УГЛОВАЯ ЗУБЧАТАЯ МУФТА ДЛЯ ПОДВИЖНЫХ ВАЛОВ
ANGULAR GEAR COUPLING FOR MOVABLE SHAFTS

Устройство относится к областям общего и транспортного машиностроения, в частности к механическим невыключаемым жестким муфтам для передачи крутящего момента. Предлагаемая зубчатая муфта передает посредством шестерен строго пропорциональное вращение от одного вала к другому с взаимно изменяемым угловым отклонением валов свыше 90°. Может использоваться в приводах машин самого широкого назначения и любой мощности, в том числе реверсивных и инвертивных.
Возможны конструктивные исполнения муфты практически с любым взаимным расположением валов в пространстве.
Для зацепления двух наклонных вращающихся валов в технике широко применяют конические зубчатые передачи с фиксированным межосевым углом, обладающие общим недостатком. Нельзя менять угол наклона осей валов при условии неразрывности зубчатого зацепления. В лучшем случае изменяется угол между валами, сдвигающимися по дугам окружностей. Оси таких валов - подвижные, образующие конусы с постоянным углом. Например, две конические шестерни, перекатывающиеся по венцу третьей конической. Кроме того, валы требуют точного взаимного расположения и малых допусков на смещения. Зубчатые зацепления разрешают мизерные сдвиги осей шестерен, сохраняющие нормальные условия работы. В частности, это удержание заданной величины торцевого зазора в пределах допустимого отклонения.
Устройством, обеспечивающим соосность и некоторый угловой разворот валов в любом направлении, является крестовая шарнирная муфта (см. «Справочник по муфтам» под ред. В.С.Полякова, Л., Машиностроение Ленинградское отделение, 1979 г., стр.38). Она не зубчатого, а шарнирного типа. Состоит из двух полумуфт в виде двурогих вилок, введенных в постоянное подвижное зацепление посредством промежуточного передаточного звена-обоймы. Обойма выполнена в виде сборочного узла типа крестовины, шарнирно соединенной с концами вилок, которые повернуты перпендикулярно друг к другу. Крутящий момент передается парными шарнирами вилок при взаимодействии с обоймой. Крестовина при несоосных валах циклически отклоняется в двух перпендикулярных плоскостях, связанных с вилками. Муфта обеспечивает угловое отклонение валов до 45°, но вращение их при этом не синхронизировано. Возникают гармонические пульсации скорости, определяемые углом поворота вилки ведущей полумуфты и межосевым углом. Это генерирует изменение динамических нагрузок на детали муфты относительно их среднего значения и требует ограничения частоты вращения из-за попутного роста инерционных сил. Недостатком этого устройства является относительно малый угол предельного отклонения валов и существенная асинхронность их вращения. Росту предельного угла отклонения препятствует традиционная конструкция полумуфт и обоймы, не позволяющая дальнейшего его увеличения ввиду упора вращающихся двурогих вилок друг в друга и кинематические ограничения в относительных разворотах шарниров обоймы, связанные с векторами внутренних усилий.
Известен также универсальный шарнир постоянных скоростей: патент ЕР 0007318 А1 от 06.02.1980 г. Он похож на шарнирную муфту, т.к. тоже включает две полумуфты в виде двурогих вилок, введенных в зацепление с промежуточным передаточным звеном-обоймой. Но конструкция полумуфт и, особенно, обоймы более сложна. Боковые поверхности вилок снабжены двумя парами зубчатых секторов, а внутренние их поверхности сферически обработаны. В состав узла обоймы входят несколько пар полуосей с закрепленными на них специальными зубчатыми сегментами, два вложенных друг в друга кольца со сферическими наружными и внутренними поверхностями и вспомогательные детали. Передача вращающего момента от одной полумуфты к другой осуществляется через множество пар находящихся в зацеплении зубчатых сегментов и секторов при взаимодействии с несколькими сферическими шарнирами, образованными контактами полумуфт и концентрически вложенных друг в друга колец. Согласованное циклическое отклонение всех зубчатых элементов обоймы в процессе поворота полумуфт позволяет частично синхронизировать вращение валов в диапазоне межосевого угла до 36°. При этом разница в скоростях валов не превышает 24% от скорости ведущего вала.
