ПРИВОДНАЯ МУФТА ДЛЯ ВЫСОКООБОРОТНОЙ ЩЕТКИ
DRIVE COUPLING FOR HIGH-SPEED BRUSH

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к области устройств для очистки жесткого пола и, более конкретно, к высокооборотной щетке такого устройства.
Предпосылки к созданию изобретения
Известны приводные муфты, применяющиеся в различных областях техники.
Например, в US 2009/0010681 (Huck et al.) раскрывается шестерня, устанавливаемая на по существу цилиндрический компонент для формирования изображения, например, на картридж для формирования изображения. Шестерня содержит тело для зацепления с по существу цилиндрическим компонентом для формирования изображения; цилиндрический вал, прикрепленный к телу, при этом цилиндрический вал содержит торцевую поверхность; и три зубца, отходящие в продольном направлении наружу от торцевой поверхности и сконфигурированные для зацепления со спиральным углублением в приводном механизме устройства для формирования изображения.
В WO 2009/00041 (Wai Keung Tsui) раскрывается приводной силовой элемент для приема вращающей приводной силы, содержащий участок основания, выступающий участок и три соединительных участка. Выступающий участок содержит три плоских поверхности, расположенных так, что если их удлинить и смотреть в сечении, перпендикулярном оси выступа, они пересекаются под углом 120 градусов в форме равностороннего треугольника. Этот приводной силовой элемент и, более конкретно, его выступающий участок сконфигурирован для зацепления со скрученным углублением.
Устройство для очистки твердого пола может содержать одну или более высокооборотную щетку. Каждая щетка может иметь удлиненный цилиндрический сердечник, проходящий в осевом направлении между первым концом и вторым концом, наружная поверхность которого покрыта материалом щетки, например, мягкими волокнами микрофибры. Первый и второй концы щетки могут быть установлены в чистящем устройстве в подшипниках, чтобы обеспечить возможность вращения щетки вокруг своей оси, в частности когда щетка ориентирована параллельно очищаемому полу и упирается в него. Щетку типично можно приводить во вращение на одном из ее установленных в подшипниках концов, для чего соответствующий конец может быть разъемно соединен с трансмиссией (электро)двигателя с помощью узла приводной муфты. Способ, которым щетка установлена в подшипниках в устройстве для очистки пола и соединена с трансмиссией может существенно влиять на ее работу.
Например, известно крепление низкооборотной щетки, вращающейся с частотой приблизительно 1500 об/мин в устройстве для очистки жесткого пола с помощью приводной муфты, которая содержит осевой пружинный механизм. Осевой пружинный механизм предназначен для устранения осевого люфта между торцами щетки и точек крепления щетки в устройстве для чистки пола и для фиксации осевого положения щетки между этими точками крепления (т.е., для предотвращения движения щетки в пределах ее осевого люфта). Такой подход, однако, оказался неподходящим для крепления высокооборотных щеток, которые могут вращаться с частотой по меньшей мере 2500 об/мин, т.е., приблизительно 7000 об/мин. При такой частоте вращения небольшой дисбаланс в креплении щетки может привести к нежелательно высокому уровню звуковых и тактильных колебаний. Для подавления этих колебаний можно увеличить зажимное усилие, прилагаемое к щетке осевым пружинным механизмом, чтобы сделать конструкцию более жесткой, но такое решение также повышает риск проскальзывания на протяжении многолетнего срока службы устройства, и следовательно, приводит к еще большему дисбалансу.
Краткое описание изобретения
Целью настоящего изобретения является устранение или уменьшение остроты одной или более из описанных выше проблем, связанных с известным креплением щетки, в частности, за счет создания приводной муфты, которая прилагает достаточное зажимное усилие и устраняет осевой люфт только когда щетка вращается.
