Секторная муфта свободного хода
Владельцы патента RU 2336445:
Ярославский государственный технический университет (RU)
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в импульсных бесступенчатых передачах и трансмиссиях. Секторная муфта свободного хода содержит внутреннюю обойму, наружную обойму и ряд равномерно расположенных между ними подпружиненных механизмов заклинивания. Каждый механизм заклинивания выполнен в виде рычага, сектора, имеющего цилиндрическую или клинообразную поверхность, контактирующую с внутренней обоймой, и пружины. За счет действия пружины упомянутый сектор контактирует с обоймой с возможностью скольжения по ней. Причем этот сектор шарнирно соединен с упомянутым рычагом. Внутренняя обойма выполнена в виде диска со ступицей. Наружная обойма выполнена в виде двух частей, соединенных жестко между собой. Одна часть подвижно, с возможностью вращения, установлена на ступице диска внутренней обоймы. Рычаг выполнен в виде двух одинаковых частей, установленных по разные стороны относительно диска внутренней обоймы, и каждая часть рычага расположена между частью наружной обоймы и торцом диска внутренней обоймы. Один конец рычага шарнирно соединен с сектором, контактирующим с наружной поверхностью диска внутренней обоймы, а другой конец рычага шарнирно соединен с наружной обоймой. При этом сектора выполнены в виде двух полуколец, и пружины механизмов заклинивания расположены между концевыми частями полуколец. Технический результат заключается в повышении допустимой частоты включений секторной муфты свободного хода, повышение ее нагрузочной способности и долговечности. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в импульсных бесступенчатых передачах и трансмиссиях.
Известна секторная муфта свободного хода [патент РФ №2113642, кл. F16D 41/06, 1998], содержащая наружную и внутреннюю обоймы и ряд равномерно расположенных между ними подпружиненных механизмов заклинивания, а каждый механизм заклинивания выполнен в виде двуплечего рычага, на котором шарнирно установлен сектор, контактирующий с внутренней поверхностью наружной обоймы с возможностью скольжения по ней, а конец первого плеча этого рычага контактирует с поверхностью внутренней обоймы, имеющей участки криволинейной поверхности, а конец второго плеча связан с внутренней обоймой посредством серьги.
В этой муфте усилие пружины механизма заклинивания для обеспечения контакта сектора с внутренней поверхностью наружной обоймы передается на сектор через промежуточные звенья, что снижает быстродействие заклинивания муфты и ограничивает допустимую частоту включений (нагружений) муфты. Между секторами отсутствует непосредственная связь, что увеличивает выброактивность муфты и также снижает допустимую частоту включений муфты. Отсутствие самоустановки звеньев снижает долговечность и нагрузочную способность муфты.
Известна также секторная муфта свободного хода [патент РФ №2278307, кл. F16D 41/06, 2006 (прототип)], содержащая внутреннюю обойму, наружную обойму и ряд равномерно расположенных между ними подпружиненных механизмов заклинивания, каждый механизм заклинивания выполнен в виде рычага, сектора, пружины, за счет действия которой упомянутый сектор контактирует с внутренней обоймой с возможностью скольжения по ней, причем этот сектор шарнирно соединен с рычагом, при этом внутренняя обойма выполнена в виде диска со ступицей, наружная обойма выполнена в виде двух частей, соединенных жестко между собой, и одна часть подвижно с возможностью вращения установлена на ступице диска внутренней обоймы, а рычаг выполнен в виде двух одинаковых частей, установленных по разные стороны относительно диска внутренней обоймы, и каждая часть рычага расположена между частью наружной обоймы и торцом диска внутренней обоймы, причем один конец рычага шарнирно соединен с сектором, контактирующим с наружной поверхностью диска внутренней обоймы, а другой конец рычага шарнирно соединен с наружной обоймой.
Контактирующая поверхность сектора с диском внутренней обоймы может быть цилиндрической поверхностью или иметь в осевом сечении муфты клинообразную форму с плоскими гранями.
В этой муфте усилие пружины механизма заклинивания для обеспечения контакта сектора с диском внутренней обоймы передается через промежуточное звено (рычаг), что снижает быстродействие заклинивания муфты и ограничивает допустимую частоту включений муфты. Между секторами отсутствует непосредственная связь, что увеличивает виброактивность муфты и также снижает допустимую частоту включений муфты.
