Упругая муфта

 

Использование: в машиностроении, в частности в устройствах упругокомпенсирующих муфт. Сущность изобретения: упругокомпенсирующая муфта содержит две полумуфты, соединенные с помощью нескольких комплектов упругих элементов. В каждом комплекте содержится одинаковое число концентричных упругих элементов, выполненных в виде подковообразных скоб. Упругие элементы имеют одинаковые размеры в поперечном сечении, при этом модули упругости первого рода материалов упругих элементов определяются из соотношения. 5 ил., 2 табл.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства для соединения валов машин и механизмов в условиях повышенных смещений валов и наличия динамических нагрузок.

Известна упругокомпенсирующая муфта, содержащая две фланцевые полумуфты, соединенные с упругими элементами, выполненными в виде подковообразных скоб [1].

Недостатком известной муфты является низкая нагрузочная способность.

Наиболее близкой по техническим свойствам (прототипом) является упругокомпенсирующая муфта, содержащая две фланцевые полумуфты, соединенные двумя концентричными упругими элементами, выполненными в виде торообразных оболочек [2].

Недостатком известной муфты является неравнопрочность упругих элементов и, следовательно, недоиспользование нагрузочной способности муфты.

Целью изобретения является повышение нагрузочной способности муфты путем обеспечения равнопрочности упругих элементов.

Указанная цель достигается тем, что упругие элементы выполнены в виде нескольких комплектов подковообразных скоб, размеры поперечных сечений упругих элементов постоянны, при этом модули упругости первого рода материалов упругих элементов определяются из соотношения = = 1,21 , где Е₁, Е_i - модули упругости первого рода материалов упругих элементов, имеющих радиусы кривизны нейтрального слоя соответственно r₁, r_i; n - число концентрических упругих элементов в комплекте.

На фиг. 1 изображен вид с торца на муфту с двумя упругими элементами в комплекте; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - муфта с четырьмя упругими элементами в комплекте; на фиг.4 - схема перемещений заделки упругого элемента при закручивании муфты; на фиг.5 - расчетная схема.

Муфта с двумя упругими элементами в комплекте (фиг.1, 2) содержит одинаковые полумуфты 1 и 2 с фланцами 3. Концентричные упругие элементы 4 и 5, выполненные в виде подковообразных скоб, крепятся к фланцу 3 с помощью нажимных колец 6 и 7, винтов 8 и гаек 9. Число концентричных упругих элементов в комплекте (в одном закреплении) может быть также три, четыре (фиг. 3) и более. При числе упругих элементов в комплекте более двух конструкция закрепления упругих элементов отличается от конструкции, представленной на фиг.1, 2.

Муфта работает следующим образом.

При вращении ведущей полумуфты, например 1, вращающий момент через упругие элементы 4 и 5 (фиг.2) или 10...13 (фиг.3) передается на ведомую полумуфту 2. При этом упругие элементы деформируются, ведущая полумуфта 1 поворачивается относительно ведомой полумуфты 2 на угол Θ закручивания муфты, а закрепленные на ней концы упругих элементов получают перемещение (фиг.4). Статическая неопределимость раскрывается методом сил для случая перемещения опор. Упругий элемент освобождается от закрепления на концах, получившем перемещение; действие заделки заменяется неизвестными силами и моментами (фиг.5).

Выполнив расчеты, найдем силовые факторы Х₁...Х₆, из которых Х₁ = 0. Рассмотрим действие на упругий элемент момента Х₆ X₆=R·sinΘ + Θ , (1) где R - радиус полумуфты; Θ - угол закручивания муфты; r - радиус кривизны оси упругого элемента; Е и G - модули упругости материала упругого элемента при растяжении и сдвиге; J_yz = hb³/12; h и b - толщина и ширина поперечного сечения упругого элемента; J_к = ρ h³ b; β - коэффициент, зависящий от отношения b/h. От действия момента Х₆ в поперечном сечении упругого элемента с угловой координатой ϕ (фиг.5) возникают изгибающий момент
М_и6 = Х₆ cos ϕ (2) и крутящий момент
M_к6 = Х₆ sin ϕ . (3) Напряжения, возникающие в упругом элементе от действия момента М_и6 ,
σ₆= , (4) где W_yz = hb²/6. (5) Для углов закручивания Θ ≅ 20^о
sin Θ ≈ Θ . (6) В выражении (1) исключаем модуль упругости G
G = , (7) где μ - коэффициент Пуассона.