Поэтому первый аспект настоящего изобретения относится к узлу приводной муфты для высокооборотной щетки. Узел приводной муфты содержит головку муфты, имеющую ось вращения головки муфты и содержащую три приводных поверхности, которые расположены симметрично относительно оси вращения и разнесены на 120 градусов относительно этой оси вращения головки муфты. Узел приводной муфты далее содержит соединительный элемент, имеющий ось вращения соединительного элемента и содержащий три первых приводных поверхности, расположенных симметрично и разнесенных на 120 градусов относительно оси вращения этого соединительного элемента, и три вторых приводных поверхности, каждая из которых является зеркально симметричной соответствующей первой приводной поверхности в соответствующей осевой-радиальной плоскости симметрии. Головка муфты и соединительный элемент выполнены с возможностью разъемного соединения так, что в соединенном состоянии их оси вращения по существу совпадают и головка муфты имеет возможность вращаться вокруг общей оси для привода каждой из ее приводных поверхностей в контакте с соответствующей первой или второй приводной поверхностью соединительного элемента. Кроме того, приводные поверхности головки муфты и первые и вторые приводные поверхности соединительного элемента сконфигурированы так, что привод во вращение одних в контакте с другими приводит к созданию на соединительном элементе и крутящего момента, и осевого усилия, при этом осевое усилие не зависит от того, проводится ли муфта во вращение по часовой стрелке или против часовой стрелки относительно своей оси вращения.
В описываемом узле приводной муфты сила в точке контакта или интерфейса между приводной поверхностью приводной муфты и первой или второй приводной поверхностью соединительного элемента возникает только тогда, когда одна из частей приводной муфты приводится для передачи крутящего момента на другую часть. Поэтому когда приводная муфта находится в состоянии покоя, никаких сил и, в частности, никаких осевых сил не возникает, что предотвращает долгосрочные эффекты проскальзывания и возникновения дисбаланса в приводной муфте. Этот эффект достигается с помощью соответствующей конфигурации приводных поверхностей головки муфты и первых и вторых поверхностей соединительного элемента, которые сконфигурированы для попарного взаимодействия друг с другом. Если эти приводные поверхности считать по существу гладкими и непрерывными, а контакт между каждой парой этих поверхностей дополнительно считать возникающим в одной точке контакта, то законы, управляющие контактом поверхностей требуют, чтобы в точке контакта существовали и общая нормаль, и общая касательная, и чтобы (в отсутствии трения между гладкими поверхностями) силы передавались только вдоль общей нормали. Следовательно, первые и вторые приводные поверхности соединительного элемента могут, например, иметь такую форму, чтобы каждая точка этих поверхностей была связана с нормалью к поверхности, имеющей ненулевой компонент в осевом направлении и ненулевой компонент в тангенциальном направлении (оба относительно оси вращения соединительного элемента), позволяя поверхности выдерживать и осевую силу, направленную вдоль, и крутящий момент, направленный вокруг оси вращения соединительного элемента. Альтернативно или дополнительно этот же подход с соответствующими изменениями можно применить к приводным поверхностям головки муфты. Когда имеющая такую конфигурацию приводная муфта установлена между трансмиссией и вращающейся щеткой, обе из которых могут быть фиксированно прикреплены к соответствующей части приводной муфты, привод щетки через приводную муфту приводит к приложению к щетке осевой зажимной силы, которая устраняет осевое биение из системы.
Таким образом, соединительный элемент может содержать шесть приводных поверхностей, которые можно разделить на три зеркально-симметричные пары, при этом каждая пара содержит первую и вторую приводную поверхность. И первые приводные поверхности, и вторые приводные поверхности могут быть расположены симметрично относительно оси вращения соединительного элемента и разнесены на 120 градусов. Благодаря такой комбинации вращательной и зеркальной симметрии в конфигурации приводных поверхностей соединительного элемента муфты этот соединительный элемент можно произвольно приводить во вращение и по часовой стрелке, и против часовой стрелки для генерирования одинаковых осевых и центрирующих сил. С практической точки зрения это позволяет сделать вращающиеся в противоположные стороны щетки, оснащенные одинаковыми соединительными элементами, взаимозаменяемыми, чтобы облегчить их замену и устранить необходимость в отдельном изготовлении соединительных элементов, предназначенных для привода по часовой стрелке или против часовой стрелки.
