Зубчатая втулочная гибкая муфта для соединения валов
Изобретение относится к втулочной гибкой муфте. Муфта для соединения валов содержит гибкую кольцевую втулку, ведущую торцевую деталь и ведомую торцевую деталь. Торцевые детали имеют множество проходящих в осевом направлении выступов, расположенных так, что ведущие выступы свободно вставлены в пространство между ведомыми выступами с зазорами между каждой парой выступов. Втулка плотно надета на периферию свободно вставленных друг между другом выступов. Каждый выступ имеет на внешней периферии, по меньшей мере, одну канавку. Каждой из двух периферийной кромок может быть придана форма для формирования сторон канавки, и каждый ряд из двух соседних сторон канавки на соседних выступах образует канавку зазора. Втулка имеет множество внутренних зубьев, включая множество зубьев, взаимодействующих с канавками, и множество зубьев, взаимодействующих с зазорами. Зубья, взаимодействующие с канавками, находятся в зацеплении с канавками выступов, а зубья, взаимодействующие с зазорами, находятся в зацеплении с зазорами. Зубья, взаимодействующие с канавками, могут быть больше, чем зубья, взаимодействующие с зазорами. Решение направлено на увеличение срока службы, повышение номинального крутящего момента, улучшение массо-габаритных характеристик муфты. 14 з.п. ф-лы, 11 ил., 2 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится, по существу, к втулочной гибкой муфте для передачи мощности между вращающимися валами и, более конкретно, к втулочной гибкой муфте, имеющей снабженные выступами сцепляемые ступицы, а более конкретно к зубчатой муфте, имеющей армированную эластомерную втулку с зубьями, которые с зазором зацепляются с канавками на свободно вставленных друг между другом выступах.
Уровень техники
Известна передача мощности или вращения через гибкие эластомерные втулочные муфты. Примерами конструкций таких муфт, основанных на сопротивлении сдвигу муфты, являются патенты США 6,283,868 и 6,142,878. Сдвиговые втулочные муфты, по существу, имеют пару противоположных ступиц или торцевых элементов, выполненных с возможностью крепления к двум соосно расположенным валам, и соединительную втулку, проходящую между двумя ступицами и находящуюся в зацеплении с ними. Ступицы и втулка находятся в зацеплении через множество проходящих в осевом направлении ребер или зубьев, расположенных, по меньшей мере, на части внутренней периферии втулки для зацепления с канавками на противоположных торцевых элементах, образуя узел гибкой муфты. Такие муфты, по существу, создают некоторую изоляцию от вибраций и допускают некоторую несоосность валов.
Проблемы с такими гибкими втулочными муфтами заключаются в том, что эластомерные зубья могут срезаться под действием скручивающей нагрузки, сама втулка может срезаться на две части в промежуточной области между двумя зацепленными концами, и втулка может раздаваться или взрываться под действием центробежных сил при высоких оборотах. Способы улучшения сопротивления зуба сдвигу включают армирование эластомера втулки рублеными или непрерывными волокнами, использование более прочных пластмасс, композитов или эластомеров, или армирование зубьев тканью. Способ защиты втулки от центробежных сил включает армирование втулки натянутым кордом, оснащение ступиц кольцевыми полостями, с которыми втулка входит в зацепление, как описано в патенте США 5,660,591, и создают внешний металлический бандаж, как описано в патенте США 3,362,191. Способы предотвращения скручивания или срезания втулки между ступицами включают использование одной внутренней охватываемой ступицы и одной внешней охватывающей ступицы с кольцевой втулкой, находящейся в зацеплении между ними, как описано в патенте США 4,357,137, утолщение промежуточного участка втулки, как описано в патенте США 6,671,475, или использование ступиц с радиально перекрывающимися зубьями или выступами, как описано в патенте США 5,295,911. Таким образом, типичные коммерчески доступные втулки относительно толсты и громоздки. Такие конструкции сдвиговых муфт обеспечивают защиту оборудования за счет разрушения эластомерной втулки при чрезмерном крутящем моменте, хотя иногда более желательной является безотказная работа.
В одном неразрушающемся устройстве используются ступицы, которые имеют перекрывающие друг друга и расположенные по окружности зубья или выступы с большими зазорами между ними, в которые вставлен эластомерный элемент. При работе эластомерный элемент сжат между ведущим и ведомым зубьями, поэтому имеется возможность передавать большие нагрузки. Другой способ безотказной передачи мощности при разрушении эластомера заключается в применении жесткого зацепляющегося элемента, например, выполненного из металла и покрытого эластомером, как описано в патенте США 5,660,591. Поскольку слой эластомера тонок, такая неразрушающаяся муфта имеет очень малую гибкость и очень малую виброизолирующую способность.
Зубчатая муфта, имеющая гибкую втулку с внутренними зубьями, была предложена в патенте США 3,360,962 и в не рассмотренной публикации заявки на патент Японии 07-259876А. Каждый зуб имеет множество канавок, которые находятся в зацеплении с зубьями втулки. Во время работы эластомерный элемент находится в напряжении между ведущим и ведомым зубьями. При разрушении втулки обеспечивается безотказность работы. Хотя были предложены различные варианты, в них ничего не говорится, или неизвестно, как скомбинировать преимущества работы с натяжением с преимуществами работы со сжатием для получения увеличенного срока службы, повышения номинального крутящего момента и/или уменьшения габаритов и материалоемкости.
Таким образом, в уровне техники не раскрывается применение армированной эластомерной втулки с зубьями, которые с зазором зацепляются с канавками на зацепляющихся выступах. В уровне техники не раскрывается соединительная втулка с двойным профилем зубьев.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение направлено на создание систем и способов, позволяющих создать гибкую муфту для соединения валов, обладающую способностью выдерживать высокие крутящие нагрузки, обеспечивать безотказную работу и гашение крутильных колебаний и которая представляет собой компактный узел.
