Муфта с пакетами плоских пружин

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в качестве муфты с упругими элементами для соединения валов агрегатов.
Известна муфта (Дунаев П.Ф., Леликов О.П., «Конструирование узлов и деталей машин»: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2006. рис. 20.12), которая является аналогом. Муфта состоит из двух полумуфт, установленных на валах агрегатов. Полумуфты соединены упругими элементами в виде пакетов плоских пружин, расположенных параллельно осям валов.
Пакеты плоских пружин 1, вставленные в пазы наконечников 2, 3 и закрепленные в них от осевого смещения штифтами 4, образуют кассеты, которые размещаются в полумуфтах 5 и 7. При этом штифты 4 входят в соответствующие отверстия плоских пружин с некоторым зазором. С целью предотвращения выпадения кассеты из полумуфты 5, используется внутреннее разрезное пружинное плоское упорное кольцо 6. Также пружинное кольцо 6 не позволяет наконечникам 2 (и кассетам тоже) проворачиваться в отверстиях полумуфты 5. В другой полумуфте наконечники 3 могут перемещаться вдоль оси и проворачиваться во втулках 8 (большой твердости или из антифрикционных материалов), поскольку установлены в них с зазором. Перемещения имеют место при соединении муфтой несоосных валов. Втулки необходимы, чтобы не изнашивались гнезда полумуфт.
При передаче крутящего момента плоские пружины, помимо изгиба испытывают и кручение, поскольку наконечники 2 зафиксированы внутренним разрезным пружинным плоским упорным кольцом 6 от проворота. В статье Зябликова В.М. и Ширшова А.А. «Муфта с пакетами плоских пружин: влияние закручивания пружин на жесткость муфты», опубликованной в журнале «Справочник. Инженерный журнал» №11, 2016 г. подробно рассмотрен процесс деформирования плоских пружин при нагружении муфты крутящим моментом. Исследования, проведенные авторами статьи, показали, что плоские пружины, находящиеся в пакетах, помимо изгиба испытывают и кручение. При нагружении муфты, показанной на рис. 1, крутящим моментом полумуфты поворачиваются друг относительно друга на угол ϕ. При этом взаимный угол поворота торцов пружин также равен ϕ (рис. 2).
Основными недостатками данной муфты-аналога являются: высокое напряженное состояние плоских пружин, в которых действуют не только напряжения изгиба, но и касательные напряжения от их закручивания при передаче муфтой крутящего момента. Долговечность муфты сокращается. Другим недостатком муфты является пониженный коэффициент полезного действия, поскольку энергия расходуется не только на изгибную деформацию пружин, но и на их закручивание.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является муфта с пакетами плоских пружин (патент на полезную модель №178316 от 29 03 2018), которая выбрана в качестве прототипа.
Муфта состоит из двух полумуфт, установленных на валах агрегатов. Полумуфты соединены упругими элементами в виде пакетов плоских пружин.
Пакеты плоских пружин 5, вставленные в пазы наконечников 3, 4 и закрепленные в них от смещения штифтами 7, образуют кассеты, которые размещаются в отверстиях полумуфт 1 и 2 на диаметре D, как и в аналоге, по посадке с зазором. Наконечники имеют скосы, выполненные под углом , с целью увеличения длины изгибной части плоских пружин и уменьшения их жесткости при сохранении габаритов муфты. Штифты 7 входят в соответствующие отверстия плоских пружин по посадке зазором, поскольку муфты могут соединять несоосные валы. С целью предотвращения выпадения кассет из полумуфты 1, используются: внутреннее разрезное пружинное плоское упорное кольцо 8, шайбы 10, гайки 9 навернутые на резьбовые стержни 11 наконечников 3. В этом случае наконечники 3 вместе плоскими пружинами могут поворачиваться вокруг своей оси во втулках 6, которые установлены в соответствующих отверстиях полумуфты по посадке с натягом. Втулки 6 - стальные большой твердости или сделаны из антифрикционных материалов. Втулки необходимы, чтобы не изнашивались гнезда полумуфт. В полумуфте 2 наконечники 4 могут, как перемещаться вдоль оси во втулках 6, установленных с натягом, так и поворачиваться вокруг своей оси, поскольку установлены во втулках с зазором. Осевые перемещения имеют место при соединении муфтой несоосных валов.
При передаче муфтой крутящего момента окружные силы, возникающие на окружности диаметра D, прижимают наконечники 3 и 4 к втулкам в полумуфтах. Проведенные исследования (статья Зябликова В.М., Семенова-Ежова И.Е., Ширшова А.А. «Влияние геометрических параметров на жесткость муфты с металлическими упругими элементами круглого сечения», опубликованная в журнале «Известия Вузов. Машиностроение» №8 2018 г., с. 21-25) позволили определить путем численного анализа распределение контактного напряжения в паре «стержень - полумуфта». Установлено, что большое влияние на распределение контактного напряжения оказывает зазор между стержнями и отверстиями для них в полумуфтах: чем больше зазор и, соответственно перекос, тем больше контактное напряжение в месте касания стержнем кромки отверстия, а также в месте контакта отверстия с концевой частью стержня. Чем больше контактное напряжение, тем больше реакция и сила трения. Эти выводы в полной мере могут быть применимы для муфты-прототипа.
При нагружении муфты большим крутящим моментом между наконечниками 3, 4 и втулками 6 возникают большие контактные напряжения и, соответственно, силы трения, которые могут препятствовать повороту наконечников 3 и, тем самым, способствовать закручиванию плоских пружин. В этом случае есть вероятность, что плоские пружины не будут полностью разгружены от касательных напряжений. Наличие смазки в контакте может лишь уменьшить силы трения.