Согласно варианту настоящего изобретения приводные поверхности головки муфты и первые приводные поверхности соединительного элемента сконфигурированы так, чтобы привод головки муфты в контакте с соединительным элементом приводит к приложению радиально центрирующей силы к головке муфты.
Радиально центрирующая сила создает дополнительную стабильность на узле приводной муфты, который вращается с высокой частотой и которая может выдерживаться приводными поверхностями с нормалью к поверхности, имеющей ненулевой компонент в радиальном направлении. Первые приводные поверхности соединительного элемента могут, например, иметь такую форму, чтобы каждая точка этих поверхностей была связана с нормалью к поверхности, имеющей ненулевой компонент в радиальном направлении относительно оси вращения головки муфты. Альтернативно или дополнительно тот же подход с необходимыми изменениями применим к приводным поверхностям головки муфты.
Специалистам понятно, что приводные поверхности, способные выдерживать тангенциальные, осевые и/или радиальные силы, могут быть плоскими или криволинейными, при этом криволинейная приводная поверхность может иметь постоянную или переменную кривизну. Одна конфигурация приводной поверхности, однако, представляется особенно преимущественной.
В предпочтительном варианте узла приводной муфты первые приводные поверхности соединительного элемента могут быть по существу идентичными геликоидальными поверхностями, которые могут быть сформированы путем преобразования прямой линии спиральным движением, т.е., одновременным вращением и движением этой линии вокруг, соответственно вдоль оси вращения соединительного элемента. Сформированный таким образом геликоид является косой поверхностью, для каждой точки которой имеется спираль с центром, лежащим на оси вращения соединительного элемента, которая лежит на этой поверхности и проходит через эту точку. Если не учитывать силу трения, сила, возникающая на интерфейсе между приводной поверхностью головки муфты и приводной поверхностью соединительного элемента, действует вдоль нормали этой последней поверхности. Поскольку нормаль к геликоидальной приводной поверхности включает ненулевой осевой компонент, вращающийся приводной контакт между приводной поверхностью головки муфты и геликоидальной первой приводной поверхностью соединительного элемента может создавать силу, которая стремиться раздвинуть головку муфты и соединительный элемент друг от друга. Таким образом, в приводной муфте может выбираться осевой люфт. Заметным преимуществом геликоидальных приводных поверхностей в этом отношении является то, что силы контакта на интерфейсе между головкой муфты и соединительным элементом не зависят от относительных осевых положений головки муфты и соединительного элемента и, следовательно, не зависят от величины осевого люфта, который должна выбрать приводная муфта.
Второй аспект настоящего изобретения направлен на создание узла высокооборотной щетки для устройства для очистки жесткого пола. Узел щетки содержит удлиненную по существу цилиндрическую щетку, которая проходит между первым концом и вторым концом, и которая сконфигурирована для установки с возможностью вращения этими концами в устройство для очистки пола. Один из этих концов щетки снабжен либо головкой, либо соединительным элементом узла приводной муфты согласно первому аспекту изобретения.
Третий аспект настоящего изобретения направлен на создание устройства для очистки пола. Это устройство содержит удлиненную по существу цилиндрическую щетку, установленную с возможностью вращения вокруг ее продольной оси, и механизм двигателя, сконфигурированный для привода щетки во вращение с частотой по меньшей мере 2500 об/мин. Устройство также содержит узел приводной муфты по первому аспекту настоящего изобретения, расположенный между механизмом двигателя и щеткой так, что во время работы, крутящий момент, создаваемый механизмом двигателя, передается на щетку через узел приводной муфты, вместе с силой, направленной вдоль продольной оси щетки.
