МУФТА ШАРНИРНАЯ
ARTICULATED COUPLING

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройствам для передачи крутящих моментов от приводного вала к валу исполнительного механизма, и применяется, преимущественно, в судовых механизмах.
3
3
2
2
2
1
1
Известна шарнирная муфта (см. патент RU № 2221938), выполненная из пяти частей, содержащих фасонный кулак, две вилки и два полукольца, кулак выполнен в виде шара с двумя фигурными пазами, форма которых соответствует сечению вилки с полукольцом в сборе и которые выполнены на поверхности кулака во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через центр кулака и взаимодействующих с двумя вилками. К каждой вилке прикреплено полукольцо с образованием фигуры, выполненной из вилки в виде полукольца с ушками наружного радиуса R, соответствующего радиусу кулака R, и внутреннего радиуса дуги R, равного наружному радиусу R полукольца, в целом образующих окружность радиусом R, при этом внутренний радиус дуги R полукольца равен радиусу внутренней окружности кулака R. Крепление полукольца к ушкам вилки осуществлено при помощи двух штифтов каждой пары, а в кулаке выполнено монтажное окно для возможности осуществления скрепления полукольца и вилки.
Недостатком данной шарнирной муфты является наличие большого количества деталей, сложных в изготовлении за счет выполнения их в форме шара и подгонки полуколец к шаровой поверхности кулака, скрепленных посредством штифтов 1, требующих дополнительного их крепления на муфте. Кроме того, муфта обладает пониженным сроком эксплуатации, так как выполнена в стальном варианте, требующем повышенной защиты от коррозии.
Известна шарнирная муфта (см. патент RU № 2117883), которая содержит две полумуфты, на торцевых поверхностях которых выполнены выступы с возможностью зацепления торцевых выступов разных полумуфт между собой, и соединительный элемент для удержания указанных полумуфт в зацеплении. При этом полумуфты установлены внутри указанного соединительного элемента с возможностью скольжения относительно соединительного элемента и скольжения упомянутых торцевых выступов разных полумуфт относительно друг друга. А внутренняя поверхность упомянутого соединительного элемента и наружная поверхность торцевых выступов полумуфт выполнены по сферам, центры и диаметры которых совпадают, при этом соединительный элемент выполнен разъемным.
Шарнирная муфта по патенту RU № 2117883 способна передавать малый крутящий момент из-за возможности проскальзывания торцевых выступов разных полумуфт относительно соединительного элемента. Кроме того, муфта обладает пониженным сроком эксплуатации, так как выполнена в стальном варианте, требующем повышенной защиты от коррозии.
Известна шарнирная муфта (патент RU № 2131069), содержащая две обращенные друг к другу полумуфты, каждая из которых состоит из вилки и вала, при этом полумуфты соединены между собой промежуточным элементом. Центр промежуточного элемента расположен в кинематическом центре муфты, а промежуточный элемент состоит из четырех одинаковых, соединенных между собой, дисков попарно сопряженных с вилкой соответствующей полумуфты. При этом каждый из дисков имеет расположенный на его оси выступ, боковая поверхность которого сопряжена с поверхностью, образованной концом прорези вилки полумуфты. В каждом диске также выполнена прорезь, проходящая до центра диска и совпадающая по направлению с прорезью соответствующей вилки полумуфты. А на боковой стороне каждого диска, сопряженной с вилкой полумуфты, выполнен незамкнутый кольцевой выступ, который имеет возможность входить в незамкнутый кольцевой паз, выполненный на боковой поверхности вилки полумуфты, при этом другая часть боковой поверхности каждой вилки и сопряженных с ней дисков образована вращением радиус-вектора, центр которого расположен в кинематическом центре муфты, причем вилки полумуфт и сопряженные с ними диски расположены таким образом, что упомянутый промежуточный элемент имеет вид шара.
Недостатком данной муфты по патенту № 2131069 является наличие большого количества деталей со сложными формами изготовления, что повышает экономические затраты на их изготовление, а учитывая выполнение ее в стальном варианте, требующем повышенной защиты от коррозии, уменьшает срок ее эксплуатации.
Известна муфта шарнирная по ГОСТ 5147-97, тип 2, включающая две полумуфты, соединенные с ведущим и ведомым валами соответственно, а также соединенные между собой посредством спаренной вилки и шарнирных элементов (крестовин, пальцев, втулок, входящих в сопряжение с крестовинами), штифтов. Муфта шарнирная по ГОСТ 5147-97 выбрана в качестве наиболее близкого аналога.
