ГИБКАЯ МУФТА ДЛЯ ВАЛОВ Российский патент 2000 года по МПК F16D3/78 

Изобретение относится к области двигателестроения, а более конкретно - к муфтам, предназначенным для передачи мощности от вала двигателя к валу потребителя в условиях несоосности и перекоса осей вышеуказанных валов.

Известна гибкая муфта для валов, содержащая фланцы для каждого вала, соединенные между собой с помощью зажимных пальцев и упругого обода, состоящего из комплекта дисков. [1].

Недостатком известной муфты является ограниченный срок службы из-за усталостных поломок дисков в условиях работы муфты при больших несоосностях установки соединяемых агрегатов.

Наиболее близкой к заявляемой является гибкая муфта для валов, состоящая из двух дискообразных фланцев, соединенных посредством четного количества пальцев, расположенных взаимно противоположно в шахматном порядке, гаек и пакета тонких дисков. Пакет дисков и фланцы для обеспечения прогиба пакета разделены кольцами и шайбами под гайками для предотвращения коробления дисков при затяжке гаек при монтаже муфты. [2].

Недостатком известной муфты, принятой за прототип, является низкий срок службы и удорожание обслуживания (эксплуатации) вследствие вынужденных остановок для замены дисков муфты из-за усталостных поломок их в условиях работы муфт при больших несоосностях установки соединяемых агрегатов, например газотурбинной приводной установки (ГТУ) и газоперекачивающего агрегата (ГПА) компрессорных станций (ГКС) на магистралях транспортировки газа на большие расстояния.

Например, при испытаниях трансмиссий в составе ГПА-12П на стенде на большинстве пластин гибких муфт обнаружены трещины. По данным металлографического анализа изломы на дисках усталостного характера, трещины ориентированы от поверхности отверстий под пальцы по направлению к внешнему диаметру пластин. На рабочих поверхностях пальцев имеются следы приработки от пластин, находившихся в контакте с пальцами. Усталостная поломка диска - явление по своей природе случайное, зависящее от множества факторов, главным из которых является величина переменных напряжений (циклически изменяющихся с частотой вращения соединяемых валов). Долговечность диска, количество циклов переменных напряжений до поломки зависят от величины переменных напряжений, уровень которых пропорционален несоосности (радиальным смещениям и перекосам) соединяемых агрегатов, а частота равна частоте вращения муфт соединяемых валов.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности дисков муфты путем исключения жесткого контакта пальцев с дисками упругого обода и снижения переменных напряжений в дисках.

Сущность технического решения заключается в том, что в гибкой муфте для валов, содержащей два фланца, соединенные между собой с помощью зажимных пальцев и упругого обода, состоящего из комплекта дисков с цилиндрическими отверстиями под пальцы, согласно изобретению на максимальном удалении от оси муфты на внешней стороне пальцев выполнены лыски серповидного профиля протяженностью по окружности пальца в секторе 60^o или на максимальном удалении от оси муфты в стенках цилиндрических отверстий под пальцы в дисках упругого обода выполнены выемки-углубления серповидного профиля протяженностью по окружности пальца в секторе 60^o, при этом максимальная глубина лысок или выемок-углублений выполнена в пределах
,
где δ_max - максимальное осевое натяжение упругого обода муфты при работе из-за несоосности соединяемых агрегатов;
Z - число пальцев на фланце муфты;
Д - диаметр расположения осей пальцев на фланце.

Выполнение лысок на внешней стороне пальцев или углублений-выемок в цилиндрических отверстиях под пальцы на максимальном удалении от оси муфты образует зону переменного радиального зазора, что позволяет исключить контакт пальцев в отверстиях дисков в зонах расположения лысок на пальцах или выемок в отверстиях дисков, а также позволяет исключить переменные напряжения в дисках, все это повышает долговечность и надежность муфты.

На фиг. 1 - изображена гибкая муфта для валов в разрезе.

На фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.

На фиг. 3 - схема соединения несоосных агрегатов трансмиссии, оснащенной двумя муфтами.

На фиг. 4, 5, 6 - схемы компенсации муфтой осевых натяжений, распоров, перекосов при работе трансмиссии.

На фиг. 7 - схема изменения диаметра расположения отверстий под пальцы в дисках, вызванные осевым натяжением муфты.

На фиг. 8 - палец в отверстии диска в разрезе с выемками-углублениями в отверстиях дисков.