Эти и другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из нижеследующего подробного описания некоторых его вариантов со ссылками на приложенные чертежи, являющиеся иллюстративными и не ограничивающими настоящее изобретение.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематический вид в перспективе иллюстративного устройства для очистки пола, содержащего две вращающиеся в противоположные стороны щетки и два узла приводных муфт по настоящему изобретению, по одному на каждую щетку.
Фиг.2 - схематический вид в перспективе (слева) и вид сверху в сечении (справа) иллюстративного узла приводной муфты по настоящему изобретению, содержащего головку муфты и соединительный элемент в соединенном состоянии;
Фиг.3 - схематический вид в перспективе (слева) и вид сверху в сечении (справа) головки муфты и соединительного элемента по фиг.2, и
Фиг.4 - схематический вид в перспективе и вид сверху (справа) соединительного элемента приводной муфты по фиг.2.
Подробное описание
На фиг.1 представлен вид в перспективе иллюстративного устройства 1 для уборки жесткого пола по настоящему изобретению. Устройство 1 может содержать ручку 4, которая может быть соединена с корпусом 8 через соединительную штангу 6. В корпусе 8 можно разместить две высокооборотные вращающиеся щетки 18. Каждая щетка 18 может содержать удлиненный сердечник 18а в форме цилиндрической оболочки, наружная поверхность которого покрыта материалом 18b щетки, например, мягкими волокнами микрофибры. На своих осевых концах каждая щетка 18 может быть установлена в корпусе 8 с возможностью вращения вокруг ее продольной оси. Корпус 8 далее может содержать механизм 14, 16 двигателя, выполненный с возможностью приводить каждую из щеток 18 во вращение с частотой по меньшей мере 2500 об/мин. Механизм двигателя может содержать электромотор 14 для создания приводной силы/крутящего момента, и трансмиссию 16 для передачи приводной силы/крутящего момента на щетки 18 каждый раз через приводную муфту 50, которая расположена между соответствующей щеткой 18 и трансмиссией 16. К ручке 4 устройства 1 может быть подсоединен шнур 2 питания для подачи электроэнергии от сети для работы приводного механизма 14, 16. Корпус 8 также может содержать щиток 10, закрывающий две щетки 18 от пола и сверху, и определяющий ловушку для грязи или резервуар 12, в котором грязь может собираться во время эксплуатации, как будет описано ниже. На одну или обе из щеток 18 из резервуара 20, прикрепленного к соединительной штанге 6, может подаваться моющий раствор (например, впрыскиванием в сердечник 18а щетки 18, если щетка проницаема для воды, чтобы центробежная сила переместила воду из вращающегося сердечника наружу в мягкий материал 18b щетки на ее наружной стороне). При эксплуатации щетки 18 предпочтительно вращаются в противоположных направлениях. На виде по фиг.1 это соответствует вращению правой щетки по часовой стрелке и левой щетки против часовой стрелки, как показано стрелками. Щетки 18, одна или обе из которых могут смачиваться изнутри, как было описано выше, могут скрести поверхность пола, на котором они лежат. Дополнительно, они могут создавать между собой направленный вверх поток воздуха, который уносит частицы грязи, соскобленной с пола. Щиток 10 может отклонять поток воздуха к ловушке 12 для грязи, в которой частицы оседают.
На фиг.2 схематически показан вид в перспективе (слева) и вид сверху (справа) в сечении узла 50 приводной муфты по настоящему изобретению, содержащего головку 100 муфты и соединительный элемент 200 в соединенном состоянии. Головка 100 муфты более подробно показана на виде в перспективе (слева) и на виде сверху (справа) на фиг.3, а соединительный элемент 200 более подробно показан на виде в перспективе (слева) и на виде сверху (справа) на фиг 4. Конструкция головки 100 муфты и соединительного элемента 200 описана ниже.
