Бесфлаттерная многодисковая фрикционная муфта для соединения валов привода с возможностью разнонаправленного их вращения - RU2618661C1
Код документа: RU2618661C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к области машиностроения, конкретно - к дисковым фрикционным муфтам (муфтам трения) для соединения (сцепления) приводных валов, в частности, в трансмиссиях наземных быстроходных транспортных средств и дорожных машин, судовых силовых установках (приводах гребных винтов).
В настоящее время основным типом многодисковых фрикционных муфт для соединения валов привода (далее - «классической» муфтой) можно назвать двухзвенные устройства (коаксиально установленные на подшипниках внешний и внутренний барабаны) со шлицами, на которых установлен пакет фрикционных дисков с чередующимся внешним и внутренним зацеплением с упомянутыми шлицами барабанов и с некоторой свободой осевого перемещения, при наличии гидроцилиндра включения-выключения муфты с поршнем (зачастую с последовательно расположенным нажимным диском), сжимающим пакет дисков при включении с одной стороны, и упорного диска с другой стороны пакета [Расчет и конструирование гусеничных машин: Учебник для вузов / Н.А. Носов, В.Д. Галышев, Ю.П. Волков, А.П. Харченко / Под ред. Н.А. Носова. - П.: Машиностроение, 1972. - 560 с. - С. 74-76, рис. II.2, II.3; С. 316, рис. VII.10; С. 361, рис. IX.6; С. 382-386, рис. IX.14-IX.16a].
Хорошо зарекомендовав себя в приводах, у которых соединяемые ими валы не обладают свойством противовращения, «классические» муфты оказались недостаточно пригодными в качестве элементов управления реверс-редукторов и других приводов, где имеет место знакопеременная скорость вращения ведущего вала (т.е. имеет место противовращение соединяемых валов). Причина - возникновение так называемого в машиностроении флаттера в парах трения в пределах пакета фрикционных дисков, как резко негативного явления резонансно-динамического характера (аналогичен флаттеру в авиации).
Флаттер возникает именно при высоких относительных скоростях разведенных пар трения, что и имеет место при противовращении (а значит - удвоении относительной скорости) пары смежных дисков внешнего и внутреннего зацепления со шлицами внешнего и внутреннего барабанов соответственно. На фоне флаттера несколько уступают на второй план более выраженью при противовращении такие изначально присущие фрикционным дисковым муфтам и тормозам недостатки, как безнагрузочные потери, износ и коробление дисков трения и их перегрев.
Ряд отраслей современного машиностроения (транспортное машиностроение, судостроение и др.), повышая тактико-технические и технико-эксплуатационные характеристики изделий - скорости и маневренность, вплотную столкнулось с этим явлением, что и определяет актуальность темы. Борьба с флаттером - это борьба с безнагрузочными потерями, безнагрузочным износом и перегревом дисков, сокращением ресурса фрикционных элементов управления.
Близким аналогом заявляемого изобретения является переключающее устройство реверс-редуктора в составе гидромеханической трансмиссии немецкого танка «Леопард 2А6» [Брилев О.Н. Танки. - М.: ООО «Изд-во «Планета». - ISBN 978-5-903162-70-3. - 564 с., ил. - С. 332, рис. 4.3.2.9]. Оно содержит трехзвенный планетарный зубчатый механизм (ряд) с «классическим» многодисковым тормозом эпицикла, со встроенным в его неподвижную часть (корпус) двухпозиционным гидроцилиндром управления и монтажом дисков внутреннего зацепления на шлице-вой части (барабане) эпицикла упомянутого планетарного ряда. Водило ряда соединено с зубчатой частью ведущего вала привода, а солнечная шестерня - с зубчатой частью ведомого вала. В коническом трехзвенном реверс-редукторе предусмотрены два таких устройства «ряд + тормоз» с зеркально-симметричным расположением справа и слева от ведомых конических шестерен реверс-редуктора, при этом последние жестко закреплены на ведущих валах, связанных с близлежащими водилами.
Несмотря на улучшение условий работы фрикционных дисков элементов управления, в том числе принципиальное решение проблемы флаттера в пакетах фрикционных дисков при противовращении, известный аналог приобрел новые недостатки: заменяющий подверженную флаттеру «классическую» многодисковую фрикционную муфту трехзвенный планетарный зубчатый механизм (ряд) с принудительно затормаживаемым эпициклом, причем за счет опять же «классического» многодискового гидравлического тормоза, резко увеличивает стоимость и массогабаритные характеристики устройства, что не соответствует высоким требованиям к компактности, напрямую влияющей на один из трех важнейших показателей - защиту, и тактико-технические характеристики в целом.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого изобретения, то есть совпадающим с ним по назначению и по общим существенным конструктивным признакам, является бесфлаттерная многодисковая муфта сцепления валов привода с возможностью разнонаправленного их вращения, содержащая корпус барабанного типа с внутренними шлицами, последовательно расположенные вдоль продольной оси муфты первый и второй пакеты фрикционных дисков с чередующимся внутренним и внешним зацеплением соответственно для связи со шлицевыми участками соединяемых валов, установленных на неподвижной части привода, и со шлицами корпуса, разделяющий указанные пакеты промежуточный фрикционный диск внешнего зацепления со шлицами корпуса, гидроцилиндр управления включением-выключением муфты путем обратимого сжатия между собой всех перечисленных фрикционных дисков, с кольцевым уплотненным поршнем и возможностью управленческой подачи в гидроцилиндр масла под давлением как при неподвижном, так и при вращающемся корпусе, механизм возврата поршня в составе распорной пружины и ее направляющего устройства, параллельного продольной оси муфты, и упоры-ограничители осевого хода перечисленных составных элементов и средства обеспечения возможности попеременных состояний покоя или вращения корпуса муфты вместе с соединяемыми ею валами в выключенном и включенном ее состояниях соответственно, а также выравнивания скоростей валов в режиме их противовращения без возникновения флаттера в пакете дисков [Hilpert, C.R. Gyroscopically Induced Failure in Multiple Disc Clutches, Its Causes, Its Characteristics and Its Cures // SAE Technical Paper 690066, 1969. - s. 362-363, Fig. 13].