Настоящее изобретение направлено на создание муфты для соединения валов с гибкой кольцевой втулкой, ведущей торцевой деталью и ведомой торцевой деталью. Каждая из торцевых деталей может соединяться с валом для передачи движения и/или усилия с одного вала на другой. Торцевые детали имеют множество выступающих в осевом направлении выступов, расположенных так, что ведущие выступы вставлены или свободно зацеплены в пространстве между ведомыми выступами с зазором между каждой парой выступов. Втулка плотно надета на периферию свободно сцепленных выступов. Каждый выступ на своей внешней периферии имеет, по меньшей мере, одну канавку. Любая или обе из периферийных кромок может иметь форму стороны канавки и каждый ряд из двух соседних сторон канавки на соседних выступах может образовать канавку, взаимодействующую с зазором. Втулка имеет множество внутренних зубьев, включая множество зубьев, взаимодействующих с канавами и множество зубьев, взаимодействующих с зазорами. На каждом выступе может быть выполнена одна канавка или две или более канавки.
Настоящее изобретение также направлено на создание гибкой втулки для муфты для соединения валов, имеющей зубья, взаимодействующие с канавками, отличающиеся по размеру от зубьев, взаимодействующих с зазорами. Зубья, взаимодействующие с канавами, могут быть больше, чем зубья, взаимодействующие с зазорами. Шаг зубьев может быть постоянным. Определенное количество зубьев, взаимодействующих с канавками, может чередоваться с одним зубом, взаимодействующим с зазором. Это количество может быть одним, двумя или более.
В разных вариантах настоящего изобретения на каждой торцевой детали может быть выполнено от двух до шестидесяти четырех выступов или от четырех до двенадцати выступов на каждой торцевой детали. Выступы могут выступать от круглого торца, по существу, цилиндрической опоры, или выступы могут быть прикреплены к внешней цилиндрической поверхности такой опоры.
В одном варианте настоящего изобретения зазоры или пространства между свободно вставленными выступами составляют от приблизительно 15% до приблизительно 20% периферии выставленных друг между другом выступов. В других вариантах зазоры могут составлять приблизительно от 5 до 50% или от 10 до 30% общей периферии вставленных друг между другом выступов.
В других вариантах настоящего изобретения гибкая втулка может иметь кольцевое эластомерное или пластиковое тело и, по меньшей мере, один из слоя ткани на зубчатой внутренней поверхности, ткани на задней поверхности, наполнителя из волокон в теле и работающего на растяжение корда или ткани, введенной в тело. Эластомерное тело может быть выполнено из каучука, пластика и т.п., или из их комбинаций. Втулка может состоять из множества секций, расположенных рядом друг с другом в осевом направлении вокруг вставленных друг между другом выступов торцевых деталей. Втулка может также быть единым эластомерным материалом и может быть не армирована волокном.
Настоящее изобретение также направлено на создание зубчатой муфты для соединения валов, имеющей позиционирующие язычки на концах выступов для облегчения сборки вслепую.
Выше было приведено общее описание признаков и технических преимуществ настоящего изобретения для того, чтобы нижеследующее подробное описание было более понятно. Дополнительные признаки и преимущества, которые образуют предмет формулы изобретения, будут описаны ниже. Специалистам должно быть понятно, что раскрытые концепция и конкретные варианты настоящего изобретения могут служить основой для модификации или проектирования других конструкций для достижения тех же целей настоящего изобретения. Специалистам также должно быть понятно, что такие эквивалентные конструкции не выходят за пределы сущности и объема настоящего изобретения, определенного приложенной формулой. Новые признаки, которые считаются отличительными признаками настоящего изобретения, будут более понятны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи. Однако следует четко понимать, что каждый из чертежей приведен лишь для иллюстрации и не определяет пределов настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
Приложенные чертежи, которые составляют часть настоящего описания, и на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями, иллюстрируют варианты настоящего изобретения и, вместе с описанием, служат для пояснения принципов настоящего изобретения. На чертежах:
Фиг.1 представляет собой вид в перспективе с пространственным разнесением элементов одного варианта настоящего изобретения.
Фиг.2 представляет собой вид спереди варианта втулки согласно настоящему изобретению.
Фиг.3 представляет собой вид в перспективе торцевой детали согласно варианту настоящего изобретения.
Фиг.4 представляет собой вид сбоку, с частичным вырезом, детали, показанной на фиг.3, собранной со второй деталью, согласно другому варианту настоящего изобретения.
Фиг.5 иллюстрирует поперечное сечение узла, показанного на фиг.4.
Фиг.6 представляет собой вид в перспективе с пространственным разнесением элементов еще одного варианта настоящего изобретения.
Фиг.7 иллюстрирует схематичное сечение еще одного варианта настоящего изобретения.
Фиг.8 представляет собой диаграмму нагрузочной характеристики варианта настоящего изобретения.
Фиг.9 иллюстрирует схему метода испытаний характеристик при несоосности.
Фиг.10 иллюстрирует диаграмму, иллюстрирующую отношение между шириной втулки и величиной крутящего момента согласно варианту настоящего изобретения.