ch
ch
Как показано, в частности, на фиг.3 головка 100 муфты может иметь тело 102 головки, имеющее центральную ось L вращения головки муфты. Тело 102 головки муфты может определять по существу треугольную приводную секцию 104, которая является симметричной на 120 градусов относительно оси L вращения. Приводная секция 104 может иметь три приводных поверхности 106, которые, если смотреть в тангенциальном направлении, могут быть соединены соединительными поверхностями 108.
ch
ch
ch
Каждая приводная поверхность 106 головки 100 муфты, если смотреть в плоскости, перпендикулярной оси L вращения, имеет немного выпуклую кривизну (лучше всего показанную на фиг.2 справа и на фиг.3 справа) с большим радиусом R. Эта небольшая выпуклая кривизна гарантирует, что когда приводная поверхность 106 вводится в контакт с прямой открытой геликоидальной приводной поверхностью 210а, 210d соединительного элемента 200, который будет описан ниже, между ними возникнет только одна точка контакта, которая не лежит на кромке между соответствующей приводной поверхностью 106 головки муфты и соседней соединительной поверхностью 108. Этот аспект снижает риск износа. Для той же цели, если смотреть по существу поперечной соответствующей приводной поверхности 106, и содержащей ось L вращения головки муфты, каждая приводная поверхность также может иметь выпуклую кривизну, центр которой лежит по существу на оси L вращения головки муфты.
ch
ch
cm
Тело 102 головки 100 муфты может далее определять центральный (т.е., сцентрированный на оси L вращения головки муфты) по существу цилиндрический носок 110 со сферическим торцом. В указанном варианте носок 110 выполнен пустотелым и служит для фиксированного крепления приводного вала, выходящего из трансмиссии 16 (фиг.1) и входящего в осевом направлении в головку 100 муфты для передачи на нее крутящего момента. Носок 110 предпочтительно может иметь такие размеры, чтобы вставляться в центральную полость 204 соединительного элемента 200 (см. фиг.4), что позволяет ему служить выравнивающим приспособлением, предназначенным для радиального выравнивания головки 100 муфты и соединительного элемента 200 на первом этапе перехода приводной муфты 50 в ее соединенное состояние. Носок 110 дополнительно может взаимодействовать с центральным отверстием 214 или углублением в задней стенке 212 соединительного элемента 200, чтобы помогать головке 100 муфты и соединительному элементу 200 перемещаться в положение, в котором их оси L, L вращения совпадут на следующем этапе перехода приводной муфты 50 в ее соединенное состояние.
cm
cm
cm
Как показано, в частности на фиг.4, соединительный элемент 200 может содержать тело 202 соединительного элемента, имеющее центральную ось L вращения соединительного элемента. Передняя часть тела 202 соединительного элемента может определять полость 204 для приема головки муфты, сконфигурированную для приема по меньшей мере части головки 100 муфты и, более конкретно, по существу ее треугольной приводной секции 104. Полость 204 может быть определена как пространство внутри по существу цилиндрической боковой стенки 206 тела 202, которая проходит вокруг оси L, или окруженное ею. По существу плоская задняя стенка 212, которая проходит перпендикулярно оси L и соединяется с боковой стенкой 206 у задней стороны полости 204, может образовать ее дно.
cm
cm
Для того чтобы описание конструкции соединительного элемента 200 было более понятным, ось L вращения следует ассоциировать с положительным направлением, которое проходит от задней стенки 212 полости 204 к ее переднему отверстию или входу. Кроме того, центральная ось L вращения принята за опорную ось правосторонней цилиндрической системы координат, опорная плоскость которой совпадает с задней стенкой 212 полости 204. Соединительный элемент 200 будет описан более подробно с использованием определенной таким образом цилиндрической системой координат.