Для обеспечения контакта сектора и диска внутренней обоймы в процессе заклинивания усилие, развиваемое пружиной в зоне контакта, должно быть больше динамической (инерционной) нагрузки, стремящейся разомкнуть контактирующие поверхности, т.е. усилие пружины должно быть достаточно большим, но это ведет при скольжении сектора относительно диска в разомкнутом состоянии муфты к потерям мощности на трение, износу и нагреву муфты, что снижает ее долговечность и нагрузочную способность.
При цилиндрическом шарнирном соединении сектора с рычагом и при цилиндрической наружной поверхности диска внутренней ступицы ввиду неизбежных погрешностей изготовления происходит неравномерное распределение усилий по цилиндрической контактирующей поверхности сектора и диска, а при клиновой форме сектора ведет к кромочным контактам плоских поверхностей клина. Это снижает нагрузочную способность и долговечность муфты, а в процессе заклинивания муфты затруднено выжимание смазочного слоя из зоны контакта, что ухудшает сцепляемость контактирующих поверхностей и увеличивает время заклинивания, что ведет к снижению допустимой частоты включений муфты и снижению ее нагрузочной способности и долговечности.
Целью изобретения является повышение допустимой частоты включений секторной муфты свободного хода, повышение ее нагрузочной способности и долговечности.
Поставленная цель достигается тем, что секторная муфта свободного хода, содержащая внутреннюю обойму, наружную обойму и ряд равномерно расположенных между ними подпружиненных механизмов заклинивания, каждый механизм заклинивания выполнен в виде рычага, сектора, имеющего цилиндрическую или клинообразную контактирующую с внутренней обоймой поверхность, пружины, за счет действия которой упомянутый сектор контактирует с обоймой с возможностью скольжения по ней, причем этот сектор шарнирно соединен с упомянутым рычагом, при этом внутренняя обойма выполнена в виде диска со ступицей, наружная обойма выполнена в виде двух частей, соединенных жестко между собой, и одна часть подвижно с возможностью вращения установлена на ступице диска внутренней обоймы, а рычаг выполнен в виде двух одинаковых частей, установленных по разные стороны относительно диска внутренней обоймы и каждая часть рычага расположена между частью наружной обоймы и торцом диска внутренней обоймы, причем один конец рычага шарнирно соединен с сектором, контактирующим с наружной поверхностью диска внутренней обоймы, а другой конец рычага шарнирно соединен с наружной обоймой. Сектора выполнены в виде двух полуколец и пружины механизмов заклинивания расположены между концевыми частями полуколец, а пружины выполнены плоскими и неподвижно закреплены на концевых частях одного полукольца и контактируют с наружной поверхностью концевых частей другого полукольца. Наружная поверхность диска в осевом сечении при цилиндрической контактирующей поверхности сектора выполнена выпуклой. При клинообразной контактирующей поверхности сектора в осевом сечении сектор имеет выпуклый клинообразный профиль.
На чертежах показана предлагаемая секторная муфта свободного хода: фиг.1 - поперечный разрез муфты; фиг.2 - продольный (осевой) разрез А-А фиг.1; фиг.3 - вариант соединения секторов посредством плоской пружины; фиг.4 - схема силового нагружения сектора со стороны плоской пружины; фиг.5 - вариант выполнения профиля диска внутренней обоймы в осевом сечении; фиг.6 - вариант выполнения клинообразной контактирующей поверхности сектора в осевом сечении.
