БЕСФЛАТТЕРНАЯ МНОГОДИСКОВАЯ ФРИКЦИОННАЯ МУФТА ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ВАЛОВ ПРИВОДА С ВОЗМОЖНОСТЬЮ РАЗНОНАПРАВЛЕННОГО ИХ ВРАЩЕНИЯ
FLUTTER-FREE MUFFLING FRICTION COUPLING FOR DRIVE SHAFT CONNECTION WITH THE POSSIBILITY OF DIFFERENT ROTATION

Изобретение относится к области машиностроения, конкретно - к дисковым фрикционным муфтам (муфтам трения) для соединения (сцепления) приводных валов, в частности, в трансмиссиях наземных быстроходных транспортных средств и дорожных машин, судовых силовых установках (приводах гребных винтов).
В настоящее время основным типом многодисковых фрикционных муфт для соединения валов привода (далее - «классической» муфтой) можно назвать двухзвенные устройства (коаксиально установленные на подшипниках внешний и внутренний барабаны) со шлицами, на которых установлен пакет фрикционных дисков с чередующимся внешним и внутренним зацеплением с упомянутыми шлицами барабанов и с некоторой свободой осевого перемещения, при наличии гидроцилиндра включения-выключения муфты с поршнем (зачастую с последовательно расположенным нажимным диском), сжимающим пакет дисков при включении с одной стороны, и упорного диска с другой стороны пакета [Расчет и конструирование гусеничных машин: Учебник для вузов / Н.А. Носов, В.Д. Галышев, Ю.П. Волков, А.П. Харченко / Под ред. Н.А. Носова. - П.: Машиностроение, 1972. - 560 с. - С. 74-76, рис. II.2, II.3; С. 316, рис. VII.10; С. 361, рис. IX.6; С. 382-386, рис. IX.14-IX.16a].
Хорошо зарекомендовав себя в приводах, у которых соединяемые ими валы не обладают свойством противовращения, «классические» муфты оказались недостаточно пригодными в качестве элементов управления реверс-редукторов и других приводов, где имеет место знакопеременная скорость вращения ведущего вала (т.е. имеет место противовращение соединяемых валов). Причина - возникновение так называемого в машиностроении флаттера в парах трения в пределах пакета фрикционных дисков, как резко негативного явления резонансно-динамического характера (аналогичен флаттеру в авиации).
Флаттер возникает именно при высоких относительных скоростях разведенных пар трения, что и имеет место при противовращении (а значит - удвоении относительной скорости) пары смежных дисков внешнего и внутреннего зацепления со шлицами внешнего и внутреннего барабанов соответственно. На фоне флаттера несколько уступают на второй план более выраженью при противовращении такие изначально присущие фрикционным дисковым муфтам и тормозам недостатки, как безнагрузочные потери, износ и коробление дисков трения и их перегрев.
Ряд отраслей современного машиностроения (транспортное машиностроение, судостроение и др.), повышая тактико-технические и технико-эксплуатационные характеристики изделий - скорости и маневренность, вплотную столкнулось с этим явлением, что и определяет актуальность темы. Борьба с флаттером - это борьба с безнагрузочными потерями, безнагрузочным износом и перегревом дисков, сокращением ресурса фрикционных элементов управления.
Близким аналогом заявляемого изобретения является переключающее устройство реверс-редуктора в составе гидромеханической трансмиссии немецкого танка «Леопард 2А6» [Брилев О.Н. Танки. - М.: ООО «Изд-во «Планета». - ISBN 978-5-903162-70-3. - 564 с., ил. - С. 332, рис. 4.3.2.9]. Оно содержит трехзвенный планетарный зубчатый механизм (ряд) с «классическим» многодисковым тормозом эпицикла, со встроенным в его неподвижную часть (корпус) двухпозиционным гидроцилиндром управления и монтажом дисков внутреннего зацепления на шлице-вой части (барабане) эпицикла упомянутого планетарного ряда. Водило ряда соединено с зубчатой частью ведущего вала привода, а солнечная шестерня - с зубчатой частью ведомого вала. В коническом трехзвенном реверс-редукторе предусмотрены два таких устройства «ряд + тормоз» с зеркально-симметричным расположением справа и слева от ведомых конических шестерен реверс-редуктора, при этом последние жестко закреплены на ведущих валах, связанных с близлежащими водилами.
