Двухрежимная электромагнитная пружинно-шариковая муфта Российский патент 2024 года по МПК F16D27/02 F16D7/00 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к электромагнитным сцепным управляемым муфтам и может быть использовано в качестве элемента автоматики в кинематических цепях различных устройств приборостроения, станкостроения и общего машиностроения.

Известны сцепные управляемые муфты, состоящие из двух полумуфт с торцевыми кулачками, входящими во впадины между кулачками сопряженной полумуфты [B.C. Поляков, И.Д. Барбаш, О.А. Ряховский. Справочник по муфтам / Под ред. B.C. Полякова. 2-е изд., испр. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленингр. Отд-ние, 1979. - 344 с, ил., стр. 138-140]. Включение и выключение таких муфт осуществляется осевым перемещением одной из полумуфт на шлицах или на направляющих шпонках. Недостатком таких муфт является полное отсутствие проскальзывания, и, как следствие, невозможность использовать их в качестве сдающих элементов (предохраняющих кинематическую цепь от перегрузок). Кроме того, включение таких муфт происходит с ударами.

Известна кулачковая электромагнитная муфта [SU 224207 А1, дата публикации заявки 06.08.1968, МПК F16D 27/09], содержащая венцы, снабженные на торцах мелкими зубьями, катушку возбуждения, подвижный в осевом направлении якорь, прикрепленный к соответствующему венцу при помощи полых разрезных цилиндрических пистонов и отжимные пружины. Недостатком такого технического решения является то, что цилиндрические пистоны совместно с пружинами образуют упругую систему с нелинейной жесткостью, что исключает использование муфты с подобным конструктивом в качестве сдающей (предохранительной). Кроме того, при использовании муфты данной конструкции, отсутствует возможность изменять направление передачи крутящего момента с одной ветви кинематической цепи на другую, что часто необходимо в исполнительных механизмах приводов и устройствах приборостроения и станкостроения. Муфта позволяет только замыкать или размыкать кинематическую цепь, подавая или снимая напряжение на обмотках катушки возбуждения.

Лишенной данных недостатков, наиболее близкой по технической сущности и принятой за прототип является двухрежимная электромагнитная муфта (ДЭМ) [RU 2788143 U1, приоритет от 25.05.2022 г., МПК F16D 27/02]. В своей конструкции ДЭМ имеет центральную ось, корпус с кольцевой расточкой, кольцевой электромагнит с катушкой, магнитопроводом и якорем, три или более витые возвратные пружины. Также конструкцией предусмотрены первый и второй входные валы с соответствующими шестернями; выходной вал с шестерней; шестерню первого режима, снабженную зубчатым венцом, жестко связанную с первым входным валом; шестерню второго режима, снабженную зубчатым венцом, кинематически связанную со вторым входным валом посредством шестерни второго входного вала; выходную шестерню, кинематически связанную с выходным валом посредством шестерни выходного вала. Ползун с закрепленным на нем якорем, с двух сторон снабженный зубчатыми венцами, кинематически жестко связан с выходной шестерней и имеет возможность линейного соосного перемещения относительно нее под действием электромагнита в одну сторону или под действием суммарного усилия возвратных пружин в другую сторону. При этом возвратные пружины равномерно расположены по окружности в выходной шестерне и ползуне и выполнены с возможностью регулировки усилия поджима ползуна к шестерне второго режима посредством соответствующих регулировочных винтов. Зубчатые венцы ползуна и шестерен первого и второго режимов выполнены с зубьями трапецеидальной формы, что позволяет осуществлять предохранение источника вращения от превышения допустимого значения крутящего момента в кинематической цепи рабочего режима.

Недостатками указанной двухрежимной электромагнитной муфты можно считать:

1. возможность применения в кинематических цепях только при небольших скоростях, малых вращающих моментах и маховых массах соединяемых частей: при высоких скоростях и больших массах такое конструктивное решение не применяют, т.к. возникают многократные перегрузки в моменты повторных включений;

2. ввиду наличия в конструкции муфты зубчатых венцов с трапецеидальными зубьями ДЭМ чувствительна к изменению коэффициента трения на зубьях, поэтому ее точное срабатывание возможно только в условиях стабильного смазывания, а при углах больше 45° муфта требует гарантированного смазывания;

3. сложность регулировки срабатывания защиты на обеих кинематических цепях с помощью поджима возвратных пружин, из-за невозможности регулировки каждой из двух кинематических цепей в отдельности, что в свою очередь дополнительно предъявляет повышенные требования к точности изготовления деталей;

4. технологическая сложность изготовления деталей с зубчатыми венцами трапецеидальной формы (шестерни первого и второго режимов, ползун), рабочим поверхностям которых необходимо иметь высокую твердость (до 57 HRC), износостойкость и способность сопротивляться ударным нагрузкам; при этом требуется высокая точность обработки зубчатых венцов, т.к. погрешность изготовления значительно влияет на характер распределения нагрузки между трапецеидальными зубьями и, в конечном счете, на точность срабатывания;

5. чувствительность к изменению силы тока в катушке электромагнита, возникающей из-за нагрева обмоток при длительной работе муфты или при скачках напряжения, что приводит к изменениям тягового усилия электромагнита и, как следствие, к изменению величины передаваемого муфтой крутящего момента.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в расширении диапазона рабочих параметров двухрежимной электромагнитной муфты и области ее применения по сравнению с прототипом.

