Муфта свободного хода

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в системах автономного энергоснабжения для передачи однонаправленного вращающего момента с помощью магнитного поля между двумя вертикальными соосными валами работающих при низких скоростях, разделенных герметичной перегородкой как при перепаде давления между герметизируемыми полостями, так и при нормальных условиях.
Известны муфты свободного хода ([1], стр.222).
К недостаткам вышеприведенных муфт свободного хода можно отнести наличие потерь на трение, вследствие наличия прижимных устройств, а также невозможность передачи крутящего момента с ведущего вала на ведомый в герметичные полости.
Известны электромагнитные муфты, которые могут быть как экранированного, так и не экранированного исполнения, с обмоткой возбуждения постоянного тока, предназначенные для передачи механического движения бесконтактным способом с помощью силы магнитного притяжения элементов ([2], стр.10).
Недостатком приведенных выше электромагнитных муфт является обязательное наличие, для их работы, дополнительного источника энергии с системой управления, что делает их малопригодными при использовании в частности в устройствах автономного энергоснабжения вследствие снижения энергоэффективности системы в целом.
Известны различного вида и исполнения магнитные муфты, для бесконтактной передачи вращательного движения, в том числе и в герметичные полости, между двумя соосными валами, которые по обобщенному конструктивному признаку, в зависимости от распределения действующих на полумуфты сил, делятся на аксиальные (например патент SU № 236155, F16D, от 27.07.1966) и радиальные (например патент SU № 1539917, Н02К49/00, от 10.06.88).
Недостатком вышеприведенных магнитных муфт является заложенное в их конструкции постоянство сцепления между ведомой и ведущей полумуфтами посредством магнитного поля постоянных магнитов, что снижает коэффициент полезного действия при передаче вращения, когда замедляющийся ведущий вал начинает замедлять и ведомый.
Известна муфта свободного хода (SU № 1732060, F16D41/06, от 13.11.89) содержащая обойму, звездочку, установленный между ними сепаратор с роликами, подпружиненный относительно звездочки, и механизм управления сепаратора, выполненный в виде концентрично расположенных наружного кольца жестко связанного с обоймой муфты, и внутреннего диска, жестко связанного с сепаратором муфты, а на обращенных одна к другой поверхностях кольца и диска закреплены постоянные магниты, причем магниты, установленные на поверхности одного из элементов, направлены одноименными полюсами в сторону другого элемента, на котором магниты установлены теми же полюсами в сторону противоположную вращению.
Недостатком вышеприведенной муфты является то, что конструкция муфты не предусматривает передачу механического движения бесконтактным способом в герметичные полости, что ограничивает области ее применения.
Постоянные магниты, установленные на кольце прикрепленного к наружной обойме полумуфты и на диске, свободно посаженного на подшипниках на валу второй полумуфты, подпружиненного относительно жестко закрепленной на этом же валу звездочки и жестко связанного с одним торцом сепаратора, выполняют роль управляющего муфтой элемента за счет возникающего между ними при вращении подтормаживающего момента, что создает дополнительные потери во время работы, к тому же постоянные магниты расположенные на наружной обойме на кольце и диске, стремясь расположиться разноименными полюсами друг напротив друга, будут создавать дополнительный момент страгивания.
Наиболее близким по технической сущности прототипом является муфта свободного хода (SU № 1318750, F16D41/07, от 10.06.1985) содержащая наружную и внутреннюю обоймы, вставки, выполненные в виде магнитов с профильными рабочими поверхностями и установленные в пазах наружной обоймы и ролики выполненные также в виде постоянных магнитов, размещенные в пространстве между наружной и внутренней обоймами и вставками.
Недостатком приведенной выше муфты является то, что конструкция муфты не предусматривает передачу механического движения бесконтактным способом в герметичные полости, что ограничивает области ее применения.
