ОБГОННАЯ МУФТА ДВУХСТОРОННЕГО ДЕЙСТВИЯ СО ШТИФТАМИ И СОБАЧКАМИ
DOUBLE-ACTING FREEWHEEL CLUTCH WITH PINS AND DOGS

Область техники настоящего изобретения
Настоящее изобретение относится к обгонной муфте. В частности, настоящее изобретение относится к муфте, конструкция которой обеспечивает улучшенное управление включением муфты, а также невысокие нагрузки, более равномерно распределенные на поверхностях сцепления муфты.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Муфты находят широкое применение в различных областях для выборочного включения и выключения приводного устройства, например двигателя, от исполнительного устройства (например, конвейера или барабана для наматывания шлангов или кабелей) для передачи крутящего момента от приводного устройства на исполнительное устройство. Во многих муфтах включение и/или выключение происходит за счет действия электромагнитных сил, или гидравлически, или даже вручную пользователем. Такие способы приведения в действие делают управление более сложным и увеличивают затраты на такую муфту. Для устранения этого недостатка в других муфтах включение и/или выключение происходит механическим способом за счет, например, использования пружин и/или под действием на муфту внешних сил, например центробежной силы.
Одним традиционным типом муфты, в основу которой положено механическое приведение в действие, является центробежная муфта. В центробежной муфте радиальный внутренний элемент муфты соединен с приводным устройством. Когда частота вращения приводного устройства достигает заданного уровня, колодки, прикрепленные к внутреннему элементу муфты, перемещаются в радиальном направлении наружу, преодолевая усилие пружины, и входят в сцепление с радиальным наружным элементом муфты, соединенным с ведомым элементом. Однако центробежные муфты обладают несколькими недостатками. Во-первых, когда колодки входят в сцепление с поверхностью радиального наружного элемента, колодки скользят до тех пор, пока центробежная сила не достигнет достаточного уровня для передачи крутящего момента. Такое скользящее движение приводит к трению, которое увеличивает температуры внутри муфты и износ на поверхностях муфты. В результате износа образуются металлические частицы, которые истирают поверхности муфты и, тем самым, вызывают еще больший износ. Во-вторых, для достижения достаточной центробежной силы угловая скорость и масса колодок должны быть относительно высокими. В результате муфта получается относительно большой.
Другим традиционным типом муфты, в основу которой положено механическое приведение в действие, является храповая муфта. В этом типе муфты собачки входят в зацепление с пазами, образованными на поверхности одного из элементов муфты, либо за счет нагружения пружиной, либо за счет центробежной силы.
Однако этот тип муфты также обладает несколькими недостатками. Для выполнения пазов необходима обработка на специальных станках, а также термическая обработка для повышения твердости металла, что увеличивает затраты на производство и сложность. Пазы также имеют острые углы и кромки, которые действуют как концентраторы напряжений и снижают прочность и долговечность муфты. Кроме того, относительно плоские поверхности паза усложняют контроль точного положения зацепления собачек, а также при использовании нескольких собачек часто одна или более собачек входят в зацепление раньше других, что вызывает неравномерное распределение нагрузки. Также для выхода собачек из пазов необходимо относительное перемещение элементов муфты в обратном направлении для обеспечения достаточного зазора. Храповые муфты, в которых включение муфты обеспечивается действием центробежной силы, обладают и другими недостатками. В частности, при увеличении частоты вращения и при выходе собачек из зацепления предотвратить нежелательный контакт острых кромок собачек и пазов и, как следствие, повреждение и тех, и других сложно. Кроме того, собачки контактируют с поверхностями пазов на относительно высоких скоростях, тем самым создавая высокие ударные нагрузки. Для противодействия таким нагрузкам муфты выполняют с относительно большими размерами и из высокопрочных материалов, что увеличивает затраты.
Автор настоящего изобретения увидел необходимость в обгонной муфте, которая позволит уменьшить и/или устранить один или несколько указанных выше недостатков.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Предложена усовершенствованная муфта. В частности, представлена обгонная муфта, которая обеспечивает улучшенное управление включением и выключением муфты, а также невысокие нагрузки, более равномерно распределенные на поверхностях сцепления муфты.
Обгонная муфта в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения содержит внутренний элемент, расположенный на оси вращения, и наружный элемент, расположенный на оси вращения радиально снаружи внутреннего элемента. Муфта дополнительно содержит несколько штифтов, выступающих из радиальной внутренней поверхности наружного элемента и радиальной наружной поверхности внутреннего элемента. Наконец, муфта содержит собачку, соединенную с одним из внутреннего и наружного элементов. Собачка выполнена с возможностью перемещения между положением зацепления, в котором собачка входит в зацепление с одним штифтом из нескольких штифтов для передачи крутящего момента между внутренним и наружным элементом, и положением расцепления, в котором собачка выходит из зацепления со штифтом для обеспечения относительного вращения внутреннего и наружного элементов. Согласно одному варианту осуществления муфта дополнительно содержит приводной орган, расположенный между внутренним и наружным элементами и предназначенный для зацепления с собачкой при вращении одного элемента и для приведения собачки в положение зацепления.