Фиг.11 иллюстрирует диаграмму, иллюстрирующую отношения между нагрузкой на зуб и сроком службы муфты для разных вариантов настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показан вид в перспективе с пространственным разнесением элементов одного варианта настоящего изобретения. На фиг.1 муфта 10 для соединения валов имеет две торцевых детали 12a и 12b и кольцевую втулку 14. Втулка 14 имеет множество зубьев 15, выступающих радиально внутрь от внутренней поверхности втулки и в осевом направлении проходящих по ширине втулки. Зубья 15 могут быть одинаковыми, или могут иметь два или более разных размера и/или две или более разных формы. Каждая торцевая деталь 12а и 12b имеет множество выступов 20, прикрепленных к соответствующей торцевой опоре 16а и 16b и выступающих от нее. В варианте, показанном на фиг.1, на каждой торцевой детали имеется восемь выступов 20. Каждая торцевая опора 20 может быть выполнена с возможностью соединения с не показанным валом (или другим функционально эквивалентным вращающимся элементом или устройством, далее именуемым «вал») с помощью такого средства, как отверстие 18.
В варианте, показанном на фиг.1, каждый выступ 20 имеет два гребня 22, проходящих в осевом направлении по длине внешней периферии выступа. Каждый выступ 20, таким образом, имеет канавку 24, выполненную на своей внешней периферии и проходящую в осевом направлении вдоль длины выступа. Внешняя периферия выступа 20 может иметь профилированные кромки 26, которые также образуют внешние стороны гребней 22. Хотя для максимальной несущей способности предпочтительно выполнять одну канавку на выступ, возможны варианты с двумя или более канавками на выступ. Таким образом, в других вариантах каждый выступ может иметь три или более гребня 22 с расположенными между ними двумя или более канавками на выступах, а втулка может иметь соответствующее количество зубьев, взаимодействующих с канавками, чередующихся с одним зубом, взаимодействующим с зазором.
Когда муфта, показанная на фиг.1, собрана, выступы 20 торцевой детали свободно вставлены в пространства 28 противоположной торцевой детали, а втулка 14 плотно надета на свободно зацепленные выступы. Между каждой соседней парой вставленных друг между другом выступов остается зазор. Как более подробно показано на фиг.2, втулка 14 может иметь два типа зубьев 15: зубья 35, взаимодействующие с канавкой, и зубья 37, взаимодействующие с зазором, которые расположены в чередующемся порядке. Отношение количества зубьев, взаимодействующих с канавками, к количеству зубьев, взаимодействующих с зазорами, равно количеству канавок на каждом выступе. Таким образом, количество зубьев, взаимодействующих с канавками, чередующихся с отдельными зубьями, взаимодействующими с зазорами, или лежащих между ними, равно количеству канавок на выступе. Зубья 37, взаимодействующие с зазорами, находятся в зацеплении с зазорами между выступами, а зубья 35, взаимодействующие с канавками, находятся в зацеплении с канавками 24 на выступах. Гребни 22 на выступах, таким образом, находятся в зацеплении с канавками 39 на втулке, также известными как контактные площадки 39. Шаг Р зубьев втулки 14 равен угловому расстоянию от вершины зуба 35, взаимодействующего с канавкой, до вершины соседнего зуба 37, взаимодействующего с зазором. Шаг измеряется на внешнем диаметре торцевых деталей.
Вариант втулки 14, показанный на фиг.2, показывает, что втулка согласно настоящему изобретению может иметь тело 31, которое выполнено из упругого или эластомерного материала. Материал тела втулки может быть, например, каучуком, пластмассой, термопластичным эластомером (ТПЭ), термопластичным уретаном (ТПУ) или термопластичным вулканизатом (ТПВ) и пр. Втулка может содержать единый гомогенный материал, или эластомерный материал может быть компаундирован наполнителями, короткими волокнами, добавками, пластификаторами, антиоксидантами, антиозонантами, технологическими присадками, отвердителями, ускорителями, соагентами и т.п. Предпочтительно во втулке могут использоваться такие материалы, как эластомерные композиции и текстильная арматура, известные в области производства зубчатых ремней для силовых трансмиссий. Таким образом, зубчатая сторона 32 и/или тыльная сторона 33 может иметь слой текстиля, или тканого или нетканого материала для армирования зубьев или повышения стойкости к истиранию. Можно использовать тканые материалы из хлопковых, нейлоновых, полиэфирных акриловых, арамидных, поликетоновых и других синтетических или натуральных волокон. В тело 31 может быть внедрен армирующий слой из текстиля или ткани, например спиральный работающий на растяжение корд 47, который может быть выполнен из стекла, арамида, углерода, PBO, полиэфира, вискозы, акрила, нейлона, винила, металла или другого волокна или пряжи или их гибридов. Текстильную арматуру можно подвергать адгезивной обработке для связи с эластомерным материалом тела втулки. Различные полезные материалы и конструкции втулки, а также профили зубьев описаны в патенте США 6,283,868, содержание которого включено в настоящее описание посредством ссылки. Другие полезные материалы и конструкции втулки, в основном основанные на полиуретане, описаны в публикации заявки на патент США 2005/260375 А1, содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки.
Торцевые детали муфты могут быть выполнены, по существу, из прочного жесткого материала, например металла или композита, и могут формироваться по любой подходящей технологии. Средство крепления торцевой детали к валу не ограничено, но оно может принимать форму шпоночной канавки, осевого отверстия, резьбы, посадки с натягом, установочного винта, фланца, болтов, зажима, конической втулки и т.п., или их комбинаций. Две торцевых детали могут использовать разные средства крепления к соответствующим валам или вращающимся устройствам, в зависимости от характера применения. Более того, эти две торцевые детали могут быть разными деталями в отношении фланцев, опорных элементов и т.п., если сохраняются существенные признаки, необходимые для их взаимного зацепления друг с другом и для зацепления с гибкой втулкой.
