ГИБКИЙ ВАЛ Российский патент 2005 года по МПК F16C1/02 

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и предназначено для передачи крутящего момента между несоосными валами, а при малой несоосности - для передачи дополнительно осевого усилия и может быть использовано во всех видах машин, в том числе транспортных и технологических.

Известен гибкий вал (МПК 4 F 16 С 1/00, а. с. СССР №1506193), включающий гибкий цилиндрический сердечник и многослойную обмотку, содержащую навитые по спирали поочередно навстречу друг другу слои проволоки, причем угол пересечения проволок соседних слоев обмотки составляет 85-95°. В известном гибком вале благодаря указанному углу пересечения соседних слоев снижается трение скольжения, так как в пределах упругой деформации проволоки реализуется трение качения, кроме того, вал может работать реверсивно. Однако известный гибкий вал характеризуется высокой металлоемкостью и высокой сложностью изготовления. В известном решении не определен угол между проволокой и образующей цилиндрической поверхности вала; если он будет существенно отличаться от 45°, то будет происходить расслоение рядов проволоки в слоях и прочностные свойства материала проволоки будут использоваться нерационально. Помимо этого, наибольшую нагрузку при кручении несет наружный слой, так как касательные напряжения при кручении пропорциональны радиусу слоя (Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов, Киев: Наукова думка, 1975. - с.204), и при реверсе он начинает "разматываться", так как проволока в этом слое испытывает сжимающие напряжения, а большая часть нагрузки падает на лежащий под ним слой. При этом внутренние слои нагружены весьма незначительно. Таким образом, металл в известной конструкции используется нерационально.

Известен гибкий вал (МПК 5 F 16 С 1/02, а.с. СССР №1539407), содержащий гибкую оболочку, внутри которой расположены однотипные звенья, связанные между собой посредством расположенных на концах каждого звена соединительных элементов, причем эти элементы повернуты друг относительно друга. Благодаря специальной форме звеньев и повороту соединительных элементов в каждом звене известный гибкий вал действительно обеспечивает повышенную плавность передачи крутящего момента, причем плавность тем выше, чем больше количество звеньев. Однако описанные в известном решении звенья сложны в изготовлении, к точности изготовления их соединительных элементов и чистоте их поверхности должны предъявляться высокие требования. Кроме того, в случае сухого трения звеньев происходит заметный износ, а при большой нагрузке может возникнуть и заедание звеньев, что приведет к отказу устройства.

Известен гибкий вал (МПК 5 F 16 С 1/02, пат. СССР №1794207), содержащий помещенную в оболочку цепь передающих вращение силовых элементов, соединенных тросом, пропущенным через центральные отверстия силовых элементов, с возможностью взаимодействия между собой и изгиба относительно продольной оси вала, причем силовые элементы выполнены в виде цилиндров, на взаимодействующих торцах которых выполнены конические зубья, боковая поверхность силовых цилиндров выполнена в виде выпуклого цилиндра второго порядка. Одним из преимуществ этого технического решения является возможность передачи осевого усилия. Однако ему присущи следующие недостатки: сложность изготовления силовых цилиндров, особенно конических зубьев на них. При распрямлении гибкого вала конические зубья перестают взаимодействовать, то есть в прямом состоянии момент будет передаваться только через оболочку, не рассчитанную на большие усилия. При угле между валами, близком к 180°, глубина зацепления зубьев минимальна и уже при номинальной (расчетной) нагрузке может произойти их разрушение. Таким образом, известный гибкий вал работоспособен только при определенном радиусе сгиба всей оси вала, когда происходит номинальное зацепление всех зубьев на всех звеньях цепи.

Наиболее близким к заявляемому является гибкий вал (МПК 7 F 16 С 1/00, пат. РФ №2097611). выполненный в виде стержня или трубы из гибкого материала, с которой соединен и взаимодействует упругий каркас, состоящий из цилиндрической пружины, неподвижно соединенной по торцам с двумя втулками и расположенными в отверстии вала гибкими продольными стержнями, соединенными с втулками. Известный гибкий вал имеет достаточно сложную конструкцию, его трудно собирать. Кроме того, гибкие продольные стержни при вращении вала будут постоянно испытывать переменные растягивающие и изгибающие усилия, что может привести к их преждевременному выходу из строя. Используемая в конструкции известного гибкого вала пружина также подвержена переменным изгибно-крутильным нагрузкам, а также радиальному сжатию при скручивании. Все это снижает надежность известного гибкого вала.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение изготовления и сборки гибкого вала, снижение материалоемкости, повышение величины передаваемого крутящего момента, приходящегося на единицу массы вала, увеличение равномерности передаваемого момента и надежности и работы.