cm
cm
Если смотреть в положительном тангенциальном направлении t, боковая стенка 206 полости 204 может альтернативно определять секции 208 по существу цилиндрической боковой стенки, и выступающие внутрь приводные кулачки 210 так, чтобы вдоль внутренней периферии боковой стенки имелось три кулачка. Эти три идентичных, направленных внутрь кулачка 210 могут быть расположены симметрично относительно оси вращения L с разносом на 120 градусов. И вновь, если смотреть в положительном тангенциальном направлении t, каждый приводной кулачок 210 может определять переднюю первую приводную поверхность 210а и заднюю вторую приводную поверхность 210b так, что первая и вторая приводные поверхности 210а, 210b одного и того же приводного кулачка 210 являются зеркально симметричными друг другу относительно осевой-радиальной плоскости Р, которая проходит через соответствующий приводной кулачок 210. Каждая из первой и второй приводных поверхностей 210а, 210b может определять геликоид, более конкретно, прямой открытый геликоид, ось которого по существу совпадает с осью L.
cm
v
cm
b
v
cm
cm
cm
b
b
b
Природу первой и второй приводных поверхностей 210а, 210b лучше всего можно понять из их математического описания, которое для этой цели приводится ниже в кратком виде. По существу геликоидальные приводные поверхности 210а, 210b могут быть образованы путем ввинчивания прямой линии вокруг оси. Образованный таким образом геликоид называется "прямым", когда ось и прямая ортогональны друг к другу. В противном случае он называется "косым". Кроме того, геликоид называется "замкнутым", когда ось и прямая пересекаются, в противном случае он называется "открытым". Прямые открытые геликоидальные поверхности 210а, 210b в показанном варианте приводной муфты 50 могут быть описаны путем ввинчивания равнобедренного треугольника Т вокруг оси L вращения. Треугольник Т сначала может лежать в одной плоскости с задней стенкой 212. Он может иметь вершину T, на которой встречаются две стороны одинаковой длины, то есть эти стороны ограничиваются осью L вращения, то есть ограничивается их движение. Основание T треугольника Т, расположенное напротив вершины T, если смотреть в направлении вдоль оси L вращения, может образовать хорду окружности, определенную кривой пересечения планарной задней поверхности 212 и по существу цилиндрической боковой стенки 206 полости 204, вокруг оси L вращения. Когда треугольник Т выполняет поступательное движение вдоль оси L и одновременно вращается вокруг нее с постоянной осевой и угловой скоростями, соответственно, основание T треугольника Т описывает геликоид. Передняя первая приводная поверхность 210а может описываться основанием T треугольника Т, когда он вращается в положительном тангенциальном направлении (на фиг.3 - против часовой стрелки), и поступательно перемещается в положительном осевом направлении. Аналогично, задняя вторая приводная поверхность 210b может быть описана основанием T треугольника Т, когда он вращается в отрицательном тангенциальном направлении (на фиг.3 - по часовой стрелке) и поступательно перемещается в положительном осевом направлении. Хотя в показанном варианте соединительного элемента 200 имеются прямые открытые геликоидальные приводные поверхности 210а, 210b, понятно, что настоящее изобретение не ограничивается этой конкретной формой и в альтернативных вариантах может применяться другая геометрия приводной поверхности, например, косой открытый или косой замкнутый геликоид.
cm
По существу плоская задняя стенка полости не обязательно должна быть непрерывной и, например, может быть снабжена круглым отверстием 214, сцентрированным на оси L так, чтобы облегчить установку выступающего в осевом направлении носка 110 на головке 100 муфты. Части задней стенки 212, которые проходят между основаниями задней второй и передней первой приводных поверхностей 210а, 210b, могут представлять собой упорные поверхности, в которые может упираться головка 100 муфты, когда она вставлена в осевом направлении в полость 204 так, чтобы предотвратить дальнейшее относительное осевое перемещение. Там, где задняя стенка 212 примыкает к боковой стенке 206, т.е., там, где задняя стенка 212 примыкает к по существу цилиндрическим секциям 208 боковой стенки и/или к приводным поверхностям 210а, 210b, выступающим из них, можно создать выпуклые округлые наклонные поверхности 216 для облегчения плавного контакта между головкой 100 муфты и поверхностями 208, 210а, 210b 212, окружающими полость 204.