На фиг.3-5 показан другой вариант настоящего изобретения с другой конструкцией поддержания выступов. В то время как в первом варианте торцевая деталь имеет большую дисковидную опору 16а, от круглой грани которой отходят выступы, во втором варианте торцевая деталь 42 имеет цилиндрическую опору 46, к внешней цилиндрической поверхности которой прикреплены выступы 50. Примерно половина внутренней периферии или нижней поверхности 64 выступа выступает за опору 46, тогда как вторая половина выступа прикреплена к опоре 46. Таким образом, выступы согласно второму варианту настоящего изобретения могут быть значительно жестче и/или прочнее, чем полностью выступающие выступы согласно первому варианту. В качестве альтернативы, этот второй вариант можно модифицировать для создания большего количества меньших выступов такой же прочности или жесткости, как и в первом варианте. На фиг.4 показана муфта, имеющая две торцевые детали 42 и 43, собранные с гибкой втулкой 14, надетой на выступы. Втулка 14 показана с частичным вырезом для более наглядной иллюстрации армирующего корда 47, внедренного во втулку 14, и зазора 60 между свободно вставленными друг между другом выступами. Для предотвращения осевого перемещения втулки можно, при необходимости, использовать фланец 44 и/или 45. Цилиндрическая опора 46 имеет отверстие 48, которое является иллюстрацией одного из средств крепления к валу, которое может быть выполнено на торцевой детали. Торцевая деталь 42, показанная на фиг.3, имеет семь выступов 50, каждый из которых аналогичен восьми выступам торцевой детали 12, показанной на фиг.1. Свободные концы выступов 50 могут иметь фаски 58, по меньшей мере, на кромках, имеющих профиль зуба/канавки, чтобы облегчить установку втулки на торцевую деталь и уменьшения до минимума повреждения втулки, которое может возникнуть, если бы на конце выступа имелась острая кромка. Как и в первом варианте, выступы 50 имеют зубья 52а, 52b, осевую канавку 54 и профилированные кромки 56.
Согласно настоящему изобретению предлагается соединительная муфта для двух валов, имеющих некоторую степень несоосности. Зазоры 60 между выступами и гибкий характер втулки допускают угловую или радиальную несоосность валов. Зазоры 66 основания, показанные на фиг.5, и торцевые зазоры 62, показанные на фиг.4, также необходимы для соединения несоосных валов. Чем больше зазоры 60, 62 и 66, тем большую степень несоосности допускает муфта. Зазоры 60 между выступами требуют наиболее внимательного рассмотрения, поскольку они также могут влиять на конструкцию зубьев втулки, рассчитанных на зацепление с зазором, и/или на зацепление с этими зубьями. На чертежах, например, зазоры 60 между выступами составляют приблизительно 15-20% всей длины окружности вставленных друг между другом выступов. Зазоры 60 могут предпочтительно составлять от приблизительно 5% до приблизительно 50% или от приблизительно 10% до приблизительно 30% общей периферии выступов. Муфта также способна выдерживать осевое перемещение вала благодаря способности торцевого зазора 62 к изменению. Втулка может проходить от одного фланца 44 до другого фланца 45, включая контактирование с одним или с обоими фланцами, как показано на фиг.4, тем самым позитивно поддерживая торцевой зазор 62 при сборке и/или во время работы муфты.
Настоящее изобретение также обеспечивает стойкость к высоким нагрузкам или крутящему моменту. Работу муфты по передачи нагрузок или движения от одного вала к другому можно описать как комбинацию растяжения и сжатия в различных участках муфты. Работу муфты более подробно можно описать со ссылками на сечение муфты 40, показанное на фиг.5. Для этого описания предположим, что торцевая деталь 42 прикреплена к ведущему валу или устройству (не показано), а торцевая деталь 43 прикреплена к ведомому валу или устройству (не показано). Таким образом, выступы 50 торцевой детали 42 являются ведущими выступами, а выступы 51 торцевой детали 43 являются ведомыми выступами. Направление вращения показано стрелкой. Натяжной участок втулки муфты, приблизительно обозначенный позицией Т, возникает следующим образом. Ведущие выступы 50, через задние зубья 52а выступов, прилагают усилие к зубу, взаимодействующему с канавкой (например, зубу 35 втулки 14), который находится в зацеплении с канавкой 54а ведущего выступа. Поэтому на зуб 35, взаимодействующий с канавкой, воздействуют сдвигающие усилия. Эти сдвигающие усилия, воздействующие на зуб, затем передаются от зуба на тело 31 втулки и на работающий на растяжение корд, если он имеется, создавая растягивающее усилие в теле втулки, по меньшей мере, на натяжном участке 53, расположенном между зубом, находящимся в зацеплении с ведущим выступом 52а, и зубом 59а, находящимся в зацеплении с ведомым выступом. Затем через сдвигающие усилия, воздействующие на зуб, натяжение передается с зуба втулки, находящегося в зацеплении с канавкой 54d ведомого выступа, на зуб 59а ведомого выступа. С учетом направления вращения задние секции втулки, которые перекрывают зазоры между каждым ведущим выступом и следующим за ним ведомым выступом, испытывают натяжение, когда ведущие выступы тянут за собой ведомые. Таким образом, общая скручивающая нагрузка делится на натяжные участки Т, количество которых равно количеству выступов на каждой торцевой детали. Такое распределение растягивающей нагрузки наиболее эффективно, когда количество выступов является максимальным. Сдвигающая способность зуба втулки является максимальной, когда зубья, взаимодействующие с канавками, выполнены настолько большими, насколько это практично. Таким образом, предпочтительно на каждом выступе иметь одну большую канавку, хотя можно использовать и другое число канавок, например две, или от трех до девяти.