Известная шарнирная муфта обладает сравнительно малыми габаритами и применяется в машиностроении для соединения цилиндрических валов, установленных с перекосом друг к другу до 45° и передачи крутящего момента от 11,2 Н·м до 1120 Н·м и выполнена из стального проката.
Недостатком наиболее близкого аналога является необходимость увеличения габаритов муфты при передаче большого крутящего момента.
Недостатком данной муфты является наличие большого количества деталей, некоторые из которых (штифты и пр.) выходят из строя при возникновении повышенного крутящего момента, например при упоре исполнительного органа - щита - в посторонний предмет, в морское скальное дно.
Недостатком данной муфты также является подверженность коррозии ее деталей, выполненных из стали, при работе в морской воде, например, на подводном судне, что снижает эксплуатационные возможности как самой муфты, так и всего устройства, например привода открывания щитов.
Задачей настоящего изобретения является повышение эксплуатационных характеристик муфты, эффективности ее работы, а именно обеспечение передачи большого крутящего момента при малых габаритах муфты, а также повышение эксплуатационной надежности шарнирной муфты, что особенно актуально при работе ее в морских условиях.
Поставленная задача решена тем, что в известной шарнирной муфте, содержащей две полумуфты, соединенные с ведущим и ведомыми валами соответственно, цилиндрические корпуса которых сообщены посредством шарнирных элементов, в соответствии с изобретением цилиндрические корпуса полумуфт объединены в единый цилиндрический корпус, а шарнирный элемент каждой полумуфты выполнен в виде двух сферических сухарей, внутренняя поверхность которых выполнена цилиндрической и которые в плане имеют прямоугольную форму, и сферического кольцевого вкладыша. Сферические сухари установлены диаметрально противоположно на сферическом кольцевом вкладыше, при этом длинная сторона сухарей направлена вдоль корпуса шарнирной муфты. Сферический кольцевой вкладыш установлен в торцевой части корпуса муфты перпендикулярно его продольной оси, при этом в нем выполнены снаружи цилиндрические пазы под сферические сухари, ширина которых соответствует ширине сухарей, а в торцевых частях корпуса выполнены сферические кольцевые выемки под сферические кольцевые вкладыши с двумя технологическими сферическими прорезями, расположенными диаметрально противоположно, направленными вдоль корпуса, ширина которых соответствует длине упомянутого вкладыша. Сферические сухари сопряжены внешними сферическими и внутренними цилиндрическими поверхностями с соответствующими сферическими поверхностями сферических кольцевых выемок, выполненных в корпусе, и с цилиндрическими поверхностями цилиндрических пазов, выполненных в сферическом кольцевом вкладыше, и зафиксированы в корпусе при помощи пят, которые выполнены в центре сферических сухарей, и ответных отверстий, выполненных в зоне сферических выемок корпуса, оси которых перпендикулярны осям симметрии упомянутых прорезей.
Кроме того, муфта соединена с ведущим и ведомым валами при помощи зубчатого эвольвентного зацепления, выполненного на внутренней поверхности вкладышей и на ведущем и ведомом валах соответственно.
Кроме того, цилиндрический корпус муфты имеет переменную толщину стенки: отношение толщины стенки корпуса в средней части к толщине стенки корпуса в торцевой части не менее 1,06.
Кроме того, детали муфты выполнены из материала, некорродирующего в морской воде.
Новая конструкция позволяет улучшить эксплуатационные характеристики муфты за счет возможности передачи крутящего момента более 1120 Н·м, что удалось осуществить, отказавшись от хрупких деталей типа штифтов, втулок, а также за счет выполнения соединения деталей муфты с ведущим и ведомым валами в виде зубчатого эвольвентного соединения и за счет выполнения корпуса муфты с переменной толщиной стенки, которая в средней части толще, чем в торцевых зонах.
Предлагаемая конструкция шарнирной муфты позволяет повысить ее эксплуатационные возможности за счет выполнения всех деталей из некорродирующего в морской воде материала.
Новая конструкция шарнирной муфты позволяет повысить ее эксплуатационные возможности за счет уменьшения габаритов, уменьшения количества деталей, например, штифтов, втулок, вилок и исполнения двух полумуфт в едином корпусе.