Высокие потери на трение вследствие того, что магнитные ролики, для корректного срабатывания муфты, должны постоянно контактировать с наружной поверхностью внутренней обоймы и магнитными, которые в свою очередь, за счет магнитных сил, будут постоянно подтормаживать ролики стремясь их зафиксировать в статическом положении.
Конструктивное исполнение муфты предъявляет высокие требования к допускам, по форме и шероховатости контактирующих поверхностей, а также по допускам диаметральных размеров роликов, наружному диаметру внутренней обоймы и внутреннему диаметру наружной обоймы, к их взаимному расположению, соосности.
Низкая надежность муфты вследствие того, что все доступные магнитные материалы обладают низкой прочностью и низкой износостойкостью.
Целью полезной модели является расширение функциональных возможностей муфты свободного хода.
Техническим результатом полезной модели является получение свойств бесконтактного однонаправленного узла, при условии соблюдения простоты конструктивного и технологического исполнения.
Цель достигается за счет того, что муфта состоит из расположенных на двух соосных валах ведущей (внутренней) и ведомой (внешней) полумуфт, при этом на внешнем кольце ведущей и внутренней поверхности стакана ведомой полумуфты, разноименными полюсами друг напротив друга, с чередующейся полярностью, расположены постоянные магниты, которые обеспечивают постоянство сцепления двух полумуфт для передачи крутящего момента с ведущего вала на ведомый.
Внутри ведущей полумуфты, внутри ее наружного кольца свободного посаженного на валу посредством двух торцевых крышек и радиальных подшипников, располагается звездочка, жестко связанна с валом полумуфты. Во внутренних рабочих контактных поверхностях звездочки располагаются тела качения, обеспечивающие сцепление/расцепление вала с кольцом полумуфты при вращении против/по часовой стрелке путем заклинивания/расклинивания между рабочей поверхностью звездочки и внутренней поверхностью кольца. Сверху и снизу звездочки располагаются ограничители. Нижний ограничитель установлен на валу ведущей полумуфты свободно на подшипнике качения.
Ведомая полумуфта, установленная на валу посредством шпоночного (или шлицевого) соединения, выполнена с возможностью осевого перемещения.
На Фиг.1 изображена муфта общий вид. На Фиг.2 изображена муфта общий вид в разрезе по вертикали. На Фиг.3 изображена ведомая полумуфта. На Фиг.4 изображена ведущая полумуфта. На Фиг.5 изображена ведущая полумуфта вид сверху без отображения части деталей.
Муфта состоит из ведущей (Фиг.4, Фиг.5) и ведомой (Фиг.3) полумуфт установленных соосно (Фиг.1, Фиг.2).
Ведущая полумуфта (Фиг.4) содержит вал 1 с посаженной на нем по прессовой посадке звездочкой 2 сверху и снизу которой установлены жестко соединенный со звездочкой неподвижный 3 и подвижный 4 ограничитель, выполненный с возможностью вращения и установленный на валу 1 посредством подшипника 5. Между ограничителями, во внутренних контактных поверхностях звездочки 2, находятся тела качения 6 (Фиг.4, Фиг.5). Наружное кольцо 7 также установлено на валу 1 с возможностью вращения, посредством радиальных подшипников 8 и 9 и торцевых крышек 10 и 11 соединенных с подшипниками 8 и 9 посредством прессовой посадки. В крышках 10 и 11, запрессованных в кольцо 7, сделаны базовые вырезы (Фиг.5), в которые устанавливаются постоянные магниты 12 (Фиг.4, Фиг.5) закрываемые сверху и снизу крышками 13 и 14.
Ведомая полумуфта (Фиг.3) содержит вал 15 соединенный со стаканом 16 через фланец 17 посредством шпонки 18. Жестко соединенный с фланцем 17   стакан 16, внутри которого устанавливаются постоянные магниты 19, установлен на валу 15 с возможностью осевого перемещения с ограничителями в виде стопорного кольца 20 и шайбы 21 закрепляемой на торце вала 15 с помощью винта 22.