Обгонная муфта в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения содержит внутренний элемент, расположенный на оси вращения, и наружный элемент, расположенный на оси вращения радиально снаружи внутреннего элемента. Муфта дополнительно содержит несколько штифтов, выступающих из радиальной внутренней поверхности наружного элемента и радиальной наружной поверхности внутреннего элемента. Муфта дополнительно содержит первую собачку, соединенную с одним из внутреннего и наружного элементов. Первая собачка выполнена с возможностью перемещения при вращении одного элемента в первом направлении вращения из первого положения расцепления, в котором первая собачка выходит из зацепления с несколькими штифтами для обеспечения относительного вращения внутреннего и наружного элементов, в первое положение зацепления, в котором первая собачка входит в зацепление с первым штифтом из нескольких штифтов для обеспечения вращения другого элемента из внутреннего и наружного элементов в первом направлении вращения. Муфта дополнительно содержит вторую собачку, соединенную с одним элементом. Вторая собачка выполнена с возможностью перемещения при вращении одного элемента во втором направлении вращения, противоположном первому направлению вращения, из второго положения расцепления, в котором вторая собачка выходит из зацепления с несколькими штифтами для обеспечения относительного вращения внутреннего и наружного элементов, во второе положение зацепления, в котором вторая собачка входит в зацепление с одним из первого штифта и второго штифта из нескольких штифтов для обеспечения вращения другого элемента во втором направлении вращения. В соответствии с одним вариантом осуществления муфта также может дополнительно содержать приводной орган, расположенный между внутренним и наружным элементами и предназначенный для зацепления с первой собачкой при вращении одного элемента в первом направлении вращения и для приведения первой собачки в первое положение зацепления, и предназначенный для зацепления второй собачки при вращении одного элемента во втором направлении вращения и для приведения второй собачка во второе положение зацепления.
Обгонная муфта в соответствии с настоящим изобретением является преимущественной по сравнению с традиционными электрическими, гидравлическими муфтами или муфтами с ручным управлением, так как эта муфта является менее сложной и менее дорогостоящей. Также муфта является преимущественной по сравнению с традиционными механическими муфтами. В отличие от традиционных центробежных муфт отсутствует трение скольжения, что уменьшает нагрев и износ муфты. Кроме того, поскольку муфта согласно изобретению не зависит от частоты вращения приводного устройства, муфта имеет меньшие размеры по сравнению с традиционными центробежными муфтами, при этом обеспечивая передачу такого же крутящего момента. По сравнению с традиционными храповыми муфтами в муфте согласно изобретению не нужно выполнять пазы с острыми кромками на поверхности одного из элементов муфты, а также нет необходимости в создании относительного движения между элементами муфты для выхода собачек из пазов. В результате муфта является более простой и менее дорогостоящей при изготовлении, и при зацеплении на нее действуют более низкие напряжения. Кроме того, собачки входят в зацепление с штифтами при относительно точном расположении, тем самым обеспечивая относительно одинаковое распределение нагрузки.
Описанные выше и другие аспекты, признаки, детали, благоприятные эффекты и преимущества настоящего изобретения станут более понятными после прочтения описания и формулы изобретения, а также после изучения прилагаемых фигур.
Краткое описание фигур
На фиг. 1 представлено схематическое изображение системы, содержащей муфту в соответствии с идеями настоящего изобретения.
На фиг. 2A-B представлены виды в перспективе муфты в соответствии с одним вариантом осуществления представленных идей.
На фиг. 3 представлен вид в поперечном сечении муфты согласно фиг. 2A-B, выполненном по линиям 3-3 согласно фиг. 2A.
На фиг. 4 представлен разнесенный вид в перспективе нескольких компонентов муфты согласно фиг. 2-3.
На фиг. 5A-B представлены виды в поперечном сечении муфты согласно фиг. 2-3, выполненные по линиям 5-5 на фиг. 3, на которых показано включение и выключение муфты.
На фиг. 6A-B представлены виды в перспективе муфты в соответствии с другим вариантом осуществления представленных идей.
На фиг. 7 представлен разнесенный вид в перспективе муфты согласно фиг. 6A-B.
На фиг. 8 представлен вид в поперечном сечении муфты согласно фиг. 6, выполненном по линиям 8-8 на фиг. 6.
На фиг. 9A-B представлены виды в поперечном сечении муфты согласно фиг. 6-8, выполненные по линиям 9-9 на фиг. 8 и иллюстрирующие включение и выключение муфты.
На фиг. 10 представлен вид в перспективе пружины, используемой в муфте согласно фиг. 6-8.
На фиг. 11 представлен увеличенный вид в поперечном сечении части муфты согласно фиг. 6-8.