К указанным «средствам» формально отнесены: главным образом, последовательная двухпакетная многодисковая схема с замыканием на корпус муфты, а также гидротормоз включения муфты с механизмом возврата поршня.
Согласно текстовому пояснению к Fig. 13, «Флаттер
Словосочетание «третий набор дисков неподвижен» неопределенно, ибо двусмысленно в понимании специалистов в данной области техники. По одной версии, речь может идти о неподвижности корпуса в установившемся режиме работы включенной ценной муфты в связи с естественным наличием переменных (при функционировании) значений сопротивления вращению подвижных частей, включая прежде всего сам корпус, особенно на переходных режимах включения-выключения муфты, неоднородности возможного коробления дисков и несимметричности междисковых зазоров (главная особенность работы «трехзвенной» муфты на переходных режимах!) и влияния продуктов износа, гидродинамических процессов, что в совокупности неизбежно приводит к кинематической неопределенности, наличию обусловленного этим реактивного вращающего корпус момента, а значит случайному характеру, эпизодической «неподвижности» корпуса муфты. По другой версии, речь может идти о наличии каких-то материальных (технических) средств обеспечения принудительной неподвижности (фиксации) корпуса. В случае неопределенности, тем более описания к рисунку (чертежу, схеме) следует, как известно, обратиться к самому графическому изображению как инструменту, дополняющему и уточняющему текстовой материал. Однако на фиг. 13 прототипа корпус (барабанного типа) муфты показан вообще без каких-либо внешних связей с окружающей средой. Отсутствуют и какие-либо ссылки (примечания) на условность такого изображения.
Таким образом, под углом зрения заявляемого изобретения (в порядке формирования сравнительной оценки известного и заявляемого технических решений) в прототипе проблема флаттера решена, но с «техническими издержками», новыми недостатками (см. далее по тексту критику прототипа).
В муфте-прототипе гидроцилиндр выполнен в виде бустера с упругим уплотнением, установленного на одном из соединяемых валов с возможностью синхронного вращения вместе с ним, и должен быть гидравлически связан с внешней гидросистемой ее управления. Пружина механизма возврата поршня расположена под корпусом муфты и, более того, - в нише, образованной этим валом и шлицевой его частью барабанного типа, враспор между боковой стенкой последней и предусмотренным для этого основанием поршня, и охвачена по части своей длины направляющими. Промежуточный диск постоянно связан только со шлицами корпуса муфты. Корпус муфты должен быть, во всяком случае, зафиксирован от смещений в радиальных направлениях и вдоль продольной оси муфты относительно неподвижной части привода посредством подшипников (средства фиксации не показаны, предположительно - условно). Упорный диск совокупного пакета фрикционных дисков муфты, расположенный в конце этого пакета зеркально-симметрично поршню, выполнен в форме фланца шлицевой части (барабанного типа) другого соединяемого вала, являясь одновременно последним фрикционным диском внутреннего зацепления в совокупном пакете.
При несомненных достоинствах прототипа как альтернативного успешного решения проблемы флаттера в муфтах трения, известному техническому решению свойственны, однако, следующие недостатки.
Во-первых, муфта не снабжена (см. приведенные ранее по этому поводу комментарии) тормозом (как специализированным средством торможения и временного удержания в состоянии покоя), обеспечивающим, по крайней мере, кинематическую определенность корпуса муфты, особенно и прежде всего на переходных режимах ее включения-выключения и тем более в условиях противовращения, характерных, например, для реверс-редукторов. Эта кинематическая неопределенность есть следствие неодинаковости междисковых зазоров в совокупном пакете (а это - «оборотная сторона победы над флаттером»), асимметрии газогидродинамических процессов и продуктов эрозии в междисковых зазорах, повышенных безнагрузочных потерь и коробления дисков трения.
Во-вторых, осевая свобода перемещения промежуточного диска обусловливает задержку образования («естественным путем», за счет газогидродинамических и центробежных явлений в среде междисковых микрозазоров) макрозазоров, прежде всего между промежуточным диском и смежным с ним диском из удаленного от бустера «второго» пакета. А значит - продленную пробуксовку, нечеткость срабатывания, неустойчивость и непредсказуемость (случайный характер) функционирования на переходных режимах.
