Узел соединения валов

Полезная модель относится к области судостроения и может быть использована при соединении различных участков валопровода на судах, подверженных воздействию динамических внешних нагрузок на винт и гребной вал.
Известна упругая предохранительная муфта, содержащая ведущую и ведомую полумуфты и расположенные коаксиально между ними по меньшей мере две волнистые пружины, гребни которых совмещены таким образом, что оси симметрии соответствующих гребней пружин совпадают; ведущая полумуфта выполнена с пазами, в которых размещены гребни наружной волнистой пружины, а ведомая полумуфта выполнена с пазами, в которых расположены впадины внутренней волнистой пружины, предназначенная для передачи заданных крутящих моментов, соединения несоосных валов и снижения пульсаций крутящего момента (см. патент РФ №2510470, МПК F16D 43/208, 2006 г.).
Недостатком этого решения является невозможность передачи значительных по величине крутящих моментов от одного элемента узла к другому.
Известна гибкая муфта для валов, содержащая фланцы для каждого вала, соединенные между собой с помощью зажимных пальцев и упругого обода, состоящего из комплекта дисков, при этом под гайками зажимных пальцев установлены прижимные кольца, зафиксированные относительно зажимных пальцев квадратными посадочными поверхностями и выполненные с радиальным зазором 1,5-2,0 мм по наружному диаметру (см. патент РФ №95101242, МПК F16D 3/78, 1995 г.).
Недостаток этого решения - узел обеспечивает малые возможные отклонения в продольном и поперечном направлениях.
Известен узел соединения валов, состоящий из двух цилиндрических полумуфт, одна из которых выполнена с равномерно расположенными по окружности цилиндрическими отверстиями, а вторая - с выступами (см. патент РФ №2361129, МПК F16D 3/48, 2006 г.).
К недостаткам этого решения относятся невозможность передачи деталями узла больших крутящих моментов и наличие малых возможных отклонений в продольном и поперечном направлениях.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является увеличение коэффициента полезного действия (КПД) передачи и возможность осуществления элементами узла перемещений, как в продольном, так и поперечном направлениях.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении свободного перемещения фланца относительно конусов в продольном направлении, исключая нежелательные воздействия на двигатель; в сравнительно свободном перемещении фланца относительно конусов в поперечном направлении, что приводит к увеличению КПД передачи по сравнению с аналогами.
Поставленная задача решается тем, что узел соединения валов, состоящий из двух цилиндрических полумуфт, одна из которых выполнена с равномерно расположенными по окружности отверстиями, а вторая - с выступами, отличается тем, что выступы выполнены в виде усеченных конусов, обращенных меньшим сечением ко второй полумуфте, при этом они размещены в сквозных конических отверстиях второй полумуфты, а зазор между выступами и стенками отверстий заполнен эластичным материалом, например резиной.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы полезной модели обеспечивают решение следующих функциональных задач.
Признак, указывающий на то, что «выступы выполнены в виде усеченных конусов», обеспечивает лучшую прочность соединения.
Признак, указывающий на то, что усеченные конусы обращены «меньшим сечением ко второй полумуфте», обеспечивает достаточную прочность соединения в жесткой заделке при передаче ударных и изгибных воздействий.
Признак, указывающий на то, что усеченные конусы «размещены в сквозных конических отверстиях второй полумуфты», обеспечивает свободное перемещение полумуфт относительно конусов в продольном направлении, исключая воздействия на двигатель; некоторое свободное перемещение полумуфт относительно конусов в поперечном направлении.
Признак, указывающий на то, что «зазор между выступами и стенками отверстий заполнен эластичным материалом, например резиной», обеспечивает гашение механических усилий и знакопеременных нагрузок за счет упругой деформации материала прокладок.
Таким образом, совокупность отличительных признаков полезной модели обеспечивает достижение технического результата, а именно свободного перемещения фланца относительно конусов в продольном направлении, исключая нежелательные воздействия на двигатель; в сравнительно свободном перемещении фланца относительно конусов в поперечном направлении, что приводит к увеличению КПД передачи по сравнению с аналогами.
Кроме того, подвижный узел обеспечивает равную прочность вала и соединительного звена, что позволяет передавать значительные по величине крутящие моменты, обладает меньшей стоимостью изготовления, простотой конструкции, ремонтопригодностью и возможностью установки на широкий спектр различных по назначению судов.