Заявляемое техническое решение обеспечивает следующий технический результат:

1. снижение динамической нагрузки при срабатывании предохранения кинематических цепей и, как следствие, расширение диапазона предельных рабочих скоростей и передаваемых крутящих моментов;

2. значительное снижение чувствительности к изменению коэффициента трения в рабочих поверхностях за счет частичной замены трения скольжения на трение качения;

3. обеспечение независимой регулировки предельного передаваемого момента (момента проскальзывания) каждой из двух кинематических цепей;

4. снижение требований к точности и твердости деталей из состава муфты и, как следствие, снижение трудоемкости и стоимости изготовления;

5. исключение влияния изменения тягового усилия электромагнита на величину передаваемого крутящего момента.

Указанный результат заявляемого технического решения достигнут в двухрежимной электромагнитной пружинно-шариковой муфте, содержащей центральную ось, кольцевой электромагнит с катушкой, якорь с тремя или более возвратными пружинами, путем применения в конструкции для передачи крутящего момента промежуточных тел качения (шариков), устанавливаемых входную полумуфту первого режима, входную полумуфту второго режима и в якорь, которые выполняют функцию зубчатых венцов с зубьями трапецеидальной формы, используемых в прототипе, а также применения дополнительного набора сдающих пружин, поджимающих промежуточные тела качения (шарики), для обеспечения независимой регулировки предельного передаваемого момента каждой из двух кинематических цепей, отсутствующей в прототипе и для исключения влияния тягового усилия электромагнита на величину передаваемого крутящего момента.

Дополнительным техническим результатом является простота конструкции, повышение технологичности и уменьшение трудоемкости ее изготовления, и повышение надежности при эксплуатации. Указанный дополнительный результат заявляемого технического решения достигнут путем исключения из конструкции двухрежимной электромагнитной пружинно-шариковой муфты сложных в обработке зубчатых венцов с трапецеидальными зубьями, к рабочим поверхностям которых предъявляются повышенные требования по точности изготовления, твердости и износостойкости.

На фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 приняты следующие обозначения: 1 - электромагнит; 2 - возвратная пружина; 3 - регулировочный винт возвратных пружин; 4 - якорь; 5 - опорный вал; 6 - полумуфта первого режима; 7 - промежуточные тела качения (шарики) первого режима; 8 - полумуфта второго режима; 9 - промежуточные тела качения (шарики) второго режима; 10 - сдающая пружина; 11 - регулировочный винт сдающих пружин.

Компоновка предлагаемой двухрежимной электромагнитной пружинно-шариковой муфты, представленной на фиг. 1, выполнена таким образом, что электромагнит 1, якорь 4 с расположенными на нем равномерно по окружности двумя наборами промежуточных тел качения (шариков) первого режима 7 и промежуточных тел качения (шариков) второго режима 9, опорный вал 5, полумуфта первого режима 6, имеющая набор промежуточных тел качения (шариков) первого режима 7, полумуфта второго режима 8, имеющая набор промежуточных тел качения (шариков) второго режима 9, расположены на одной общей центральной оси Е. Возвратные пружины 2 за счет предварительного поджатая, выставленного регулировочными винтами возвратных пружин 3, прижимают якорь 4 к полумуфте первого режима 6, обеспечивая между ними кинематическую связь через промежуточные тела качения (шарики) первого режима 7. Промежуточные тела качения (шарики) второго режима 9 на полумуфте второго режима 8 установлены через сдающие пружины 10 с возможностью регулировки усилия предварительного поджатая регулировочными винтами сдающих пружин 11. Предварительное поджатие на возвратных пружинах 2 и сдающих пружин 10 выставляется таким образом, чтобы при превышении крутящего момента допустимого значения, происходило размыкание соответствующей кинематической цепи первого или второго режима за счет перекатывания друг по другу промежуточных тел качения (шариков) первого режима 7 или промежуточных тел качения (шариков) второго режима 9, обеспечивая защиту каждой из двух кинематических цепей от перегрузок.

Функционирует двухрежимная электромагнитная пружинно-шариковая муфта следующим образом.

При отсутствии напряжения на электромагните 1 (фиг. 2) возвратные пружины 2 за счет предварительного поджатая, выставленного регулировочными винтами возвратных пружин 3, прижимают якорь 4, имеющий возможность поступательного движения относительно опорного вала 5, к полумуфте первого режима 6 через промежуточные тела качения (шарики) первого режима 7 (разрез Б-Б). При этом крутящий момент передается с полумуфты первого режима 6, являющейся входным звеном для первого режима, через промежуточные тела качения (шарики) первого режима 7 на якорь 4 и далее через направляющие шлицы Г (вид А) на опорный вал 5, который является выходным звеном. При данном режиме работы контакт между промежуточными телами качения (шариками) второго режима 9 (разрез В-В) отсутствует.