В-третьих, при такой организации гидравлического механизма включения муфты, достаточно развитый (объемный, габаритный) бустер, тем более заполненный маслом и момент инерции которого составляет немалую долю в общем моменте инерции муфты относительно ее продольной оси, во всех режимах эксплуатации, - как во включенном, так и в выключенном состоянии, - вращается, что нежелательно по соображениям энергоэффективности привода, динамики и прочности, надежности и долговечности уплотнений, а также требует введения в конструкцию бустера компенсатора давления (центробежного происхождения) на поршень масла.
В-четвертых, усилие сжатия совокупного пакета фрикционных дисков при рабочем давлении масла в бустере не образует замкнутый контур (т.е. не замыкается на сам бустер), а воспринимается подшипниковыми опорами (не показанными на рисунке) с дальнейшей передачей на валы враспор и далее, уже через другие подшипники, на неподвижную часть привода (также не показано, очевидно условно). Это существенно ухудшает условия работы подшипниковых опор, увеличивает массогабаритные характеристики всего привода, снижает срок службы и надежность.
По совокупности отмеченной критики, известная муфта (прототип) далека еще от совершенства и определяет, в свою очередь, недостаточно высокие тактико-технические (в приложении к военным и специальным транспортным машинам) или технико-эксплуатационные (в приложении к гражданским транспортным машинам и судам) характеристики транспортной машины и судна соответственно.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в предотвращении флаттера при устранении указанных недостатков прототипа и, соответственно, в улучшении технико-эксплуатационных или тактико-технических характеристик в приложении к приводам с противовращением валов (в частности, с реверс-редукторами), главным образом трансмиссиям наземных транспортных средств и приводам судовых гребных винтов.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в бесфлаттерной многодисковой фрикционной муфте для соединения валов привода с возможностью разнонаправленного их вращения, содержащей корпус барабанного типа с внутренними шлицами, последовательно расположенные вдоль продольной оси муфты первый и второй пакеты фрикционных дисков с чередующимся внутренним и внешним зацеплением соответственно для связи со шлицевыми участками соединяемых валов, установленных на неподвижной части привода, и со шлицами корпуса, разделяющий указанные пакеты промежуточный фрикционный диск внешнего зацепления со шлицами корпуса, гидроцилиндр управления включением-выключением муфты путем обратимого сжатия между собой всех перечисленных фрикционных дисков, с кольцевым уплотненным поршнем и возможностью управленческой подачи в гидроцилиндр масла под давлением как при неподвижном, так и при вращающемся корпусе, механизм возврата поршня в составе распорной пружины и ее направляющего устройства, параллельного продольной оси муфты, и упоры-ограничители осевого хода перечисленных составных элементов и средства обеспечения возможности попеременных состояний покоя или вращения корпуса муфты вместе с соединяемыми ею валами в выключенном и включенном ее состояниях соответственно, а также выравнивания скоростей валов в режиме их противовращения без флаттера дисков трения, гидроцилиндр встроен в корпус муфты и гидравлически связан с внешней гидросистемой ее управления посредством уплотненного радиального зазора между корпусом и неподвижной частью привода вода, пружина механизма возврата поршня вынесена наружу корпуса муфты, установлена враспор между предусмотренными для этого сухарем поршня и фланцевой частью корпуса муфты и охватывает по всей своей длине первый палец, установленный в глухом и сквозном отверстиях в сухаре и корпусе, промежуточный диск снабжен механизмом его возврата, аналогичным механизму возврата поршня, - второй пружиной, вынесенной наружу корпуса муфты, установленной враспор между предусмотренными для этого сухарем промежуточного диска и упомянутой фланцевой частью корпуса муфты и охватывающей по всей своей длине второй палец, установленный в глухом и сквозном отверстиях в сухаре промежуточного диска и корпусе, а корпус муфты зафиксирован в осевом направлении относительно неподвижной части привода посредством подшипника и снабжен тормозом, обеспечивающим кинематическую определенность корпуса муфты на переходных режимах ее включения-выключения.