Основным недостатком данной муфты-прототипа является невозможность полного устранения касательных напряжений в пластинах при работе муфты из-за наличия силы трения скольжения (и соответственно момента трения) в зоне контакта наконечников 3 и втулок 6. Как следствие, более высокое сложное напряженное состояние плоских пружин снижает долговечность муфты. Уменьшается коэффициент полезного действия, поскольку энергия расходуется не только на изгибную деформацию плоских пружин, но и на их закручивание.
Техническим результатом является увеличение долговечности муфты и повышение ее коэффициента полезного действия за счет устранения закручивания плоских пружин.
Технический результат достигается в муфте, содержащей две полумуфты, вставленные в них пакеты плоских пружин с наконечниками, в пазах которых пружины удерживаются штифтами. Наконечники в отверстиях одной из полумуфт установлены на подшипниках качения с возможностью вращения и зафиксированы от осевого смещения. В другой полумуфте наконечники размещены в соответствующих отверстиях с зазором. Они могут поворачиваться вокруг своей оси и смещаться вдоль нее.
Применение в конструкции подшипников качения исключает трение скольжения и заменяет его трением качения. Известно, что коэффициент трения качения, как минимум, на порядок меньше коэффициента трения скольжения, поэтому силой трения качения в подшипниках можно пренебречь. В этом случае наконечники вместе с плоскими пружинами будут стремиться занимать такое положение, при котором жесткость пружин на изгиб будет наименьшая или, другими словами, плоские пружины будут изгибаться вокруг оси, относительно которой момент инерции их сечения будет минимальным. Эта ось перпендикулярна длинной стороне плоских пружин и, следовательно, закручивания не будет.
Полезная модель поясняется прилагаемыми чертежами, где
- - на фиг. 1 показан главный вид муфты - разрез АА;
- на фиг. 2 показан вид слева;
- на фиг. 3 показан пакет плоских пружин в сборе - вид Б.
Пакеты плоских пружин 5 (фиг. 1), вставленные в пазы наконечников 3, 4 и закрепленные в них от смещения штифтами 7 (фиг 3), образуют кассеты, которые размещаются в полумуфтах 1 и 2 по окружности диаметра D. Штифты 7 входят в соответствующие отверстия плоских пружин по посадке зазором, поскольку муфты могут соединять несоосные валы. Наконечники 3 в отверстиях полумуфты 1 установлены на подшипниках качения 8 (с возможностью вращения) и зафиксированы от осевого смещения посредством упорных пружинных колец 9,10, дистанционной втулки 11, компенсирующих колец 12, 13. Наконечники 4 располагаются во втулках 6 полумуфты 2, могут поворачиваться вокруг своей оси, смещаться вдоль нее, поскольку установлены во втулках с зазором. Осевые перемещения имеют место при соединении муфтой несоосных валов. Втулки 6 - стальные большой твердости (или сделаны из антифрикционных материалов) установлены по посадке с натягом. Втулки необходимы, чтобы предотвратить изнашивание гнезд полумуфт. Наконечники 3,4 имеют фаски D под углом  (фиг. 3) с целью увеличения длины изгибной части плоских пружин и уменьшения их жесткости при сохранении габаритов муфты.
Сборка заявляемой муфты.
Назначение муфт приводов - соединять валы агрегатов с целью передачи крутящего момента.
Заявляемая муфта допускает монтаж и демонтаж без осевого смещения агрегатов.
Порядок сборки следующий:
- на валы соединяемых агрегатов устанавливаются полумуфты 1 и 2;
- агрегаты с закрепленными полумуфтами располагаются друг относительно друга так, чтобы оси валов были по возможности соосными и расстояние между полумуфтами обеспечивало бы установку пакетов плоских пружин;
- в расположенные друг против друга отверстия полумуфт вставляются пакеты плоских пружин в сборе (фиг. 3). Наконечник 4 пакета проходит насквозь отверстие в полумуфте 1 и устанавливается во втулке 6 полумуфты 2. При этом подшипник 8 пакета должен упереться в одно из пружинных упорных колец 9, предварительно установленного в отверстии полумуфты 1. Затем в другую канавку этого отверстия вставляется второе пружинное упорное кольцо 9 вместе с компенсируюпщм кольцом 12.
Наконечник 3 с подшипниками 8 зафиксирован от осевого смещения и может только поворачиваться вокруг своей оси. Остальные пакеты устанавливаются в полумуфтах точно также.
Муфта, соединяющая валы агрегатов, собрана.
Работа заявляемой муфты.
При передаче крутящего момента полумуфты 1 и 2 (фиг. 1) поворачиваются относительно друг друга на угол ϕ. (фиг. 2) Наконечники 3 и 4 вместе с плоскими пружинами 5 самоустанавливаются таким образом, чтобы момент сопротивления плоских пружин изгибу был наименьший. Самоустановка пакетов возможна, поскольку наконечники 3 и 4 (и пружины тоже) могут поворачиваться вокруг своих осей. В этом случае имеет место только изгиб плоских пружин, а закручивания нет. Напряжение в них уменьшилось по сравнению с прототипом, а долговечность увеличилась.
Механическая энергия, расходуемая на деформацию плоских пружин, уменьшилась, поскольку нет их закручивания, а только изгиб. Следовательно, по сравнению с муфтой-прототипом коэффициент полезного действия увеличивается.