Несмотря на улучшение условий работы фрикционных дисков элементов управления, в том числе принципиальное решение проблемы флаттера в пакетах фрикционных дисков при противовращении, известный аналог приобрел новые недостатки: заменяющий подверженную флаттеру «классическую» многодисковую фрикционную муфту трехзвенный планетарный зубчатый механизм (ряд) с принудительно затормаживаемым эпициклом, причем за счет опять же «классического» многодискового гидравлического тормоза, резко увеличивает стоимость и массогабаритные характеристики устройства, что не соответствует высоким требованиям к компактности, напрямую влияющей на один из трех важнейших показателей - защиту, и тактико-технические характеристики в целом.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого изобретения, то есть совпадающим с ним по назначению и по общим существенным конструктивным признакам, является бесфлаттерная многодисковая муфта сцепления валов привода с возможностью разнонаправленного их вращения, содержащая корпус барабанного типа с внутренними шлицами, последовательно расположенные вдоль продольной оси муфты первый и второй пакеты фрикционных дисков с чередующимся внутренним и внешним зацеплением соответственно для связи со шлицевыми участками соединяемых валов, установленных на неподвижной части привода, и со шлицами корпуса, разделяющий указанные пакеты промежуточный фрикционный диск внешнего зацепления со шлицами корпуса, гидроцилиндр управления включением-выключением муфты путем обратимого сжатия между собой всех перечисленных фрикционных дисков, с кольцевым уплотненным поршнем и возможностью управленческой подачи в гидроцилиндр масла под давлением как при неподвижном, так и при вращающемся корпусе, механизм возврата поршня в составе распорной пружины и ее направляющего устройства, параллельного продольной оси муфты, и упоры-ограничители осевого хода перечисленных составных элементов и средства обеспечения возможности попеременных состояний покоя или вращения корпуса муфты вместе с соединяемыми ею валами в выключенном и включенном ее состояниях соответственно, а также выравнивания скоростей валов в режиме их противовращения без возникновения флаттера в пакете дисков [Hilpert, C.R. Gyroscopically Induced Failure in Multiple Disc Clutches, Its Causes, Its Characteristics and Its Cures // SAE Technical Paper 690066, 1969. - s. 362-363, Fig. 13].
К указанным «средствам» формально отнесены: главным образом, последовательная двухпакетная многодисковая схема с замыканием на корпус муфты, а также гидротормоз включения муфты с механизмом возврата поршня.
Согласно текстовому пояснению к Fig. 13, «Флаттер <flutter> возникает в муфтах только при противовращении. Таким образом, меры по предотвращению флаттера в большинстве многодисковых муфт в трансмиссиях не требуются. Противовращения и флаттера можно избежать, используя для реверса вместо многодисковых муфт планетарные механизмы с тормозами, кулачковые муфты или "тройные" реверсивные муфты. В них средний или третий набор дисков неподвижен, когда муфта разомкнута, в противном случае [при «классическом» устройстве с двумя подвижными наборами дисков - авт.] находилась бы в противовращении. Это показано на фиг. 13».
Словосочетание «третий набор дисков неподвижен» неопределенно, ибо двусмысленно в понимании специалистов в данной области техники. По одной версии, речь может идти о неподвижности корпуса в установившемся режиме работы включенной ценной муфты в связи с естественным наличием переменных (при функционировании) значений сопротивления вращению подвижных частей, включая прежде всего сам корпус, особенно на переходных режимах включения-выключения муфты, неоднородности возможного коробления дисков и несимметричности междисковых зазоров (главная особенность работы «трехзвенной» муфты на переходных режимах!) и влияния продуктов износа, гидродинамических процессов, что в совокупности неизбежно приводит к кинематической неопределенности, наличию обусловленного этим реактивного вращающего корпус момента, а значит случайному характеру, эпизодической «неподвижности» корпуса муфты. По другой версии, речь может идти о наличии каких-то материальных (технических) средств обеспечения принудительной неподвижности (фиксации) корпуса. В случае неопределенности, тем более описания к рисунку (чертежу, схеме) следует, как известно, обратиться к самому графическому изображению как инструменту, дополняющему и уточняющему текстовой материал. Однако на фиг. 13 прототипа корпус (барабанного типа) муфты показан вообще без каких-либо внешних связей с окружающей средой. Отсутствуют и какие-либо ссылки (примечания) на условность такого изображения.
Таким образом, под углом зрения заявляемого изобретения (в порядке формирования сравнительной оценки известного и заявляемого технических решений) в прототипе проблема флаттера решена, но с «техническими издержками», новыми недостатками (см. далее по тексту критику прототипа).
В муфте-прототипе гидроцилиндр выполнен в виде бустера с упругим уплотнением, установленного на одном из соединяемых валов с возможностью синхронного вращения вместе с ним, и должен быть гидравлически связан с внешней гидросистемой ее управления. Пружина механизма возврата поршня расположена под корпусом муфты и, более того, - в нише, образованной этим валом и шлицевой его частью барабанного типа, враспор между боковой стенкой последней и предусмотренным для этого основанием поршня, и охвачена по части своей длины направляющими. Промежуточный диск постоянно связан только со шлицами корпуса муфты. Корпус муфты должен быть, во всяком случае, зафиксирован от смещений в радиальных направлениях и вдоль продольной оси муфты относительно неподвижной части привода посредством подшипников (средства фиксации не показаны, предположительно - условно). Упорный диск совокупного пакета фрикционных дисков муфты, расположенный в конце этого пакета зеркально-симметрично поршню, выполнен в форме фланца шлицевой части (барабанного типа) другого соединяемого вала, являясь одновременно последним фрикционным диском внутреннего зацепления в совокупном пакете.
При несомненных достоинствах прототипа как альтернативного успешного решения проблемы флаттера в муфтах трения, известному техническому решению свойственны, однако, следующие недостатки.