Решение поставленной задачи достигается также за счет дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков) муфты:
- тормоз корпуса муфты может быть выполнен механическим и автоматическим, включающим в себя минимум одну подпружиненную третьей распорной пружиной, имеющей жесткость больше жесткости первой пружины механизма возврата поршня, фрикционную дисковую пяту, установленную на свободном конце третьего пальца, закрепленного в упомянутом сухаре поршня и охватываемого третьей пружиной, с возможностью выхода пяты из силового контакта с вертикальной плоскостью неподвижной части привода при включающем муфту сжатии фрикционных дисков, и возврате в исходное состояние при сбросе давления масла в гидроцилиндре (это позволяет относительно простыми и дешевыми механическими средствами реализовать один из важнейший современных требований к машинам - сведение к минимуму участия человека в управлении ими и их обслуживания, а также повышения надежности);
- в механизме возврата поршня палец («первый» палец) может быть заделан в глухое отверстие в сухаре поршня и пропущен в сквозное отверстие во фланцевой части корпуса муфты с возможностью скольжения в нем, а в механизме возврата промежуточного диска палец («второй» палец») заделан в глухое отверстие в сухаре промежуточного фрикционного диска и пропущен в сквозное отверстие во фланцевой части корпуса муфты с возможностью скольжения в нем (это рационально с точки зрения монтажа-демонтажа устройства и визуального профилактического контроля, регулирования и дефектации, но при общекомпоновочной, «внешней» возможности такого технического решения);
- в механизме возврата поршня палец может быть заделан в глухое отверстие во фланцевой части корпуса муфты и пропущен в сквозное отверстие в сухаре поршня, с возможностью скольжения в нем, а в механизме возврата промежуточного диска палец заделан в глухое отверстие во фланцевой части корпуса муфты и пропущен в сквозное отверстие в сухаре промежуточного фрикционного диска с возможностью скольжения в нем (это - конструктивный вариант, альтернативный предыдущему и позволяющий в определенных «внутрикомпоновочных» условиях, т.е. при наличии для этого свободного места под корпусом муфты, использовать эти «пустоты» для рабочего хода пальцев, что соответствует принципу оптимизации компоновки в интересах сокращения габаритных показателей приводов и иных машин в машиностроении).
Среди известных фрикционных муфт не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной. В то же время, именно за счет последней достигается новый технический результат в соответствии с поставленной задачей.
Заявляемое устройство муфты (на примере муфты для транспортного машиностроения и судостроения) пояснено на чертежах:
на фиг. 1 показана блок-схема привода с заявляемой муфтой, вид сбоку в выключенном состоянии, где:
1 - первый вал силовой передачи; 2 - шлицевая часть вала 1; 3 - второй вал силовой передачи; 4 - шлицевая часть вала 3; 5 - бесфлаттерная многодисковая фрикционная муфта для соединения валов 1 и 2 друг с другом посредством их шлицевых частей 2 и 4 соответственно; 6 - корпус (барабан) муфты 5; 7 - тормоз корпуса (барабана) 6; ±ω - угловая скорость валов в установившемся режиме (без пробуксовки в муфте) с возможностью разнонаправленного вращения первого вала (и, как следствие, - второго);
на фиг. 2 схематично показано устройство (конструкция) привода с заявляемой муфтой, вид сбоку в разрезе, в выключенном состоянии, где:
8 - шлицевая часть корпуса (барабана) 6; 9 - первый пакет фрикционных дисков в составе минимум одного диска 10 наружного зацепления со шлицами 8 и минимум двух дисков 11 внутреннего зацепления со шлицами 2; 12 - второй пакет фрикционных дисков в составе минимум одного диска 13 наружного зацепления со шлицами 8 и минимум двух дисков 14 внутреннего зацепления со шлицами 4; 15 - промежуточный фрикционный диск наружного зацепления со шлицами 8, расположенный между пакетами 9 и 12; 16 - кольцевой поршень гидроцилиндра управления (по крайней мере, «вкл.-выкл.») муфтой 5; 17 - кольцевое уплотнение поршня 16; 18 - масляный канал в корпусе 6 к гидроцилиндру управления; 19 - уплотнение подачи масла в канал 18 (либо двойное кольцевое при давлении до 8-10 атм., либо торцевое при давлении до 12-14 атм.); 20 - упорный диск внешнего зацепления со шлицами 8; 21 - упор (ограничитель хода) упорного диска 20; 22 - неподвижное тело в принятой системе координат, например корпус (картер) силовой передачи; 23 - сухарь поршня 16; 24 - сухарь промежуточного диска 15; 25 - распорная пружина («первая») между сухарем 23 и фланцевой частью корпуса 6 в составе механизма возврата поршня 16 (его отвода в гидроцилиндр); 26 - направляющий элемент («первый» палец) для пружины 25, параллельный продольной оси муфты 5, в составе механизма возврата поршня 16; 27 - направляющее отверстие во фланцевой части корпуса 6 для элемента (пальца) 26; 28 - распорная пружина («вторая») между сухарем 24 и фланцевой частью корпуса 6 в составе механизма возврата (отвода) промежуточного диска 15 в сторону первого пакета дисков 9 и гидроцилиндра; 29 - направляющий элемент («второй» палец) для «второй» пружины 28, параллельный продольной оси муфты 5, в составе механизма возврата (отвода) промежуточного диска 15; 30 - направляющее отверстие во фланцевой части корпуса 6 для элемента («второго» пальца) 29; 31 - фрикционная дисковая пята в составе механического автоматического варианта тормоза 7; 32 -пружина («третья») поджатия диска 31 к телу 22; 33 - направляющий элемент («третий» палец) для «третьей» пружины 32, параллельный продольной оси муфты 5;
на фиг. 3 показана блок-схема реверс-редуктора, как частного случая силового привода (трансмиссии) с выраженным противовращением первого и второго валов, с заявляемой муфтой, вид сбоку в выключенном состоянии, где:
1 - выходной вал редукторной части (редуктора) силового привода (трансмиссии), как частный случай упомянутого первого вала; 3 - правый выходной вал реверс-редуктора, как частный случай упомянутого второго вала; 34 - правая ведомая коническая шестерня реверс-редуктора, жестко установленная на валу 3; 35 - ведущая коническая шестерня силового привода (трансмиссии); 36 - левый выходной вал реверс-редуктора, как аналог второго вала, но с противовращением, и частный случай упомянутого второго вала; 37 - правая ведомая коническая шестерня реверс-редуктора, жестко установленная на валу 36; 38 - бесфлаттерная многодисковая фрикционная муфта для соединения валов 1 и 36 друг с другом (зеркально симметричная муфте 5) во включенном ее состоянии при выключенной муфте 5); 39 - корпус барабанного типа муфты 38; 40 - тормоз корпуса (барабана) 39.