Участок сжатия втулки муфты, приблизительно обозначенный на фиг.5 позицией С, возникает следующим образом. Передняя кромка 57а переднего зуба 52b ведущего выступа толкает заднюю кромку зуба, взаимодействующего с зазором (например, зуба 37 втулки 14), который находится в зацеплении с канавкой 55 зазора. Поэтому каждый участок втулки, который перекрывает зазор между ведущим выступом и расположенным перед ним ведомым выступом, будет сжат, когда ведущий выступ толкает ведомый выступ. Таким образом, каждый второй зуб 37, взаимодействующий с зазором, сжимается между передней стороной 57а ведущего выступа 50 и задней стороной 57b ведомого выступа 51. Поэтому скручивающие нагрузки также распределены по участкам С сжатия и количество участков сжатия равно количеству выступов на торцевой детали. Поскольку материалы, используемые для зубьев, взаимодействующих с зазором, такие как каучук, обладают большей прочностью на сжатие, чем на растяжение, и поскольку зубья, взаимодействующие с зазором и расположенные на участках растяжения, не играют, или почти не играют роли в передаче нагрузки, зуб 37, взаимодействующий с зазором, не требует такого большого размера, как зуб 35, взаимодействующий с канавкой. Таким образом, предпочтительно зубья, взаимодействующие с зазором, имеют меньшие размеры, чем зубья, взаимодействующие с канавкой, или выполняются настолько малыми, насколько это практично.
Допустимая нагрузка на втулку муфты является максимальной, когда втулка и торцевые детали имеют столько участков натяжения и сжатия, сколько можно разумно разместить в рамках пространственных ограничений конструкции муфты. Общая растягивающая нагрузка распределяется приблизительно поровну между всеми участками натяжения, т.е. фактическая растягивающая нагрузка на каждом участке натяжения не превышает общей нагрузки, деленной на количество выступов на торцевой детали. Растягивающая нагрузка еще более уменьшается на величину, распределенную на зубья, взаимодействующие с зазорами, которые подвергаются сжатию. Кроме того, допустимая нагрузка оптимизируется, когда зубья, взаимодействующие с канавками, выполнены максимально большими, чтобы свести к минимуму эффект воздействия сдвигающих усилий на зубья, взаимодействующие с канавками. Зубья, взаимодействующие с зазорами, могут быть меньше зубьев, взаимодействующих с канавками, поскольку зубья, взаимодействующие с зазорами, подвергаются сжатию, а не сдвигу, и, по существу, гибкие материалы меньше деформируются и выдерживают большие нагрузки при сжатии, чем при сдвиге. Для данного крутящего момента можно создать гораздо более компактные втулочные муфты, чем известные из уровня техники. Следует также отметить, что нагрузки распределяются по всей ширине муфты. Таким образом, увеличение длины выступа и ширины втулки непосредственно позволяет увеличить допустимую нагрузку на муфту. Во втулках сдвигового типа, известных из уровня техники, скручивающая нагрузка концентрируется в относительно узкой полосе рядом с центром ширины втулки, что приводит к неэффективному использованию всей ширины втулки.
Настоящее изобретение обеспечивает хорошее гашение крутильных колебаний вала. Величина гашения зависит от материалов, применяемых для втулки. Было обнаружено, что уровень гашения может быть столь же высоким, что и в муфтах, известных из уровня техники, имеющих гораздо более толстые втулки, более материалоемких, и/или имеющих большие габариты. Считается, что распределение скручивающих нагрузок по всем зубьям, взаимодействующим с канавками (подвергающихся сдвигу), и на половину зубьев, взаимодействующих с зазорами (подвергающихся сжатию) по всей ширине втулки, особенно с двойным профилем зубьев, увеличивает до максимума эффект гашения, создаваемый материалом зубьев втулки.
Настоящее изобретение обеспечивает безотказную работу в случае разрушения втулки. Выступы войдут в зацепление и будут приводить в действие муфту. Может возникнуть шум, который служит сигналом о том, что требуется ремонт.
Муфта может быть сконструирована в широком диапазоне размеров для соответствия задачам разного типа, которые предъявляют разные требования к муфте. По существу, чем больше муфта, тем больше выступов она должна иметь и тем выше будет допустимая нагрузка. Диаметры муфт могут составлять от менее 4 мм до более 1 м. Торцевые детали согласно настоящему изобретению могут иметь любое количество выступов, больше единицы. Например, каждая торцевая деталь может иметь от 2 до 64 выступов или от 3 до 40, или от 4 до 12. Чем больше выступов будет на торцевой детали, тем больше будет распределение растягивающей нагрузки в арматуре втулки и тем выше будет допустимая нагрузка на муфту. Однако незначительные выгоды добавления одного или более выступа сокращаются по мере увеличения количества выступов и роста затрат на изготовление. Количество выступов, обеспечивающее наибольшее преимущество, таким образом, зависит от диаметра втулки или муфты и требуемого размера зубьев. Удобным и полезным конструкторским подходом является выбор шага зубьев муфты кратным «пи» (3, 142) в мм. Тогда количество зубьев муфты будет целым числом и количество зубьев будет увеличиваться с увеличением диаметра муфты. Для любого данного размера муфты будет существовать достаточно широкий практический диапазон шагов, из которых конструктор может выбрать нужный. В результате также возникнет достаточно широкий диапазон количества зубьев на втулке, а также широкий диапазон количества выступов. Кроме того, количество зубьев втулки, находящихся в зацеплении с каждым выступом, можно выбирать в достаточно широком диапазоне, например от одного до приблизительно девяти или от одного до двух. Кроме того, можно выбирать обеспечивающие преимущества различные профили зубьев и/или комбинации профилей зубьев, взаимодействующих с канавками и/или зазорами. Таким образом, можно создать большое количество вариантов конструкций муфты, которые находятся в пределах объема защиты настоящего изобретения.