Поставленная задача достигается тем, что гибкий вал содержит гибкую оболочку и расположенное в ней рабочее тело, которое представляет собой засыпку плотно уложенного сыпучего материала, при этом гибкая оболочка выполнена в виде трубки из гибкого материала, армированного в массе сеточным каркасом из гибких нитей, с углом навивки нитей каркаса к образующей цилиндрической поверхности оболочки, составляющим (45±5)°, а частицы сыпучего материала имеют шарообразную форму с калиброванным диаметром, лежащим в диапазоне не менее 100 мкм и не более 1/5 от внутреннего диаметра гибкой оболочки, гибкие нити изготовлены из шелка или капрона или углепластика, при этом внутренняя полость гибкой оболочки заполнена смазкой и герметизирована, а максимальная шероховатость поверхности частиц сыпучего материала засыпки не превышает 12,5 мкм.

Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо. Рекомендуемая в предлагаемом изобретении величина угла навивки нитей каркаса к образующей цилиндрической поверхности оболочки, составляющего (45±5)°, известна из общей теории кручения валов, однако в практике изготовления каркаса гибких валов не используется. Рекомендуемый диапазон диаметров частиц - не менее 100 мкм и не более 1/5 от внутреннего диаметра гибкой оболочки также является новым.

На фиг.1 представлена схема реализации предлагаемого гибкого вала. Гибкий вал содержит гибкую оболочку 1, внутри которой находится рабочее тело 2 в виде плотно утрамбованной засыпки сыпучего материала, состоящего из частиц преимущественно шарообразной формы. Шарики имеют практически одинаковые (калиброванные) диаметры и достаточно гладкую поверхность. Кроме того, для снижения трения между частицами материала они могут быть покрыты смазкой. Один конец гибкой оболочки 1 натянут на приводной вал 3, другой - на приводимый во вращение вал 4. Концы оболочки 1 могут быть зафиксированы на валах 3 и 4 при помощи хомутов (на фиг.1 условно не показаны) либо другими известными способами. Герметизация внутренней полости оболочки 1 в варианте, показанном на фиг.1, достигается непосредственно торцами валов 3 и 4. В ответственных случаях (маловязкая смазка) между рабочим телом 2 и торцами валов 3 и 4 могут быть установлены круглые перегородки с серийно выпускаемыми эластичными манжетными уплотнениями.

На фиг.2 изображена схема навивки нитей каркаса. Нити 5 навиты под углом (45±5)° к образующей цилиндрической поверхности гибкой оболочки 1, причем нити 5 группы "а" - по часовой стрелке, а нити 5 группы "б" - против часовой стрелки.

На фиг.3 показано напряженное состояние материала гибкой оболочки 1 при кручении гибкого вала. Максимальные касательные напряжения τ приложены на площадках, расположенных в поперечном и продольном (в соответствии с законом парности касательных напряжений) сечениях оболочки, а максимальные нормальные напряжения σ - на площадках, расположенных под углом 45° к образующей цилиндрической поверхности оболочки.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При приложении к приводному валу 3 крутящего момента в поперечных сечениях гибкой оболочки 1 возникают касательные напряжения τ (см. фиг.3). В продольных сечениях в соответствии с законом парности касательных напряжений также возникают равные по величине касательные напряжения τ (см. фиг.3). На элементарных площадках, наклоненных под углом 45° к образующей цилиндрической поверхности трубки, возникают максимальные нормальные напряжения σ (см. фиг.3). Навитые под углом (45±5)° к образующей цилиндрической поверхности трубки нити 5 при кручении вала подвергаются действию максимальных растягивающих напряжений σ. Таким образом, половина нитей (навитых по часовой стрелке - нити "а", или против часовой стрелки - нити "б") испытывает практически чистое растяжение. При этом прочностные свойства этих нитей могут использоваться в полной мере и при равной материалоемкости такой гибкий вал сможет передавать наибольший крутящий момент. При смене направления вращения вала растягивающие напряжения воспринимаются другой половиной нитей, навитых в другую сторону.