На всех чертежах, во-первых, не показанную нижнюю половину муфты 5 выполняют симметрично, а во-вторых, условно не показаны подшипники опор валов 1, 3 и корпуса (наружного барабана) 6 муфты 5, а также их регулировочные узлы.
Заявляемая бесфлаттерная многодисковая фрикционная муфта 5 для соединения валов 1 и 3 привода (трансмиссии) с возможностью разнонаправленного их вращения ±ω (по любому из возможных частных вариантов конструктивного ее исполнения) содержит (см. фиг. 1, 2) корпус 6 барабанного типа с внутренними шлицами 8. Вдоль продольной оси муфты 5 последовательно расположены первый 9 и второй 12 пакеты фрикционных дисков 11, 10 и 14, 13 с чередующимся внутренним и внешним зацеплением соответственно для связи со шлицевыми участками 4, 2 соединяемых валов 3, 1, установленных на неподвижной части 22 привода, и со шлицами 8 корпуса 6. Пакеты 9, 12 разделяет промежуточный фрикционный диск 15 внешнего зацепления со шлицами 8 корпуса 6.
В корпус 6 муфты 5 встроен гидроцилиндр управления (по крайней мере, ее включением-выключением) путем обратимого сжатия между собой всех фрикционных дисков (включая 10, 11, 13-15). В гидроцилиндр вставлены кольцевые поршень 16 (который тоже может быть сам «диском трения» или может быть снабжен «нажимным диском трения») и его уплотнение 17. Полость гидроцилиндра гидравлически связана каналом 18 с внешней гидросистемой управления муфтой 5 посредством уплотненного (уплотнение 19 - либо двойное кольцевое при давлении до 8-10 атм., либо торцевое при давлении до 12-14 атм.) радиального зазора между корпусом 6 и неподвижной частью 22 привода, с возможностью (принципиальной) управленческой подачи в гидроцилиндр масла под указанным давлением как при неподвижном, так и при вращающемся корпусе 6.
Имеется механизм возврата поршня 16 в составе пружины 25 и ее направляющего устройства (палец 26), параллельного продольной оси муфты 5.
Пружина 25 вынесена наружу корпуса 6 муфты 5. Она установлена враспор между предусмотренными для этого сухарем 23 поршня 16 и фланцевой частью корпуса 6 и охватывает по всей своей длине первый палец 26, который установлен в глухом и сквозном 27 отверстиях в сухаре 23 и корпусе 6 (подробнее см. далее по тексту - варианты устройства механизма возврата поршня 16).
Промежуточный диск 15 снабжен механизмом его возврата, аналогичным описанному в предыдущем абзаце механизму возврата поршня 16, а именно - второй пружиной 28, вынесенной наружу корпуса 6. Она установлена враспор между предусмотренными для этого сухарем 24 промежуточного диска 15 и упомянутой фланцевой частью корпуса 6 и охватывает по всей своей длине второй палец 29, который установлен в глухом и сквозном 30 отверстиях в сухаре 24 промежуточного диска 15 и корпусе 6 (подробнее см. также далее по тексту - варианты устройства механизма возврата промежуточного диска 15).
Предусмотрены упоры-ограничители осевого хода перечисленных составных элементов неподвижной части привода (в частности, передние по отношению к поршню 16 стенки окон (вариант в других терминах - «торцы прорезей») в корпусе 6 под сухари 23 и 24, либо ограничительные выступы на сухарях 23, 24, охватывающие шлиц 8), не позволяющие последним сместиться правее указанного на фиг. 2 положения).
В конце описанного последовательного ряда из пакета 9, промежуточного диска 15 и пакета 12 установлен на шлицах 8 корпуса 6 упорный диск 20 внешнего зацепления с упором (ограничителем хода) 21. Его тоже можно рассматривать как «диск трения» - замыкающий в совокупном пакете фрикционных дисков 10, 11, 13-16, 20 муфты 5.
В статическом состоянии устройства при нулевом давлении масла под поршнем 16 последний, посредством пружины 25 и сухаря 23, отведен от пакета 9 вправо до упора сухаря 23 в ограничительную переднюю стенку первого окна в корпусе 6; промежуточный диск 15 посредством пружины 28 отведен от пакета 12 вправо до упора сухаря 24 в ограничительную переднюю стенку второго окна в корпусе 6; в условиях осевой свободы и динамических процессов диски 10, 11, 13-15, 16, 20 саморазведены.
В устройстве предусмотрены также средства обеспечения возможности попеременных состояний покоя или вращения корпуса 6 муфты 5 вместе с соединяемыми ею валами 1, 3 в выключенном и включенном ее состояниях соответственно, а также выравнивания скоростей валов (1, 3) в режиме их противовращения без флаттера в пакетах дисков.