Муфта (фиг.1, 2) имеет внутреннюю обойму 1, выполненную в виде диска со ступицей, наружную обойму 2, выполненную в виде двух частей «а» и «б», расположенных снаружи муфты по разные стороны относительно внутренней обоймы 1. Часть «а» жестко соединяется с валом 3, на который устанавливается муфта, часть «б» подвижно установлена на ступице диска внутренней обоймы с возможностью вращения относительно нее. Части «а» и «б» наружной обоймы 2 жестко соединены болтами 4. Внутренняя обойма 1 подвижно установлена на валу 3. Между частями «а» и «б» наружной обоймы 2 и торцами диска внутренней обоймы 1 (фиг.2) установлены одинаковые части «в» и «г» каждого рычага 5, один конец которого шарнирно установлен на болте 4, служащем осью шарнирного соединения рычага 5 и наружной обоймы 2. Болт 4 выполнен ступенчатым, что исключает необходимость применения распорных втулок. Другой конец каждого рычага 5 шарнирно соединен посредством оси 6 с сектором 7 (фиг.1, 2), который контактирует с наружной поверхностью внутренней обоймы 1 с возможностью скольжения по ней. Сектора 7 выполнены в виде двух полуколец. Для обеспечения контакта секторов с наружной поверхностью внутренней обоймы 1 между концевыми частями полуколец расположены пружины 8 (фиг.1), которые выполнены плоскими и неподвижно закреплены на концевых частях одного полукольца и контактируют с наружной поверхностью концевых частей другого полукольца. Шарнирное соединение секторов 7 с рычагами 5 и применение указанных плоских пружин 8, расположенных между концевыми частями секторов 7, выполненных в виде полуколец, обеспечивает соединение всех звеньев механизмов заклинивания в единую систему. Это повышает виброустойчивость муфты, быстродействие замыкания муфты, исключает отрыв сектора от обоймы за счет действия динамических (инерционных) нагрузок и, следовательно, исключает ударное замыкание муфты и дополнительные динамические нагрузки при замыкании муфты, что повышает допустимую частоту включений муфты, ее нагрузочную способность. Отметим, что соединение всех звеньев механизма в единую систему исключает свободное движение замыкающих элементов (секторов), которое приводит к возникновению больших динамических нагрузок и вибрациям, к интенсивному износу и снижению допустимой частоты включений муфты ([Мальцев В.Ф. Механические импульсные передачи. М., «Машиностроение», 1978. - 367 с.] с.162, 203, 258). На фиг.1 показан вариант расположения пружин 8, при котором обеспечивается регулировка направления усилия пружины 8 (угол ϕ) за счет перемещения пружины в пазах под винты крепления (на фиг.1 не показаны). Этот вариант следует применять при необходимости регулировки направления усилия прижатия секторов к обойме. Если на наружной поверхности концевых частей секторов (полуколец) выполнить скосы под углом ϕ, то обеспечивается постоянное направление усилия со стороны пружины под углом ϕ, при этом погрешности установки пружин не влияют на угол ϕ. Этот вариант следует применять в случае отсутствия необходимости в регулировке угла ϕ. Для обеспечения соединения всех звеньев механизмов замыкания муфты в единую систему, пружина должна развивать необходимое для этого усилие. Из схемы силового нагружения сектора со стороны плоской пружины (фиг.4) имеем
где Qo - усилие поджатия сектора к обойме, необходимое для обеспечения заклинивания муфты;
Р - усилие пружины;
ϕ - угол, определяющий направление усилия Р;
ϕтр - угол трения.
При небольших углах трения можем принять Cosϕтр=1,
Sin(ϕ-ϕтр)=tg(ϕ-ϕтр).
Тогда Qo=2P tg(ϕ-ϕтр).
Следовательно, при ϕ близком по значению к ϕтр можем получить как угодно малое усилие поджима, но достаточное для обеспечения начала заклинивания муфты, при как угодно большом усилии пружины. Аналогично получим
Q1=2Р tg(ϕ+ϕтр),
где Q1 - динамическая (инерционная) нагрузка, стремящаяся переместить сектор от оси муфты без нарушения контакта сектора и обоймы.
Определив величину динамической нагрузки Q1 по известному режиму работы муфты, найдем (с некоторым запасом) требуемое усилие, развиваемое пружиной
Величина угла ϕ, обеспечивающая необходимое усилие Qo поджатия сектора к обойме, равна
Таким образом, при определенном значении Р можем получить требуемое усилие поджима Qo и исключить перемещение сектора от оси муфты за счет действия динамической (инерционной) нагрузки Q1, которая уравновешивается силами трения, возникающих в зонах контакта пружин и секторов. Применяя фрикционные покрытия в зонах контакта пружин, можно увеличить угол трения ϕ и снизить потребную величину усилия пружины. Обеспечивая требуемое небольшое усилие Qo при достаточно большой динамической нагрузке Q1, уменьшаются потери мощности на трение при скольжении сектора по обойме в период движения муфты в разомкнутом состоянии, что уменьшает износ муфты, повышает ее долговечность и КПД.
Наличие масляного клина в момент заклинивания муфты ведет к снижению нагрузочной способности муфты (заклинивание с пробуксовкой), допустимой частоты включений муфты, к дополнительным потерям мощности на трение ([Кропп А.Е. Приводы машин с импульсными вариаторами - М.: Машиностроение, 1988 - 144 с.] с.59-63).
