Двухрежимная электромагнитная муфта

Двухрежимная электромагнитная муфта (ДЭМ) относится к области машиностроения и может быть использована в периодически включаемых кинематических цепях различных машин для текущего выбора одного из двух источников вращения выходного вала, предохранения элементов привода от перегрузок при передаче крутящего момента, проектирования электромагнитных муфт тянущего и удерживающего действия.
Известна предохранительная муфта (патент RU 2069282C1, F16D 7/04, приоритет от 20.11.1996), имеющая наклонный рабочий профиль кулачков. Отключение выходного вала при ограничении передаваемого крутящего момента происходит путем осевого перемещения ведомой полумуфты за счет наклонной рабочей поверхности кулачков и, при переходе пластинчатой пружины в другое стабильное положение, останов выходного вала при входе в зацепление кулачков ведомой полумуфты и неподвижного диска.
В рассматриваемой предохранительной муфте повторное включение осуществляется принудительным поджатием ведомой полумуфты к ведущей полумуфте, а выключение муфты происходит только при срабатывании элементов защиты. Недостатком этой муфты является отсутствие ее дистанционного управления.
Указанного недостатка лишен тормозной узел (патент RU 2416046C2, F16D 27/118, приоритет от 13.07.2009), имеющий управление своим состоянием с помощью встроенного неподвижного электромагнита.
Торможение и фиксация останова выполняется посредством тормозных дисков типа «зуб - паз», сопрягаемые поверхности которых выполнены в виде радиально расположенных зубцов. Профиль зубцов одного диска соответствует профилю пазов другого диска. Недостатком этого устройства является его предназначение для останова вала с низкой частотой вращения ввиду применения тормозных дисков из фрикционного материала.
Известна муфта-шкив (патент RU 2272191, F16D 27/02, приоритет от 04.03.2004), позволяющая передавать крутящий момент за счет подвижного в осевом направлении фрикционного диска и имеющая возможность дистанционного управлении путем многократного включения/выключения электромагнита. Муфта-шкив является ближайшей по технической сущности заявляемой полезной модели и принята за прототип.
Передача момента вращения в этой муфте-шкиве при подаче напряжения на электромагнит осуществляется посредством подтягивания к ведомой полумуфте фрикционного диска, жестко закрепленного на ведущей полумуфте, но имеющего возможность соосного перемещения вдоль ведущей полумуфты. Возвращение муфты-шкива в исходное положение при выключении электромагнита происходит за счет плоской кольцевой пружины.
Недостатками указанной муфты-шкива можно считать:
передачу крутящего момента на шкив только от одного источника вращения;
отсутствие тормоза на шкиве, вследствие чего шкив продолжает свободно вращаться после выключения муфты;
невысокий передаваемый крутящий момент вследствие нестабильности силы трения, сильно зависящей от величины воздушного торцевого зазора между якорем, закрепленным на ведущей полумуфте, и магнитопроводом электромагнита, расположенных неподвижно в корпусе указанной муфты;
отсутствие узла, предохраняющего от недопустимых крутящих моментов, как ведущий, так и ведомый вал;
отсутствие автоматического восстановления передаваемого крутящего момента при его снижении до допустимого значения после срабатывания узла предохранения.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является разработка малогабаритной двухрежимной электромагнитной муфты небольшой массы с передачей вращения на выходной вал от двух независимых входных валов по выбору пользователя и предохранением каждого входного вала от превышения допустимого значения крутящего момента.
Заявляемое техническое решение обеспечивает следующий технический результат:
1) поочередную работу кинематических цепей двух режимов от одного управляющего сигнала за счет двухстороннего зубчатого венца ползуна;
2) полностью исключается одновременное включение кинематических цепей первого и второго режимов за счет перемещения ползуна;
3) после включения муфты при работе кинематической цепи первого режима источник вращения первого входного вала обеспечен защитой от превышения допустимого крутящего момента путем проскальзывания зубчатого соединения за счет специальной трапецеидальной формы зубьев зубчатого венца ползуна и зубчатого венца шестерни первого режима. При снижении крутящего момента до допустимой величины кинематическая цепь первого режима восстанавливается автоматически;
4) включение и выключение муфты допускается в любой момент времени независимо от наличия нагрузки на выходном валу и наличия крутящих моментов на первом и втором входных валах.
Указанный результат заявляемого технического решения достигнут путем использования в двухрежимной электромагнитной муфте, содержащей центральную ось, корпуса с кольцевой расточкой, кольцевого электромагнита с катушкой, магнитопровода и якоря, три или более витые возвратные пружины, которые выполняют функцию плоской кольцевой пружины, используемой в прототипе.
Кроме того, заявляемая муфта включает первый и второй входные валы с соответствующими шестернями, выходной вал с шестерней, шестерню первого режима, снабженную зубчатым венцом, жестко связанную с первым входным валом, шестерню второго режима, снабженную зубчатым венцом, кинематически связанную со вторым входным валом посредством шестерни второго входного вала, выходную шестерню, кинематически связанную с выходным валом посредством шестерни выходного вала, ползун с закрепленным на нем якорем, с двух сторон снабженный зубчатыми венцами, кинематически жестко связанный с выходной шестерней с возможностью линейного соосного перемещения относительно нее под действием электромагнита в одну сторону или под действием суммарного усилия возвратных пружин в другую сторону, при этом, возвратные пружины, равномерно расположены по окружности в выходной шестерне и ползуне и выполнены с возможностью регулировки усилия поджима ползуна к шестерне второго режима посредством соответствующих регулировочных винтов. В предпочтительном варианте конкретного исполнения муфты зубчатые венцы ползуна и шестерен первого и второго режимов выполнены с зубьями трапецеидальной формы.