Задняя часть соединительного элемента 200 может быть снабжена множеством расположенных по окружности и разнесенных на одинаковые интервалы выступов 218, напоминающих мерлоны. Выступы 218 на задней части соединительного элемента могут быть ответными углублениям, выполненным в сердечнике 18а щетки (фиг.1) так, чтобы соединительный элемент 200 мог крепиться к ней, например, с помощью посадки с натягом. После того, как соединительный элемент 200 будет прикреплен к сердечнику 18а щетки, выступы 218 позволят передавать крутящий момент от соединительного элемента 200 на сердечник щетки, чтобы приводить щетку во вращение.
Далее следует описание работы приводной муфты 50 со ссылками на фиг.3 и 4.
ch
cm
Когда оси L и L будут совмещены так, чтобы положительное направление одной оси указывало отрицательное направление другой оси, головку 100 муфты и соединительный элемент 200 можно собрать в конфигурацию, показанную на фиг.2. В этом соединенном состоянии по существу треугольная приводная секция 104 головки 100 муфты вставлена в полость 204 соединительного элемента 200. Если во время соединения в осевом направлении приводная секция 104 головки 100 муфты упрется в приводные кулачки 210, которые выступают в полость 204, геликоидальная форма приводных поверхностей 210а, 210b приводных кулачков 210 направит по меньшей мере одну из частей 100, 200 приводной муфты и естественным образом устранит препятствие, повернув эти части или придав спиральное направление движению этих частей.
Если в соединенном состоянии головки 100 муфты и соединительного элемента 200 приложить к головке 100 муфты крутящий момент, ее приводные поверхности 106 повернутся и войдут в контакт с соответствующими геликоидальными приводными поверхностями 210а, 210b соединительного элемента 200 в трех положениях (т.е., возникнет один контакт на каждую пару приводных поверхностей), чтобы образовать трехточечное соединение. Это трехточечное соединение устраняет три степени свободы, которые характеризуют эту конфигурацию узла приводной муфты. Продолжение приложения крутящего момента создает контактные силы в каждом из трех положений контакта. Контактные силы передают крутящий момент, приложенный к головке 100 муфты на соединительный элемент 200. При этом осевые компоненты контактных сил будут стремиться развести головку 100 муфты и соединительный элемент 200 друг от друга. Соответственно, осевой люфт в муфте будет выбран, поскольку приводная секция 104 головки муфты прижимается к уклону, определенному геликоидальными приводными поверхностями 210а, 210b. Кроме того, радиальные компоненты контактных сил будут стремиться центрировать головку 100 муфты в полости 204 соединительного элемента 200.
Для показанного варианта приводной муфты 50 с геликоидальными первой и второй приводными поверхностями 210а, 210b отношение между крутящим моментом, приложенным к головке 100 муфты, и осевой силой, которая вследствие этого воздействует на соединительный элемент 200, определяется выражением:
2π·М=F·p
(1)
где М (Нм) - момент, приложенный к головке 100 муфты, F (Н) - осевая сила, действующая на соединительный элемент 200, а р (м) - шаг геликоида. Для создания достаточной осевой силы при относительно небольших крутящих моментах шаг р предпочтительно можно выбрать так, чтобы F≥35·M, и, более предпочтительно, F≥100·M. Типичный крутящий момент, необходимый для привода щетки может быть порядка приблизительно 0,2 Нм, и минимальная осевая сила, необходимая для надежного зажимания типичной легкой высокооборотной вращающейся щетки (имеющей массу порядка 50-100 г), может быть приблизительно 7 Н, тогда как оптимальная стабильность наблюдалась при приблизительно 20 Н; отсюда и представленные отношения.