Подробное раскрытие вариантов осуществления настоящего изобретения
Согласно графическим материалам, где на различных видах одинаковые детали обозначены одинаковыми ссылочными позициями, на фиг. 1 показана система 10 выработки и передачи мощности. Система 10 содержит приводное устройство 12 для выработки мощности, используемой для приведения исполнительного устройства 14 в действие. Приводное устройство 12 может содержать традиционный двигатель, предусматривающий, например, электрический двигатель, гидравлический двигатель или пневматический двигатель. Устройство 12 может дополнительно содержать традиционную коробку передач или редуктор (который можно использовать совместно с электродвигателем для образования традиционного редукторного двигателя) для регулирования скорости и крутящего момента на выходе, передаваемого на исполнительное устройство 14. Устройство 12 может передавать крутящий момент через выходное звено 16, такое как вал или другое тело вращения, такое как зубчатое колесо, шкив или звездочка. Исполнительное устройство 14 может представлять собой, например, конвейер или барабан для намотки шланга, электрического кабеля или стального троса. Следует понимать, что конфигурация устройства 14 будет зависеть от области применения, и что устройство 14 может представлять собой любое устройство из широкого ряда устройств, предназначенных для получения входного крутящего момента. Устройство 14 может принимать крутящий момент через входное звено 18, такое как вал или другое тело вращения, такое как зубчатое колесо, шкив или звездочка. Система 10 может дополнительно содержать муфту 20 в соответствии с настоящим изобретением. Муфта 20 выборочно соединяет устройства 12, 14 для передачи выходного крутящего момента от устройства 12 к устройству 14. В частности, крутящий момент через выходное звено 16 устройства 12 поступает на муфту 20, и она выборочно передает крутящий момент на входное звено 18 устройства 14. Следует понимать, что выходное звено 16 может быть выполнено в устройстве 12 или муфте 20, и что аналогично входное звено 18 может быть выполнено в устройстве 14 или муфте 20.
На фиг. 2-4 показан один вариант осуществления муфты 20 в соответствии с настоящим изобретением. Муфта 20 представляет собой обгонную муфту, и в частности обгонную муфту двухстороннего действия. Обгонная муфта представляет собой механическую муфту, которая осуществляет приводное движение в одном направлении, при этом осуществляя свободный ход или обгон в противоположном направлении. В направлении обеспечения привода муфта также осуществляет свободный ход, если частота вращения исполнительного устройства превышает частоту вращения приводного устройства. Обгонные муфты двухстороннего действия могут осуществлять приводное движение и обгон в обоих направлениях. Одним из преимуществ обгонной муфты является то, что она позволяет осуществлять обгон при высоких инерционных нагрузках во время остановки и предотвращает всевозможные повреждения обратного хода, которые могут возникнуть в приводном устройстве 12. Муфта 20 может содержать внутренний элемент 22, наружный элемент 24, несколько входящих в зацепление с пружиной штифтов 26, несколько крепежных штифтов 28, несколько пружин 30, несколько штифтов 32 включения муфты и несколько собачек 34.
Внутренний элемент 22 предназначен для получения входного крутящего момента от выходного звена 16 приводного устройства 12, который может выборочно передаваться на наружный элемент 24 муфты 20, что будет более подробно описано ниже. Элемент 22 имеет кольцевую конструкцию и выполнен с возможностью установки в нем вала (не показан), проходящего от устройства 12 или к нему (например, вал может содержать входное звено 16 или он может быть соединен с входным звеном 16). Элемент 22 может содержать на валу шпоночный паз 36 или шпонку, выполненные с возможностью зацепления с сопрягаемой шпонкой или шпоночным пазом, соответственно, для соединения элемента 22 с валом для вращения вокруг оси 38 вращения. Диаметр радиальной наружной поверхности элемента 22 изменяется таким образом, что элемент 22 образует проходящий наружу в радиальном направлении фланец 40, расположенный на одном осевом или продольном конце элемента 22, и другой проходящий наружу в радиальном направлении фланец 42, расположенный между осевыми или продольными концами элемента 22. Фланец 42 может образовывать один или несколько проходящих в радиальном направлении по окружности и на расстоянии друг от друга каналов 44, в которые размещают установочные винты (не показаны), предназначенные для фиксации муфты 10 на валу. Согласно фиг. 4 фланцы 40, 42 образуют соосные отверстия 46, 48 и 50, 52, предназначенные для размещения в них противолежащих продольных концов штифтов 26, 28, соответственно. Согласно фиг. 3 часть 54 с меньшим диаметром элементов 22, расположенная между фланцами 40, 42, образует углубление 56, через которое проходят пальцы 26, 28, и которое выполнено с возможность размещения в нем пружин 30 и собачек 34, расположенных на штифтах 26 и 28, соответственно. Другая часть 58 с меньшим диаметром элемента 22 находится на противолежащем осевом конце элемента 22 и предназначена для размещения на ней части наружного элемента 24.
Наружный элемент 24 предназначен для передачи крутящего момента на исполнительное устройство 14. Элемент 24 имеет кольцевую конструкцию и расположен на оси 38 радиально снаружи внутреннего элемента 22. Элемент 24 образует часть 60 с меньшим диаметром на одном осевом или продольном конце элемента 24, размещаемую на части 58 внутреннего элемента 22. Между частью 60 элемента 24 и частью 58 элемента 22 может находиться тонкая пленка смазочного вещества. Альтернативно между элементами 58, 60 может быть расположен подшипник (например, подшипник скольжения или роликовый подшипник). Диаметр радиальной наружной поверхности части 60 может изменяться, образуя плечо 62, на которое может быть установлено зубчатое колесо или звездочка 64 для соединения с входным звеном 18 исполнительного устройства 14 как напрямую, так, например, и через ремень. Элемент 24 также образует часть 66 с увеличенным диаметром на противолежащем осевом или продольном конце элемента 24. Внутренний диаметр части 66 позволяет размещать на нем фланцы 40, 42 внутреннего элемента 22, при этом обеспечивая пространство под пальцы 32, расположенные в радиальном направлении наружу от фланцев 40, 42. Часть 66 образует пару проходящих в радиальном направлении стенок 68, 70 на противолежащих продольных концах части 66. В стенках 68, 70 образовано несколько расположенных по окружности на расстоянии друг от друга соосных отверстий 72, 74, соответственно, в которые входят противолежащие продольные концы штифтов 32, так что часть каждого штифта 32, находящаяся между продольными концами штифта 32 и направленная к собачкам 34, является открытой.
