НЕФРИКЦИОННАЯ ЗУБЧАТО-ЭКСЦЕНТРИКОВАЯ ОБГОННАЯ МУФТА
NON-FRICTION GEAR-CAM CLUTCH

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, и предназначено для соединения валов, передающих в одном направлении большие моменты при высокой частоте включения и близким к нулю углу срабатывания, например, в нефрикционных высокомоментных вариаторах.
Известны нефрикционные обгонные муфты, в которых момент передается посредством геометрических связей звеньев между ведущей и ведомой полумуфтами. Например, храповые муфты с углом срабатывания более 10° [1]. а также планетарная храповая обгонная муфта, в конструкции которых используется зубчатая связь между ведущей и ведомой полумуфтами [2], что обеспечивает передачу больших моментов, при близкой к нулю углу срабатывания. При способности таких муфт передавать большие моменты, они имеют следующий недостаток: при обгоне возникает нежелательный шум, по причине прощелкивания зубьев храповика.
Известна также нефрикционная эксцентриковая обгонная муфта [3], в которой ведомая полумуфта передает момент посредством клина, действующего на эксцентрик ведомой полумуфты, используя геометрическую связь между клином и эксцентриком, но при этом силы трения удерживают клин при передаче муфтой вращения. Но у такой муфты большие потери энергии в начале обгона из-за необходимости преодоления момента от сил трения, удерживающего клин.
Примем за прототип наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату эксцентриковую высокомоментную обгонную муфту с практически нулевым углом срабатывания [4].
Она содержит ведущую полумуфту с ведущим валом, на цапфе этого вала сателлит, соосную ведущему валу цилиндрическую обойму с сцепленным с сателлитом зубчатым венцом, установленную с возможностью вращения на ведущем валу в виде шестерни сцепленной с сателлитом водило, ведомую полумуфту с соосным ведущему ведомым валом и эксцентриком, на который с возможностью вращения посажен связанный с водилом крестовой шайбой ролик, а также подпружиненный относительно ведомого вала и размещенный между роликом и обоймой клин.
Признаки известной муфты (прототипа), совпадающие с заявляемой нефрикционной зубчато-эксцентриковой обгонной муфтой, следующие. Она содержит ведущую полумуфту с ведущим валом, выполненный соосно ему зубчатый венец, сцепленный зубчатым венцом сателлит, а также ведомую полумуфту с соосным ведущему ведомым валом и эксцентриком, на который с возможностью вращения посажен кинематически связанный с сателлитом ролик.
В известной муфте передача вращения (рабочий ход) осуществляется нормальными силами посредством клина через эксцентрик, но фиксация полумуфт от относительного вращения при этом достигается силами трения, возникающими между обоймой и роликом от зафиксированного между ними клина, из-за чего в начале обгона необходим момент для расклинивания зажатых звеньев, что уменьшает КПД муфты.
Цель предлагаемого изобретения - улучшение работоспособности за счет повышения КПД муфты.
Предлагаемая обгонная муфта имеет следующие существенные признаки. Она содержит ведущую полумуфту с ведущим валом, на котором выполнен соосно ему зубчатый венец, сцепленный зубчатым венцом сателлит, а также ведомую полумуфту с соосным ведущему ведомым валом и эксцентриком, на который с возможностью вращения посажен изготовленный в виде шестерни сцепленный с сателлитом ролик, при этом сателлит подпружинен к зубчатому венцу и ролику.
Отличительными от прототипа признаками изобретения являются следующие. В предлагаемой муфте зубчатый венец выполнен на ведущей полумуфте, а ролик изготовлен в виде шестерни, сцепленной с сателлитом, при этом сателлит подпружинен к зубчатому венцу и ролику.
На фиг. 1 и 2 представлен общий вид конструкции нефрикционной зубчато-эксцентриковой обгонной муфты, на фиг. 3 и 4 показаны детали муфты, на фиг. 5…7 - муфта в разрезе, а на фиг. 8 - геометрические параметры муфты.