Примем этот аналог за прототип, т.к. он наиболее близок к заявляемому устройству из-за использования зубчатых деталей. Недостатком данного шарнира также является малый угол предельного отклонения валов по причинам, изложенным ранее и подобным шарнирной муфте. Выравнивание скоростей вращения валов здесь лучше, чем у типовой шарнирной муфты, но полная синхронизация также невозможна. Зубчатые сектора и зубчатые элементы не являются полноповоротными и очень сложны в изготовлении из-за нестандартной геометрии. Они асимметричны в нескольких плоскостях, что порождает необходимость сугубо специального расчета их формы, условий размещения и зон разворота, а также учета характера динамического взаимодействия и износа.
В предлагаемом изобретении две главные цели новшеств: обеспечение возможности резкого увеличения диапазона углового отклонения сопрягаемых валов и поддержание строгого постоянства соотношения их угловых скоростей, полностью исключающее пульсацию скорости ведомого вала в процессе передачи крутящего момента (на всех режимах, независимо от величины межосевого угла). Причем под синхронностью здесь понимается не столько частный случай тождественного равенства угловых скоростей валов (с передаточным числом, равным единице), а именно полная пропорциональность изменения скорости ведомого по отношению к скорости ведущего. Данная муфта гарантирует однозначное и всегда фиксированное передаточное число.
Для этого радикально изменяется конструкция прототипа. Для передачи крутящего момента вместо сферических шарниров и качающихся зубчатых сегментов применены постоянные зубчатые зацепления с типовыми полноповоротными шестернями и стандартными подшипниками. Изобретение резко расширяет эксплуатационные возможности прототипа. Устройство качественнее выполняет все его функции с добавлением ряда новых свойств. Оно свободно от недостатков, присущих аналогам, типа шарнирной муфты (к которым относится и прототип) и вбирает в себя все преимущества зубчатого зацепления. Это полноценная муфта, т.к. монтируется исключительно на сопрягаемых вращающихся валах без связи с неподвижными звеньями. Преимущества реализуются как на остановленном механизме, так и в движении. Диапазон углового смещения валов в сравнении с прототипом возрастает более чем в три раза, и совершенно исключается пульсация нагрузок. Задача решается тем, что в предлагаемом устройстве изменяется как конструкция полумуфт, так и промежуточной обоймы. Вилки полумуфт заменяются шестернями. В составе передаточной обоймы новой конструкции также используются шестерни, смонтированные на оси, способной поворачиваться относительно обеих полумуфт. Полумуфты имеют взаимно пропорциональную окружную скорость, поскольку обе неразрывно контактируют с обоймой. Обойма может одновременно участвовать в двух движениях. Первое присутствует в основном режиме передачи вращения, т.к. обойма используется как передаточное звено в виде единой блок-шестерни-сателлита. Второе движение возникает при угловом смещении валов. Это видно, если остановить основное вращение и менять их положение. Заметно, что обойма, перекатываясь по зубьям полумуфт, одновременно разворачивается вокруг каждой полумуфты. В процессе отклонения валов и наличия основного вращения эти две скорости векторно складываются. Колебания абсолютной скорости обоймы не оказывают заметного влияния на передачу приводной мощности из-за громадной и, обычно, несопоставимой разницы в величинах модулей векторов этих скоростей. В реальных схемах приводов это некритично; для многих, в частности транспортных машин, приемлема передача мощности и в заведомо худших условиях (карданные валы). А при взаимной фиксации валов предлагаемая муфта полностью стабилизирует скорости: колебания оборотов ведомого вала при равномерной скорости входного принципиально невозможны, в чем существенное и очень ценное отличие от прототипа.
Изобретение поясняется следующими графическими материалами.
На Фиг.1 изображен чертеж одного из вариантов исполнения муфты.
На Фиг.2 показан альтернативный вариант компоновки и крепления муфты.
На Фиг.3 и Фиг.4 поясняется схема перемещения валов и осей устройства.
На Фиг.5 отражен один из вариантов схемы муфты с параллельными валами.