Продольные касательные напряжения (см. фиг.3) стремятся скрутить гибкую оболочку 1 внутрь, в результате чего может произойти потеря устойчивости оболочки, изменение формы ее поперечного сечения. Кроме того, потере устойчивости при кручении способствует возникновение изгибных напряжений, возникающих при кручении вала с изогнутой осью. В результате полая гибкая оболочка, не заполненная насыпкой сыпучего материала, могла бы сплющиться, приобретая эллиптическое сечение, имеющее невысокий полярный момент сопротивления (по сравнению с круглым кольцевым сечением). В предлагаемой конструкции опасность такой потери устойчивости исключена посредством ввода внутрь гибкой оболочки 1 засыпки сыпучего материала 2, который практически несжимаем.

Выполнение каркаса из гибких нитей, в частности из шелка, или капрона, или углепластика либо других прочных и гибких материалов, позволяет гибкой оболочке свободно деформироваться при его вращении вокруг изогнутой оси, когда оболочка испытывает дополнительно к кручению и изгиб. Угол между нитями, составляющий (45±5)° к образующей цилиндрической поверхности оболочки, не приводит к заметному увеличению продольной жесткости гибкой оболочки при ее изгибе.

Изготовление частиц, составляющих засыпку сыпучего материала, шарообразной формы при плотной их укладке в оболочке препятствует переукладке частиц при вращении вала, приводящей к изменению пористости засыпки. Это связано с тем, что при этих условиях любая переукладка приводит к увеличению пористости, а значит и потенциальной энергии системы, так как при увеличении пористости происходит окружное растяжение гибкой оболочки. Таким образом, при вращении вала происходит преимущественно небольшое перемещение частиц засыпки. Обработка их поверхности так, что максимальная шероховатость R_max не превышает 12,5 мкм, что соответствует шероховатости R_а 3,2, достигаемой при обработке не хуже получистового точения, позволяет существенно снизить силы трения, а значит, и потери мощности. К такому же результату приводит заполнение смазкой внутренней полости гибкой оболочки; в этом случае во избежание вытекания смазки и ее преждевременного окисления кислородом воздуха гибкая оболочка герметизирована.

Изготовление частиц, составляющих засыпку сыпучего материала, с калиброванным диаметром, то есть с диаметром, лежащим в достаточно узком диапазоне величин, также позволяет избежать изменения пористости, в частности уплотнения слоя засыпки, характерного для полидисперсных материалов, имеющих большой разброс размеров. В качестве количественного показателя, характеризующего степень монодисперсности распределения диаметра частиц, можно принять отношение максимального размера частиц к минимальному. Для нормальной работы предлагаемой конструкции гибкого вала можно рекомендовать, чтобы это отношение не превышало 1,2-1,5. В этом случае с энергетической точки зрения попадание мелких частиц в зазоры между крупными будет практически равноценно их попаданию в зазоры между столь же мелкими частицами.

Изготовление частиц, составляющих засыпку сыпучего материала, с диаметром, не превышающим 1/5 от внутреннего диаметра гибкой оболочки, позволяет добиться достаточной равномерности распределения пористости во внутренней полости гибкой оболочки. Это препятствует локальной потере устойчивости гибкой оболочки при кручении вала, которая могла бы привести к его "сморщиванию", а в дальнейшем - к скручиванию.

Для современного уровня технологии изготовление частиц шарообразной формы с достаточно узким диапазоном размеров и высокой чистотой поверхности (с максимальной шероховатостью не выше 12,5 мкм) не представляет сложности. Такие частицы изготавливаются массово при производстве тел качения для шарикоподшипников, причем в данном случае даже не требуется их тонкая селекция по размерам. Кроме того, частицы для засыпки могут быть выполнены из полимерных материалов, например в виде гранул фторопласта или капролона, обладающих низким коэффициентом трения.