Во-первых, муфта не снабжена (см. приведенные ранее по этому поводу комментарии) тормозом (как специализированным средством торможения и временного удержания в состоянии покоя), обеспечивающим, по крайней мере, кинематическую определенность корпуса муфты, особенно и прежде всего на переходных режимах ее включения-выключения и тем более в условиях противовращения, характерных, например, для реверс-редукторов. Эта кинематическая неопределенность есть следствие неодинаковости междисковых зазоров в совокупном пакете (а это - «оборотная сторона победы над флаттером»), асимметрии газогидродинамических процессов и продуктов эрозии в междисковых зазорах, повышенных безнагрузочных потерь и коробления дисков трения.
Во-вторых, осевая свобода перемещения промежуточного диска обусловливает задержку образования («естественным путем», за счет газогидродинамических и центробежных явлений в среде междисковых микрозазоров) макрозазоров, прежде всего между промежуточным диском и смежным с ним диском из удаленного от бустера «второго» пакета. А значит - продленную пробуксовку, нечеткость срабатывания, неустойчивость и непредсказуемость (случайный характер) функционирования на переходных режимах.
В-третьих, при такой организации гидравлического механизма включения муфты, достаточно развитый (объемный, габаритный) бустер, тем более заполненный маслом и момент инерции которого составляет немалую долю в общем моменте инерции муфты относительно ее продольной оси, во всех режимах эксплуатации, - как во включенном, так и в выключенном состоянии, - вращается, что нежелательно по соображениям энергоэффективности привода, динамики и прочности, надежности и долговечности уплотнений, а также требует введения в конструкцию бустера компенсатора давления (центробежного происхождения) на поршень масла.
В-четвертых, усилие сжатия совокупного пакета фрикционных дисков при рабочем давлении масла в бустере не образует замкнутый контур (т.е. не замыкается на сам бустер), а воспринимается подшипниковыми опорами (не показанными на рисунке) с дальнейшей передачей на валы враспор и далее, уже через другие подшипники, на неподвижную часть привода (также не показано, очевидно условно). Это существенно ухудшает условия работы подшипниковых опор, увеличивает массогабаритные характеристики всего привода, снижает срок службы и надежность.
По совокупности отмеченной критики, известная муфта (прототип) далека еще от совершенства и определяет, в свою очередь, недостаточно высокие тактико-технические (в приложении к военным и специальным транспортным машинам) или технико-эксплуатационные (в приложении к гражданским транспортным машинам и судам) характеристики транспортной машины и судна соответственно.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в предотвращении флаттера при устранении указанных недостатков прототипа и, соответственно, в улучшении технико-эксплуатационных или тактико-технических характеристик в приложении к приводам с противовращением валов (в частности, с реверс-редукторами), главным образом трансмиссиям наземных транспортных средств и приводам судовых гребных винтов.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в бесфлаттерной многодисковой фрикционной муфте для соединения валов привода с возможностью разнонаправленного их вращения, содержащей корпус барабанного типа с внутренними шлицами, последовательно расположенные вдоль продольной оси муфты первый и второй пакеты фрикционных дисков с чередующимся внутренним и внешним зацеплением соответственно для связи со шлицевыми участками соединяемых валов, установленных на неподвижной части привода, и со шлицами корпуса, разделяющий указанные пакеты промежуточный фрикционный диск внешнего зацепления со шлицами корпуса, гидроцилиндр управления включением-выключением муфты путем обратимого сжатия между собой всех перечисленных фрикционных дисков, с кольцевым уплотненным поршнем и возможностью управленческой подачи в гидроцилиндр масла под давлением как при неподвижном, так и при вращающемся корпусе, механизм возврата поршня в составе распорной пружины и ее направляющего устройства, параллельного продольной оси муфты, и упоры-ограничители осевого хода перечисленных составных элементов и средства обеспечения возможности попеременных состояний покоя или вращения корпуса муфты вместе с соединяемыми ею валами в выключенном и включенном ее состояниях соответственно, а также выравнивания скоростей валов в режиме их противовращения без флаттера дисков трения, гидроцилиндр встроен в корпус муфты и гидравлически связан с внешней гидросистемой ее управления посредством уплотненного радиального зазора между корпусом и неподвижной частью привода вода, пружина механизма возврата поршня вынесена наружу корпуса муфты, установлена враспор между предусмотренными для этого сухарем поршня и фланцевой частью корпуса муфты и охватывает по всей своей длине первый палец, установленный в глухом и сквозном отверстиях в сухаре и корпусе, промежуточный диск снабжен механизмом его возврата, аналогичным механизму возврата поршня, - второй пружиной, вынесенной наружу корпуса муфты, установленной враспор между предусмотренными для этого сухарем промежуточного диска и упомянутой фланцевой частью корпуса муфты и охватывающей по всей своей длине второй палец, установленный в глухом и сквозном отверстиях в сухаре промежуточного диска и корпусе, а корпус муфты зафиксирован в осевом направлении относительно неподвижной части привода посредством подшипника и снабжен тормозом, обеспечивающим кинематическую определенность корпуса муфты на переходных режимах ее включения-выключения.