Вариант конструктивной реализации предлагаемого механизма показан на Фиг.1. Устройство соединяет вал с осью вращения «а» и вал, вращающийся вокруг оси «b». На чертеже приведено исходное положение, когда валы соосны. Оси их лежат в одной плоскости и пересекаются в центре муфты, точке «О». На концах сопрягаемых валов жестко закреплены соответствующие полумуфты «А» и «В», выполненные в виде конических шестерен. Они могут быть составными для обеспечения монтажа устройства на консольных валах агрегатов. Здесь пример жесткого фланцевого крепления на валу «а» и скользящего шлицевого соединения с валом «b». Муфта является единым узлом, неразрывно соединенным из нескольких деталей. Поэтому допустимо ее осевое крепление лишь к одному валу. Пусть, вал «а» будет ведущим, хотя принципиального значения это не имеет, муфта реверсивна и инвертивна. Вокруг оси вала «а» может свободно вращаться водило «Ка», выполненное в виде углового эксцентрикового рычага, связанного с полумуфтой «А» посредством подшипников. В подшипниковом узле на конце рычага водила «Ка» установлена свободно вращающаяся вокруг собственной оси «с» обойма «С». Она является промежуточным передаточным звеном и представляет собой тело вращения в виде оси с жесткой блок-шестерней конического типа, содержащей два, расположенных коаксиально оси зубчатых венца «Wa» и «Wb». Венцы введены в постоянное зацепление с полумуфтами «А» и «В» согласно их индексам. На ступице ведомой полумуфты «В» смонтировано второе поворотное водило «Kb», конструктивно аналогичное водилу «Ка». На водиле «Kb» также имеется подшипниковый узел для крепления второго конца оси обоймы «С». Ось «с» обоймы пересекает центр муфты и наклонена к оси каждого из валов под неизменным углом «φ», здесь одинаковым и равным 45°. Угол наклона оси задается однотипной конструкцией водил, в которых наклон оси подшипникового узла обоймы к оси сопрягаемого вала зафиксирован жесткостью рычагов водил. Жесткие водила позволяют обеспечить стабильность всех геометрических параметров зубчатых зацеплений при любом отклонении осей устройства. Таким образом, обойма установлена с возможностью соосного вращения обоих ее зубчатых венцов в подшипниках двух водил, принадлежащих разным валам. Венцы обоймы неподвижно скреплены друг с другом и развернуты в разные стороны. Однотипные элементы конструкции могут быть зеркальными относительно центра муфты. Это удобно в изготовлении и эксплуатации, но непохожие и разнотипные элементы обеспечивают зубчатой муфте новые дополнительные свойства, частично описанные или упомянутые далее. Поэтому на изображенном чертеже устройства полумуфты, зубчатые венцы обоймы, водила и способы крепления к валам различаются размерами или исполнением. Возможны и многие другие отличия, связанные с различной геометрией и размещением всех деталей муфты, а также с взаимной ориентацией осей механизма.
Устройство работает следующим образом. Пусть ось ведомого вала «b» неподвижна в пространстве. Вращающее усилие передается от ведущего вала «а» через шестерню-полумуфту «А» на зубчатые венцы «Wa», «Wb» обоймы-сателлита и далее на шестерню ведомой полумуфты «В». Начнем отклонять ведущий вал в любом радиальном направлении от положения соосности с ведомым. Изменение угла между валами сопровождается перекатыванием зубчатых венцов «Wa» и «Wb» обоймы по шестерням полумуфт. Обойма начинает относительное движение, поворачиваясь в центре муфты своей осью «с» вокруг осей полумуфт за счет соответствующего поворота водил «Ка» и «Kb». Помимо радиального отклонения вала «а» его можно одновременно поворачивать вокруг оси вала «b». При этом точка «n0», принадлежащая валу «а» начнет двигаться по окружности вокруг оси вала «b». Этот поворот ничем не ограничен и реализуется в пределах полного разворота на 360° в любую сторону, поскольку используются типовые шестерни. Поворот отклоненного вала «а» вокруг оси вала «b» здесь реализуется в точке «О» пересечения валов, т.е. в центре муфты. Ведущий вал «а», отклоняясь или поворачиваясь в ту или иную сторону, давит на водило «Ка» и всегда переустанавливает его вместе с обоймой «С» и водилом «Kb» в необходимое угловое положение. Это положение однозначно определяется углом отклонения и углом разворота вала «а». В отличие от прототипа здесь ведущий вал «а» способен отклоняться на существенно больший угол. Шестерни, находясь в постоянном зацеплении, работают при любом сдвиге их центров и в любом секторе взаимного контакта. Все подшипниковые узлы являются полноповоротными, все зазоры в зубчатых зацеплениях стабильны, т.