Для обеспечения лучших условий выжимания смазки из зоны контакта при цилиндрической контактирующей поверхности сектора целесообразно наружную поверхность диска внутренней обоймы выполнить выпуклой (фиг.5), а при применении сектора клиновой формы контактирующая с диском внутренней ступицы клинообразная поверхность сектора в осевом сечении вместо плоских граней имеет выпуклый клинообразный профиль (фиг.6). Применение указанных выпуклых профилей улучшает условия выжимания (выдавливания) смазки из зоны контакта в момент заклинивания муфты, обеспечивает самоустановку звеньев и более равномерное распределение усилий по контактирующим поверхностям сектора и обоймы, улучшает их сцепляемость, исключает пробуксовку муфты и уменьшает время на ее заклинивание, что повышает допустимую частоту включений, нагрузочную способность и долговечность муфты.
Муфта работает следующим образом. Так как каждый сектор 7 (фиг.1) контактирует с наружной поверхностью внутренней обоймы 1 за счет действия пружины 8, то при вращении против часовой стрелки внутренней обоймы 1 относительно наружной обоймы 2 возникающие силы трения затягивают сектор 7 на наружную поверхность внутренней обоймы 1, что обеспечивается тем, что сектор 7 шарнирно соединен с рычагом 5, установленным шарнирно на наружной ступице 2. Возникающие силы трения исключают скольжение сектора 7 относительно внутренней обоймы 1, т.к. происходит самоторможение (заклинивание муфты) и внутренняя и наружная обоймы соединяются в единое целое. При вращении внутренней обоймы 1 относительно наружной обоймы 2 по часовой стрелке сектор 7 скользит по наружной поверхности внутренней обоймы 1. При возвратно-вращательном (колебательном) движении внутренней обоймы 1, что имеет место в импульсных передачах, наружная обойма 2 совершает вращательное движение против часовой стрелки (с некоторой неравномерностью).
Предлагаемая конструкция муфты свободного хода имеет по сравнению с прототипом более высокую допустимую частоту включений (нагружений), нагрузочную способность и долговечность и может быть применена в различных бесступенчатых передачах, имеющих муфты свободного хода ([Леонов А.И. Инерционные автоматические трансформаторы вращающего момента. - М.: Машиностроение, 1978 - 224 с.], [Леонов А.И. А.Ф.Дубровский. Механические бесступенчатые нефрикционные передачи непрерывного действия. - М.: Машиностроение, 1984 - 192 с.]).
1. Секторная муфта свободного хода, содержащая внутреннюю обойму, наружную обойму и ряд равномерно расположенных между ними подпружиненных механизмов заклинивания, каждый механизм заклинивания выполнен в виде рычага, сектора, имеющего цилиндрическую или клинообразную контактирующую с внутренней обоймой поверхность, пружины, за счет действия которой упомянутый сектор контактирует с обоймой с возможностью скольжения по ней, причем этот сектор шарнирно соединен с упомянутым рычагом, при этом внутренняя обойма выполнена в виде диска со ступицей, наружная обойма выполнена в виде двух частей, соединенных жестко между собой, и одна часть подвижно, с возможностью вращения установлена на ступице диска внутренней обоймы, а рычаг выполнен в виде двух одинаковых частей, установленных по разные стороны относительно диска внутренней обоймы, и каждая часть рычага расположена между частью наружной обоймы и торцом диска внутренней обоймы, причем один конец рычага шарнирно соединен с сектором, контактирующим с наружной поверхностью диска внутренней обоймы, а другой конец рычага шарнирно соединен с наружной обоймой, отличающаяся тем, что сектора выполнены в виде двух полуколец и пружины механизмов заклинивания расположены между концевыми частями полуколец.
2. Секторная муфта свободного хода по п.1, отличающаяся тем, что пружины выполнены плоскими и неподвижно закреплены на концевых частях одного полукольца и контактируют с наружной поверхностью концевых частей другого полукольца.
3. Секторная муфта свободного хода по п.1, отличающаяся тем, что при цилиндрической контактирующей поверхности сектора наружная поверхность диска внутренней обоймы в осевом сечении выполнена выпуклой.
4. Секторная муфта свободного хода по п.1, отличающаяся тем, что при клинообразной контактирующей поверхности сектора в осевом сечении сектор имеет выпуклый клинообразный профиль.