На фиг.6 показан третий вариант муфты 70, в котором на свободном конце каждого выступа 73 имеется позиционирующий язычок 80. Позиционирующие язычки 80 позволяют осуществлять точную сборку устройства муфты в условиях отсутствия видимости. Такая «слепая» сборка может потребоваться, например, когда муфта используется в некоторых труднодоступных местах автомобильных двигателей. На фиг.6 выступы прикреплены к внешней поверхности опоры 74, как и во втором варианте. В необязательных фланцах 76а и 76b выполнены прорези 82а и 82b, в которые вставлены позиционирующие язычки, когда муфта полностью собрана. Как и в предыдущих вариантах, торцевые детали 72а и 72b имеют множество выступов 73, каждый из которых имеет канавку 78 между двумя зубьями 79, которые находятся в зацеплении с втулкой 14.
На фиг.7 показан четвертый вариант муфты 90, имеющий иную конструкцию крепления к валу, при которой оба вала 96а и 96b соединены с одного направления. Торцевая деталь 92а, имеющая выступы 94а, прикреплена к полому валу 96а, как и в предыдущих вариантах. Торцевая деталь 92b с выступами 94b прикреплена к сплошному валу 96b, который выступает из пологого вала 96а. Выступы двух торцевых деталей свободно вставлены друг между другом, как и в предыдущих вариантах.
На фиг.7 также показано, что вместо одной широкой втулки можно использовать две узкие втулки. Можно использовать и более чем две узкие втулки. Это было бы невозможно при муфте со втулкой сдвигового типа, но при муфте со втулкой, работающей на растяжение, способность выдерживать растягивающие нагрузки относительно не зависит от того, были ли объединены две или более меньших размеров втулки для получения общей ширины втулки. Нагрузки также эффективно распределяются по всей объединенной ширине двух или более втулок. Хотя муфта с установленными двумя втулками показана на фиг.7, следует понимать, что любые другие описанные или показанные на других чертежах варианты настоящего изобретения могут иметь две или более втулки, установленные рядом друг с другом, как на фиг.7, а вариант, показанный на фиг.7, может иметь одну втулку, показанную на вариантах, показанных на других чертежах. Аналогично, такие признаки, как позиционирующие язычки, армирующий корд, двойной профиль зубьев, канавки, образованные зазорами, определенное количество выступов и т.д., которые могут быть показаны в вариантах по одному или более чертежу, могут применяться в других вариантах или в непоказанных комбинациях.
Для обеспечения плотной посадки между гибкой втулкой и двумя торцевыми деталями втулка может изготавливаться в форме, имеющей те же размеры и профиль, что и поверхность, образованная вставленными друг между другом выступами, но без зазоров между выступами. Дополнительную ткань, эластомер тела и/или работающий на растяжение корд можно закладывать в форму известными способами изготовления втулок. Каучуковую втулку можно вулканизировать в форме под давлением, или втулки из термопласта можно охлаждать в форме. В любом случае, естественная усадка после извлечения из формы и охлаждения обеспечит плотную посадку на торцевых деталях.
Примеры
Были изготовлены сравнительные образцы муфт согласно патенту США 6,283,868. В сравнительных образцах («Ср. обр.») 1 и 4 в теле втулки использовалась композиция полихлоропренового («CR») каучука, а в остальных - в теле втулки использовалась композиция гидрогенированного нитрилового каучука («HNBR»). Образцы согласно настоящему изобретению («Ex») были изготовлены согласно настоящему изобретению с использованием тех же материалов HNBR, что и в сравнительных образцах. Все образцы содержали спирально намотанный работающий на растяжение корд из RFL-обработанного стекловолокна с покрытием из резинового клея для улучшения адгезии. Все образцы на поверхности зуба также содержали ткань или «рубашку» из прорезиненного нейлона для повышения жесткости и стойкости к истиранию. В Таблице 1 образцы, представляющие настоящее изобретение, названы «Образцы», а образцы, представляющие уровень техники, названы «Сравнительные образцы».
Для иллюстрации возросшей допустимой рабочей нагрузки, которую можно ожидать от гибкой муфты согласно настоящему изобретению, был проведен анализ допустимой нагрузки на устройствах согласно настоящему изобретению и на устройствах согласно уровню техники. Испытания на допустимую нагрузку проводились путем установки испытываемой муфты между ведущим валом, который совершал крутильные колебания по часовой стрелке и против часовой стрелки в пределах дуги ±15о, и ведомым валом, имеющим заданную нагрузку крутящим моментом. Допустимая нагрузка определялась по крутящему моменту отказа, соответствующему конкретному количеству циклов. Это испытание проводилось для сравнительных образцов 2 и 3 и для образца 5 согласно настоящему изобретению. По различным точкам данных для каждой муфты методом наименьших квадратов была построена кривая нагрузка/срок службы, и результаты показаны на фиг.8. Образец 5 согласно настоящему изобретению показал значительно более высокую характеристику нагрузка/срок службы, чем муфты согласно уровню техники, даже несмотря на то что ширина втулки в образце 5 составляла лишь примерно половину ширины втулки прототипа, внешний диаметр был сравним с внешним диаметром муфт согласно уровню техники, и толщина втулки составляла половину или менее толщины втулок муфт согласно уровню техники. Следует понимать, что толщина втулки составляла приблизительно половину разности между внешним диаметром втулки и внешним диаметром торцевой детали. Поэтому муфта согласно настоящему изобретению имеет существенно более высокую допустимую нагрузку, при значительно меньших габаритах, чем муфты согласно уровню техники.
