно центрального положения в направлении к электромагнитам.

Внутренняя полость муфты частично заполнена мелкодисперсным антифрикционным порошком, например графитом, для смазки трущихся поверхностей плунжеров и колец /патент РФ N 2019752, F 16 D 43/18, от 16.05.91 г./. Указанное устройство принято за прототип.

Известная центробежная муфта работает следующим образом. До заданного числа оборотов ведущая полумуфта вращается в кольцах, занимающих центральное положение в барабане, и не создает на них крутящего момента, т.е. крутящий момент, в данном случае, равен нулю. По достижении ведущей полумуфтой заданного числа оборотов подается питание на электромагниты. Сердечники электромагнитов импульсом выталкиваются из обмоток и резко продвигают кольца через истинно центральное их положение в стороны, где находятся пластинчатые пружины. Наращенные к этому моменту центробежные силы плунжеров резко, но безударно передвигают кольца к стенкам барабана. При этом на кольцах и жестко связанных с ними барабане с ведомым валом создается крутящий момент в зависимости от нагрузки.

При полной остановке ведущей полумуфты кольца возвращаются в исходное положение пружинами.

Недостатки известной центробежной муфты следующие.

По ведущей полумуфте: Очевидна низкая стабилизация направляющих ребер плунжера в пазах дисков, когда кольцо смещено к стенке барабана, а ведь в этом случае на ведомую полумуфту передается максимальный крутящий момент. Низкая стабилизация плунжеров происходит из-за радиального расположения пазов в дисках.

По ведомой полумуфте:
1. Наличие двух пластинчатых пружин повышает вероятность поломки хотя бы одной из них, что приведет к выходу из строя всей муфты.

2. Полумуфта не может включаться автоматически от заданного числа оборотов ведущей полумуфты. Для этого потребуется дополнительная аппаратура с датчиком числа оборотов и электронным блоком управления, что усложняет и удорожает решение проблемы автоматической работы муфты. Применение электромагнитов - тяжелых, громоздких и дорогих, требующих питания и сложной системы его подвода к ним, - крайне неудачное конструктивное решение.

3. Кольца не могут занимать любые промежуточные положения при снижении оборотов ведущей полумуфты в диапазоне от максимальных до холостых, т.к. центробежные силы велики, а усилия пружин рассчитаны лишь на то, чтобы удержать кольца у центрального положения.

По центробежной муфте в целом:
1. Графитовая пудра, которой частично заполнена внутренняя полость муфты, при вращении барабана выносится на периферию, к его боковой поверхности. В результате хорошо смазываются лишь внешние поверхности цилиндрических брусков плунжеров и внутренняя поверхность колец. Обильной смазки пазов дисков, особенно на участках, расположенных ближе к оси муфты, не происходит. Это приводит к нагреванию дисков, т.к. они не имеют хорошего контакта с поверхностью барабана. Кроме того, графит является плохим проводником тепла.

2. Низка нагрузочная способность муфты, т. к. ее работа обусловлена только воздействием центробежных сил плунжеров на кольца.

Целью изобретения является упрощение конструкции, обеспечение возможности работы муфты в автоматическом режиме от заданного числа оборотов ведущей полумуфты, повышение надежности, долговечности и нагрузочной способности.

Поставленная цель достигается тем, что центробежная муфта содержит ведущую полумуфту, выполненную в виде нескольких пар дисков, гарантированно /жестко/ установленных на ведущем валу, ведомую полумуфту, включающую в себя барабан, установленный на ведомом валу, несколько колец с направляющими, установленными в указанном барабане со смещением из центрального положения с возможностью радиального перемещения, но без возможности поворота относительно упомянутого барабана, несколько магнитов, установленных внутри барабана, причем указанные магниты имеют возможность взаимодействия с упомянутыми кольцами, при этом в упомянутых дисках ведущей полумуфты выполнены пазы, в которых установлены плунжеры, расположенные внутри упомянутых колец ведомой полумуфты с возможностью воздействия на них под действием центробежной силы, а полость барабана заполнена антифрикционным веществом, при этом согласно изобретению пазы в дисках выполнены в тангенциальном направлении с зеркальным отображением направлений пазов для каждой пары дисков, плунжер представляет собой пластину с цилиндрическим бруском на конце, причем каждый плунжер установлен таким образом, что два края пластины входят в упомянутые пазы одной пары дисков, а плунжер имеет возможность касания внутренней поверхности упомянутого кольца и воздействия на него под действием центробежной силы, при этом упомянутое кольцо в статическом положении муфты и при работе муфты на число оборотов, не превышающем заданного значения, удерживается упомянутым магнитом, а указанный магнит представляет собой постоянный магнит, в частности самарий-кобальтовый магнит, при этом антифрикционное вещество представляет собой, в частности, смазывающую жидкость.

Кроме того, каждый из дисков ведущей полумуфты может быть снабжен цилиндрической юбкой с прорезями, совпадающими по направлению с пазами, выполненными в дисках, при этом пластины плунжеров имеют возможность свободно входить в указанные прорези.

Сущность изобретения иллюстрируется графическими материалами, на которых показано следующее.