К таковым относится, наряду с тормозящими внутренними (баланс моментов сил) и внешними (сопротивление окружающей среды вращению корпуса 6 муфты 5) факторами, главным образом, тормоз 7 (на фиг. 1 и 3 показан в обобщенном виде) корпуса 6 муфты 5, во включенном своем состоянии обеспечивающий торможение и полную фиксацию корпуса от проворота вокруг продольной оси муфты 5, а в выключенном состоянии - беспрепятственную возможность вращения, т.е., обобщенно говоря, кинематическую определенность корпуса (6) муфты (5) на всех переходных и установившихся режимах ее включения-выключения.
Далее описаны рекомендуемые частные совокупности существенных признаков заявляемого устройства муфты 5, а также особенностей их использования.
Тормоз 7 корпуса 6 муфты 5 может быть выполнен механическим (не принимая во внимание упомянутый гидроцилиндр, движение поршня которого инициирует включение тормоза, но все-таки относится к механизму управления собственно фрикционной муфтой 5) и автоматическим, включающим в себя минимум одну подпружиненную третьей распорной пружиной 32 (см. фиг. 2) фрикционную дисковую пяту 31 (в качестве тормозящего органа тормоза 7, установленную на свободном конце третьего пальца 33, закрепленного в сухаре 23 и охватываемого пружиной 32. При этом жесткость первой пружины 25 превышает жесткость третьей пружины 32 и предусмотрена возможность выхода пяты 31 из силового контакта (необходимого для создания тормозящего момента трения) с вертикальной плоскостью 22 неподвижной части привода при включающем муфту сжатии (поршнем 16 с упором в упорный диск 20) фрикционных дисков (10, 11, 12-15), т.е. уводе сухаря 23 влево, и возврате в исходное состояние при сбросе давления масла в гидроцилиндре.
По одному (первому) из конструктивно-компоновочных вариантов (именно этот вариант показан в качестве примера на фиг 2), в механизме возврата поршня 16 палец 26 заделан в глухое отверстие в сухаре 23 и пропущен в сквозное отверстие 27 во фланцевой части корпуса 6 муфты 5 с возможностью скольжения (т.е. со скользящей посадкой) в нем, а в механизме возврата промежуточного диска 15 палец 29 заделан в глухое отверстие в сухаре 24 и пропущен в сквозное отверстие 30 во фланцевой части корпуса 6 муфты 5 с возможностью скольжения (т.е. со скользящей посадкой) в нем.
По другому (второму) конструктивно-компоновочному варианту (не показан), наоборот, палец 26 может быть заделан в глухое отверстие во фланцевой части корпуса 6 (вместо сквозного 27) и пропущен в сквозное отверстие (вместо глухого отверстия) в сухаре 23, с возможностью скольжения в нем, а в механизме возврата промежуточного диска 15 палец 29 заделан в глухое отверстие (вместо сквозного отверстия 30) во фланцевой части корпуса 6 муфты 5 и пропущен в сквозное отверстие (вместо глухого) в сухаре 24 промежуточного фрикционного диска 15 с возможностью скольжения в нем.
Возможны другие кинематические схемы и конструкции в рамках заявляемых основной и дополнительных совокупностей существенных признаков.
Так, например, согласно фиг. 3, возможно актуальное решение проблемы флаттера в пакетах фрикционных дисков реверс-редукторов (в частности, транспортных и судовых). Схема предусматривает зеркально-симметричную установку двух заявляемых муфт - муфты 5 с корпусом 6 и тормозом 7 (в правой части фиг. 3) и муфты 38 с корпусом 39 и тормозом 40 (в левой части фиг. 3). Муфта 5 по-прежнему (как и на фиг. 1, 2) при ее включении соединяет валы 1 и 3, а муфта 38 при ее включении соединяет валы 3 и 36 (вал 36 идентичен валу 1 и установлен зеркально-симметрично ему). При этом валы 1 и 36 порознь жестко соединены с зеркально-симметрично установленными идентичными ведомыми коническими зубчатыми шестернями 34 и 37 соответственно. Последние взаимосвязаны общей для них ведущей конической шестерней 35, обеспечивающей вращение шестерен 34 и 37 исключительно в разные стороны, независимо от направления вращения самой шестерни 35. Такое сочетание зубчатых звеньев приводов характерно для реверс-редукторов.
Устройство работает следующим образом (анализ функционирования).
Крутящий момент подводится к валу 1 передачи (см. фиг. 1, 2).
Если муфта 5 выключена (давление масла в гидроцилиндре сброшено практически до атмосферного, а согласно описанию устройства, поршень 16 посредством пружины 25 и сухаря 23 отведен от пакета 9 вправо до упора сухаря 23 в ограничительную переднюю стенку первого окна в корпусе 6; промежуточный диск 15 посредством пружины 28 отведен от пакета 12 вправо до упора сухаря 24 в ограничительную переднюю стенку второго окна в корпусе 6; в условиях осевой свободы и динамических процессов диски 10, 11, 13-15, 16, 20 саморазведены, то и вал 1 вращается вхолостую, что аналогично режиму «нейтрали» в коробке передач транспортных средств.