к. обеспечиваются жесткостью водил и подшипниковыми узлами. Угловое отклонение оси вала «а» относительно оси вала «b» никак не связано с основным вращением валов, осуществимо в отсутствие их вращения и может быть любым: от фиксированного положения до разнонаправленного непериодического движения. Это перемещение, в общем случае, выполняется криволинейно и бесступенчато, но может разбиваться и на произвольные векторные отрезки с промежуточными остановками. Возможно воплощение муфты и в других вариантах, не рассмотренных здесь. Например, см. Фиг.2, где венцы обоймы развернуты в другие стороны, а водила расположены снаружи, дальше от центра муфты по сравнению с шестернями. Это позволит уменьшить габариты шестерен и применить обычный вид крепления полумуфт на валах по типу шарнирной муфты. Наклон оси обоймы вызван проблемой нейтрализации дифференциальных свойств механизма. Это обеспечено размещением точек зацепления полумуфт с венцами обоймы по разные стороны от общей оси валов. Угол «φ» рычагов водил может любым, а не только равным 45°; при этом произвольный наклон оси дает устройству некоторые дополнительные свойства и варианты конструктивной реализации. В частности, при неравных углах наклона водил может полностью исключаться положение соосности валов.
Рассмотрим кинематику механизма на упрощенной схеме Фиг.3, где видны реализуемые муфтой угловые движения и ограничения, накладываемые на них. Абстрагируясь от собственного вращения валов и их способности к постоянной передаче вращающего момента, представим муфту в виде некоего виртуального шарнира, соединяющего в точке «О» два отрезка «а» и «b». Отрезки имитируют сопрягаемые валы. Ось «с» обоймы условно входит в состав шарнира, отмеченного на схеме кружком, и отражается лишь ее направление относительно валов. Для определенности рассмотрим возможные перемещения точки «n0», принадлежащей валу «а» и находящейся на неизменном расстоянии «R» от центра муфты. Мысленно закрепим на месте оси «b» и «с». Поскольку ось вала «а» способна свободно поворачиваться относительно оси «с» обоймы с сохранением угла «φ», она движется по поверхности конуса с постоянным углом в центре «О», совпадая с его образующими. При этом крайним положением радиус-вектора данной точки будет отрезок «0-n1», характеризующий диаметрально противоположное перемещение оси «а» относительно оси «с». Поскольку угол «φ» здесь равен 45°, очевидно, что ось «а» ведущего вала, способная отклоняться из исходного положения на удвоенный угол «φ», становится перпендикулярной оси «b» ведомого (см. две проекции на Фиг.3). Но ось «с», в свою очередь, тоже способна поворачиваться вместе с осью «а» вокруг оси «b» на любой угол «α» с сохранением неизменного угла «φ». Следовательно, радиус-вектор точки «n» может развернуться в полоборота и занять положение отрезка «0-n2». Таким образом, в положении максимального угла «β» между осями валов, радиус-вектор точки «n» находится в плоскости «F-F», перпендикулярной неподвижному валу «b», а сама точка движется по окружности радиуса «R» в той же плоскости. При любом же промежуточном повороте оси «а» относительно оси «с» и любом развороте последней на угол «α» вокруг оси «b» межосевой угол валов варьируется бесступенчато и в произвольном направлении, ограниченном диапазоном от 0° (соосности) до максимального угла «β». Точка «n», являясь концом радиус-вектора, способна занимать любое место на полусфере радиуса «R», ограниченной перпендикулярной секущей плоскостью «F-F», находясь в зоне отрезка «а». Другими словами, ведущий вал может произвольно отклонятся относительно ведомого в любом радиальном направлении и на любой угол, не превышающий угол «β», равный 90°. Но и достижение перпендикуляра не предел. Конструктивно возможно отклонить ось «с» относительно, например, ведущего вала «а» на исходный угол «φ» свыше 45° (см. Фиг.4). Тогда удвоенный относительно его максимальный угол «β» между осями валов будет превышать прямой. Он конструктивно не может приблизиться к 180°, но, вероятно, достижим предельный относительный разворот валов из соосного положения 0° до угла не менее 135°. Точки «n1» и «n2» при этом сместятся за секущую плоскость «F-F» в полусферу вала «b». Для прототипа даже перпендикулярное положение валов недостижимо, не говоря о чем-то большем. Вал «b» может и не фиксироваться на месте, а независимо от вала «а» отклоняться в любую сторону в рамках указанных взаимозависимостей.