Решение поставленной задачи достигается также за счет дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков) муфты:
- тормоз корпуса муфты может быть выполнен механическим и автоматическим, включающим в себя минимум одну подпружиненную третьей распорной пружиной, имеющей жесткость больше жесткости первой пружины механизма возврата поршня, фрикционную дисковую пяту, установленную на свободном конце третьего пальца, закрепленного в упомянутом сухаре поршня и охватываемого третьей пружиной, с возможностью выхода пяты из силового контакта с вертикальной плоскостью неподвижной части привода при включающем муфту сжатии фрикционных дисков, и возврате в исходное состояние при сбросе давления масла в гидроцилиндре (это позволяет относительно простыми и дешевыми механическими средствами реализовать один из важнейший современных требований к машинам - сведение к минимуму участия человека в управлении ими и их обслуживания, а также повышения надежности);
- в механизме возврата поршня палец («первый» палец) может быть заделан в глухое отверстие в сухаре поршня и пропущен в сквозное отверстие во фланцевой части корпуса муфты с возможностью скольжения в нем, а в механизме возврата промежуточного диска палец («второй» палец») заделан в глухое отверстие в сухаре промежуточного фрикционного диска и пропущен в сквозное отверстие во фланцевой части корпуса муфты с возможностью скольжения в нем (это рационально с точки зрения монтажа-демонтажа устройства и визуального профилактического контроля, регулирования и дефектации, но при общекомпоновочной, «внешней» возможности такого технического решения);
- в механизме возврата поршня палец может быть заделан в глухое отверстие во фланцевой части корпуса муфты и пропущен в сквозное отверстие в сухаре поршня, с возможностью скольжения в нем, а в механизме возврата промежуточного диска палец заделан в глухое отверстие во фланцевой части корпуса муфты и пропущен в сквозное отверстие в сухаре промежуточного фрикционного диска с возможностью скольжения в нем (это - конструктивный вариант, альтернативный предыдущему и позволяющий в определенных «внутрикомпоновочных» условиях, т.е. при наличии для этого свободного места под корпусом муфты, использовать эти «пустоты» для рабочего хода пальцев, что соответствует принципу оптимизации компоновки в интересах сокращения габаритных показателей приводов и иных машин в машиностроении).
Среди известных фрикционных муфт не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной. В то же время, именно за счет последней достигается новый технический результат в соответствии с поставленной задачей.
Заявляемое устройство муфты (на примере муфты для транспортного машиностроения и судостроения) пояснено на чертежах:
на фиг. 1 показана блок-схема привода с заявляемой муфтой, вид сбоку в выключенном состоянии, где:
1 - первый вал силовой передачи; 2 - шлицевая часть вала 1; 3 - второй вал силовой передачи; 4 - шлицевая часть вала 3; 5 - бесфлаттерная многодисковая фрикционная муфта для соединения валов 1 и 2 друг с другом посредством их шлицевых частей 2 и 4 соответственно; 6 - корпус (барабан) муфты 5; 7 - тормоз корпуса (барабана) 6; ±ω - угловая скорость валов в установившемся режиме (без пробуксовки в муфте) с возможностью разнонаправленного вращения первого вала (и, как следствие, - второго);
на фиг. 2 схематично показано устройство (конструкция) привода с заявляемой муфтой, вид сбоку в разрезе, в выключенном состоянии, где:
8 - шлицевая часть корпуса (барабана) 6; 9 - первый пакет фрикционных дисков в составе минимум одного диска 10 наружного зацепления со шлицами 8 и минимум двух дисков 11 внутреннего зацепления со шлицами 2; 12 - второй пакет фрикционных дисков в составе минимум одного диска 13 наружного зацепления со шлицами 8 и минимум двух дисков 14 внутреннего зацепления со шлицами 4; 15 - промежуточный фрикционный диск наружного зацепления со шлицами 8, расположенный между пакетами 9 и 12; 16 - кольцевой поршень гидроцилиндра управления (по крайней мере, «вкл.-выкл.») муфтой 5; 17 - кольцевое уплотнение поршня 16; 18 - масляный канал в корпусе 6 к гидроцилиндру управления; 19 - уплотнение подачи масла в канал 18 (либо двойное кольцевое при давлении до 8-10 атм., либо торцевое при давлении до 12-14 атм.); 20 - упорный диск внешнего зацепления со шлицами 8; 21 - упор (ограничитель хода) упорного диска 20; 22 - неподвижное тело в принятой системе координат, например корпус (картер) силовой передачи; 23 - сухарь поршня 16; 24 - сухарь промежуточного диска 15; 25 - распорная пружина («первая») между сухарем 23 и фланцевой частью корпуса 6 в составе механизма возврата поршня 16 (его отвода в гидроцилиндр); 26 - направляющий элемент («первый» палец) для пружины 25, параллельный продольной оси муфты 5, в составе механизма возврата поршня 16; 27 - направляющее отверстие во фланцевой части корпуса 6 для элемента (пальца) 26; 28 - распорная пружина («вторая») между сухарем 24 и фланцевой частью корпуса 6 в составе механизма возврата (отвода) промежуточного диска 15 в сторону первого пакета дисков 9 и гидроцилиндра; 29 - направляющий элемент («второй» палец) для «второй» пружины 28, параллельный продольной оси муфты 5, в составе механизма возврата (отвода) промежуточного диска 15; 30 - направляющее отверстие во фланцевой части корпуса 6 для элемента («второго» пальца) 29; 31 - фрикционная дисковая пята в составе механического автоматического варианта тормоза 7; 32 -пружина («третья») поджатия диска 31 к телу 22; 33 - направляющий элемент («третий» палец) для «третьей» пружины 32, параллельный продольной оси муфты 5;
