Пружинная муфта

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам для соединения вращающихся валов и может найти применение в химической, нефтехимической, пищевой, фармакологической, энергетической, машиностроительной, автомобильной и других отраслях промышленности при передаче вращения от двигателя к редуктору или от редуктора к валу.
Известна конструкция втулочной упругой муфты, состоящей из корпуса, внутри которого выполнены отверстия с каналами для подачи масла под высоким давлением, которое нагнетается между точно обработанными поверхностями на стыке цапф валов и отверстием втулки. Давление масла вызывает упругую деформацию втулки, а осевое усилие приведёт к осевому перемещению соединяемых концов валов относительно корпуса. После снятия давления масла вилы упругости материала втулки зажимают концы соединяемых валов. (Ф. Стренк. Перемешивание и аппараты с мешалками. – Химия: Ленинградское отделение, 1975, 384 с. стр. 79).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность и длительность установки описанной муфты при соединении концов двух валов, требуется применение масляных насосов высокого давления. Тот же недостаток возникает при разделении концов двух валов. Это увеличивает время ремонта, монтажа и демонтажа, что уменьшает основное время работы и производительность.
Известна пружинная муфта, которая содержит ведущую и ведомую полумуфту, которые могут перемещаться шлицем валов. Полумуфты соединены винтовой пружиной. Концы винтовых пружин закреплены в прорезях муфт на торцевых фланцах, на плоскостях зацепления которых имеются амортизирующие прокладки [Патент РФ №2639930 F16D47/02, 2017г.].
К причинам, препятствующим достижению этой заданного технического результата, относится сложность и длительность установки описанной муфты при соединении концов двух валов и при их разделении, а также возможность истирания их концов при работе. Это увеличивает время ремонта, монтажа и демонтажа, что уменьшает основное время работы, а, следовательно, производительность.
Известна втулка из низкотемпературного сплава, обладающего эффектом памяти, внутренний диаметр которой на 4% меньше наружного диаметра соединяемых изделий. Втулка помещается в жидкий азот и растирается дорном так, что её внутренний диаметр в охлаждённом состоянии становится больше примерно на 4% наружного диаметра соединяемых изделий при нормальной температуре. Концы соединяемых изделий сводят внутри отверстия охлаждённой трубки, которая отогреваясь до нормальной температуры, уменьшает свой диаметр и сжимает концы соединяемых изделий, обеспечивая прочное соединение (Физические эффекты в машиностроении. Справочник. – М.: Машиностроение, 1993-224 с.; стр. 151-152).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится длительность подготовки соединяемых валов, связанная с обеспечением соосности валов и нейтрализации перекоса их, относительно друг друга. Эти подготовительные операции уменьшают основное время работы, а значит и производительность.
Техническим результатом предлагаемой конструкции пружинной муфты является увеличение производительности за счёт уменьшения времени монтажа и демонтажа соединяемых ею валов, а также за счёт уменьшения ударных нагрузок при пусковых моментах и переключении скоростей вращения ведомого и ведущего валов, которые она соединяет.
Поставленный технический результат достигается тем, что пружинная муфта, представляющая собой цилиндрическую втулку, выполненную из материала, обладающего эффектом памяти, диаметр отверстия которой при нормальной температуре меньше диаметра соединяемых валов, а при температуре выше температуры мартенситного превращения материала, из которого выполнена втулка, больше диаметра соединяемых валов на 4%, причем втулка выполнена в виде цилиндрической пружины, витки обоих концов которой, закрепляемые на соединяемых валах, плотно прижаты друг к другу и имеют при нормальной температуре внутренний диаметр, подчиняющийся выражению:
, (1)
где d и D – соответственно, внутренний диаметр обоих концов цилиндрической пружины, закрепляемых на соединяемых валах, и диаметр валов, м.