Рассмотрим, например, резиновые упругие элементы. Для резины μ = 0,5, и соотношение (7) примет вид
G = . (8)
Подставляем (2) и (5) в (4), принимая во внимание (1), (6) и (8). После преобразований получим
σ₆= 2,546 + 4.

Муфта обладает наибольшей нагрузочной способностью, когда все упругие элементы равнопрочны, т.е. при закручивании муфты на угол Θ должно выполняться условие
σ₁ = σ₂ = ... = σ_i , (9) где i - номер упругого элемента в комплекте. Для упругого элемента радиусом r₁
= 2,546 + 4 (10) Для упругого элемента с радиусом r₂
= 2,546 + 4 (11) Ширина всех упругих элементов в комплекте одинакова (фиг.1), т.е.

b₁ = b₂ = ... = b_i . (12)
Из технологических соображений целесообразно выполнять одинаковой и толщину всех упругих элементов
h₁ = h₂ = ... = h_i . (13) При выполнении условий (12) и (13)
β₁ = β₂ = ... = β_i . (14)
Подставляем (10) и (11) в (9), принимая во внимание (12), (13) и (14)
(0,6365R+r₁) = (0,6365R+r₂). (15) Аналогично получим
(0,6365R+r_i-1) = (0,6365R+r_i). (16) Здесь i - порядковый номер упругого элемента в комплекте.

На основании (15) и (16) можем записать
(0,6365R+r₁) = (0,6365R+r₂)=...= (0,6365R+r_i)
Или
= · =...= · .
(17) Обозначим
Подставим (18) в (17). Получим
= M=...= M (19)
В используемых на практике муфтах R = =(1...4)r_max, где r_max = r_i. Число упругих элементов n в комплекте неограничено, хотя из конструктивных соображений нецелесообразно принимать n > 4. Средние соотношения сомножителей М, равные полусумме М_(6)i при R = r_max и R = 4r_max представлены в табл. 1 в числителе. Фактические значения сомножителей М_(6)icp вполне удовлетворительно описываются функцией
M = 1,21 (20)
Значения сомножителей М , подсчитанные по формуле (20), представлены в табл. 1 в знаменателе.

Удовлетворительное совпадение фактических значений сомножителей dМи значений, подсчитанных по формуле (20), позволяет переписать соотношение (19) в виде
= 1,21 (21)
Такой же результат получен, рассматривая действия на упругий элемент крутящего момента М_к6.

Для удобства обозначим в формуле (21) показатель степени
p = + i - 2 (22)
Рассмотрим действие на упругий элемент момента Х₅
X₅=R·sinΘ + Θ .

После преобразований получим
X₅= .

От действия момента Х₅ в поперечном сечении упругого элемента с угловой координатой ϕ возникают изгибающий момент М_и5 = X₅ sin ϕ и крутящий момент М_к5 = Х₅ cos ϕ .

Напряжения, возникающие в упругом элементе от действия момента М_и5
σ₅= . (23)
Например, для муфты с U-образными упругими элементами по ОСТ 95.10000-83
^h/_b ≈ 0,3; (24)
ρ ≈0,269. (25)
Близкие к указанным в (24) и (25) значения ^h/_b и β имеют и муфты "Мультикросс" 1. Подставляя (24) и (25) в (23), получим
σ₅= .

Далее, подобно тому, как это сделано для момента М_и6, получим
= · =...= · .

(26)
Обозначим ..
Подставим (27) в (26). Получим
= M=...= M . (28)
Средние значения сомножителей М_(5)icp представлены в табл. 2 в числителе. Фактические значения сомножителей М_(5)icp достаточно хорошо описывает функция
M= 1,21^2p , (29) где Р определяется по формуле (22).