Входящие в зацепление с пружиной пальцы 26 обеспечивают средство для фиксации одного конца каждой пружины 30, так что пружины 30 могут удлиняться и возвращаться в ненагруженное состояние. Продольные концы штифтов 26 могут входить в отверстия 46, 48, соответственно, выполненные во фланцах 40, 42 внутреннего элемента 22. Согласно показанному варианту осуществления входящих в зацепление с пружиной штифтов 26 вдвое меньше, чем крепежных штифтов 28, и пальцы 26, 28 расположены таким образом, что один входящий в зацепление с пружиной штифт 26 расположен по окружности между двумя крепежными штифтами 28. Каждый входящий в зацепление с пружиной штифт 26 может быть выполнен с возможностью фиксации конца двух пружин 30 (т.е. конца пружины, располагаемого на каждом из смежных крепежных штифтов 28).
Крепежные пальцы 28 обеспечивают средство для крепления пружин 30 и собачек 34 на внутреннем элементе 22. Продольные концы штифтов 26, 28 могут входить в отверстия 48, 52, соответственно, выполненные во фланцах 40, 42 внутреннего элемента 22. Каждый крепежный штифт 28 выполнен с возможностью удержания одной пружины 30 и одной собачки 34 и образует ось 76, вокруг которой может поворачиваться собачка 34, что будет более подробно описано ниже.
Пружины 30 предназначены для смещения собачек 34 в положение расцепления (см. фиг. 5A). Пружины 30 могут представлять собой традиционные цилиндрические пружины. Пружина 30 может быть расположена на каждом установочном пальце 28. Согласно фиг. 4 пружины 30 могут быть расположены с обеих сторон соответствующей собачки 34 стороной, определенной положением собачки 34. Каждая пружина 30 может иметь первый конец, соединяемый с входящим в зацепление с пружиной штифтом 26, и второй конец, соединяемый с собачкой 34. Альтернативно конец, соединяемый с входящим в зацепление с пружиной штифтом 26, может быть соединен с поверхностью элемента 22.
Пальцы 32 включения муфты обеспечивают средство для выборочного сцепления собачек 34 с наружным элементом 24 для соединения внутреннего и наружного элемента 22, 24 для обеспечения вращения. Пальцы 32 могут представлять собой установочные штыри. Противолежащие продольные концы каждого штифта 32 входят в отверстия 72, 74 в стенках 68, 70, соответственно, элемента 24, так что собачки 34 могут зацеплять закругленную поверхность каждого штифта 32, находящуюся между продольными концами штифта 32. Применение штифтов 32 с закругленными поверхностями в отличие от традиционных пазов, образованных на поверхности наружного элемента 24, представляет собой существенное усовершенствование традиционных муфт. Применение штифтов 32 упрощает производство наружного элемента 24 и исключает необходимость термической обработки поверхности элемента 24. Устранение острых углов и кромок, характерных для обычных пазов, снижает нагрузку на муфту, тем самым повышая прочность и долговечность муфты, и позволяет предотвращать нежелательный контакт между собачками 34 и наружным элементом 24 и возникновение в результате этого повреждений. Кроме того, закругленные поверхности штифтов 32 упрощают управление положением зацепления собачками 34, тем самым обеспечивая более равномерное распределение нагрузки и снижение ударных нагрузок, позволяющее уменьшить размер муфты и затраты на ее производство.
Также применение штифтов 32 вместо традиционных пазов позволяет уменьшить зазор, требуемый для выхода собачек 34 из зацепления, и, следовательно, устраняет необходимость относительного движения между внутренним и наружным элементами муфты для ее выключения.