На фиг. 9 - палец в отверстии диска в разрезе с лысками на пальцах.

На фиг. 10 - развертка части диска в состоянии осевого натяжения.

На фиг. 11 - схема для расчета радиуса выемки в отверстии диска.

На фиг. 12 - схема для расчета радиуса лыски на пальце.

Гибкая муфта для валов состоит из двух фланцев 1, 2, соединенных посредством четного количества зажимных пальцев 3, расположенных взаимно противоположно в шахматном порядке и скрепленных посредством гаек 4 и упругого обода 5, состоящего из комплекта дисков с цилиндрическими отверстиями 6 под пальцы 3. Упругий обод 5 и фланцы 1, 2 для обеспечения прогиба дисков разделены кольцами 7 и шайбами 8 под гайками 4 для предотвращения коробления дисков при затяжке гаек. На максимальном удалении от оси муфты на внешней стороне пальцев 3 выполнены лыски 10 серповидного профиля протяженностью по окружности пальца в секторе 60^o или на максимальном удалении от оси муфты в стенках цилиндрических отверстий 6 под пальцы в дисках упругого обода выполнены выемки-углубления 9 серповидного профиля протяженностью по окружности пальца в секторе 60^o. За счет лысок на пальцах или выемок-углублений в стенках отверстий под пальцы образуются зазоры 12 между пальцами и дисками. Причем точка 13 максимального зазора наиболее удалена от оси муфты.

Гибкая муфта для валов работает следующим образом. Крутящий момент передается от фланца 1 одной полумуфты фланцу 2 другой полумуфты посредством обода 5 из дисков пальцами 3. Упругий обод 5 из комплекта тонких дисков предназначен для компенсации возникающих при работе изменений длин валов, например из-за термических расширений и несоосностей установки валов соединяемых агрегатов. На фиг. 4, 5, 6 схематически показаны деформации упругого обода муфты при компенсации возникающих при работе осевых натяжений-распоров, перекосов осей. Величина осевого натяжения δ_Ho равна δ_Ho = |a_p-a_м|, где a_р - осевой размер между фланцами муфты при работе, a_м - осевой размер, образовавшийся между фланцами муфты после сборки-монтажа. Из-за несоосности (перекоса осей) соединяемых агрегатов возникает переменное δ_max...δ_min по окружности муфты осевое натяжение упругого обода (фиг. 3), которое является причиной возникновения переменных напряжений при вращении трансмиссии. При натяжении упругого обода 5 муфты каждый его диск выглядит зигзагообразно (фиг. 4-6). Принимая зигзагообразную форму диск упруго усаживается по диаметру (фиг. 7). При этом оси пальцев 3 остаются на том же постоянном диаметре Д, а отверстия в дисках стремятся занять положение на меньшем диаметре Д'. Пальцы с дисками по отверстиям вступают в жесткий силовой контакт в точках 14 (фиг. 2, 7), наиболее удаленных от оси муфты, со значительными радиальными усилиями P (фиг. 2). Эти усилия и являются причиной возникновения высоких напряжений и недостаточной долговечности дисков.

При использовании предлагаемого изобретения в точках 14 при сборке муфты образуется зазор 12 (фиг. 8, 9), обеспечивающий отсутствие жесткого силового контакта пальцев 3 с дисками обода 5 под влиянием рабочих факторов, например натяжения дисков из-за несоосностей соединенных трансмиссией агрегатов. Зазор 12 является компенсирующим. При этом величина Δ_r компенсирующего зазора 12 определяется из схемы, представленной на фиг. 10, где
δ_max - максимальное осевое натяжение упругого обода муфты при работе из-за несоосности соединяемых агрегатов,
d_ш - диаметр шайбы, обжимающей пакет дисков в ободе,
B - участок диска между соседними шайбами,
A - проекция на радиальную плоскость участка B диска.

Исходное выражение для компенсирующего зазора следующее:

где Д' - предполагаемый диаметр расположения осей отверстий в дисках после натяжения пакета из-за несоосностей, возникающих при работе.

Умножив числитель и знаменатель выражения (1) на число π получим

где πД и πД′ - длина окружности расположения осей пальцев и предполагаемая длина окружности расположения осей отверстий в дисках после осевого натяжения пакета.