Выполнение муфты в виде цилиндрической пружины позволяет снизить требование к точности соосности соединительных валов и углов их перекоса друг относительно друга, что уменьшает время подготовки к их соединению пружинной муфтой, а также демпфирует в основное время работы пусковые моменты, ударные нагрузки и резкие изменения скоростей вращения ведущего и ведомого валов. Это увеличивает основное время работы, а значит и производительность.
Плотное без зазоров прижатие витков цилиндрической пружины друг к другу на обоих концах муфты, закрепляемых на соединяемых валах, обеспечивает максимальное соприкосновение поверхностей этих витков с наружной поверхностью соединяемых валов, что увеличивает силу сцепления этих поверхностей между собой, предотвращает проскальзывание витков цилиндрической пружины относительно поверхностей соединяемых валов, что способствует увеличению времени работоспособности, а значит и росту производительности.
Выполнение внутреннего диаметра витков обоих концов цилиндрической пружины, закрепляемых на соединяемых валах, соответствующего выражению (1) при нормальной температуре обеспечивает прочное соединение поверхности этих витков с поверхностями соединяемых валов, что обеспечивает передачу больших крутящих моментов от ведущего вала к ведомому без срывов и проскальзывания, что увеличивает основное время работы без остановок и ремонта и способствует росту производительности.
Уменьшение нижнего предела заявляемого отношения внутреннего диаметра витков цилиндрической пружины, закрепляемых на валах с диаметрами D и равного в выражении (1) , может привести к пластическим деформациям материала цилиндрической пружины, из которой изготовлена муфта, или материала валов. Это усложняет процессы монтажа и демонтажа пружинной муфты на обоих валах и может привести к потере работоспособности, то есть передачи крутящего момента от ведущей муфты к ведомой, то есть потребовать замены пружинной муфты, что сокращает основное время работы и производительность.
Увеличение верхнего предела заявляемого отношения внутреннего диаметра d витков цилиндрической пружины, закрепляемых на валах с диаметром D, и равного в выражении (1)  приводит к недостаточной прочности соединения поверхности этих витков с поверхностью валов, что может уменьшить передачу крутящего момента от ведущего вала к ведомому, проскальзыванию витков относительно валов и потере работоспособности пружинной муфты, это также уменьшает время основной работы и производительность.
На чертеже представлен общий вид предлагаемой конструкции пружинной муфты, выполненной из материала, обладающего эффектом памяти.
Пружинная муфта представляет собой  цилиндрическую пружину 1, витки обоих концов которой 2 и 3 плотно без зазоров прижаты друг к другу и закреплены на соединяемых валах 4 и 5. Внутренний диаметр d витков концов пружины 2 и 3 при нормальной температуре относительно наружного диаметра D валов 4 и 5 подчиняется выражению (1), а при температуре выше температуры мартенситного превращения материала, обладающего эффектом памяти из которого изготовлена муфта, витки концов 2 и 3 пружины 1, имеют внутренний диаметр d на 4% больше диаметра D валов 4 и 5.
Пружинная муфта соединяет валы 4 и 5 следующим образом.
Нагревают витки конца 3 муфты до температуры выше температуры мартенситного превращения материала, из которого она изготовлена. Внутренний диаметр d витков становится на 4% больше диаметра D вала 5 и конец 3 муфты свободно одевают в горячем состоянии на вал 5. Витки конца 3 муфты остывая после мартенситных превращений, стремятся вернуться к внутреннему диаметру d, который они имели при нормальной температуре и который меньше согласно выражению (1) наружного диаметра D вала 5. Это приводит к плотному прочному закреплению поверхности витков конца 3 муфты на поверхности вала 5.
Аналогично закрепляют витки конца 2 муфты на поверхности вала 4.
При демонтаже нагревают витки конца 2 цилиндрической пружины до температуры мартенситного превращения. Внутренний диаметр d витков конца 2 муфты увеличивается и становится на 4% больше наружного диаметра D вала 4 и витки конца 2 муфты легко снимаются с вала 4.