Тела качения 6 (Фиг.4), звездочка 2 и ограничители 3 и 4, с целью исключения влияния на них магнитного поля постоянных магнитов, изготавливаются из материалов обладающих низкими магнитными свойствами, таких как керамика, аустенитные стали, никель марганцевые чугуны, сплавы меди, алюминия, титана и др.
Рабочая контактная поверхность звездочки 2 может быть выполнена не плоской, а цилиндрической, эксцентричной относительно оси звездочки, спрофилирована по логарифмической спирали или иметь иную обеспечивающую более надежную работу муфты форму.
Муфта работает следующим образом.
Муфта может работать как с герметизирующим стаканом 23 (Фиг.1, Фиг.2), закрепляемом на корпусе 24 какого-либо устройства и выполненного из немагнитного материала, так и без него.
При вращении вала 1 (Фиг.4, Фиг.5) ведущей полумуфты против часовой стрелки, тела качения 6, количество которых может быть больше трех, за счет возникающих центробежных сил смещаются по рабочей поверхности звездочки 2 к внутренней поверхности кольца 7 ведущей полумуфты в зону клина. Происходит заклинивание. В результате наружное кольцо 7 начинает вращаться совместно со звездочкой 2, валом 1 и ограничителем 4 передавая вращающий момент на вал 15 (Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3) ведомой полумуфты посредством магнитного поля постоянных магнитов 12 ведущей (Фиг.4, Фиг.5) и 19 ведомой (Фиг.3) полумуфт.
Ограничитель 4 (Фиг.4, Фиг.5) являющийся опорной плоскостью для тел качения 6, посаженный на вал 1 ведущей полумуфты посредством радиального подшипника 5, при вращении вала 1 и соответственно звездочки 2 против часовой стрелки, будет оставаться на месте, либо вращаться в направлении совпадающем с направлением вращения вала 1, но с гораздо меньшей угловой скоростью чем вал 1 и звездочка 2. В результате возникающей разности скоростей между валом 1 и ограничителем 4 улучшаются условия смещения тел качения 6 в узкую часть клина, а также уменьшается время срабатывания муфты, в отличие от того, если бы ограничитель 4 был бы жестко соединен с валом 1 или звездочкой 2 ведущей полумуфты.
При торможении вала 1 ведущей полумуфты, ведомая полумуфта, за счет возникающей разности скоростей, силы взаимодействия постоянных магнитов и силы инерции, проворачивает наружное кольцо 7, свободно посаженное на валу 1 посредством подшипников 8 и 9 (Фиг.4), ведущей полумуфты, относительно звездочки 2, выводя тела качения 6 из узкой зоны клина. Происходит расцепление полумуфт.
Нижний ограничитель 4 (Фиг.4, Фиг.5), посаженный на радиальном подшипнике 5 на валу 1 и в момент зацепления полумуфт вращающийся с валом 1 с одинаковой угловой скоростью, в момент торможения ведущего вала 1, за счет силы инерции, будет стремиться провернуться в направлении вращения с некоторой опережающей вал 1 угловой скоростью, создавая дополнительное усилие для вывода тел качения 6 из зоны узкого клина.
Ведомая полумуфта (Фиг.3), посаженная на валу 15 посредством шпоночного (или шлицевого) соединения, имеет возможность осевого перемещения, что позволяет ей самоустанавливаться, занимая оптимальное равновесное положение при котором отсутствуют осевые усилия, что снижает дополнительную нагрузку на подшипниковые узлы ведущего и ведомого валов, уменьшая сопротивление трению и позволяет передавать, вследствие нахождения магнитов в оптимальной области взаимного контакта магнитных полей, максимальный для данных магнитов крутящий момент.
Для увеличения передаваемого крутящего момента в обоих полумуфтах могут быть использованы магниты с большей коэрцитивной силой и установленной в ведущей полумуфте многорядной системы состоящей из дополнительных звездочек и тел качения.