Пример конкретного выполнения. Гибкий вал изготовлен из гибкого полимерного материала, армированного шелковыми нитями, угол навивки которых составляет (45±5)° к образующей цилиндрической поверхности оболочки. Внутренний диаметр оболочки равен 20 мм, толщина ее стенки 3 мм. Оболочка плотно заполнена шарообразными частицами из стекла, диаметр которых составляет 2,9±0,3 мм, то есть лежит в достаточно узком диапазоне (калиброванный диаметр). Если считать распределение диаметров частиц подчиняющимся нормальному закону, то при поле допуска, равном шести среднеквадратичным отклонениям S, находим S=(0,3·2)/3=0,1 мм. Тогда коэффициент вариации равен V=S/M=0,1/2,9=0,034, где М - математическое ожидание среднего диаметра частиц. Таким образом, средний диаметр частиц составляет примерно 1/7, не превышает 1/5 от внутреннего диаметра оболочки и больше 100 мкм. Этот гибкий вал использовался для передачи вращения между валами с перпендикулярными осями в системе привода шнекового питателя. При заданной нагрузке гибкий вал передавал вращение, не скручиваясь и теряя устойчивость формы. Та же гибкая оболочка, не заполненная засыпкой сыпучего материала, оказалась не способной работать в тех же условиях, поскольку происходила потеря устойчивости формы оболочки (она сплющивалась, приобретая эллиптическое сечение, а затем скручивалась).

По сравнению с известными гибкими валами предлагаемый гибкий вал проще по конструкции, при изготовлении и сборке, так как засыпка сыпучего материала шарообразной формы и его утрамбовка не требует сложных специальных приспособлений, обладает меньшей материалоемкостью при равном передаваемом крутящем моменте, либо способен передавать больший момент, приходящийся на единицу массы вала, что обусловлено применением каркаса с нитями, намотанными под углом (45±5)°. Увеличение равномерности передаваемого момента достигается постоянством формы кольцевого сечения гибкой оболочки относительно ее оси вращения. Благодаря отсутствию сложных пар трения, износ которых обычно приводит к увеличению зазоров, в предлагаемом устройстве достигается повышение надежности работы гибкого вала.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет упростить изготовление и сборку гибкого вала, снизить его материалоемкость, повысить величину передаваемого крутящего момента, приходящегося на единицу массы вала, увеличить равномерность передаваемого момента и надежность работы гибкого вала.

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для передачи крутящего момента между несоосными валами, а при малой несоосности - для передачи дополнительно осевого усилия и может быть использовано во всех видах машин, в том числе транспортных и технологических. Гибкий вал содержит гибкую оболочку и расположенное в ней рабочее тело, которое представляет собой засыпку плотно уложенного сыпучего материала, при этом гибкая оболочка выполнена в виде трубки из гибкого материала, армированного в массе сеточным каркасом из гибких нитей, с углом навивки нитей каркаса к образующей цилиндрической поверхности оболочки, составляющим 45°±5°, а частицы сыпучего материала имеют шарообразную форму с калиброванным диаметром, лежащим в диапазоне не менее 100 мкм и не более 1/5 от внутреннего диаметра гибкой оболочки, гибкие нити изготовлены из шелка или капрона, или углепластика, при этом внутренняя полость гибкой оболочки заполнена смазкой и герметизирована, а максимальная шероховатость поверхности частиц сыпучего материала засыпки не превышает 12,5 мкм. Технический результат - упрощение изготовления и сборки гибкого вала, снижение его материалоемкости, повышение величины передаваемого крутящего момента, приходящего на единицу массы вала, увеличение равномерности передаваемого момента и надежность работы гибкого вала. 3 н.п.ф-лы, 3 ил.

1. Гибкий вал, содержащий гибкую оболочку и расположенное в ней рабочее тело, отличающийся тем, что рабочее тело представляет собой засыпку плотно уложенного сыпучего материала, при этом гибкая оболочка выполнена в виде трубки из гибкого материала, армированного в массе сеточным каркасом из гибких нитей с углом навивки нитей каркаса к образующей цилиндрической поверхности оболочки, составляющим 45°±5°, а частицы сыпучего материала имеют шарообразную форму с калиброванным диаметром, лежащим в диапазоне не менее 100 мкм и не более 1/5 внутреннего диаметра гибкой оболочки.2. Гибкий вал по п.1, отличающийся тем, что гибкие нити изготовлены из шелка, или капрона, или углепластика.3. Гибкий вал по п.1, отличающийся тем, что внутренняя полость гибкой оболочки заполнена смазкой и герметизирована.4. Гибкий вал по п.1, отличающийся тем, что максимальная шероховатость поверхности частиц сыпучего материала засыпки не превышает 12,5 мкм.