э
э
с
с
э
с
зв
с
ш
Предлагаемая муфта (фиг. 1, 2) содержит ведущую и ведомую полумуфты соответственно с ведущим 1 и ведомым 2 валами. Ведущий вал 1 выполнен совместно с корпусом ведущей полумуфты 3, на котором соосно входному валу изготовлен зубчатый венец 4. Корпус ведущей полумуфты соединен с крышкой полумуфты 5 болтами 6. Ведомая полумуфта с деталями показана на фиг. 3 и 4. Полу муфта содержит изготовленный совместно с ведомым валом 2 фланец 7, на котором выполнена в виде цилиндрических пальцев пара эксцентриков 8 с резьбовыми шпильками 9 и пара державок 10 пластинчатых пружин 11. На шпильки 10 посажена и закреплена гайками 12 подшипниковая цапфа 13 соосно ведомому валу 2. На эксцентрики 8 с возможностью вращения установлены ролики 14, изготовленные в виде шестерен, сцепленных с сателлитами 15, и снабженных цапфами 16. Во фланце 7 и подшипниковой цапфе 13 выполнены упоры сателлита 17 и 18, а сателлиты сцеплены с зубчатым венцом 4 и подпружинены пластинчатыми пружинами 11 к зубчатому венцу и ролику, Δ - зазор между цапфами 16 и упорами сателлита 17 и 18 (фиг. 5…7). На фланец 7 и подшипниковую цапфу 13 посажены соосно ведомому валу пара подшипников 19, на которые установлена ведущая полумуфта (фиг. 5). О - ось муфты, О - ось эксцентрика, е=ОО - эксцентриситет, О - ось сателлита, ОО и ОО - межосевые расстояние «зубчатый венец-сателлит» и «ролик-сателлит», r, r, и r - радиусы центроид зубчатого венца, сателлита и ролика (фиг. 8).
э
э
Предлагаемая муфта работает следующим образом. Ведомая полумуфта зафиксирована от вращения тормозом (не показан), создающим момент торможения Т. При передаче вращения от ведущей полумуфты ведомой (рабочий ход) ведущая полумуфта вращается со скоростью ω в направлении приложенного к ведущему валу 1 внешнего момента Т по часовой стрелке (фиг. 6), при этом происходит заклинивание подпружиненного сателлита между зубчатым венцом и роликом в клиновом зазоре agq, образованном касательными прямыми из полюсов зацепления а и q к центроидам зубчатых пар «зубчатый венец-сателлит» и «сателлит-ролик», при достаточно м для заклинивания угле β (фиг. 8). В этом случае относительное вращение зубчатых пар отсутствует, из-за возникновения силы F между зубчатым венцом и эксцентриком, сжимающей зубчатые пары, и происходит совместный поворот обеих полумуфт с угловой скоростью ω, преодолевая момент сопротивления Т на ведомом валу 2. Пружина 16 обеспечивает контакт зубьев в зубчатых парах в направлении передаче вращения. Пренебрегая моментом от сил трения во вращательной паре «ролик-эксцентрик», сжимающая сила F, действует по линии аО, где а - полюс зацепления зубчатого венца с сателлитом, О - центр эксцентрика, который является центром шарнирного соединения ролика с эксцентриком, при этом сжимающая сила (сила давления на эксцентрик)
где плечо действия силы
при этом величина эксцентриситета
Максимальный передаваемый момент зависит от прочности ножки зуба сателлита на сжатие.
Толщина зуба по дуге делительной окружности
где m=2 мм - модуль, х=+0,5 - коэффициент смещения.
с
ш
зв
При ширине зуба сателлита b=20 мм, r=r=16 мм, r=52 мм и β=32°:
ϕ=21,5°; е=19,1 мм; h=19,0 мм.
Максимальная сила давления на эксцентрик
2
где [σ]=600 МПа (Н/мм) - допускаемое нормальное напряжение. При этом имеем максимальный передаваемый муфтой момент
о
о
Обгон имеет место при вращении ведомой полумуфты с угловой скоростью ω против часовой стрелки (рис. 7), при этом передача вращения ведомой полумуфте не происходит, так как увеличиваются межцентровые расстояния «зубчатый венец-сателлит-ролик», что способствует свободному вращению сателлита и ролика. Упоры 17 и 18 ограничивают относительно ведомой полумуфты перемещение сателлита при их контакте в точке K с цапфами 16 (Δ=0). Момент в начале и при обгоне практически равен нулю при достаточно большом угле β, так при отсутствии момента, действующего в направлении угловой скорости ω, нет удерживающих сателлит нагрузок. Следует отметить, что угол β должен обеспечивать надежное заклинивание зубчатых пар при передаче муфтой вращения и не препятствовать выходу из заклиненного состояния в начале обгона, при этом нет потерь энергии, и КПД муфты близок к 100%.
Применение нескольких эксцентриков позволяет увеличивать передаваемый муфтой момент, а также способствует статическому уравновешиванию без применения противовесов.
Ведомой, как и ведущей может быть любая полумуфта.
При достаточно сильной пружины 11 упоры 17 и 18 не обязательны.
Источники информации:
1. А.Ф. Крайнев. Механика машин. Фундаментальный словарь - 2-е изд. М.: Машиностроение. - 2001 (стр. 806).
2. Пат. 2757326 РФ: МПК F16H 1/28. Планетарная храповая обгонная муфта / Автор: Б.В. Пылаев. - Приор.: 04.03.2021.
3. Патент США No 2297166. Free wheeling mechanism / L. Robin Etal. - Date of patent 21.04.1939.
4. Пат. 2229630 РФ: МПК F16D 41/08. Эксценриковая высокомоментная обгонная муфта / Автор: Б.В. Пылаев. - Приор.: 03.04.2002.