ДИСКОВАЯ МУФТА (ВАРИАНТЫ)
DISK CLUTCH (VERSIONS)

Изобретение относится к области машиностроения, к устройствам, предназначенным для соединения вращающихся валов с передачей крутящего момента между ними, в частности к компенсирующим дисковым муфтам.
Муфтой в машиностроении называют устройство, предназначенное для соединения двух вращающихся валов с возможностью передачи крутящего момента между ними. Компенсирующие дисковые муфты предназначены для работы в случае несоосности валов, то есть допускают некоторые радиальные и угловые смещения осей валов, а также для возможности разъединения или соединения валов во время работы для предохранения механизмов от перегрузок.
е
Существующие конструкции компенсирующих дисковых муфт и их классификация подробно описаны в трехтомнике «Справочник конструктора-строителя», Анурьев В.И., М.: Машиностроение, 2001, 8 издание, том 2, стр. 338, ISBN 5-217-02964-1.
Известна конструкция дисковой муфты, которая впервые была разработана инженером Джоном Олдхемом, Ирландия, в 1820 году. Другие названия подобных устройств, используемые в специальной литературе: «кулачково-дисковая муфта», «крестово-кулисная муфта» или «муфта Олдхема» (англ. Oldham coupler). Подробная информация изложена в Википедии http://ru.wikipedia.org/wiki/Муфта_кулачково-дисковая
Муфта Олдхема предназначена для передачи крутящего момента между двумя параллельными валами с целью компенсации радиального смещения осей вращения валов. Муфта состоит из двух полумуфт, выполненных в виде дисков: ведущей полумуфты, соединенной с ведущим валом, и ведомой полумуфты, соединенной с ведомым валом; между которыми расположен промежуточный плавающий диск. Полумуфты имеют радиально расположенные шпонки, (выступы), плавающий диск имеет радиальные пазы, расположенные взаимно перпендикулярно друг другу на обеих торцевых поверхностях. Все торцевые поверхности деталей плоские. Шпонки полумуфт плотно входят в пазы плавающего диска таким образом, что пара шпонка-паз ведущей полумуфты перпендикулярна паре шпонка-паз ведомой муфты. Ведущие вал-полумуфта передают крутящий момент плавающему диску, который в свою очередь приводит во вращение ведомые полумуфту-вал.
В процессе работы плавающий диск вращается вокруг своего центра с той же скоростью, что ведущий и ведомый валы, при этом диск скользит по пазам, совершая движение вращения-скольжения, компенсируя радиальную несоосность валов. Для уменьшения потерь на трение и изнашивания сопряженных поверхностей они подлежат периодическому смазыванию, для чего в деталях муфты могут быть предусмотрены специальные отверстия.
Преимуществами классической конструкции муфты Олдхема является простота конструкции, обусловленная простотой составляющих ее деталей, как следствие этого высокая надежность и относительно компактный размер. Благодаря этим преимуществам муфта нашла широкое применение в различных областях машиностроения.
Недостатком классической конструкции муфты Олдхема, принимаемой за прототип для настоящего изобретения, является невозможность передачи крутящего момента в том случае, когда оси вращения ведущего и ведомого валов отклоняются на определенный угол, так называемое угловое смещение валов.
Известны видоизменения и усовершенствования классической конструкции муфты Олдхема.
Известна «Крестово-кулисная муфта», авторское свидетельство СССР №863910, содержащая две полумуфты со взаимно перпендикулярными пазами и промежуточный диск со шлицами, расположенными в пазах полумуфт. Муфта «…отличается тем, что шлицы выполнены шириной большей ширины диска и расположены по окружности во взаимно перпендикулярных плоскостях; а полумуфты выполнены с выступами, расположенными параллельно оси вращения по обе стороны каждого паза».
Упомянутая муфта предназначена для компенсации некоторого радиального и углового смещения осей вращения валов. При параллельном расположении осей вращения промежуточный диск совершает сложное движение вращения и скольжения по шлицам в радиальном направлении. При угловом смещении осей промежуточный диск также совершает сложное вращение вокруг своей оси и качание относительно оси вращения. Если имеет место одновременно и радиальное и угловое смещение осей, то движение промежуточного диска усложняется и равно сумме трех элементарных движений - вращения, смещения по шлицам в радиальном направлении и качения.
Существенным недостатком данной конструкции являются крайне малые допустимые величины радиального и углового отклонения осей вращения, ограниченные собственно конструкцией данной муфты. В то время как передача крутящего момента между валами при наличии существенных величин расхождений осей валов является актуальной задачей для различных областей машиностроения.
Разновидности кулачково-дисковых муфт описаны, например, в Справочнике по муфтам, Ряховский О.А., Иванов С.С., Л., Политехника, 1991, ISBN 5-7325-0111-8, стр. 31 раздел 2.2. «Муфты с промежуточным подвижным элементом».
Целью настоящего изобретения является создание простой и надежной конструкции компенсирующей дисковой муфты, сохраняющей все преимущества аналогов, при этом допускающей в работе значительные величины угловых смещений осей вращения ведущего и ведомого валов.