cm
ch
cm
Контактные силы, таким образом, могут содержать и тангенциально направленный компонент силы, который позволяет передавать крутящий момент, и осевой компонент силы, который служит для выбирания осевого люфта в приводной муфте 50, и радиальный компонент силы, который центрирует головку 100 муфты относительно соединительного элемента 200. На практике именно величина крутящего момента, требуемая для привода щетки 18, присоединенной к головке 100 муфты, является величиной, определяющей величину тангенциальных компонентов контактных сил; величины осевого и радиального компонентов силы могут считаться просто отклонениями (поскольку они сравнимы с величиной нормальной силы). Величина крутящего момента, прилагаемого в точке контакта между приводной поверхностью 106 головки 100 муфты и приводными поверхностями 210а, 210b соединительного элемента 200, является произведением тангенциального компонента нормальной силы, действующей в точке контакта на длину соответствующего рычага, т.е., радиальное расстояние от точки контакта до центральной оси L вращения. Поэтому, если нужно передавать постоянный крутящий момент, увеличение рычага следует компенсировать уменьшением тангенциального компонента нормальной силы, или наоборот. Однако уменьшение величины тангенциального компонента может привести к соответствующему уменьшению осевого и радиального компонентов, которые могут иметь минимальный предел величин, чтобы правильно выбирать осевой люфт и обеспечивать надежное центрирование головки 100 муфты и соединительного элемента 200. Соответственно, рычаг, связанный с точкой контакта между приводными поверхностями 106 головки 100 муфты и приводными поверхностями 210а, 210b соединительного элемента 200 предпочтительно должен иметь максимальную длину. Расчеты для показанного варианта приводной муфты 50 показали, что этот рычаг должен быть меньше 15 мм и, предпочтительно, меньше 9 мм, чтобы можно было обеспечить компенсацию небольшого дисбаланса в узле щетки (т.е., щетка с частью приводной муфты), которые могут возникнуть на протяжении срока службы узла щетки, в частности, в результате износа, используя радиальные центрирующие силы, возникающие в приводной муфте при высокой частоте вращения приблизительно 7000 об/мин. Соответственно, приводные поверхности 106, 210а, 210b головки 100 муфты и соединительного элемента 200 могут предпочтительно иметь радиальный размер не более 15 мм и, предпочтительно, не более 9 мм относительно из соответствующих осей L, L.
ch
cm
Если по меньшей мере одна часть муфты, т.е., головка 100 муфты и соединительный элемент 200, установлена с возможностью свободного вращения вокруг их общей оси L, Lвращения, то как только прекращается приложение крутящего момента к головке муфты, контактные силы ослабляются. Соответственно, в состоянии покоя на головку 100 муфты и элемент 200 не действуют никакие существенные осевые или радиальные силы, которые могли бы привести к долговременному эффекту проскальзывания и к дисбалансу.
Перечень позиций
1 - устройство для очистки жесткого пола
2 - шнур питания
4 - ручка
6 - соединительная штанга
8 - корпус
10 - щиток
12 - резервуар для отходов
14 - механизм двигателя
16 - трансмиссия
18 - щетка
18а - сердечник щетки
18b - материал щетки
20 - резервуар для воды
50 - узел соединительной муфты
100 - головка муфты
102 - тело головки муфты
104 - приводная секция
106 - приводная поверхность
108 - соединительная поверхность
110 - носок
200 - соединительный элемент
202 - тело соединительного элемента
204 - приемная полость соединительного элемента
206 - боковая стенка
208 - по существу цилиндрическая часть боковой стенки
210 - приводной кулачок
210а, b - передняя первая (а) и задняя вторая (b) приводные поверхности
212 - задняя стенка
214 - центральное отверстие/проход в задней стенке
216 - выпуклая криволинейная наклонная поверхность
218 - крепежные выступы
ch
L - ось вращения головки муфты
cm
L - ось вращения соединительного элемента
P - радиально-осевая плоскость симметрии через приводной кулачок
R - радиус кривизны
T - равносторонний треугольник, для описания первой и второй приводных поверхностей
v
cm
T - вершина треугольника, ограниченная в движении осью L
b
T - основания равностороннего треугольника
r, t - радиальное и тангенциальное направления на фиг.4.