При превышении допускаемого значения крутящего момента, передаваемого двухрежимной электромагнитной пружинно-шариковой муфтой, осевая составляющая усилия, возникающего в точках контактов промежуточных тел качения (шариков) первого режима 7, превышает усилие от действия возвратных пружин 2, вследствие чего якорь 4 перемещается поступательно по направляющим шлицам Г опорного вала 5 вдоль него, в результате чего происходит размыкание полумуфты первого режима 6 и якоря 4 за счет перекатывания промежуточных тел качения (шариков) первого режима 7 друг по другу, обеспечивая при этом защиту кинематической цепи от перегрузок. При снижении крутящего момента до допустимой величины кинематическая цепь автоматически замыкается. Настройка момента срабатывания двухрежимной электромагнитной пружинно-шариковой муфты при работе в первом режиме проводится затяжкой регулировочных винтов возвратных пружин 3.

При подаче напряжения на электромагнит 1 (фиг. 3) в нем нарастает магнитный поток, замыкающийся по контуру Д. При прохождении магнитного потока через якорь 4, тяговое усилие электромагнита 1 преодолевает усилие от действия возвратных пружин 2 и якорь 4 притягивается к полумуфте второго режима 8, в результате чего размыкается контакт в промежуточных телах качения (шариках) первого режима 7 и возникает контакт в промежуточных телах качения (шариках) второго режима 9. При этом крутящий момент передается с полумуфты второго режима 8, являющейся входным звеном для второго режима, через промежуточные тела качения второго режима 9 на якорь 4 и далее через направляющие шлицы Г на опорный вал 5, который является выходным звеном. Промежуточные тела качения (шарики) второго режима 9, устанавливаемые в полумуфту второго режима 8, опираются на сдающие пружины 10, усилие поджатия которых настраивается регулировочными винтами сдающих пружин 11.

При превышении допускаемого значения крутящего момента, передаваемого двухрежимной электромагнитной пружинно-шариковой муфтой, осевая составляющая усилия, возникающего в точках контактов промежуточных тел качения (шариков) второго режима 9, превышает усилие от действия сдающих пружин 10 в результате чего происходит размыкание полумуфты второго режима 8 и якоря 4 за счет утопания промежуточных тел качения (шариков) второго режима 9, установленных в полумуфту второго режима 8, обеспечивая при этом защиту кинематической цепи от перегрузок. При снижении крутящего момента до допустимой величины кинематическая цепь автоматически замыкается. Настройка момента срабатывания двухрежимной электромагнитной пружинно-шариковой муфты при работе во втором режиме проводится затяжкой регулировочных винтов сдающих пружин 11.

Промежуточные тела качения (шарики) первого режима 7 и промежуточные тела качения (шарики) второго режима 9 должны быть защищены от выпадения из своих посадочных мест (кернением, вальцовкой или иным способом).

Предлагаемое техническое решение проверено математическим моделированием и техническими расчетами.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к муфтам. Двухрежимная электромагнитная пружинно-шариковая муфта содержит центральную ось, кольцевой электромагнит с катушкой, якорь с возвратными пружинами, входные полумуфты первого и второго режима. Якорь выполнен подвижным в осевом направлении под действием электромагнита в одну сторону и под действием усилия возвратных пружин в другую сторону. Возвратные пружины расположены равномерно по окружности и выполнены с возможностью регулировки усилия поджима якоря к опорному валу с помощью регулировочных винтов. Полумуфты кинематически связаны с выходным опорным валом. При этом передача крутящего момента от полумуфт первого и второго режима к якорю осуществляется через промежуточные тела качения, расположенные равномерно по окружности в полумуфтах первого и второго режима и в якоре. Достигается расширение диапазона предельных рабочих скоростей и передаваемых крутящих моментов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Двухрежимная электромагнитная пружинно-шариковая муфта, содержащая центральную ось, кольцевой электромагнит с катушкой, подвижный в осевом направлении под действием электромагнита в одну сторону или под действием усилия возвратных пружин в другую сторону вдоль центральной оси якорь с возвратными пружинами, при этом возвратные пружины расположены равномерно по окружности и выполнены с возможностью регулировки усилия поджима якоря к опорному валу с помощью регулировочных винтов, входные полумуфты первого и второго режима, кинематически связанные с выходным опорным валом, отличающаяся тем, что передача крутящего момента от полумуфт первого и второго режима к якорю осуществляется через промежуточные тела качения, расположенные равномерно по окружности в полумуфтах первого и второго режима и в якоре.

2. Двухрежимная электромагнитная пружинно-шариковая муфта по п. 1, отличающаяся тем, что промежуточные тела качения установлены через сдающие пружины с возможностью регулировки усилия поджима с помощью регулировочных винтов.