Таким образом, предложенная муфта совмещает в себе поворотные функции шарнира с несколькими угловыми степенями свободы и функцию передачи крутящего момента посредством двух полноповоротных зубчатых зацеплений. Функции независимы, никак не мешают друг другу и, в комплексе, дают новые свойства. Отметим и малый недостаток кинематики: оси валов трудно сдвинуть в одной плоскости, если в этой же плоскости будет лежать и ось обоймы (см. Фиг.1-2). Но это положение крайне неустойчивого равновесия, подобное балансированию шарика на лезвии ножа. Возникает «мертвая» зона, где статически неопределимо дальнейшее перемещение осей валов. Случай очень узкий на фоне всего пространственного диапазона сдвига валов и его несложно обойти конструктивно. Но и при попытке выполнения данного движения поломки механизма не будет. Всегда есть масса факторов, мгновенно выводящих устройство из критического равновесия: малые вибрации, неточности размеров, зазоры, температурные и силовые деформации, мизерная неточность векторов сдвигающих усилий и т.д.
Рассмотрим подробнее главные преимущества предлагаемой муфты в сравнении с прототипом и достигаемый при этом технический результат. Изобретение позволяет сохранить все положительные свойства прототипа и аналога, а именно: неразрывность потока мощности из-за постоянства зацепления полумуфт; способность реверсивно и инвертивно передавать значительные нагрузки ввиду жесткости деталей и отсутствия фрикционных элементов; возможность передачи мощности в соосном положении и при угловых отклонениях стыкуемых валов; использование вращающихся кинематических пар. Однако при этом возникает возможность качественного улучшения этих характеристик с использованием иных, ранее недостижимых или совершенно новых технических свойств. Скачкообразно улучшаются два основных параметра и значительно расширяется зона практического использования прототипа, а именно:
- Появляется возможность отклонять сопрягаемые валы на значительно увеличенный угол. Этот угол может быть больше прямого и многократно превышать предельный угол отклонения прототипа. Возникают уникальные возможности для проектирования нестандартных схем компоновки механических приводов.
- Устраняется недостаток, связанный с асинхронностью угловой скорости и циклическими нагрузками на ведомую полумуфту. Это обусловлено введением полноповоротного зубчатого зацепления вместо шарнирно-зубчатого, базировавшегося на качающихся зубчатых сегментах. При смене положения валов происходит автоматический сдвиг всех звеньев, порождаемый усилиями со стороны валов. При любой траектории сдвига валов оба водила самоустанавливаются в однозначно определенное положение путем поворота вокруг валов. Это никак не затрагивает ни одно зубчатое зацепление. Пульсации скорости и нагрузок на ведомой полумуфте полностью исчезают из-за устранения причины, их порождающей. Изменение скорости ведомого вала строго пропорционально входной скорости ведущего, в том числе и переменной.
- Предлагаемая муфта хорошо сбалансирована, т.к. исключены периодические пульсации скоростей валов за счет свойств новой обоймы, играющей роль того же промежуточного передаточного звена. Детали обоймы при любом положении валов, в отличие от прототипа, уже не совершают никаких периодических возвратно-качающихся движений. Отсутствие циклических колебаний ликвидирует прирост центробежных сил. На всех установившихся режимах детали обоймы либо неподвижны, либо сбалансировано вращаются. В прототипе динамическая балансировка удовлетворительна лишь в соосном положении. А в данном устройстве она всегда нормальна и неизменна: как при передаче основного вращения, так и при смещениях валов. Все шестерни, в том числе и ось обоймы, постоянно вращаются в подшипниках вокруг своих геометрических центров; зубчатые пары работают только в штатных режимах, без побочных биений, скольжений и перекосов. Снижаются требования к опорам и подшипниковым узлам.