на фиг. 3 показана блок-схема реверс-редуктора, как частного случая силового привода (трансмиссии) с выраженным противовращением первого и второго валов, с заявляемой муфтой, вид сбоку в выключенном состоянии, где:
1 - выходной вал редукторной части (редуктора) силового привода (трансмиссии), как частный случай упомянутого первого вала; 3 - правый выходной вал реверс-редуктора, как частный случай упомянутого второго вала; 34 - правая ведомая коническая шестерня реверс-редуктора, жестко установленная на валу 3; 35 - ведущая коническая шестерня силового привода (трансмиссии); 36 - левый выходной вал реверс-редуктора, как аналог второго вала, но с противовращением, и частный случай упомянутого второго вала; 37 - правая ведомая коническая шестерня реверс-редуктора, жестко установленная на валу 36; 38 - бесфлаттерная многодисковая фрикционная муфта для соединения валов 1 и 36 друг с другом (зеркально симметричная муфте 5) во включенном ее состоянии при выключенной муфте 5); 39 - корпус барабанного типа муфты 38; 40 - тормоз корпуса (барабана) 39.
На всех чертежах, во-первых, не показанную нижнюю половину муфты 5 выполняют симметрично, а во-вторых, условно не показаны подшипники опор валов 1, 3 и корпуса (наружного барабана) 6 муфты 5, а также их регулировочные узлы.
Заявляемая бесфлаттерная многодисковая фрикционная муфта 5 для соединения валов 1 и 3 привода (трансмиссии) с возможностью разнонаправленного их вращения ±ω (по любому из возможных частных вариантов конструктивного ее исполнения) содержит (см. фиг. 1, 2) корпус 6 барабанного типа с внутренними шлицами 8. Вдоль продольной оси муфты 5 последовательно расположены первый 9 и второй 12 пакеты фрикционных дисков 11, 10 и 14, 13 с чередующимся внутренним и внешним зацеплением соответственно для связи со шлицевыми участками 4, 2 соединяемых валов 3, 1, установленных на неподвижной части 22 привода, и со шлицами 8 корпуса 6. Пакеты 9, 12 разделяет промежуточный фрикционный диск 15 внешнего зацепления со шлицами 8 корпуса 6.
В корпус 6 муфты 5 встроен гидроцилиндр управления (по крайней мере, ее включением-выключением) путем обратимого сжатия между собой всех фрикционных дисков (включая 10, 11, 13-15). В гидроцилиндр вставлены кольцевые поршень 16 (который тоже может быть сам «диском трения» или может быть снабжен «нажимным диском трения») и его уплотнение 17. Полость гидроцилиндра гидравлически связана каналом 18 с внешней гидросистемой управления муфтой 5 посредством уплотненного (уплотнение 19 - либо двойное кольцевое при давлении до 8-10 атм., либо торцевое при давлении до 12-14 атм.) радиального зазора между корпусом 6 и неподвижной частью 22 привода, с возможностью (принципиальной) управленческой подачи в гидроцилиндр масла под указанным давлением как при неподвижном, так и при вращающемся корпусе 6.
Имеется механизм возврата поршня 16 в составе пружины 25 и ее направляющего устройства (палец 26), параллельного продольной оси муфты 5.
Пружина 25 вынесена наружу корпуса 6 муфты 5. Она установлена враспор между предусмотренными для этого сухарем 23 поршня 16 и фланцевой частью корпуса 6 и охватывает по всей своей длине первый палец 26, который установлен в глухом и сквозном 27 отверстиях в сухаре 23 и корпусе 6 (подробнее см. далее по тексту - варианты устройства механизма возврата поршня 16).
Промежуточный диск 15 снабжен механизмом его возврата, аналогичным описанному в предыдущем абзаце механизму возврата поршня 16, а именно - второй пружиной 28, вынесенной наружу корпуса 6. Она установлена враспор между предусмотренными для этого сухарем 24 промежуточного диска 15 и упомянутой фланцевой частью корпуса 6 и охватывает по всей своей длине второй палец 29, который установлен в глухом и сквозном 30 отверстиях в сухаре 24 промежуточного диска 15 и корпусе 6 (подробнее см. также далее по тексту - варианты устройства механизма возврата промежуточного диска 15).
Предусмотрены упоры-ограничители осевого хода перечисленных составных элементов неподвижной части привода (в частности, передние по отношению к поршню 16 стенки окон (вариант в других терминах - «торцы прорезей») в корпусе 6 под сухари 23 и 24, либо ограничительные выступы на сухарях 23, 24, охватывающие шлиц 8), не позволяющие последним сместиться правее указанного на фиг. 2 положения).