На фиг. 1 изображен продольный разрез узла соединения валов; на фиг. 2 – поперечный разрез по сечению А-А; на фиг. 3 – статический анализ напряжений при изгибе модели; на фиг. 4 – напряженное состояние модели при циклическом нагружении.
На чертежах показаны ведущий вал 1, цилиндрическая полумуфта 2, усеченные конусы 3, цилиндрическая полумуфта 4, отверстия 5, ведомый 6 вал 6, эластичный материал 7.
Узел соединения валов состоит из цилиндрической полумуфты 2 ведущего вала 1 и цилиндрической полумуфты 4 ведомого вала 6.
Полумуфта 2 ведущего вала 1 выполнена с выступами в виде усеченных конусов 3, а вторая полумуфта 4 ведомого вала 6 – с равномерно расположенными по окружности коническими отверстиями 5. Усеченные конусы 3 первой полумуфты 2 ведущего вала 1 обращены меньшим сечением ко второй полумуфте 4 ведомого вала 6 и размещены в сквозных конических отверстиях 5 второй полумуфты 4 ведомого вала 6. Зазор между усеченными конусами 3 и стенками отверстий 5 заполнен эластичным материалом, например резиной.
Количество усеченных конусов 3, материал и площадь их поперечного сечения (наименьший диаметр конусов) выбирается из условия равенства максимальных моментов валопровода и соединительного звена с конусами, который может выдержать конструкция.
(1)
(2)
(3)
п.в
где σ – нормативный предел текучести материала гребного вала;
п.к -
σ нормативный предел текучести материала конусов;
в
W – момент сопротивления сечения вала;
к
W – момент сопротивления наименьшего сечения конуса;
к
n - количество конусов;
в
d –диаметр гребного вала;
к
d – наименьший диаметр конуса.
Работа узла соединения валов осуществляется следующим образом.
Полумуфта 2 ведущего вала 1 посредством усеченных конусов 3, размещенных в сквозных конических отверстиях 5 второй полумуфты 4 ведомого вала 6, вращает промежуточный вал, приводя в движение следующий промежуточный вал, либо непосредственно движитель.
При ударном внешнем воздействии, направленном вдоль оси валопровода, возмущающая сила заставляет перемещаться ведомый вал 6 в сторону носа судна вдоль оси вращения. Так как усеченные конусы 3 свободно вставлены в сквозные конические отверстия 5 полумуфты 4 ведомого вала 6, полумуфта 4 ведомого вала 6 свободно перемещается вдоль оси вращения, не оказывая никаких воздействий на ведущий вал 1 и на двигатель.
Если внешние усилия направлены поперек оси вращения валопровода, вызывая его изгиб, в этом случае полумуфта 4 ведомого вала 6 со сквозными коническими отверстиями 5 совершает некоторое перемещение в сторону от общей оси вращения, затем возвращается в первоначальное положение, не оказывая воздействия на ведущий вал 1 благодаря конструктивным зазорам между усеченными конусами 3, передающими крутящий момент и стенками конических отверстий 5 полумуфты 4 ведомого вала 6, усеченные конусы 3 имеют некоторую свободу перемещений в поперечном направлении.
Механические усилия, в том числе знакопеременные нагрузки, гасятся за счет упругой деформации материала прокладок (эластичного материала 7, которым заполнены сквозные конические отверстия 5). При перемещении второй полумуфты 4 ведомого вала 6 со сквозными коническими отверстиями 5 узла соединения валов поперек вращения на некоторое заданное расстояние, она упирается эластичным материалом 7 в усеченные конусы 3 первой полумуфты 2 ведущего вала 1 и при дальнейшем перемещении происходит смятие эластичного материала 7, что защищает материалы полумуфт 2 и 4 и передающих вращающий момент валов 1 и 6 от динамических нагрузок.
Испытание твердотельной модели подвижного соединения валов, смоделированное в программном продукте Solidwork, показало, что уровень напряженного состояния (см. фиг.3, 4) относительно невысок в сравнении с жестким закреплением валов, что в значительной мере предотвращает возможные остаточные изгибные деформации валопровода при случайных динамических воздействиях на винт. Качественная картина усталостных нагружений при кручении показывает, что передача крутящего момента от одного участка вала к другому происходит без видимых потерь, напряжения и деформации по валу распределены достаточно равномерно. Циклическая прочность элементов испытываемой модели заведомо должна быть обеспечена конструктивными зазорами.