Допустимую нагрузку муфт согласно настоящему изобретению также можно оценить способами и принципами, изложенными в стандарте DIN 740. Результаты приведены ниже в Таблице 1 как показатели «номинальный крутящий момент» и «пиковый крутящий момент» в Нм. Увеличенная допустимая нагрузка, которую можно ожидать от гибкой муфты согласно настоящему изобретению, имеющей сравнимый внешний диаметр торцевой детали с муфтой согласно уровню техники, но приблизительно вдвое меньшую ширину, видна из сравнения сравнительных образцов 1-3 с образцом 5 или из сравнения сравнительного образца 4 с образцом 6. Повышенная допустимая нагрузка, которую можно ожидать от гибкой муфты согласно настоящему изобретению, имеющей сравнимую ширину с муфтой согласно уровню техники, и несколько больший внешний диаметр, видна из сравнения сравнительного образца 4 с образцом 7.
Жесткость на кручение и статическое гашение муфт согласно настоящему изобретению испытывались методом гистерезиса жесткости на кручение. Результаты по жесткости и гашению представлены в Таблице 1 для сравнительных образцов 1 и 3 и для образцов 5-12. Жесткость муфт согласно настоящему изобретению увеличивается с шириной, как показано результатами для образцов 8-11. Сравнительный образец 3 и образец 5 показывают, что жесткость муфт согласно настоящему изобретению значительно выше, чем у муфт согласно уровню техники со сравнимым номинальным крутящим моментом, со сравнимым диаметром, но со значительно большей шириной. Эта более высокая жесткость отражает высокую жесткость на растяжение стекловолоконного армирующего корда, который играет роль в каждом участке растяжения втулки.
С другой стороны, гашение показало очень малую зависимость от ширины. Диапазон и количество гашения, показанные муфтами согласно настоящему изобретению, согласно Таблице 1, вполне сравнимы с величиной, показанной муфтами согласно уровню техники. Хотя способность к гашению аналогична муфтам согласно уровню техники, следует отметить, что муфты согласно настоящему изобретению достигают этих результатов при существенно меньшей материалоемкости втулки, чем у известных из уровня техники.
Очень небольшой люфт у муфт согласно настоящему изобретению объясняется высокой жесткостью, прекрасным гашением и плотной посадкой втулки.
На фиг.9 показано испытание на работоспособность при различных степенях несоосности. Две муфты 10 с промежуточным валом 11 соединены с двумя фиксированными валами 13. Промежуточный вал 11 смещается со скоростью 2 мм/мин и при температуре окружающей среды 23°С. Нагрузка, необходимая для смещения вала, указывает на гибкость втулки муфты в условиях несоосности. Несоосность, которая приводит к нагрузке приблизительно 500 Н, была принята как показатель предела несоосности муфты.
Испытания проводились на сравнительных образцах 1 и 3 и на образце 12. Сравнительные образцы 1 и 3 показали предел несоосности приблизительно 1 мм, образец 12 показал предел несоосности приблизительно 0,4 мм. Таким образом, муфта согласно настоящему изобретению может иметь несколько меньшую гибкость по несоосности по сравнению с муфтами согласно уровню техники. Однако считается, что в широком диапазоне конструктивных параметров, имеющемся в рамках настоящего изобретения, при необходимости можно достичь показателей несоосности, сравнимых с прототипом, например, увеличив размер одного или более из зазоров 60, 62, 66.
Был проведен анализ, чтобы показать преимущества двойного профиля зуба перед одиночным профилем зуба. Для этого испытания были проанализированы две муфты, каждая из которых имеет торцевые детали с внешним диаметром 111 мм, 11 выступов и с одной канавкой на каждом выступе. Образец 13 имел одиночный профиль зуба на втулке с шагом 8 мм и с ответными канавками и зазорами на выступах. Образец 14 имел двойной профиль зуба, т.е. большие зубья, взаимодействующие с канавками, и меньшие зубья, взаимодействующие с зазорами, и с ответными профилями канавок и зазоров на выступах и между выступами. Результаты испытания на номинальный крутящий момент для этих двух вариантов показаны на фиг.10 как ширина, необходимая для достижения определенной величины номинального момента. Результаты показывают, что двойной профиль образца 13 требует приблизительно на 30% меньше ширины для достижения той же величины крутящего момента, чем эквивалентная муфта с одиночным равномерным профилем зубьев, как у образца 13. Кроме того, можно отметить, что фиг.10 иллюстрирует, что при увеличении ширины втулки согласно настоящему изобретению можно ожидать увеличения допустимого крутящего момента.
Было проведено сравнительное испытание, показывающее преимущество увеличения числа выступов и уменьшения числа зубьев в зацеплении («ЗВЗ») или количества канавок на каждом выступе, или что эквивалентно, отношения числа зубьев, взаимодействующих с канавкой, к числу зубьев, взаимодействующих с зазором. Нескольку муфт согласно настоящему изобретению, перечисленных в таблице 2 как образцы 15-17, испытывались при различных колебательных нагрузках, чтобы определить срок их службы. Результаты показаны на фиг.11. Следует отметить, что линия для образца 16 включает и муфты с 40 зубьями и 4 выступами на торцевой детали, и муфты с 50 зубьями и 5 выступами. Кроме того, следует отметить, что во всех муфтах на один зазор приходился один взаимодействующий с ним зуб. Таким образом, общее количество зубьев на втулке можно рассчитать как 2 × (ЗВЗ+1) × количество выступов на торцевой детали. Видно, что муфты с меньшим количеством зубьев в зацеплении имеют увеличенную допустимую нагрузку на зуб. Считается, что это происходит потому, что если с выступом находится в зацеплении много зубьев, нагрузка распределяется по этим зубьям неравномерно. Первые несколько зубьев на ведомых выступах, вероятно, испытывают значительно более высокие нагрузки, чем последние несколько зубьев, и наоборот на ведущих выступах. С другой стороны, если в зацеплении находится один или два зуба, нагрузка распределяется очень равномерно по всем зубьям, взаимодействующим с канавками. Кроме того, отношение числа зубьев, испытывающих сжатие к числу зубьев, испытывающих сдвиг, значительно выше, если в зацеплении имеется только один или два зуба, что приводит к более эффективному распределению нагрузки между сжимающимися участками втулки.