- Для оптимизации нагрузок, габаритов и прочих технических характеристик муфты шестерни обоймы и полумуфт могут различаться конструктивной геометрией, рабочей линейной скоростью, количеством и наклоном зубьев, модулями, шириной венцов, типом зацепления, материалами и т.д. Это будет способствовать равнопрочности составных частей муфты, снижению ее материалоемкости, росту ресурса подшипников, ремонтопригодности, унификации по исполнениям, взаимозаменяемости и т.д.
- За счет устранения вредных пиковых нагрузок, исключения дисбалансов должен увеличиться и полный ресурс работы в целом всей муфты. Нагрузки распределяются последовательно и однонаправлено на множество зубьев шестерен, а не на несколько зубьев секторов прототипа, чаще вступающих в работу и испытывающих знакопеременные нагрузки. При этом снизится вероятность отказа или аварии; потребуется меньше усилий, квалификации и времени для техобслуживания.
- Возможна аналогичная муфта для валов не только с пересекающимися, но и со скрещивающимися осями. В муфте не будет центра «О» в ранее рассмотренном понимании. Тем не менее, используя геометрию различных видов и типов зацеплений, в том числе конических с наклонными зубьями (например, гипоидных), можно выполнить описанную муфту с вращением и сдвигом непересекающихся, перпендикулярных и даже параллельных валов с полным исключением понятия «центр муфты». Пример одного из вариантов схемы муфты с параллельными валами и цилиндрическими шестернями показан на Фиг.5. Он обеспечивает любой, конструктивно заданный круговой диапазон параллельного смещения валов, в том числе и обеспечение их соосности. Более того, возможны и многие другие комбинированные исполнения муфт, в которых допустимы резко различные виды зубчатых зацеплений обеих полумуфт с венцами обоймы. Скажем, ось одного вала скрещивается с осью обоймы. Соответственно выбираются и виды зубчатых зацеплений пар сопрягаемых шестерен. Это создает широкий спектр реализации направлений взаимного сдвига валов для конкретных задач механизма. Исходная взаимная ориентация сопрягаемых валов в пространстве может быть практически любой, за исключением случая их тождественного совпадения.
- Использование муфты даст значительное расширение эксплуатационных возможностей и упрощение конструкций машин с подвижными валами. Помимо того, что она может быть стандартизирована по типу шарнирного аналога, открывается масса скрытых возможностей применения механизма. При компоновке можно легко отступать от принципа ортогонального проектирования, стыкуя приводные узлы с любых сторон и позволяя им независимо двигаться в пространстве. Так, применение двух муфт, соединенных общим валом, даст ряд кинематических ресурсов, качественно несопоставимых с известным карданным валом. Входной и выходной валы подобной схемы могут находиться в пространстве под любым углом друг к другу и передавать строго равномерное вращение. Как следствие - модернизация известных механизмов, исполненных в неочевидных вариантах. Это может быть транспортное средство, способное посредством муфт поворачивать приводные колеса и катиться перпендикулярно своей продольной оси. Фактически, муфта - это аналог автомобильного ШРУСа со значительно расширенным потенциалом. Вполне допустимо исполнение ее и в герметично закрытом варианте, как с пластичной, так и с жидкостной смазкой, в том числе централизованного типа. Добавляются два разборных или жестких несущих автономных картера, охватывающие парные шестерни с парными манжетными сальниковыми уплотнениями вблизи центра муфты и у оснований валов. Картеры крепятся на водилах и могут быть жесткими, что прочнее, надежнее и долговечнее резиновых чехлов-«гармошек». Это актуально, например, для машин повышенной проходимости и спецтехники.
Муфта скомпонована из простых, конструктивно-прочных и широко известных деталей. Это немалое практическое преимущество для проектирования, изготовления, эксплуатации и ремонта. В совокупности эти типовые детали и предложенная кинематика их движения дают гамму новых свойств, не реализуемых традиционными муфтами. Как и все зубчатые передачи, муфта проста, надежна и универсальна, применение в технике ничем не ограничено. Например: в подвижных шпинделях станков, узлах манипуляторов и роботизированных комплексов; измерительных устройствах; в специализированных угловых насадках; валах отбора мощности транспортных машин и отклоняемых винтов вертолетов; в приводах судовых винтов и рулей; технологическом оборудовании; бытовой технике и технологическом инструменте и т.д., и т.п.