В конце описанного последовательного ряда из пакета 9, промежуточного диска 15 и пакета 12 установлен на шлицах 8 корпуса 6 упорный диск 20 внешнего зацепления с упором (ограничителем хода) 21. Его тоже можно рассматривать как «диск трения» - замыкающий в совокупном пакете фрикционных дисков 10, 11, 13-16, 20 муфты 5.
В статическом состоянии устройства при нулевом давлении масла под поршнем 16 последний, посредством пружины 25 и сухаря 23, отведен от пакета 9 вправо до упора сухаря 23 в ограничительную переднюю стенку первого окна в корпусе 6; промежуточный диск 15 посредством пружины 28 отведен от пакета 12 вправо до упора сухаря 24 в ограничительную переднюю стенку второго окна в корпусе 6; в условиях осевой свободы и динамических процессов диски 10, 11, 13-15, 16, 20 саморазведены.
В устройстве предусмотрены также средства обеспечения возможности попеременных состояний покоя или вращения корпуса 6 муфты 5 вместе с соединяемыми ею валами 1, 3 в выключенном и включенном ее состояниях соответственно, а также выравнивания скоростей валов (1, 3) в режиме их противовращения без флаттера в пакетах дисков.
К таковым относится, наряду с тормозящими внутренними (баланс моментов сил) и внешними (сопротивление окружающей среды вращению корпуса 6 муфты 5) факторами, главным образом, тормоз 7 (на фиг. 1 и 3 показан в обобщенном виде) корпуса 6 муфты 5, во включенном своем состоянии обеспечивающий торможение и полную фиксацию корпуса от проворота вокруг продольной оси муфты 5, а в выключенном состоянии - беспрепятственную возможность вращения, т.е., обобщенно говоря, кинематическую определенность корпуса (6) муфты (5) на всех переходных и установившихся режимах ее включения-выключения.
Далее описаны рекомендуемые частные совокупности существенных признаков заявляемого устройства муфты 5, а также особенностей их использования.
Тормоз 7 корпуса 6 муфты 5 может быть выполнен механическим (не принимая во внимание упомянутый гидроцилиндр, движение поршня которого инициирует включение тормоза, но все-таки относится к механизму управления собственно фрикционной муфтой 5) и автоматическим, включающим в себя минимум одну подпружиненную третьей распорной пружиной 32 (см. фиг. 2) фрикционную дисковую пяту 31 (в качестве тормозящего органа тормоза 7, установленную на свободном конце третьего пальца 33, закрепленного в сухаре 23 и охватываемого пружиной 32. При этом жесткость первой пружины 25 превышает жесткость третьей пружины 32 и предусмотрена возможность выхода пяты 31 из силового контакта (необходимого для создания тормозящего момента трения) с вертикальной плоскостью 22 неподвижной части привода при включающем муфту сжатии (поршнем 16 с упором в упорный диск 20) фрикционных дисков (10, 11, 12-15), т.е. уводе сухаря 23 влево, и возврате в исходное состояние при сбросе давления масла в гидроцилиндре.
По одному (первому) из конструктивно-компоновочных вариантов (именно этот вариант показан в качестве примера на фиг 2), в механизме возврата поршня 16 палец 26 заделан в глухое отверстие в сухаре 23 и пропущен в сквозное отверстие 27 во фланцевой части корпуса 6 муфты 5 с возможностью скольжения (т.е. со скользящей посадкой) в нем, а в механизме возврата промежуточного диска 15 палец 29 заделан в глухое отверстие в сухаре 24 и пропущен в сквозное отверстие 30 во фланцевой части корпуса 6 муфты 5 с возможностью скольжения (т.е. со скользящей посадкой) в нем.
По другому (второму) конструктивно-компоновочному варианту (не показан), наоборот, палец 26 может быть заделан в глухое отверстие во фланцевой части корпуса 6 (вместо сквозного 27) и пропущен в сквозное отверстие (вместо глухого отверстия) в сухаре 23, с возможностью скольжения в нем, а в механизме возврата промежуточного диска 15 палец 29 заделан в глухое отверстие (вместо сквозного отверстия 30) во фланцевой части корпуса 6 муфты 5 и пропущен в сквозное отверстие (вместо глухого) в сухаре 24 промежуточного фрикционного диска 15 с возможностью скольжения в нем.
Возможны другие кинематические схемы и конструкции в рамках заявляемых основной и дополнительных совокупностей существенных признаков.