На фиг. 1 изображен общий вид центробежной муфты с торца, без крышки со стороны ведущего вала, в нерабочем положении;
на фиг. 2 - то же, в рабочем положении, без одного /крайнего/ из пары дисков - для лучшего уяснения конструкции и работы муфты;
на фиг. 3 показан общий вид центробежной муфты сбоку, с частичным вырезом;
на фиг. 4 представлен один из дисков с видом на пазы и юбку;
На фиг. 5 в диагональной проекции изображен плунжер.

Ведущая полумуфта предлагаемой центробежной муфты содержит вал 1, гарантированно установленные на нем попарно диски 2, 3 с зеркально тангенциальными пазами на торцах и юбками 4, в которых имеются продольные прорези соответственно направлениям пазов.

Два диска, прижатые друг к другу юбками, образуют ступицу для плунжеров 5, каждый из которых представляет собой монолитно выполненную пластину с цилиндрическим бруском, пластина свободно пронизывает юбки и краями входит в пазы дисков.

Ведомая полумуфта центробежной муфты содержит барабан 6, крышку 7 барабана с уплотнительным кольцом 8 со стороны ведущего вала, крышку 9, цапфу 10 с ведомым валом 11, кольца 12 с направляющими 13, постоянные магниты 14, барабан 6 имеет выполненную заодно перегородку 15 между кольцами и полностью наполнен моторным маслом 16.

Крышки 7, 9, цапфа 10 крепятся к барабану на герметике.

Установочно кольца 12 несколько смещены в направлениях "от постоянных магнитов".

Центробежная муфта работает следующим образом.

На холостых оборотах диски 2, 3 с плунжерами 5 и моторное масло 16 вращаются вместе внутри колец 12 и создают на них исчезающе малый крутящий момент, так как кольца 12 лишь немного смещены по диаметру от истинно центрального положения /на фиг. 1 - вправо по чертежу, от постоянных магнитов 14/.

По достижении ведущей полумуфтой заданного числа оборотов, определяемого силой притяжения стальных колец 12 к постоянным магнитам 14, центробежные силы в правой половине кольца 12 начинают превалировать над центробежными силами в левой его половине. При этом кольцо 12 отрывается от постоянного магнита 14 и под действием нарастающих центробежных сил плунжеров 5 плавно перемещается по диаметру и безударно прижимается к стенке барабана 6.

Масло, перекачиваемое пластинами плунжера 5 из расширяющегося объема /зона cd/ в сужающийся /зона ab/. фиг. 2, в силу своей несжимаемости стремится сохранить гидродинамическое равновесие внутри кольца 12 и срабатывает как демпфер, как невидимая пружина.

В положении, когда кольцо 12 прижато к стенке барабана 6, центробежные силы плунжеров 5 активно воздействуют на него по большому плечу /cd/ в зоне давления /ca/, создавая максимальный крутящий момент на еще неподвижной ведомой полумуфте /согласно теории и практике д.т.н. Н.Н. Гулиа о работе импульсного вариатора см. журнал "Изобретатель и рационализатор", N 6, 1979 г., статья "Самому не верится ..."/.

При этом крутящий момент на выходном валу 11, в сравнении с крутящим моментом на ведущем валу 1, возрастает в 3,5 - 3,7 раза, т.е. центробежная муфта работает как импульсивный вариатор.

Масло 16, заключенное между юбками 4 и внутренней поверхностью кольца 12, прокачиваемое из широкой зоны /co/ в узкую /ab/, в реальном масштабе времени превращается для плунжеров 5, перекрывающих пластинами междисковое пространство и частыми импульсами воздействующих на этот объем, в сильно загустевшую, почти твердую смазку. В результате, центробежная муфта работает и как короткозамкнутый гидромотор.

Однонаправленный крутящий момент напрямую передается от ведущей к ведомой полумуфте на плече /cd/ через демпфирующий масляный объем, выполняющий роль автоматического регулятора промежуточного положения колец 12.

Таким образом, данная центробежная муфта работает как гибрид центробежной и гидродинамической муфты в единой конструкции.

При снижении числа оборотов ведущей полумуфты действие центробежных сил на кольцо 12 ослабевает, и под давлением масла 16, стремящегося к равновесному гидродинамическому состоянию, оно отходит от боковой стенки барабана 6 и занимает промежуточное положение между исходным и максимально смещенным.

При снижении оборотов ведущей полумуфты до холостых или при полной ее остановке кольцо 12 под действием выравнивающегося давления масла смещается к исходному положению, входит в зону действия постоянного магнита 14 и притягивается им.

Центробежная муфта готова к работе.

Как явствует из конструкции центробежной муфты, применение в ней постоянных магнитов позволяет выполнить четкое и надежное включение ведомой полумуфты в работу от заданного числа оборотов ведущей полумуфты, при этом магниты выполняют роль вечной пружины, как если бы таковая подпружинивала кольцо к оси муфты.