Поставленная цель достигается усовершенствованной конструкцией дисковой муфты, выполненной в двух вариантах.
Заявленная конструкция первого варианта дисковой муфты состоит из ведущей и ведомой полумуфт, выполненных в виде дисков, соединенных соответственно с ведущим и ведомым валами. Каждая полумуфта имеет радиально расположенные шпонки на торцевых поверхностях. Между полумуфтами расположен плавающий диск, имеющий на обеих торцевых поверхностях радиально расположенные пазы. Пазы перпендикулярны друг другу.
Дисковая муфта отличается тем, что ведущая полумуфта имеет вогнутую торцевую поверхность и вогнутую геометрию шпонки, плавающий диск имеет выгнутую торцевую поверхность, обращенную к ведущей полумуфте, и выгнутую геометрию паза, вогнутую торцевую поверхность, обращенную к ведомой полумуфте, и вогнутую геометрию паза, а ведомая полумуфта имеет выгнутую торцевую поверхность и выгнутую геометрию шпонки.
В общем случае диаметр ведущей полумуфты больше диаметра ведомой муфты и диаметра плавающего диска.
В частном случае диаметры ведущей полумуфты, ведомой полумуфты и плавающего диска равны.
В общем случае радиус вогнутости торцевой поверхности ведущей полумуфты не равен радиусу выгнутости торцевой поверхности ведомой полумуфты.
В частном случае радиус вогнутости торцевой поверхности ведущей полумуфты равен радиусу выгнутости торцевой поверхности ведомой полумуфты.
Радиусы вогнутости и выгнутости сопряженных торцевых поверхностей муфты равны.
Заявленная конструкция второго варианта дисковой муфты состоит из ведущей и ведомой полумуфт, выполненных в виде дисков, соединенных соответственно с ведущим и ведомым валами. Каждая полумуфта имеет радиально расположенные пазы на торцевых поверхностях. Между полумуфтами расположен плавающий диск, имеющий на обеих торцевых поверхностях радиально расположенные шпонки. Шпонки перпендикулярны друг другу.
Дисковая муфта отличается тем, что ведущая полумуфта имеет вогнутую торцевую поверхность и вогнутую геометрию паза, плавающий диск имеет выгнутую торцевую поверхность, обращенную к ведущей полумуфте, и выгнутую геометрию шпонки, вогнутую торцевую поверхность, обращенную к ведомой полумуфте, и вогнутую геометрию шпонки, а ведомая полумуфта имеет выгнутую торцевую поверхность и выгнутую геометрию паза.
В общем случае диаметр ведущей полумуфты больше диаметра ведомой муфты и диаметра плавающего диска.
В частном случае диаметры ведущей полумуфты, ведомой полумуфты и плавающего диска равны.
В общем случае радиус вогнутости торцевой поверхности ведущей полумуфты не равен радиусу выгнутости торцевой поверхности ведомой полумуфты.
В частном случае радиус вогнутости торцевой поверхности ведущей полумуфты равен радиусу выгнутости торцевой поверхности ведомой полумуфты.
Радиусы вогнутости и выгнутости сопряженных торцевых поверхностей муфты равны.
Существо настоящего изобретения поясняется следующими фигурами.
Фиг.1 представляет конструкцию первого варианта дисковой муфты в сборе в рабочем состоянии с обозначением углового отклонения осей вращения валов (α).
Фиг. 2 представляет конструкцию первого варианта дисковой муфты таким образом, чтобы все составляющие элементы муфты были видны в объеме в состоянии покоя с указанием скрытых граней и с указанием общей оси симметрии.
Фиг. 3 представляет конструкцию второго варианта дисковой муфты таким образом, чтобы все составляющие элементы муфты были видны в объеме в состоянии покоя с указанием скрытых граней и с указанием общей оси симметрии.
Фиг. 4, 5, 6 и 7 представляют первый вариант дисковой муфты в рабочем состоянии при вращении с отклонением осей вращения валов на угол (α) через каждые 90 градусов оборота ведущего вала.
Дисковая муфта в первом варианте выполнена следующим образом.
На ведущем валу (1) установлена ведущая полумуфта (2) с вогнутой торцевой поверхность (3) и радиально расположенной шпонкой (4), имеющей вогнутую геометрию, повторяющую геометрию торцевой поверхности (3). На ведомом валу (5) установлена ведомая полумуфта (6) с выгнутой торцевой поверхностью (8) и радиально расположенной шпонкой (7), имеющей выгнутую геометрию.
Между полумуфтами (2) и (6) расположен плавающий диск (9), имеющий выгнутую торцевую поверхность (10) с радиально расположенным пазом (11), также имеющим выгнутую геометрию; и вогнутую торцевую поверхность (12) с радиально расположенным пазом (13), также имеющим вогнутую геометрию. Пазы (11) и (13) взаимно перпендикулярны.