Собачки 34 предназначены для зацепления с штифтами 32 для передачи крутящего момента от внутреннего элемента 22 на наружный элемент 24. Каждая собачка 34 расположена на установочном пальце 28 и поворачивается вокруг оси 76 вращения, проходящей через штифт 28. Согласно фиг. 5A каждая собачка 34 в поперечном сечении может образовывать радиальную внутреннюю и наружную поверхности 78, 80, которые по существу являются прямыми и проходят по существу параллельно друг другу. Поверхности 78, 80 проходят по окружности относительно оси 38 или оси 76, когда собачка 34 находится в положении расцепления, как показано на фиг. 5A, а радиальная наружная поверхность 80 может быть длиннее радиальной внутренней поверхности 78. Собачка 34 может дополнительно образовывать поверхность 82, проходящую в целом в радиальном направлении относительно оси 38 или оси 76 между поверхностями 78, 80, то есть по существу прямую, но изгибающуюся на каждом из концов для соединения с поверхностями 78, 80. Собачка 34 может дополнительно образовывать изогнутую, вогнутую поверхность 84, один конец которой проходит от конца поверхности 78, противоположного концу, на котором поверхность 78 соединяется с поверхностью 82. Наконец, собачка 34 может образовывать поверхность 86 зацепления, проходящую между противоположным концом вогнутой поверхности 84 и поверхности 80. Поверхность 86 зацепления может быть изогнутой и образует дугообразный сегмент окружности, имеющий общий центр с отверстием в собачке 34, через которое проходит крепежный штифт 28 (т.е. его центр находится на оси 76), тем самым обеспечивая выключение муфты без относительного движения между элементами 22, 24. Альтернативно центр поверхности 86 зацепления необязательно должен совпадать с центром отверстия (что приводит к увеличению интенсивности крутящего момента), если для выключения муфты допускается относительное движение. Хотя в настоящем документе была описана конкретная конфигурация собачки 34, следует понимать, что собачка 34 может иметь разные конфигурации. Собачки 34 могут быть сконфигурированы или выполнены таким образом, чтобы центр тяжести (показан точкой 88 на фиг. 5A) был смещен от оси 76, и, в частности, таким образом, чтобы расстояние в радиальном направлении от оси 38 вращения до центра 88 тяжести было больше расстояния в радиальном направлении от оси 38 до оси 76, вокруг которой поворачивается собачка 34. При увеличении частоты вращения приводного устройства 12, и как следствие увеличении частоты вращения внутреннего элемента 22 муфты 16, угловое ускорение (т.е. скорость, при которой увеличивается частота вращения) передается через крепежные пальцы 28 на собачки 34, создавая вектор 90 силы, выходящий из оси 76. В противоположном направлении создается соответствующий вектор 92 реакции силы, выходящий из центра 88 тяжести собачки 34. Так как выходные точки смещены, векторы силы складывают для обеспечения вращения собачки 34 до тех пор, пока поверхность 86 зацепления собачки 34 не войдет в зацепление с одним из штифтов 32 в положении зацепления, как показано на фиг. 5B. После зацепления трение между собачкой 34 и штифтом 32 поддерживает зацепление до снятия движущего крутящего момента. Так как собачки 34 приводятся в действие за счет углового ускорения, а не за счет частоты вращения, как это происходит в центробежной муфте или традиционной храповой муфте, собачки 34 входят в зацепление быстрее и до того, как приводное устройство 12 разовьет нормальную рабочую скорость. Как следствие, ударные нагрузки уменьшаются по сравнению с нагрузками, действующими в традиционных центробежных и храповых муфтах, а общий размер муфты можно уменьшить.
Для обеспечения зацепления двухстороннего действия собачки 34 расположены двумя группами. В частности, пары собачек 34A, 34B расположены по окружности рядом друг с другом на крепежных штифтах 28, которые расположены на обеих сторонах входящего в зацепление с пружиной штифта 26. Собачки 34A, 34B расположены в противоположных положениях. Вращение элемента 22 в одном направлении вращения (против часовой стрелки согласно показанному варианту осуществления) вызывает перемещение собачки 34A (посредством вращения по часовой стрелке вокруг оси 76) из положения расцепления, показанного на фиг. 5A, в котором собачка 34A выходит из зацепления с штифтами 32 для обеспечения относительного вращения внутреннего и наружного элементов 22, 24, в положение зацепления, показанное на фиг. 5B, в котором собачка 34A входит в зацепление с одним из штифтов 32 для обеспечения вращения элемента 24 в том же (против часовой стрелки) направлении вращения. За счет противоположного положения собачки 34B вращение по часовой стрелке собачки 34B, обусловленное векторами 90, 92 силы, предотвращает перемещение собачки 34B в положение зацепления. Вращение элемента 22 в противоположном направлении вращения (по часовой стрелке согласно показанному варианту осуществления) вызывает перемещение собачки 34B (посредством вращения против часовой стрелки вокруг оси 76) из положения расцепления, показанного на фиг. 5A, в котором собачка 34B выходит из зацепления с штифтами 32 для обеспечения относительного вращения внутреннего и наружного элементов 22, 24, в положение зацепления, в котором собачка 34B входит в зацепление с одним из штифтов 32 для обеспечения вращения элемента 24 в том же (по часовой стрелке) направлении вращения. Опять-таки за счет противоположного положения собачки 34A вращение против часовой стрелки собачки 34A, обусловленное векторами 90, 92 силы, предотвращает перемещение собачки 34A в положение зацепления.