Значения сомножителей М_{(5)icp ,} подсчитанные по формуле (29), представлены в табл. 2 в знаменателе. Из табл. 2 видно хорошее совпадение фактических значений сомножителей М_(5)icp и значений, подсчитанных по формуле (29), что позволяет переписать соотношение (28) в виде = 1,21^2p (30)
Такой же результат получен, рассматривая действия на упругий элемент крутящего момента М_к5.

Рассмотрим действие на упругий элементы силы Х₄
X₄= R·sinΘ + Θ . После преобразований получим
X₄= .

От действия силы Х₄ в поперечном сечении упругого элемента с угловой координатой ϕ возникают изгибающий момент М_и4 = X₄r sin ϕ и крутящий момент М_к4 = Х₄r(1 - cosϕ ). Напряжения, возникающие от действия момента М_и4 σ₄= σ₅ и от действия момента М_к4 τ₄ = τ₅. Поэтому при действии силы Х₄ справедливо соотношение (30).

Рассмотрим действие на упругий элемент момента Х₃.

X₃= R(1-cosΘ) , где J_gx= .

Напряжения, возникающие в упругом элементе от действия изгибающего момента Х₃
σ₃= , где W_yx = bh²/6.

Тогда
σ₃= · . Для упругого элемента с радиусом r₁
σ₃₁= · . (31) Для упругого элемента с радиусом r₂
σ₃₂= · . (32) Подставляя (31) и (32) в (9), принимая во внимание (13)
= (33) Аналогично получим
= (34) На основании (33) и (34) можно записать
= . (35)
Рассмотрим действия на упругий элемент силы Х₂
X₂= R(1-cosΘ)
От действия силы Х₂ в поперечном сечении упругого элемента с угловой координатой ϕ возникает изгибающий момент
M_n2= X₂r(1-cosϕ) = R(1-cosΘ)(1-cosϕ)
Далее, подобно тому, как это сделано для момента, получим соотношение (35).

Рассматривая соотношения (21), (30) и (35) видим, что невозможно получить единое соотношение для обеспечения максимальной нагрузочной способности при действии каждого силового фактора. Сопоставим величины максимальных напряжений от разных силовых факторов. Максимальные напряжения возникают от момента Х₆. Так как = σ₃ , то рассмотрим соотношение ( σ_2max + σ₃ ) / σ_6max которое сильно изменяется в зависимости от Θ . Обычно угол закручивания муфты с U-образными упругими элементами при нагружении номинальным вращающим моментом Θ = 12...18,5^о. При этом следует учитывать, что σ₆ изменяется от нуля до максимального значения, в то время как σ₃ = const. Поэтому можно принять.

+ σ₃/= 0,25, + /= 0,525.

Среднее значение показателя степени в соотношениях (21), (30) и (35) найдем, учитывая удельный вес напряжений от каждого силового фактора (в соотношении (21) показатель степени равен нулю).

p_cp= = 1,155p (36) Подставляя (22) в (36), получим
p_cp= 1,155 + i -2, что позволяет заменить соотношения (21), (30) и (35) единым соотношением
= 1,21 .
Выполнение упругих элеметентов равнопрочными позволяет максимально загрузить каждый из них и, следовательно, повысить нагрузочную способность муфты.

Формула изобретения

УПРУГАЯ МУФТА, содержащая две полумуфты и соединяющие их между собой упругие элементы, расположенные концентрично и закрепленные на фланцах полумуфт, отличающаяся тем, что упругие элементы выполнены в виде подковообразных скоб, размещенных несколькими комплектами, включающими равное количество скоб, причем размеры скоб в поперечном сечении выполнены одинаковыми, а модули упругости первого рода материалов упругих элементов определяются из соотношения
= · 1,21 , ,
где E₁, E_i - модули упругости первого рода для материалов упругих элементов, имеющих радиусы кривизны нейтрального слоя соответственно r₁, r_i (r₁ < r₂ < ... < r_i < ... < r_n);
n - число концентричных упругих элементов в комплекте;
i - порядковый номер упругого элемента в комплекте, причем номер 1 присвоен упругому элементу с радиусом r₁, номер 2 - с радиусом r₂ и так далее.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6