ЗУБЧАТАЯ ОБГОННАЯ МУФТА
TOOTHED OVERRUNNING COUPLING

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, муфта предназначена для соединения валов, передающих в одном направлении большие моменты при высокой частоте включения и незначительных потерях энергии, например, в нефрикционных высокомоментных вариаторах.
Известны фрикционные обгонные муфты, в которых момент передается силами трения между ведущей и ведомой полумуфтами через заклинивающиеся тела [1]. Известна также фрикционная обгонная муфта, в конструкции которой используется зубчатая связь между заклинивающимися телами и ведущей полумуфтой [2]. В таких муфтах контактные нагрузки между деталями фрикционных пар превосходят полезные касательные силы более чем в 10 раз, что является препятствием к использованию таких типов муфт при высокой частоте включения и передаче больших моментов, например, в нефрикционных высокомоментных вариаторах [3].
Примем за прототип наиболее близкую по технической сущности и достигаемому результату зубчатую обгонную муфту [4, фиг.3, 4]. Она содержит зубчатую планетарную передачу, водило которой снабженно пружинами и упорами и является ведомой полумуфтой, сателлиты сцеплены с установленным на ведущей полумуфте центральным колесом, а на каждом сателлите с возможностью вращения между упорами жестко закреплена пара дисков, на каждом из которых выполнена соосная сателлиту подпружиненная к двум упорам коническая поверхность.
Признаки известной муфты (прототипа), совпадающие с заявляемой зубчатой обгонной муфтой, следующие. Она содержит зубчатую планетарную передачу, водило которой снабжено пружинами и упорами и является ведомой полумуфтой, сателлиты сцеплены с установленным на ведущей полумуфте центральным колесом, а на каждом сателлите с возможностью вращения между упорами закреплена в тангенциальном направлении пара дисков, на каждом из которых выполнена соосная сателлиту подпружиненная к двум упорам коническая поверхность.
В известной муфте при передаче вращения сателлиты фиксируются силами трения, возникающими только на конических поверхностях, что требует увеличения радиусов действия сил трения, а это ведет к росту габаритов муфты.
Цель предлагаемого изобретения - повышение эксплуатационных характеристик и уменьшение габаритов муфты за счет увеличения числа фрикционных поверхностей.
Предлагаемая зубчатая обгонная муфта имеет следующие существенные признаки. Она содержит зубчатую планетарную передачу, водило которой снабженно пружинами и упорами и является ведомой полумуфтой, сателлиты сцеплены с установленным на ведущей полумуфте центральным колесом, а на каждом сателлите с возможностью вращения между упорами закреплена фиксированно в тангенциальном направлении и с возможностью осевого перемещения пара дисков, на каждом из которых выполнены соосными сателлиту подпружиненная к двум упорам коническая поверхность, а также контактирующий с водилом и центральным колесом кольцевой поясок.
Отличительными от прототипа признаками изобретения являются следующие. Предлагаемая зубчатая обгонная муфта снабжена выполненным на каждом диске кольцевым пояском, при этом диски установлены подвижно в осевом напрвлении с возможностью контакта кольцевого пояска с водилом и центральным колесом.
На фиг.1 и 2 представлен вариант конструкции зубчатой обгонной муфты при передаче вращения, на фиг.3 - диск, а на фиг.4 - сателлит с дисками при передаче муфтой вращения.
а
б
a
б
Зубчатая обгонная муфта (фиг.1, 2) содержит зубчатую планетарную передачу, в которой центральное колесо 1 является ведущей, а водило 2 - ведомой полумуфтами с тремя сателлитами, 3, 4 - оси сателлитов. На зубьях каждого сателлита установлены фиксированно в тангенциальном направлении и подвижно в осевом пара дисков 5 с коническими поверхностями 6 и кольцевыми поясками 7, соосными сателлиту. Ведомая полумуфта 2 смонтирована из двух фланцев 8, 9 и центровой шайбы 10, скрепленных тремя шпильками 11. Центровая шайба 10 служит опорой вращения центрального колеса 1 (ведущая полумуфта). На фланцах выполнены для каждого диска 5 два упора: 12 - в виде резьбового штифта и 13 - диаметрально противоположный полюсу зацепления Е в виде сферического выступа. К и К - точки контакта с конической поверхностью 6 диска. Кольцевой поясок 7 контактирует с центральным колесом 1 и водилом 2 в точках G и G. Оси сателлитов 4 подпружинены к упорам 12 и 13 установленными на фланцах пружинами 14.