Следует понимать, что положение и работу муфты 20 можно менять различными способами. Например, согласно показанному варианту осуществления пружины 30 смещают собачки 34 в положение расцепления, и угловое ускорение, возникающее в результате вращения внутреннего элемента 22, обеспечивает перемещение собачек 34 в положение зацепления с штифтами 32. Согласно альтернативному варианту осуществления, предназначенному для применения в качестве муфты ограничения обратного хода, пружины 30 могут смещать собачки 34 в положение зацепления, тогда как угловое ускорение, возникающее в результате вращения внутреннего элемента 22, обеспечивает перемещение собачек 34 в положение расцепления. Согласно этому варианту осуществления собачки 34 выполнены таким образом, что центр тяжести смещен от оси 76 и, в частности, так, что расстояние в радиальном направлении от оси 38 вращения до центра 88 тяжести меньше расстояния в радиальном направлении от оси 38 до оси 76, вокруг которой поворачивается собачка 34. Как следствие, объединение векторов 90, 92 силы перемещает собачки 34 в положение расцепления. Согласно одному варианту исполнения такой конфигурации все собачки 34 могут находиться в одном положении (в отличие от противоположных положений собачек 34A, 34B согласно показанному варианту осуществления), так что муфта может действовать как муфта ограничения обратного хода, а не как обгонная муфта двухстороннего действия. Такая муфта обладает несколькими преимуществами перед традиционной муфтой ограничения обратного хода с заклиниванием или роликовой муфтой ограничения обратного хода со звездообразным внутренним кольцом, поскольку эта муфта обеспечивает более интенсивный крутящий момент при более простой конструкции и меньших затратах. Согласно другому альтернативному варианту осуществления пальцы 32 могут быть расположены на радиальной наружной поверхности внутреннего элемента 22, а собачки 34 установлены на наружном элементе 24. Собачки 34 могут быть выполнены таким образом, что центр тяжести обуславливает требуемое вращение собачек 34 для зацепления или выхода из зацепления с штифтами 32 (опять-таки в зависимости от того, смещены ли собачки в положение расцепления или положение зацепления, соответственно).
На фиг. 6-8 показана муфта 94 в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Муфта 94 может содержать внутренний элемент 96, наружный элемент 98, приводной орган 100, несколько входящих в зацепление с пружиной штифтов 102, несколько крепежных штифтов 104, несколько пружин 106, несколько штифтов 108 включения муфты и несколько собачек 110. Муфта 94 предназначена для применения в устройствах с низкой частотой вращения, в отличие от муфты 20, в которой для перемещения собачек 110 из положения расцепления в положение зацепления может понадобиться помощь.
Внутренний элемент 96 предназначен для передачи крутящего момента на входное звено 18 исполнительного устройства 14. Элемент 96 имеет кольцевую конструкцию и выполнен с возможностью установки в нем вала (не показан), проходящего от устройства 14 или к нему (например, вал может содержать выходное звено 18 или он может быть соединен с входным звеном 18). Элемент 96 может содержать на валу несколько шлицов 112 (см. фиг. 6), предназначенных для входа в сопрягаемую группу шлицов, для соединения элемента 96 с валом для вращения вокруг оси 114 вращения. Диаметр радиальной наружной поверхности элемента 96 меняется таким образом, что элемент 96 образует проходящие наружу в радиальном направлении фланцы 116, 118, расположенные на противолежащих осевых или продольных концах элемента 96. Во фланцах 116, 118 образовано несколько расположенных по окружности на расстоянии друг от друга соосных отверстий 120, 122, соответственно, в которые входят противолежащие продольные концы штифтов 108, так что часть каждого штифта 108, находящаяся между продольными концами штифта 108 и направленная к собачкам 110, является открытой.
Наружный элемент 98 предназначен для получения входного крутящего момента от выходного звена 16 приводного устройства 12, который может выборочно передаваться на внутренний элемент 96 муфты 94, что будет более подробно описано ниже. Элемент 98 имеет кольцевую конструкцию и выполнен с возможностью установки в нем внутреннего элемента 96 и части приводного органа 100. Элемент 98 расположен на оси 114 радиально снаружи внутреннего элемента 96. Элемент 98 имеет отверстие 124 и выполнен с возможностью установки в нем вала (не показан), проходящего от устройства 12 или к нему (например, вал может содержать входное звено 16 или он может быть соединен с входным звеном 16). Однако следует понимать, что элемент 98 может альтернативно представлять собой ведомое зубчатое колесо или шкив, прикрепленный к наружному элементу 98. Элемент 98 дополнительно выполнен с возможностью установки в нем входящих в зацепление с пружиной штифтов 102 и крепежных штифтов 104. В частности, в радиально проходящей стенке 126 образованы отверстия 128, 130, в которые входит один продольный конец штифтов 102, 104, соответственно. В радиальной внутренней поверхности элемента 98 дополнительно выполнено несколько проходящих в продольном или осевом направлении углублений 132, предназначенных для установки в них штифтов 104.