Так, например, согласно фиг. 3, возможно актуальное решение проблемы флаттера в пакетах фрикционных дисков реверс-редукторов (в частности, транспортных и судовых). Схема предусматривает зеркально-симметричную установку двух заявляемых муфт - муфты 5 с корпусом 6 и тормозом 7 (в правой части фиг. 3) и муфты 38 с корпусом 39 и тормозом 40 (в левой части фиг. 3). Муфта 5 по-прежнему (как и на фиг. 1, 2) при ее включении соединяет валы 1 и 3, а муфта 38 при ее включении соединяет валы 3 и 36 (вал 36 идентичен валу 1 и установлен зеркально-симметрично ему). При этом валы 1 и 36 порознь жестко соединены с зеркально-симметрично установленными идентичными ведомыми коническими зубчатыми шестернями 34 и 37 соответственно. Последние взаимосвязаны общей для них ведущей конической шестерней 35, обеспечивающей вращение шестерен 34 и 37 исключительно в разные стороны, независимо от направления вращения самой шестерни 35. Такое сочетание зубчатых звеньев приводов характерно для реверс-редукторов.
Устройство работает следующим образом (анализ функционирования).
Крутящий момент подводится к валу 1 передачи (см. фиг. 1, 2).
Если муфта 5 выключена (давление масла в гидроцилиндре сброшено практически до атмосферного, а согласно описанию устройства, поршень 16 посредством пружины 25 и сухаря 23 отведен от пакета 9 вправо до упора сухаря 23 в ограничительную переднюю стенку первого окна в корпусе 6; промежуточный диск 15 посредством пружины 28 отведен от пакета 12 вправо до упора сухаря 24 в ограничительную переднюю стенку второго окна в корпусе 6; в условиях осевой свободы и динамических процессов диски 10, 11, 13-15, 16, 20 саморазведены, то и вал 1 вращается вхолостую, что аналогично режиму «нейтрали» в коробке передач транспортных средств.
Тормоз 7 полностью включен, что гарантирует неподвижность (нулевую скорость вращения) корпуса 6 муфты 5 и исключает оговоренную в обзоре аналогов и критике прототипа кинематическую неопределенность корпуса 6 в условиях газодинамических (в муфтах сухого трения) или гидро-газодинамических (в муфтах с фрикционными дисками, работающими в масле) процессов, а также доминирующей вероятности несимметричности и переменности зазоров между фрикционными дисками, установленными на шлицах 8, 2, 4 независимо друг от друга, плюс усугубляющей ситуации с вероятностью неполного разжатия дисков (особенно вследствие их покоробленности), и тем более при противовращении валов 1 и 3 с сопутствующим зачастую флаттером.
Если тормоз 7 управляется аналогично устройству включения-выключения муфты 5, равно как и аналогично многодисковому тормозу (Multi-disc brake ahead) эпицикла планетарного зубчатого ряда в упомянутом близком аналоге - реверс-редукторе трансмиссии немецкого танка «Леопард 2А6» [Брилев О.Н. Танки…], - своим гидроцилиндром (здесь не принципиально, при подаче давления включается нормально выключенный тормоз 7 или выключается нормально включенный тормоз 7), то такое управление должно быть синхронизировано с управлением гидроцилиндра включения-выключения муфты 5 в рамках внешней гидросистемы управления всем приводом (всей трансмиссии).
Если тормоз 7 выполнен согласно заявляемой первой совокупности дополнительных признаков - полностью механическим и автоматическим (см. фиг. 2), то его работа (функционирование, действие) в рассматриваемом режиме характеризуется доминированием силы воздействия первой пружины 25 на сухарь 23 над силой воздействия на него третьей пружины 32 в условиях «пассивности» гидроцилиндра с поршнем 16. Вследствие этого, сухарь 23 является надежным упором пружине 32 и последняя обеспечивает нормальную, параллельную продольной оси муфты 5, силу давления в пятне контакта дисковой пяты 31 с вертикальной стенкой неподвижной части 22 привода (трансмиссии), необходимую и достаточную для тормозного момента (на плече, равном расстоянию между осями муфты 5 и третьего пальца 33) в компенсацию непредсказуемого (но количественно устанавливаемого расчетным или эмпирическим путем) реактивного момента на корпусе 6 муфты 5. Причины порождения реактивного момента были указаны выше через абзац. Во всяком случае, в заявляемой муфте потребный тормозной момент относительно невелик и вполне может быть обеспечен такой конструкцией, что подтверждено расчетно-теоретическими авторскими исследованиями с элементами экспериментальных данных в области силовых приводов наземных транспортных средств или судовых силовых установок.
При включении муфты 5 масло подается под давлением из неподвижной части 22 привода (трансмиссии) через уплотнение 19, по масляному каналу(ам) 18 (путь масла условно показан стрелкой) в полость гидроцилиндра. Полость герметизирована уплотнением 17. Поршень 16 начинает движение влево совместно с сухарем 23.
Одновременно отключается (отключают) тормоз 7 (далее речь будет идти только о работе устройства с заявляемым автоматическим тормозом механического типа).
Преодолевая сопротивление пружины 25, сухарь 23 ослабляет прижим пяты 31 к поверхности 22, а затем, действуя на третий палец 33, отводит пяту 31 от стенки 22. С автоматическим своевременным отключением тормоза 7 корпус 6 муфты 5 получает возможность вращаться вокруг своей продольной оси (оси муфты).