Тормоз 7 полностью включен, что гарантирует неподвижность (нулевую скорость вращения) корпуса 6 муфты 5 и исключает оговоренную в обзоре аналогов и критике прототипа кинематическую неопределенность корпуса 6 в условиях газодинамических (в муфтах сухого трения) или гидро-газодинамических (в муфтах с фрикционными дисками, работающими в масле) процессов, а также доминирующей вероятности несимметричности и переменности зазоров между фрикционными дисками, установленными на шлицах 8, 2, 4 независимо друг от друга, плюс усугубляющей ситуации с вероятностью неполного разжатия дисков (особенно вследствие их покоробленности), и тем более при противовращении валов 1 и 3 с сопутствующим зачастую флаттером.
Если тормоз 7 управляется аналогично устройству включения-выключения муфты 5, равно как и аналогично многодисковому тормозу (Multi-disc brake ahead) эпицикла планетарного зубчатого ряда в упомянутом близком аналоге - реверс-редукторе трансмиссии немецкого танка «Леопард 2А6» [Брилев О.Н. Танки…], - своим гидроцилиндром (здесь не принципиально, при подаче давления включается нормально выключенный тормоз 7 или выключается нормально включенный тормоз 7), то такое управление должно быть синхронизировано с управлением гидроцилиндра включения-выключения муфты 5 в рамках внешней гидросистемы управления всем приводом (всей трансмиссии).
Если тормоз 7 выполнен согласно заявляемой первой совокупности дополнительных признаков - полностью механическим и автоматическим (см. фиг. 2), то его работа (функционирование, действие) в рассматриваемом режиме характеризуется доминированием силы воздействия первой пружины 25 на сухарь 23 над силой воздействия на него третьей пружины 32 в условиях «пассивности» гидроцилиндра с поршнем 16. Вследствие этого, сухарь 23 является надежным упором пружине 32 и последняя обеспечивает нормальную, параллельную продольной оси муфты 5, силу давления в пятне контакта дисковой пяты 31 с вертикальной стенкой неподвижной части 22 привода (трансмиссии), необходимую и достаточную для тормозного момента (на плече, равном расстоянию между осями муфты 5 и третьего пальца 33) в компенсацию непредсказуемого (но количественно устанавливаемого расчетным или эмпирическим путем) реактивного момента на корпусе 6 муфты 5. Причины порождения реактивного момента были указаны выше через абзац. Во всяком случае, в заявляемой муфте потребный тормозной момент относительно невелик и вполне может быть обеспечен такой конструкцией, что подтверждено расчетно-теоретическими авторскими исследованиями с элементами экспериментальных данных в области силовых приводов наземных транспортных средств или судовых силовых установок.
При включении муфты 5 масло подается под давлением из неподвижной части 22 привода (трансмиссии) через уплотнение 19, по масляному каналу(ам) 18 (путь масла условно показан стрелкой) в полость гидроцилиндра. Полость герметизирована уплотнением 17. Поршень 16 начинает движение влево совместно с сухарем 23.
Одновременно отключается (отключают) тормоз 7 (далее речь будет идти только о работе устройства с заявляемым автоматическим тормозом механического типа).
Преодолевая сопротивление пружины 25, сухарь 23 ослабляет прижим пяты 31 к поверхности 22, а затем, действуя на третий палец 33, отводит пяту 31 от стенки 22. С автоматическим своевременным отключением тормоза 7 корпус 6 муфты 5 получает возможность вращаться вокруг своей продольной оси (оси муфты).
В то же время, двигаясь влево, поршень 16 выбирает зазор, обеспечивающий полноту выключения пакета 9 фрикционных дисков 10, 11, и входит в контакт с первым по ходу диском 11 внутреннего зацепления (иначе говоря - с внутренним зубом), «сидящим» на шлицевой части (барабане) 4 вала 3. Усилие передается через пакет 9 на промежуточный диск 15. Начинается совместное перемещение пакета 9 с диском 15 влево, что вызывает перемещение влево сухаря 24 (синхронно с сухарем 23) и сжатие второй пружины 28. Замыкание муфты 5 продолжается до тех пор, пока пакет дисков не будет сжат и осевое усилие не будет передано через упорный диск 20 и упор 21 на корпус 6 муфты 5. Поскольку силовой контур оказывается замкнутым (гидроцилиндр с реакцией на корпус 6 - поршень 16 - пакет 9 -диск 15 - пакет 12 - упор 21 - корпус 6 - гидроцилиндр), во включенном состоянии муфта 5 является уравновешенной.