Муфта шарнирная представлена чертежами, где:
на фиг.1 изображена муфта в продольном разрезе;
на фиг.2 - вид сбоку на муфту шарнирную;
на фиг.3 - корпус муфты шарнирной в продольном разрезе;
на фиг.4 - сечение А-А с фиг.3;
на фиг.5 - вкладыш муфты шарнирной, продольный разрез;
на фиг.6 - вид сбоку на вкладыш муфты шарнирной;
на фиг.7 - сухарь муфты шарнирной продольный разрез;
на фиг.8 - вид сверху на сухарь;
на фиг.9 - сечение В-В с фиг.7.
В муфте шарнирной (см. фиг.1) выполнены две полумуфты, цилиндрические корпуса которых объединены и представляют единый цилиндрический корпус 1 муфты. Полумуфты расположены в торцевых частях корпуса 1 и сообщены с корпусом посредством шарнирных элементов. Каждый шарнирный элемент выполнен в виде двух сферических сухарей 2 с пятами 3, которые выполнены в центральной части сухарей 2 (фиг.1, 2, 7, 8, 9). Диаметр пят 3 определяют расчетным путем в зависимости от величины воздействующего крутящего момента. Всего в корпусе 1 муфты установлено четыре сухаря 2: по два сухаря в каждой торцевой зоне корпуса 1. Внешняя поверхность сухарей 2 выполнена сферической, а внутренняя - цилиндрической. Сухари 2 имеют поперечное сечение прямоугольной формы (фиг.7, 8, 9) и установлены диаметрально противоположно в сферических кольцевых вкладышах 4, установленных в торцевых зонах корпуса 1 муфты (фиг.1, 2).
Корпус 1 муфты представляет собой цилиндр с переменной толщиной стенок: в торцевых зонах корпуса толщина стенок меньше чем в центральной части. Отношение толщины стенки в средней части корпуса к толщине стенки в торцевой зоне корпуса, в области размещения шарнирного элемента, не менее 1,06, что положительно сказывается на прочностных и эксплуатационных характеристиках муфты, что особенно важно при передаче больших крутящих моментов. В торцевых частях корпуса 1, в зоне расположения шарнирных элементов выполнены сферические кольцевые выемки 5 (фиг.3), в которых установлены сферические кольцевые вкладыши 4 (фиг.1). В области сферических кольцевых выемок 5 в корпусе 1 выполнены диаметрально противоположно круглые отверстия 6, в которых установлены пяты 3 сухарей 2, а также выполнены по две технологические (компоновочные) сферические (радиальные) прорези 7, направленные вдоль оси корпуса 1 и расположенные диаметрально противоположно (см. фиг.3, 4), предназначенные для установки через них сферических кольцевых вкладышей 4 в сферические кольцевые выемки 5 корпуса 1. Ширина каждой прорези 7 равна длине вкладыша 4, а оси симметрии прорезей 7 образуют прямой угол с осями отверстий 6.
Сухари 2 (см. фиг.1) служат для соединения корпуса 1 со сферическими кольцевыми вкладышами 4 и передачи крутящего момента от ведущего вала 8 привода к ведомому валу 9 отбора мощности любого устройства (например, привода открывания щитов). Снаружи на упомянутых вкладышах 4 выполнены по два симметрично расположенных радиальных (цилиндрических) паза 10 (фиг.5, 6), направленных вдоль оси корпуса 1 и предназначенных для установки в них сухарей 2, при этом ширина по хорде цилиндрического паза 10 соответствует ширине по хорде (короткой стороне прямоугольного сечения) сухаря 2, а длина - длине вкладыша (фиг.1, 2). Сухари 2 контактируют наружными сферическими поверхностями с соответствующими сферическими поверхностями выемок 5 корпуса 1, а внутренними цилиндрическими поверхностями - с радиальными (цилиндрическими) поверхностями пазов 10, выполненных в сферических кольцевых вкладышах 4.
Два сферических кольцевых вкладыша 4, установленные в торцевых частях корпуса 1, в сферических кольцевых выемках 5 предназначены для передачи крутящего момента от ведущего вала 8 к ведомому валу 9. Наружная поверхность вкладышей 4 выполнена сферической, а на внутренней поверхности каждого вкладыша 4 выполнено зубчатое эвольвентное зацепление 11 для соединения полумуфт муфты шарнирной с ведущим 8 и ведомым 9 валами соответственно. Зубчатое эвольвентное соединение 11 позволяет передавать большую мощность в сравнении со штифтовым и шпоночным соединениями. Сравнительно небольшая длина вкладышей 4 облегчает установку их в технологические сферические прорези 7, выполненные в корпусе 1, а затем в сферические кольцевые выемки 5 корпуса 1 муфты. Все детали шарнирной муфты выполнены из некорродирующего в морской воде материала, например, сплава 3М по ОСТ1-92077-91 или ПТ-3В по ГОСТ 19807-91, что повышает эксплуатационную надежность шарнирной муфты.