Дополнительным техническим результатом является простота конструкции, уменьшение массы и габаритов ДЭМ, повышение технологичности ее изготовления и надежности эксплуатации. Указанный дополнительный результат заявляемого технического решения достигнут путем расположения шестерни выходного вала, шестерни первого режима, шестерни второго режима и ползуна, имеющих независимое друг от друга вращение, на одной оси - оси первого входного вала, установленного на опорах в корпусе.
На фиг. 1 и фиг. 2 приняты следующие обозначения:
1 первый входной вал;
2 корпус;
3 возвратная пружина;
4 регулировочный винт;
5 выходная шестерня;
6 магнитопровод;
7 катушка электромагнита;
8 якорь электромагнита;
9 шестерня второго режима;
10 зубчатый венец шестерни второго режима;
11 зубчатый венец ползуна второго режима;
12 ползун;
13 крышка;
14 шестерня первого режима;
15 зубчатый венец шестерни первого режима;
16 зубчатый венец ползуна первого режима;
17 второй входной вал;
18 выходной вал;
19 шестерня выходного вала;
20 шестерня второго входного вала.
ДЭМ функционирует следующим образом.
Подключение кинематической цепи второго режима приведено на фиг. 1.
При отсутствии напряжения на катушке электромагнита 7 (исходное состояние ДЭМ) возвратные пружины 3 с изменяемой силой сжатия регулировочными винтами 4 прижимают ползун 12 к шестерне второго режима 9, обеспечивая зацепление зубчатого венца ползуна второго режима 11 с зубчатым венцом шестерни второго режима 10. При этом передача крутящего момента второго режима осуществляется по следующей кинематической цепи: крутящий момент с шестерни второго режима 9, поступающий от второго входного вала 17 и жестко закрепленной на нем шестерни второго входного вала 20, через зубчатый венец шестерни второго режима 10 и зубчатый венец ползуна 11, образующие муфту второго режима, передается на ползун 12 и далее через циклоидальное зацепление на выходную шестерню 5. Затем крутящий момент передается на выходной вал 18, используя жестко закрепленную на нем шестерню выходного вала 19. При превышении допустимого значения крутящего момента осевое усилие, возникающее в контакте зубчатого венца шестерни второго режима 10 и зубчатого венца ползуна второго режима 11, превышает суммарное усилие от действия каждой возвратной пружины 3, в результате чего происходит размыкание муфты второго режима за счет проскальзывания указанных зубьев, обеспечивая защиту кинематической цепи от перегрузок. В предпочтительном варианте конкретного исполнения муфты зубчатые венцы ползуна и шестерен первого и второго режимов выполнены с зубьями трапецеидальной формы, что позволяет подбирать величину максимального крутящего момента, при котором размыкание муфты происходит за счет проскальзывания указанных зубьев. Настройка указанного параметра производится подбором углов трапецеидальных зубьев.
Подключение кинематической цепи первого режима приведено на фиг. 2.
При подаче напряжения на катушку электромагнита 7 (включенное состояние ДЭМ), расположенную в магнитопроводе 6, установленном неподвижно в корпусе 2, в магнитопроводе 6 и якоре электромагнита 8 нарастает магнитный поток, замыкающийся по контуру А и вызывающий увеличение тягового усилия якоря электромагнита 8. Тяговое усилие якоря электромагнита 8 преодолевает суммарное усилие от действия каждой возвратной пружины 3 и ползун 12, с закрепленным на нем якорем электромагнита 8, притягивается к шестерне первого режима 14, обеспечивая зацепление зубчатого венца ползуна первого режима 16 с зубчатым венцом шестерни первого режима 15. В таком случае передача крутящего момента осуществляется по следующей кинематической цепи: крутящий момент с первого входного вала 1 через шестерню первого режима 14 и совместно зубчатый венец шестерни первого режима 15 и зубчатый венец ползуна первого режима 16, образующие муфту первого режима, передается на ползун 12 и далее через циклоидальное зацепление на выходную шестерню 5. Затем крутящий момент передается на выходной вал 18, используя жестко закрепленную на нем шестерню выходного вала 19. При превышении допустимого значения крутящего момента осевое усилие, возникающее в контакте зубчатого венца шестерни первого режима 15 и зубчатого венца ползуна первого режима 16, совместно с суммарным усилием от действия каждой возвратной пружины 3 превышает тяговое усилие якоря электромагнита 8, в результате чего происходит размыкание муфты первого режима за счет проскальзывания указанных зубьев, обеспечивая защиту кинематической цепи от перегрузок.
В настоящее время на предприятии проведены испытания экспериментальных образцов заявляемой двухрежимной муфты с положительным результатом.