| Таблица 2 | |||
| Обр. 15 | Обр. 16 | Обр. 17 | |
| Количество зубьев | 60 | 40 или 50 | 60 |
| Количество выступов | 3 | 4 или 5 | 10 |
| Количество ЗВЗ | 9 | 4 | 2 |
В рамках настоящего изобретения возможны и другие варианты конструкции. Вокруг гибкой втулки можно использовать внешнюю ленту для дальнейшего снижения тенденции к перескоку зубьев втулки при высоких нагрузках, или к расширению при работе на высоких оборотах. В опорном элементе или фланце торцевой детали или деталей можно сформировать различные профили для ремня так, чтобы торцевая деталь работала и как шкив в системе ременной силовой передачи. Система муфт также может содержать две муфты и промежуточный вал, как показано в испытательном устройстве, показанном на фиг.9.
Хотя выше приведено подробное описание настоящего изобретения и его преимуществ, следует понимать, что в него могут быть внесены различные изменения, замены и дополнения, не выходящие за рамки объема и сущности настоящего изобретения, определенных приложенной формулой изобретения. Кроме того, объем настоящей заявки не ограничивается конкретными вариантами процесса, машины, производства, состава вещества, средств, способов и этапов, описанных в описании. Как легко понятно специалисту в данной области техники из приведенного описания настоящего изобретения, процессы, машины, производство, составы веществ, средства, способы и этапы, существующие в настоящее время или которые будут разработаны в будущем, которые выполняют те же функции или обеспечивают, по существу, те же результаты, что и соответствующие варианты, описанные выше, могут использоваться в соответствии с настоящим изобретением. Соответственно, приложенная формула охватывает такие процессы, машины, производство, составы веществ, средства, способы и этапы.
1. Муфта для соединения валов, содержащая гибкую кольцевую втулку, ведущую торцевую деталь и ведомую торцевую деталь, при этом обе торцевые детали выполнены с возможностью соединения с валом и ведущая торцевая деталь имеет множество проходящих в осевом направлении ведущих выступов, а ведомая торцевая деталь содержит соответствующее множество проходящих в осевом направлении ведомых выступов, причем ведущие выступы свободно вставлены в пространство между ведомыми выступами с зазором между каждой парой соседних выступов, и втулка плотно посажена вокруг периферии выступов, при этом каждый выступ имеет, по меньшей мере, одну канавку, расположенную на его внешней периферии, а втулка содержит множество проходящих в осевом направлении зубьев, расположенных на ее внутренней периферии, включая множество зубьев, взаимодействующих с канавками, и множество зубьев, взаимодействующих с зазорами, расположенных так, что количество зубьев, взаимодействующих с канавками, чередуется с одним зубом, взаимодействующим с зазором, при этом зубья, взаимодействующие с канавками, находятся в зацеплении с канавками на выступах, а зубья, взаимодействующие с зазорами, находятся в зацеплении с зазорами.
2. Муфта по п.1, в которой зубья, взаимодействующие с канавками, отличаются от зубьев, взаимодействующих с зазорами, по меньшей мере, одной характеристикой, выбранной из размера, профиля и формы.
3. Муфта по п.2, в которой зубья, взаимодействующие с канавками, больше чем зубья, взаимодействующие с зазорами.
4. Муфта по п.1, в которой количество канавок на каждом выступе составляет одну или две.
5. Муфта по п.1, в которой периферийные кромки выступов, примыкающие к зазорам, имеют форму для формирования сторон канавки, тем самым образуя канавки зазоров, а зубья, взаимодействующие с зазорами, находятся в зацеплении с канавками зазоров.
6. Муфта по п.1, имеющая от двух до шестидесяти четырех выступов на каждом элементе муфты.
7. Муфта по п.1, имеющая от четырех до двенадцати выступов на каждом элементе муфты.
8. Муфта по п.1, в которой зазоры или пространства между свободно вставленными между друг другом выступами составляют от приблизительно 5% до приблизительно 50% периферии вставленных между друг другом выступов.
9. Муфта по п.1, в которой втулка дополнительно содержит кольцевое эластомерное или пластиковое тело, и, по меньшей мере, одно из слоя ткани на зубчатой внутренней поверхности, слоя ткани на тыльной поверхности втулки, работающего на растяжение корда или ткани, внедренной в кольцевое тело, и наполнителя из волокон в теле.
10. Муфта по п.1, в которой эластомерное тело содержит один или более из материалов, выбранных из группы, состоящей из каучука, пластика, термопластичного эластомера, термопластичного уретана, литого полиуретана, термопластичного вулканизатора, гидрогенированного нитрилового каучука или полихлоропренового каучука.
11. Муфта по п.1, в которой втулка содержит множество кольцевых секций втулки.
12. Муфта по п.1, в которой, по меньшей мере, один выступ, по меньшей мере, одной торцевой детали имеет на своем конце позиционирующий язычок.
13. Муфта по п.1, в которой выступы торцевых деталей имеют на своем конце позиционирующий язычок.
14. Муфта по п.1, в которой зазоры или пространства между свободно вставленными между друг другом выступами составляют от приблизительно 15% до приблизительно 20% периферии вставленных между друг другом выступов.
15. Муфта оп п.1, в которой торцевая деталь дополнительно содержит опорный элемент, по существу, имеющий форму цилиндра, имеющего, по существу, круглый торец и, по существу, цилиндрическую внешнюю поверхность, при этом выступы либо проходят в осевом направлении от торца, либо установлены на внешней поверхности.