До момента полного включения имеет место процесс буксования в муфте 5. Продолжительность буксования определяется временем срабатывания муфты 5 и зависит от многих факторов (давление в магистрали, гидравлическое сопротивление магистрали, геометрические размеры гидроцилиндра, зазор между поршнем 16 и объединенным пакетом 9+12+15 фрикционных дисков, усилия возвратных (отводных) пружин 25, 28, коробление дисков 10, 11, 13-15). Однако относительная скорость корпуса 6 (суть наружного барабана муфты 5) и соединенных муфтой 5 шлицевых частей 2 и 4 валов 1 и 3 соответственно (суть внутреннего барабана в привычной в отношении муфт терминологии) в два раза ниже по сравнению с муфтами, для которых внешний и внутренний барабаны находятся в режиме противовращения. Это объясняется тем, что упреждающим сжатием пакета 9 затормаживается вал 3, а уже затем, при сжатии пакета 12, вал 3 разгоняется валом 1, а валы 1 и 3 могут иметь (и имеют, учитывая целевое назначение заявляемой муфты 5, равно как и прототипа с близким аналогом) разнонаправленное вращение. Это определяет умеренный износ пакета в процессе включения-выключения.
Для выключения муфты снимают управляющее давление. Возвратные пружины отводят промежуточный диск 15 и поршень 16 в положение «выключено» (на рисунке - вправо). Затем инерционные силы размыкают диски пакета. В это время диск 31 приходит в крайнее правое положение, возникает трение между ним и корпусом 22, в результате чего наружный барабан муфты 5 (корпус 6) останавливается. Этим обеспечивается быстрая остановка наружного барабана муфты 5 (корпус 6), чем максимально сокращается время возможного нахождения барабанов муфты (наружного - корпуса 6 и внутреннего - соединенных валов 1 и 3 через их шлицевые части 2, 4 и пакет фрикционных дисков 9, 12, 15) в режиме противовращения и предотвращается флаттер и связанные с ним потери энергии, износ и перегрев дисков пакета.
В примере преимущественного использования заявляемой(ых) муфты(муфт) 5 в реверс-редукторах (см. фиг. 3) крутящий момент подводится к ведущей шестерне 35. Если обе муфты (правая 5 и левая 38) выключены (тормоза 7 справа и 40 слева), шестерня 35 вращается вхолостую, что аналогично режиму «нейтрали» в коробке передач.
При включении обеих муфт (5 и 38), независимо от положения тормозов 7 и 40, привод заблокирован.
При включении только правой муфты 5 (с отключением ее тормоза 7) вал 3 («нагрузочный» для привода) разгоняется до оборотов +ω.
При включении только левой муфты 38 (с отключением тормоза 40) вал 3 разгоняется до оборотов -ω.
Указанные четыре режима работы реверс-редуктора не представляют интереса с позиций заявляемого изобретения.
Интересен пятый режим, когда включению одной из муфт (положим, левой муфты 38) предшествовала работа привода с включенной другой муфтой (соответственно положим, муфтой 5). Поскольку именно этот режим неблагоприятен выраженным противовращением во фрикционных парах. Последовательное включение первого пакета 9, промежуточного диска 15 и второго пакета 12 (естественно, с учетом поршня 16 и упорного диска 20 как дополнительных «дисков трения») вызывает сначала снижение до нуля положительной скорости +ω вала 3 в пакете 9 с диском 15, а затем разгон вала 3 с достигнутой нулевой скорости до отрицательной скорости -ω. То есть обеспечивается двукратное снижение относительных скоростей в любых парах трения обобщенного пакета фрикционных дисков 10, 11, 13-16, 20 вообще. Соответственно, снижаются износ и коробление дисков, предотвращается флаттер.
Технический результат от использования заявляемого изобретения заключается в устранении указанных недостатков прототипа и, соответственно, в улучшении технико-эксплуатационных или тактико-технических характеристик, в приложении к приводам с противовращением валов (в частности, с реверс-редукторами).
Области преимущественного применения:
- реверс-редукторы в трансмиссии транспортных гусеничных и колесных машин (например, в составе параллельной ветви для трансмиссии с двухпоточным механизмом поворота);
- реверс-редукторы и суммирующие редукторы судовых силовых установок;
- строительная и дорожная техника, подъемно-транспортное оборудование.
Реферат
Изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно к муфтам для соединения приводных валов, например, для трансмиссий. Бесфлаттерная многодисковая фрикционная муфта (5) для соединения валов (1, 3) привода с возможностью разнонаправленного их вращения содержит корпус (6) барабанного типа с внутренними шлицами (8). Вдоль продольной оси муфты (5) последовательно расположены первый (9) и второй (12) пакеты фрикционных дисков (11, 10 и 14, 13) с чередующимся внутренним и внешним зацеплением соответственно для связи со шлицевыми участками (4, 2) соединяемых валов (3, 1), установленных на неподвижной части привода (22), и со шлицами (8) корпуса (6). В корпус (6) встроен гидроцилиндр управления. Имеется механизм возврата поршня (16). Предусмотрены упоры-ограничители осевого хода перечисленных составных элементов. Пружина (25) механизма возврата поршня (16) вынесена наружу корпуса (6). Промежуточный диск (15) снабжен механизмом возврата. Вторая пружина (28) охватывает по всей своей длине второй палец (29), установленный в глухом и сквозном (30) отверстиях в сухаре (24) промежуточного диска (15) и корпусе (6) муфты (5). Тормоз (7) обеспечивает кинематическую определенность корпуса (6) на переходных режимах ее включения-выключения. Достигается повышение надежности. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Формула
Документы, цитированные в отчёте о поиске
Система привода транспортного средства