Из схемы на фиг. 10 очевидны соотношения
πД = (2d_ш+2B)•Z (3)
πД′ = (2d_ш+2A)•Z (4)
Подставляем выражения (3) и (4) в выражение (2) и получим

Из схемы на фиг. 10 очевидны также соотношения


Подставив (6) и (7) в (5) получим

Выражение (8) дает возможность определить минимальную величину компенсирующего зазора для достижения максимального эффекта использования предлагаемого изобретения.

Например, для реальной трансмиссии разработки нашего предприятия при Д = 260 мм, d_ш = 50 мм, Z = 4, δ_max = 2 мм минимальный компенсирующий зазор составит

Для гарантии достижения желаемого эффекта в устранении нагруженности диска переменными напряжениями следует выполнять в фактическом исполнении примерно в 2 раза больший компенсирующий зазор, т.е. в рассмотренном конкретном случае Δ_r должен быть равным
= 2•0,049 = 0,098 ≈ 0,1 мм
Чрезмерно большой зазор нежелателен с точки зрения статической прочности на передачу крутящего момента пальцев и дисков, т.к. лыски и выемки ослабляют поперечные сечения дисков и пальцев. Анализ конкретных результатов расчета величины компенсирующего зазора, строго зависимого от конкретных конструктивных параметров муфты и условий эксплуатации (Д, Z, δ_max ), позволяет получить следующее, полностью удовлетворяющее использованию, выражение для оптимального интервала зазора:

На фиг. 11 и на фиг. 12 представлены схемы определения радиусов R_x инструмента для выполнения лысок на пальцах или выемок-углублений в отверстиях дисков. Величина R_x зависит от величины компенсирующего зазора Δ_r и диаметра d пальца или отверстия в диске.

Из фиг. 11 можно записать








Аналогично, из фиг. 12 можно получить выражение для определения радиуса лыски на пальце:

где O - центр окружности диаметра d,
O' - центр радиуса R_x,
A, B - точки пересечения окружности диаметра d и окружности радиуса R_x,
C, E, K - точки пересечения отрезка AB, окружности, радиуса R_x и окружности диаметра d соответственно с линией центров OO',
F - точка пересечения перпендикуляра O'F, опущенного на отрезок EB.

Источники информации
1. Патент США N 4482335, F 16 D 3/78, 1984 г.

2. Патент РФ N 2087768, F 16 D 3/78, 1995 г. - прототип.

Изобретение относится к авиадвигателестроению, к муфтам, предназначенным для передачи мощности от вала двигателя к валу потребителя в условиях несоосности и перекоса осей указанных валов. Гибкая муфта для валов содержит два фланца, соединенных между собой с помощью зажимных пальцев и упругого обода, состоящего из комплекта дисков с цилиндрическими отверстиями под пальцы. На максимальном удалении от оси муфты на внешней стороне пальцев выполнены лыски серповидного профиля протяженностью по окружности пальца в секторе 60^o или на максимальном удалении от оси муфты в стенках цилиндрических отверстий под пальцы в дисках упругого обода выполнены выемки-углубления серповидного профиля протяженностью по окружности пальца в секторе 60^o. При этом максимальная глубина лысок или выемок-углублений выполнена в пределах , где δ_max - максимальное осевое натяжение упругого обода муфты при работе из-за несоосности соединяемых агрегатов; Z - число пальцев на фланце муфты; Д - диаметр расположения осей пальцев на фланце. В результате повышается надежность дисков муфты путем исключения жесткого контакта пальцев с дисками упругого обода и снижения переменных напряжений в дисках. 12 ил.

Гибкая муфта для валов, содержащая два фланца, соединенных между собой с помощью зажимных пальцев и упругого обода, состоящего из комплекта дисков с цилиндрическими отверстиями под пальцы, отличающаяся тем, что на максимальном удалении от оси муфты на внешней стороне пальцев выполнены лыски серповидного профиля протяженностью по окружности пальца в секторе 60^o или на максимальном удалении от оси муфты в стенках цилиндрических отверстий под пальцы в дисках упругого обода выполнены выемки-углубления серповидного профиля протяженностью по окружности пальца в секторе 60^o, при этом максимальная глубина лысок или выемок-углублений выполнена в пределах
,
где δ_max - максимальное осевое натяжение упругого обода муфты при работе из-за несоосности соединяемых агрегатов;
z - число пальцев на фланце муфты;
Д - диаметр расположения осей пальцев на фланце.