Приводной орган 100 предназначен для приведения собачек 110 в зацепление с штифтами 108 при вращении наружного элемента 98 под действием приводного крутящего момента, создаваемого приводным устройством 12, или под действием внешней силы, действующей на приводной орган 100. Приводной орган 100 имеет кольцевую конструкцию и установлен на оси 114. Несколько магнитов 134 могут проходить от одной стороны приводного органа 100 и могут использоваться для создания относительного вращения между приводным органом 100 и наружным элементом 98 (например, за счет прикладывания внешней силы). Несколько выступов 136 выходят из противолежащей стороны приводного органа 100 и входят в наружный элемент 98. В частности, как показано на фиг. 9A-B, выступы 136 расположены по окружности между двумя собачками 110, так что при относительном вращении между наружным элементом 98 и приводным органом 100 выступы 136 входят в зацепление с собачками 110 и приводят собачки 110 в зацепление с штифтами 108. Хотя выступы 136 имеют по существу прямоугольное поперечное сечение согласно показанному варианту осуществления, следует понимать, что форма выступов 136 может быть другой, например, может предусматривать закругленные пальцы. Приводной орган 100 может находиться в зацеплении за счет сил трения с неподвижным элементом в приводном или исполнительном устройстве 12, 14 или с другим неподвижным объектом, так что вращение наружного элемента 98 обеспечивает период относительного вращения, во время которого собачки 110 входят в зацепление с выступами 136 за счет вращения наружного элемента 98. При зацеплении собачек 110 с выступами 136 приводной орган 100 вращается вместе с наружным элементом 98. Приводной орган 100 может находиться в зацеплении за счет сил трения с неподвижным элементом за счет электромагнитной силы или магнитной силы, гидравлической силы или силы пружины. Приводной орган 100 может возвращаться в это положение, когда пружины 106, которые перемещают собачки 110 и, следовательно, выступы 136 обратно в положение расцепления, больше не создают крутящий момент. Альтернативно для возврата приводного органа 100 в положение, в котором выступы 136 выведены из зацепления с собачками 110, можно использовать отдельную пружину (не показана) или обратное вращение элемента 98.
Входящие в зацепление с пружиной пальцы 102 обеспечивают средство для фиксации пружин 106, так что пружины 106 могут удлиняться и возвращаться в ненагруженное состояние. Продольные концы штифтов 102 могут входить в отверстия 128 в стенке 126 наружного элемента 98. Согласно показанному варианту осуществления входящих в зацепление с пружиной штифтов 102 вдвое меньше, чем крепежных штифтов 104, и пальцы 102, 104 расположены таким образом, что один входящий в зацепление с пружиной штифт 102 расположен по окружности между двумя крепежными штифтами 104.
Крепежные пальцы 104 обеспечивают средство для крепления собачек 110 на наружном элементе 98. Продольные концы штифтов 104 могут входить в отверстия 130 в стенке 126 наружного элемента 98 и могут быть вставлены с посадкой с натягом внутри отверстий 130. Каждый крепежный штифт 104 выполнен с возможностью удержания одной собачки 110 и образует ось, вокруг которой собачка 110 может поворачиваться, что будет более подробно описано ниже.
Пружины 106 предназначены для смещения собачек 110 в положение расцепления (см. фиг. 9A). Согласно фиг. 10-11 пружины 106 могут предусматривать листовую пружину, радиальная внутренняя сторона которой предназначена для размещения в ней штифта 102, а радиальная наружная сторона предназначена для зацепления собачек 110 с каждой стороной штифта 102 для фиксации собачек 110 и смещения собачек 110 в положение расцепления. Зацепление собачки 110 с выступом 136 приводного органа 100 приводит собачку 110 в положение зацепления (см. фиг. 9B), преодолевая усилие пружины 106. Следует понимать, что пружины 106 могут иметь различные формы. Например, пружины 106 могут предусматривать цилиндрические пружины, расположенные на крепежных штифтах 104, и один конец которых соединен с соответствующей собачкой 110, а другой конец - с входящим в зацепление с пружиной штифтом, как в муфте 20, или с поверхностью элемента 98.
Пальцы 108 включения муфты обеспечивают средство для выборочного сцепления собачек 110 с внутренним элементом 96 для соединения внутреннего и наружного элемента 96, 98 для обеспечения вращения. Пальцы 108 могут представлять собой установочные штыри. Противолежащие продольные концы каждого штифта 108 входят в отверстия 120, 122 во фланцах 116, 118, соответственно, элемента 96, так что собачки 110 могут зацеплять закругленную поверхность каждого штифта 108, находящуюся между продольными концами штифта 108. Опять-таки применение штифтов 108 с закругленными поверхностями в отличие от традиционных пазов, образованных на поверхности внутреннего элемента 96, представляет собой существенное усовершенствование традиционных муфт. Применение штифтов 108 упрощает производство внутреннего элемента 96 и исключает необходимость термической обработки поверхности элемента 96. Устранение острых углов и кромок, характерных для обычных пазов, снижает нагрузку на муфту, тем самым повышая прочность и долговечность муфты, и позволяет предотвращать нежелательный контакт между собачками 110 и наружным элементом 96 и возникновение в результате этого повреждений. Кроме того, закругленные поверхности штифтов 108 упрощают управление положением зацепления собачками 110, тем самым обеспечивая более равномерное распределение нагрузки и снижение ударных нагрузок, позволяющее уменьшить размер муфты и затраты на ее производство. Также применение штифтов 108 вместо традиционных пазов позволяет уменьшить зазор, требуемый для выхода собачек 110 из зацепления, и, следовательно, устраняет необходимость относительного движения между внутренним и наружным элементами муфты для ее выключения.