Сборку шарнирной муфты осуществляют следующим образом.
В корпус 1 (см. фиг.3) в отверстия 6 устанавливают изнутри корпуса 1 пяты 3 сухарей 2 (см. фиг.7, 8 и 9) с ориентацией длинной стороны сухаря вдоль оси корпуса 1, а короткой - поперек корпуса 1 (см. фиг.1, 9). Поочередно, с обоих торцов корпуса, вдоль продольной оси корпуса 1, в прорези 7 вводят сферические кольцевые вкладыши 4, предварительно развернутые вдоль оси корпуса 1. По достижении сферическими кольцевыми вкладышами 4 зоны расположения сухарей 2 вкладыши 4 разворачивают на 90 градусов, поперек корпуса 1, при этом сферические поверхности вкладышей 4 скользят по сферическим поверхностям выемок 5 корпуса 1, а в радиальные пазы 10 вкладышей 4 входят короткими сторонами сухари 2, при этом радиальные поверхности пазов 10 вкладышей 4 скользят по радиальным поверхностям сухарей 2 (см. фиг.1, 2, 5). При вводе в сферические кольцевые вкладыши 4 полумуфт ведущего 8 и ведомого 9 валов и соединения их с вкладышами 4 при помощи эвольвентного зацепления 11 шарнирная муфта становится неразборной (см. фиг.1, 5). Разборка ее производится после вывода из сферических кольцевых вкладышей 4 в осевом направлении валов - ведущего 8 и ведомого 9. До установки шарнирной муфты на ведущий 8 и ведомый 9 валы она легко разбирается и собирается.
Муфта шарнирная работает следующим образом.
Муфта в любом устройстве расположена (см. фиг.1) между приводом (не показан) и валом отбора мощности, например устройством открывания-закрывания щитов в легком корпусе подводного судна. В представленном примере с правой стороны находится вал 8 - приводной, ведущий, а с левой - вал 9 отбора мощности, ведомый.
При вращении приводного, ведущего вала 8 вращается сферический кольцевой вкладыш 4 и вал 9 отбора мощности (ведомый) за счет его зубчатого эвольвентного соединения 11 с вкладышем 4 (см. фиг.1). Крутящий момент от приводного вала 8 передается через сферический кольцевой вкладыш 4 и сухари 2. Благодаря установке сухарей 2 в радиальных пазах 10 вкладышей 4 длинными сторонами (см. фиг.1, 7) вдоль продольной оси муфты, происходит полная передача крутящего момента от приводного вала 8, при этом не происходит смятие боковых сторон сухарей 2. Через пяты 3 сухарей 2 (см. фиг.1, 7) крутящий момент передается корпусу 1. Через корпус 1 крутящий момент от ведущего, приводного вала 8 передается пятам 3 сухарей 2, расположенным в зоне нахождения ведомого вала 9, отбора мощности (см. фиг.1). Далее крутящий момент, через сухари 2, установленные в пазах 10 вкладыша 4, и через зубчатое эвольвентное зацепление 11 (см. фиг.1, 5), передается без потерь ведомому валу 9 отбора мощности (см. фиг.1).
При несоосном расположении концов валов ведущего 8 и ведомого 9 сферические кольцевые вкладыши 4 имеют возможность поворачиваться относительно осей этих валов на угол более сорока пяти градусов за счет сферического выполнения внешних поверхностей вкладышей 4 и поверхностей выемок 5 корпуса 1. Благодаря установке пят 3 сухарей 2 в отверстиях 6, выполненных в корпусе 1, возможен разворот осей валов на угол, величина которого превышает сорок пять градусов.
Предлагаемое устройство шарнирной муфты позволит повысить эксплуатационные характеристики шарнирной муфты за счет передачи большого крутящего момента при малых ее габаритах, что особенно актуально в судостроении.
Экономический эффект предлагаемого устройства получен за счет уменьшения количества деталей в нем, выполнения корпуса единым, а также за счет выполнения всех его деталей из некорродирующего в морской воде материала, например титанового сплава.