Наличие в совокупности новых конструктивных признаков и приемов, таких как: изготовление пазов в дисках тангенциально; снабжение дисков юбками с продольными прорезями; применение плунжеров, выполненных в виде перекрывающей междисковое пространство пластины, оканчивающейся массивным цилиндрическим бруском и, наконец, полная заливка барабана моторным маслом, позволяет рационально решить сразу несколько проблем. Это - отличная смазка купанием всех трущихся деталей, снижение температуры нагрева муфты, хороший теплоотвод, автоматическое изменение положения колец и высокая степень их удержания в любом из промежуточных положений при установившихся оборотах ведущей полумуфты, и главное - надежность и способность к повышению нагрузочной способности муфты.

ПРИМЕР. Допустим, что передаем от силовой установки на центробежную муфту мощность 100 кВт. Сама конструкция муфты, как если ее рассматривать по действию центробежных сил ведущей полумуфты на ведомую, позволяет передать, допустим, 30 кВт.

Согласно теории об импульсивном вариаторе /а центробежная муфта и является таковым/ передаваемый момент при заторможенной неподвижной ведомой полумуфте возрастает на ведомом валу в 3,5 - 3,7 раза. Значит, 30 кВт • 3,5 = 105 кВт, да плюс 70 кВт от силовой установки передаются по муфте напрямую, как в гидромуфте сцепления. 105 кВт + 70 кВт = 175 кВт. Получается эффективный преобразователь энергии при трогании транспортного средства с места.

В переменных условиях движения муфта автоматически будет выдавать максимальный крутящий момент в зависимости от нагрузки.

Для изготовления центробежной муфты вполне достаточен известный к настоящему времени станочный парк и технологические приемы обработки трущихся деталей, так что предлагаемая муфта к тому же еще и технологична в изготовлении. А если применить ионно-плазменное напыление на трущиеся поверхности, то можно значительно поднять ее долговечность.

В качестве постоянных магнитов можно применить последнее достижение науки - малогабаритные самарий-кобальтовые магниты, обладающие большой магнитной энергий.

Центробежная муфта содержит ведущую полумуфту, выполненную в виде нескольких пар дисков, гарантированно установленных на валу. Муфта содержит также ведомую полумуфту, включающую в себя барабан, несколько колец с направляющими, установленными в указанном барабане со смещением из центрального положения и с возможностью радиального перемещения. Муфта содержит также несколько магнитов, установленных с возможностью взаимодействия с упомянутыми кольцами. В упомянутых дисках ведущей полумуфты выполнены пазы, в которых установлены плунжеры. Плунжеры имеют возможность воздействия на соответствующее кольцо ведомой полумуфты под действием центробежной силы. Полость барабана заполнена антифрикционным веществом. Пазы в дисках ведущей полумуфты выполнены в тангенциальном направлении с зеркальным отображением направлений пазов для каждой пары дисков. Каждый из упомянутых плунжеров представляет собой пластину с цилиндрическим бруском. Плунжеры установлены так, что два края пластины плунжера входят в упомянутые пазы соответствующей пары дисков ведущей полумуфты. Упомянутые кольца ведомой полумуфты при работе муфты на числе оборотов, не превышающем заданного значения, удерживаются упомянутым магнитом. Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в упрощении конструкции муфты, повышении ее надежности, долговечности и нагрузочной способности, а также обеспечении возможности работы муфты в автоматическом режиме в зависимости от заданного числа оборотов ведущей полумуфты. 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Центробежная муфта, содержащая ведущую полумуфту, выполненную в виде нескольких пар дисков, гарантированно установленных на валу, ведомую полумуфту, включающую в себя барабан, несколько колец с направляющими, установленными в указанном барабане со смещением из центрального положения и с возможностью радиального перемещения, несколько магнитов, установленных с возможностью взаимодействия с упомянутыми кольцами, при этом в упомянутых дисках ведущей полумуфты выполнены пазы, в которых установлены плунжеры, которые имеют возможность воздействия на соответствующее кольцо ведомой полумуфты под действием центробежной силы, а полость барабана заполнена антифрикционным веществом, отличающаяся тем, что пазы в дисках ведущей полумуфты выполнены в тангенциальном направлении с зеркальным отображением направлений пазов для каждой пары дисков, а каждый из упомянутых плунжеров представляет собой пластину с цилиндрическим бруском и установлен так, что два края пластины плунжера входят в упомянутые пазы соответствующей пары дисков ведущей полумуфты, при этом упомянутые кольца ведомой полумуфты при работе муфты на числе оборотов не превышающем заданного значения удерживается упомянутым магнитом. 2. Муфта по п.1, отличающаяся тем, что каждый из дисков ведущей полумуфты снабжен цилиндрической юбкой, в которой выполнены прорези, совпадающие по направлению с пазами, выполненными в дисках, при этом пластины плунжеров имеют возможность свободно входить в указанные прорези. 3. Муфта по п.1 или 2, отличающаяся тем, что магниты представляют собой постоянные магниты. 4. Муфта по п.3, отличающаяся тем, что постоянные магниты представляет собой самарий-кобальтовые магниты. 5. Муфта по пп. 1 - 4, отличающаяся тем, что антифрикционное вещество представляет собой смазывающую жидкость.