Собачки 110 предназначены для зацепления с штифтами 108 для передачи крутящего момента от наружного элемента 98 на внутренний элемент 96. Каждая собачка 110 расположена на установочном пальце 104 и поворачивается вокруг оси вращения, проходящей через штифт 104. Согласно фиг. 9A каждая собачка 110 в поперечном сечении может образовывать радиальную внутреннюю и наружную поверхности 138, 140, которые по существу являются прямыми и проходят по существу параллельно друг другу. Поверхности 138, 140 проходят по окружности относительно оси 114 и оси вращения установочного штифта 104, когда собачка 110 находится в положении расцепления, как показано на фиг. 9A. Радиальная наружная поверхность 140 короче радиальной внутренней поверхности 138 и расположена между окружными концами собачки 110. Собачка 110 дополнительно образует вогнутую поверхность 142, предназначенную для размещения в ней установочного штифта 104, и которая расположена на одной стороне окружности наружной поверхности 140. Собачка 110 дополнительно образует изогнутую или дугообразную поверхность 144, предназначенную для зацепления с выступом 136 на приводном органе 100, и которая расположена на противоположной стороне окружности наружной поверхности 140. Собачка 110 дополнительно образует поверхность 146 зацепления, проходящую между изогнутой поверхностью 144 и наружной поверхность 140. Поверхность 146 зацепления может быть изогнутой и образует дугообразный сегмент окружности, имеющий общий центр с окружностью, образованной поверхностью 142, центр которой находится на оси, проходящей через штифт 104, тем самым обеспечивая выключение муфты без относительного движения между элементами 96, 98. Альтернативно поверхность 146 зацепления необязательно должна совпадать с поверхностью 142 (что приводит к увеличению интенсивности крутящего момента), если для выключения муфты допускается относительное движение. Хотя в настоящем документе была описана конкретная конфигурация собачки 110, также следует понимать, что собачка 110 может иметь разные конфигурации. Как было описано выше, при вращении наружного элемента 98 под действием приводного крутящего момента между наружным элементом 98 и приводным органом 100 возникает относительное движение. Как показано на фиг. 9B, поверхность 144 входит в зацепление с соответствующим выступом 136, обеспечивая поворот собачки 110 вокруг оси вращения установочного штифта 104. Это действие обеспечивает зацепление поверхности 146 зацепления со штифтом 108 для передачи крутящего момента на внутренний элемент 96 и исполнительное устройство 14. После зацепления трение между собачкой 110 и штифтом 108 поддерживает зацепление до снятия движущего крутящего момента или возникновения условия обгона. Затем пружины 106 перемещают собачки 110 обратно в положение расцепления, как показано на фиг. 9A.
Для обеспечения зацепления двухстороннего действия собачки 110 расположены двумя группами.
В частности, пары собачек 110A, 110B расположены по окружности рядом друг с другом на крепежных штифтах 104, которые расположены на обеих сторонах входящего в зацепление с пружиной штифта 102. Собачки 110A, 110B расположены в противоположных положениях. Вращение элемента 98 в одном направлении вращения (по часовой стрелке согласно показанному варианту осуществления) вызывает перемещение собачки 110A (посредством вращения по часовой стрелке вокруг оси штифта 104) из положения расцепления, показанного на фиг. 9A, в котором собачка 110A выходит из зацепления с штифтами 108 для обеспечения относительного вращения внутреннего и наружного элементов 96, 98, в положение зацепления, показанное на фиг. 9B, в котором собачка 110A входит в зацепление с одним из штифтов 108 для обеспечения вращения элемента 96 в том же (по часовой стрелке) направлении вращения. Вращение элемента 98 в противоположном направлении вращения (против часовой стрелки согласно показанному варианту осуществления) вызывает перемещение собачки 110B (посредством вращения против часовой стрелки вокруг оси штифта 104) из положения расцепления, показанного на фиг. 9A, в котором собачка 110B выходит из зацепления с штифтами 108 для обеспечения относительного вращения внутреннего и наружного элементов 96, 98, в положение зацепления, в котором собачка 110B входит в зацепление с одним из штифтов 108 для обеспечения вращения элемента 96 в том же (против часовой стрелки) направлении вращения.
Обгонная муфта 20 или 94 в соответствии с настоящим изобретением является преимущественной по сравнению с традиционными электрическими, гидравлическими муфтами или муфтами с ручным управлением, так как эта муфта 20 или 94 является менее сложной и менее дорогостоящей. Также муфта 20 или 94 является преимущественной по сравнению с традиционными механическими муфтами. В отличие от традиционных центробежных муфт отсутствует трение скольжения, что уменьшает нагрев и износ муфты. Кроме того, поскольку муфта 20 или 94 согласно изобретению не зависит от частоты вращения приводного устройства, муфта имеет меньшие размеры по сравнению с традиционными центробежными муфтами, при этом обеспечивая передачу такого же крутящего момента. По сравнению с традиционными храповыми муфтами в муфте согласно изобретению не нужно выполнять пазы с острыми кромками на поверхности одного из элементов муфты, а также нет необходимости в создании относительного движения между элементами муфты для выхода собачек из пазов. В результате муфта 20 или 94 является более простой и менее дорогостоящей при изготовлении, и при зацеплении на нее действуют более низкие напряжения. Кроме того, собачки 34 или 110 входят в зацепление с штифтами 32 или 108 при относительно точном расположении, тем самым обеспечивая относительно одинаковое распределение нагрузки.
Хотя настоящее изобретение было подробно показано и описано на основе одного или нескольких конкретных вариантов его осуществления, специалисту в области техники, к которой относится настоящее изобретение, будут понятны различные модификации и изменения, не выходящие за пределы объема и сути настоящего изобретения.