Шпонки и пазы ориентированы таким образом, что при взаимном соприкосновении торцевых поверхностей (3) и (10) шпонка (4) плотно входит в паз (11), а при соприкосновении торцевых поверхностей (8) и (12) шпонка (7) плотно входит в паз (13).
Таким образом, крутящий момент передается от ведущей пары вал (1) - полумуфта (2) к ведомой паре полумуфта (6) - вал (5) через плавающий диск (9) за счет сцеплений шпонка-паз.
Если ведущий (1) и ведомый (5) валы расположены строго на одной оси вращения, то плавающий диск (9) совершает простое движение вращения, повторяя его за ведущей полумуфтой (2) и передавая вращение ведомой полумуфте (6).
Если ведущий (1) и ведомый (5) валы имеют угловое расхождение осей вращения (α), то плавающий диск (9) получает крутящего момент от ведущей полумуфты (2) и совершает одновременно сложное движение вращение-скольжение-качание за счет того, что собственно диск (9) вращается вокруг своей оси, шпонки (4) и (7) скользят в соответствующих им пазах (11) и (13), а сопряженные торцевые поверхности (3) (10) и (12) (8) качаются за счет своей вогнуто-выгнутой геометрии.
Схема работы муфты при конкретной величине угла отклонения осей (α) представлена графически на фиг. 4-7 таким образом, чтобы проследить сложное движение плавающего диска (9) через каждые 90 градусов оборота ведущей полумуфты (2). Для наглядности на боковых поверхностях дисков полумуфт (2) и (6) нанесены стрелки, указывающие направление их вращения и взаимное расположение.
Предельно допустимый угол отклонения осей (α) определяется по формуле:
1
2
(α)=arcsin(D/2R) + arcsin(D/2R) [1]
1
где D - диаметр ведущей полумуфты (2) (фиг. 2);
2
3
D - диаметр плавающего диска (9) для варианта, когда этот диаметр равен диаметру D ведомой полумуфты (6);
R - радиус верхней поверхности шпонки (4) ведущей полумуфты (2), который всегда равен радиусу R дна паза (11) плавающего диска (9).
Превышение предельно допустимой величины угла (α) приводит к выходу из зацепления шпонки (4) и паза (11), то есть к выходу муфты из рабочего состояния.
1
2
Из формулы [1] очевидно следует, что чем больше диаметры D и D, тем больше угол предельного отклонения осей (α).
Дисковая муфта во втором варианте выполнена следующим образом.
На ведущем валу (1) установлена ведущая полумуфта (2) с вогнутой торцевой поверхность (3) и радиально расположенным пазом (14), имеющим вогнутую геометрию, повторяющую геометрию торцевой поверхности (3). На ведомом валу (5) установлена ведомая полумуфта (6) с выгнутой торцевой поверхностью (8) и радиально расположенным пазом (17), имеющим выгнутую геометрию, повторяющую геометрию торцевой поверхности (8).
Между полумуфтами (2) и (6) расположен плавающий диск (9), имеющий выгнутую торцевую поверхность (10) с радиально расположенной шпонкой (15), также имеющей выгнутую геометрию; и вогнутую торцевую поверхность (12) с радиально расположенной шпонкой (16), также имеющей вогнутую геометрию. Шпонки (15) и (16) взаимно перпендикулярны.
Шпонки и пазы ориентированы таким образом, что при взаимном соприкосновении торцевых поверхностей (3) и (10) шпонка (15) плотно входит в паз (14), а при соприкосновении торцевых поверхностей (8) и (12) шпонка (16) плотно входит в паз (17).
Таким образом, крутящий момент передается от ведущей пары вал (1) - полумуфта (2) к ведомой паре полумуфта (6) - вал (5) через плавающий диск (9) за счет сцеплений шпонка-паз.
Принципы работы второго варианта дисковой муфты аналогичны первому варианту.
Формула [1] также верна для второго варианта для исчисления предельного угла (α) отклонения осей вращения при условии, что R это радиус верхней поверхности шпонки (15) плавающего диска (9), который всегда равен радиусу R дна паза (14) ведущей полумуфты (2), представлен на фиг. 3.
Превышение предельно допустимой величины угла (α) приводит к выходу из зацепления шпонки (15) и паза (14), то есть к выходу муфты из рабочего состояния.
Функции ведущей и ведомой полумуфт взаимозаменяемы в обоих вариантах, муфта может вращаться в любом направлении.
Допустимый угол расхождения осей вращения соединяемых валов (α) теоретически не ограничен и прямо зависит от диаметров дисков муфты.
Величина крутящих моментов, которые позволяет передавать предложенная дисковая муфта, зависит от прочностных характеристик использованных материалов, размеров диаметров дисков, величины радиуса кривизны R шпонок и пазов, а также от характеристик применяемых смазок.
Муфта может быть изготовлена из любых конструкционных материалов и их сочетаний, при этом выбор материалов обусловлен конкретными условиями эксплуатации; при помощи любых известных методов механической обработки материалов. Для улучшения динамических показателей рекомендуется применять смазки, соответствующие использованным конструкционным материалам.