Также после нагревания до температуры мартенситного превращения витков конца 3 цилиндрической пружины 1 можно её снять с вала 5.
При работе передача крутящего момента от ведущего вала к ведомому передаётся через рабочие витки цилиндрической пружины 1, как и в известных упругих муфтах. За счёт упругих деформаций скручивания рабочих витков цилиндрической пружины 1 они предотвращают резкие изменения крутящего момента, пусковые режимы, переключения скоростей вращения или незапланированные ударные нагрузки, а при монтаже не требуют высокой точности соосности и углов перекоса валов 4 и 5.
Пример расчета и монтажа-демонтажа пружинной муфты предлагаемой конструкции.
Диаметр ведущего и ведомого валов 4 и 5 D=50 мм. Выбираем проволоку из материала, обладающего эффектом памяти, например, из стали 12Х18Н10Т, имеющей температуру мартенситного превращения 100°С [Физические эффекты в машиностроении. Справочник / Под общей редакцией В. А. Лукьянца. – М.: Машиностроение. – 1993, 224 с. стр. 150]. При нормальной температуре в холодном состоянии накручивают на стержень витки цилиндрической пружины 1 с внутренним диаметром d, определяемым по выражению (1):
то есть d=(0,910,93)50=45,546,5. Выбираем внутренний диаметр d витков цилиндрической пружины 1 d=46 мм, при этом витки концов 2 и 3 пружинной муфты, на которых будут закрепляться на валах 4 и 5, накручивают плотно друг к другу без зазора, а витки центральной части цилиндрической пружины 1 как у обычной цилиндрической пружины с зазором между смежными витками, например, равными толщине проволоки витков. Далее витки концов 2 и 3 цилиндрической пружины 1 нагревают до температуры выше температуры мартенситного превращения стали 12Х18Н10Т (t≥100°С) и в нагретом состоянии деформируют с увеличением внутреннего диаметра d на дорне (конической оправке) на 4%, по сравнению с наружными диаметрами валов 4 и 5. Тогда в горячем состоянии d=1,0450=52 мм.
Витки конца 2 муфты в горячем состоянии, имея внутренний диаметр d=52 мм, одевают на вал 4, а витки конца 3 муфты на вал 5, которые имеют наружный диаметр D=50 мм. После остывания до нормальной температуры, выходя из фазы мартенситного превращения в исходную фазу холодного состояния при нормальной температуре, витки концов 2 и 3 муфты стремятся вернуться к первоначальному внутреннему диаметру d=46 мм, а значит, упруго деформируясь, прижимаются к поверхности валов 4 и 5, имеющих наружный диаметр D=50 мм, создавая прочное неразъёмное соединение.
При вращении ведущего вала, например, вала 4, крутящий момент передаётся через центральные витки цилиндрической пружины 1, допускающей при монтаже несоосность валов 4 и 5 и их угловой перекос относительно друг друга. Эта способность упругих муфт известных конструкций сохраняется и в пружинной муфте предлагаемой конструкции. Плотное и прочное прижатие внутренней поверхности витков концов 2 и 3 муфты к поверхности валов 4 и 5 обеспечивает передачу крутящего момента от ведущего вала к ведомому без проскальзывания и срывов, особенно в пусковой период, возможных ударных нагрузок при торможении или переключении скоростей вращения.
Демонтаж пружинной муфты осуществляют следующим образом.
Нагревают витки концов 2 и 3 муфты до температуры мартенситного превращения стали 12Х18Н10Т (t≥100°С), при которой их внутренний диаметр d увеличивается до d=52 мм, и при таком диаметре d большем наружного диаметра D валов  5 и 5 равных 50 мм они легко снимаются с валов 4 и 5.
Таким образом, использование предлагаемой конструкции пружинной муфты увеличивает основное время работы, уменьшает время ремонта, монтажа и демонтажа и в целом ведёт к росту производительности.