В то же время, двигаясь влево, поршень 16 выбирает зазор, обеспечивающий полноту выключения пакета 9 фрикционных дисков 10, 11, и входит в контакт с первым по ходу диском 11 внутреннего зацепления (иначе говоря - с внутренним зубом), «сидящим» на шлицевой части (барабане) 4 вала 3. Усилие передается через пакет 9 на промежуточный диск 15. Начинается совместное перемещение пакета 9 с диском 15 влево, что вызывает перемещение влево сухаря 24 (синхронно с сухарем 23) и сжатие второй пружины 28. Замыкание муфты 5 продолжается до тех пор, пока пакет дисков не будет сжат и осевое усилие не будет передано через упорный диск 20 и упор 21 на корпус 6 муфты 5. Поскольку силовой контур оказывается замкнутым (гидроцилиндр с реакцией на корпус 6 - поршень 16 - пакет 9 -диск 15 - пакет 12 - упор 21 - корпус 6 - гидроцилиндр), во включенном состоянии муфта 5 является уравновешенной.
До момента полного включения имеет место процесс буксования в муфте 5. Продолжительность буксования определяется временем срабатывания муфты 5 и зависит от многих факторов (давление в магистрали, гидравлическое сопротивление магистрали, геометрические размеры гидроцилиндра, зазор между поршнем 16 и объединенным пакетом 9+12+15 фрикционных дисков, усилия возвратных (отводных) пружин 25, 28, коробление дисков 10, 11, 13-15). Однако относительная скорость корпуса 6 (суть наружного барабана муфты 5) и соединенных муфтой 5 шлицевых частей 2 и 4 валов 1 и 3 соответственно (суть внутреннего барабана в привычной в отношении муфт терминологии) в два раза ниже по сравнению с муфтами, для которых внешний и внутренний барабаны находятся в режиме противовращения. Это объясняется тем, что упреждающим сжатием пакета 9 затормаживается вал 3, а уже затем, при сжатии пакета 12, вал 3 разгоняется валом 1, а валы 1 и 3 могут иметь (и имеют, учитывая целевое назначение заявляемой муфты 5, равно как и прототипа с близким аналогом) разнонаправленное вращение. Это определяет умеренный износ пакета в процессе включения-выключения.
Для выключения муфты снимают управляющее давление. Возвратные пружины отводят промежуточный диск 15 и поршень 16 в положение «выключено» (на рисунке - вправо). Затем инерционные силы размыкают диски пакета. В это время диск 31 приходит в крайнее правое положение, возникает трение между ним и корпусом 22, в результате чего наружный барабан муфты 5 (корпус 6) останавливается. Этим обеспечивается быстрая остановка наружного барабана муфты 5 (корпус 6), чем максимально сокращается время возможного нахождения барабанов муфты (наружного - корпуса 6 и внутреннего - соединенных валов 1 и 3 через их шлицевые части 2, 4 и пакет фрикционных дисков 9, 12, 15) в режиме противовращения и предотвращается флаттер и связанные с ним потери энергии, износ и перегрев дисков пакета.
В примере преимущественного использования заявляемой(ых) муфты(муфт) 5 в реверс-редукторах (см. фиг. 3) крутящий момент подводится к ведущей шестерне 35. Если обе муфты (правая 5 и левая 38) выключены (тормоза 7 справа и 40 слева), шестерня 35 вращается вхолостую, что аналогично режиму «нейтрали» в коробке передач.
При включении обеих муфт (5 и 38), независимо от положения тормозов 7 и 40, привод заблокирован.
При включении только правой муфты 5 (с отключением ее тормоза 7) вал 3 («нагрузочный» для привода) разгоняется до оборотов +ω.
При включении только левой муфты 38 (с отключением тормоза 40) вал 3 разгоняется до оборотов -ω.
Указанные четыре режима работы реверс-редуктора не представляют интереса с позиций заявляемого изобретения.
Интересен пятый режим, когда включению одной из муфт (положим, левой муфты 38) предшествовала работа привода с включенной другой муфтой (соответственно положим, муфтой 5). Поскольку именно этот режим неблагоприятен выраженным противовращением во фрикционных парах. Последовательное включение первого пакета 9, промежуточного диска 15 и второго пакета 12 (естественно, с учетом поршня 16 и упорного диска 20 как дополнительных «дисков трения») вызывает сначала снижение до нуля положительной скорости +ω вала 3 в пакете 9 с диском 15, а затем разгон вала 3 с достигнутой нулевой скорости до отрицательной скорости -ω. То есть обеспечивается двукратное снижение относительных скоростей в любых парах трения обобщенного пакета фрикционных дисков 10, 11, 13-16, 20 вообще. Соответственно, снижаются износ и коробление дисков, предотвращается флаттер.
Технический результат от использования заявляемого изобретения заключается в устранении указанных недостатков прототипа и, соответственно, в улучшении технико-эксплуатационных или тактико-технических характеристик, в приложении к приводам с противовращением валов (в частности, с реверс-редукторами).
Области преимущественного применения:
- реверс-редукторы в трансмиссии транспортных гусеничных и колесных машин (например, в составе параллельной ветви для трансмиссии с двухпоточным механизмом поворота);
- реверс-редукторы и суммирующие редукторы судовых силовых установок;
- строительная и дорожная техника, подъемно-транспортное оборудование.