В
Ц
C
К
g
а
Параметры муфты: С - число сателлитов, R - радиус водила, R и R - радиусы центроид соответственно центрального колеса и сателлита; R - радиус точек контакта К конической поверхности 6 диска с упорами, a R - радиус точек контакта G кольцевого пояска 7 с центральным колесом и водилом, β - углы положения точек контакта К упоров 12, θ - угол конусной поверхности, Р - сила пружины.
Муфта работает следующим образом. На фиг.2 показана схема муфты при передаче вращения момента М от ведущей полумуфты 1 ведомой 2 по часовой стрелке (ω - угловая скорость), при этом сателлит с дисками (фиг.4) нагружен в полюсе зацепления Е силами
t
Ц
n
t
З
F=М:(CR), F=Ftgα,
t
n
З
а
б
ga
a
gб
б
a
б
a
б
g
где F и F - тангенциальная и нормальная силы в зацеплении (α - угол зацепления). Силы в зацеплении вызывают следующие нагрузки: N, N - нормальные силы от упоров и N=Ncosθ, N=Ncosθ - нормальные силы на контактном пояске, возникающие вследствие перемещения дисков в осевом направлении от осевых проекций сил N и N, fN, fN - касательные силы трения от упоров (f - коэффициент трения), M - момент от сил трения на кольцевом пояске.
а
a
б
g
Полюс зацепления Е (контакт центроид зубчатой пары 1 и 2) является мгновенным центром вращения сателлита относительно центрального колеса. Нормальные силы N поворачивают сателлит по часовой стрелке, т.е. в направлении передачи вращения, а силы трения fN, fN и момент M противодействуют этому повороту. Передача вращения полумуфтами с угловой скоростью ω (по часовой стрелки на фиг.2) происходит при превышении момента от сил трения моменту, поворачивающему сателлит относительно центрального колеса, в этом случае сателлит неподвижен относительно центрального колеса, оно через сателлит нагружает водило моментом М и поворачивает в тангенциальном направлении центры сателлитов А вместе с водилом по часовой стрелке. Условие передачи вращения
,
условие незаклинивания диска между упорами
C
где f - коэффициент трения скольжения. Условие незаклинивания обеспечивает высокое КПД муфты.
Вращение ведущей полумуфты 1 против часовой стрелки не передается ведомой полумуфте (водилу). Это объясняется тем, что центральное колесо приводит к свободному относительно водила вращению сателлита в том же направлении, при этом противодействующие вращению нагрузки незначительны из-за относительно малого значения силы Р и сил инерции, следовательно, момент обгона близок к нулю даже в начальной стадии обгона при выполнении условия незаклинивания.
Использование в конструкции муфты дополнительных фрикционных поверхностей, т.е. контактных поясков, повышает эффективность муфты, при этом не усложняется конструкция, а габариты уменьшаются.
Упоры в виде резьбовых штифтов позволяют обеспечить оптимальные зазоры контактирующих деталей при монтаже муфты.
Ведущей полумуфтой может быть как водило, так и зубчатое колесо.
Авторы-заявители располагают зубчатыми обгонными муфтами предлагаемой конструкции.
Источники информации:
1. А.Ф.Крайнев. Механика машин. Фундаментальный словарь - 2-е изд. М. Машиностроение. - 2001 (стр.800-801).
2. Патент США, № 2024486, C1. 145-45.1, 1935 г.
3. Патент РФ № 2242654 С2, F16H 29/08. Высокомоментный вариатор. / Автор: Б.В.Пылаев. - Приор.: 20.01.2003.
4. Заявка на патент РФ № 2005123326/11(026288) от 22.07.05