муфта для передачи вращения в герметичный объем

Формула изобретения

1. Муфта для передачи вращения в герметичный объем, содержащая корпус, в котором на радиально-упорных подшипниках установлены ведущий и ведомый валы с торцевыми кулачками на концах, между которыми с образованием с ними вращательных пар расположена качающаяся шайба, образованная двумя дисками, между которыми герметично закреплена гибкая мембрана, герметично соединенная с корпусом, отличающаяся тем, что обращенные друг к другу поверхности дисков имеют выпуклую форму, обеспечивающую контакт дисков друг с другом и с закрепленной между ними мембраной только в центральной части, размеры которой определены величиной передаваемого момента, а гибкая мембрана выполнена в виде металлической пластины.

2. Муфта по п. 1, отличающаяся тем, что торцевые кулачки обоих валов выполнены в виде наклонных поверхностей.

3. Муфта по п. 1, отличающаяся тем, что торцевой кулачок одного из валов выполнен в виде шарика, расположенного между кольцевыми дорожками качения, выполненными на обращенных друг к другу торцевых поверхностях вала и качающейся шайбы, а торцевой кулачок другого вала выполнен в виде наклонной поверхности и связан с качающейся шайбой двухсторонним упорно-радиальным подшипником.

4. Муфта по п. 3, отличающаяся тем, что стенки дорожки качения на диске качающейся шайбы выполнены упруго-подвижными с возможностью уменьшения угла наклона между ними при увеличении нагрузки.

5. Муфта по п. 3, отличающаяся тем, что внешняя кольцевая часть дорожки качения на торце входного вала выполнена упругоподвижной в осевом направлении.

6. Муфта по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что диски качающейся шайбы выполнены из упругого материала и вставлены между торцевыми кулачками с предварительным осевым сжатием их краев.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения, к механизмам передачи вращательного движения в герметично разделенные объемы, и может найти применение в компрессорах и насосах для перекачки агрессивных, легковоспламеняющихся, ядовитых веществ, в вакуумной технике, а также в других областях, где необходимо передать вращение из одной полости в другую.

В настоящее время для передачи вращения в герметично разделенные объемы используют магнитные муфты, в которых вращательный момент передается посредством взаимодействия двух полумуфт из магнитного материала, разделенных неподвижным герметичным экраном (см. Интернет-сайт ЗАО ГИДРОДИНАМИКА, www. gidrodinamika.ru). Т.к. работа муфты сопровождается нагревом, то она снабжена контуром охлаждения. Такие муфты при высокой надежности герметизирующего экрана и компактности сравнительно дороги, так как используют дорогие магнитные сплавы неодим-железобор и самарий-кобальт, а герметичный разделительный экран выполняется из немагнитных сплавов, в частности титановых. Кроме того, магнитную муфту нельзя применять при перекачке жидкостей, в которых возможны включения магнитных частиц. Работа муфты ненадежна при использовании ее в насосах для перекачки углеводородов, т. к. система охлаждения муфты со временем забивается тяжелыми фракциями.

Известен герметичный ввод (патент RU№2057979, МПК F 16 J 15/52), содержащий установленные в отдельных корпусах ведущий и ведомый валы с эксцентриками на торцах. Эксцентрики через подшипники сопряжены с промежуточным плавающим элементом в форме стакана, открытый торец которого связан с корпусом герметизирующим рукавом из эластичного материала. Рукав упрочнен арматурой или пружиной, разгружающей рукав от крутящих усилий и избыточного давления. При простоте конструкции данный ввод имеет большой дисбаланс масс, делающий невозможным его применение при передаче высоких скоростей вращения. Кроме того, эластичный материал рукава накладывает ограничения на состав разделяемых сред.

Аналогичный принцип с эксцентриком и плавающей шайбой использован в механизме для передачи вращения в герметичную камеру по патенту US 4885946 и в передаче с вакуумным уплотнением по патенту US №2119955, только в последнем в качестве барьерного элемента используются три радиально расположенных гофрированных стакана, которые позволяют шайбе совершать свое планетарное движение. В этом же патенте описана и другая разновидность передачи вращения с уплотнением. Здесь входной и выходной валы на торцах имеют торцевые кулачки в виде наклонных шайб, взаимодействующих через подшипники с промежуточным элементом - качающейся шайбой. Качающаяся шайба связана с корпусом гофрированным стаканом, который позволяет ей совершать качающееся движение, и является герметизирующим элементом. Схемы с гофрами, которые могут быть выполнены из металла, позволяют использовать их с любыми разделяемыми средами, в том числе агрессивными и легковоспламеняющимися. Основной недостаток таких схем состоит в больших габаритах гофра и большой амплитуде его перемещений, что уменьшает надежность герметизации и срок его службы. При больших перепадах давлений в герметизируемых объемах необходимо принимать меры для упрочнения гофра, но утолщение стенок снижает его подвижность.

Известны схемы с качающейся шайбой, в которых герметизирующий элемент выполнен в виде гибкой мембраны, соединяющей периметр шайбы с корпусом (патенты US 2545562, US 3049931, US 4403521). Здесь на торцах соединяемых валов выполнены кулачки в виде косых шайб. Для предотвращения осевого перемещения друг относительно друга валы посажены в корпусе с помощью радиально-упорных подшипников, которые должны выдерживать осевую нагрузку, соответствующую передаваемому моменту. Между кулачками расположена качающаяся шайба, взаимодействующая с ними через подшипники. Шайба связана с корпусом гибкой мембраной, герметично разделяющей объемы, в которых находятся валы. Поверхность мембраны значительно меньше поверхности гофра, поэтому при равной толщине она выдерживает больший перепад давлений. Основной недостаток таких мембранных механизмов заключается в сравнительно большой амплитуде колебаний мембраны, поэтому для повышения срока службы мембрана должна быть достаточно гибкой. Требование гибкости для большинства материалов вступает в противоречие с требованиями прочности мембраны, так как, например, для металлов гибкость повышается, а прочность падает с уменьшением толщины. В патенте US 2545562 мембрану делают из резины, поэтому описанный механизм имеет ограничения по разделяемым средам. В патенте US 3049931 для повышения гибкости при сохранении прочности мембрана выполнена многослойной, с центральным металлическим слоем и наружными слоями из пластиков. Здесь же предложено увеличивать гибкость мембраны, развивая ее поверхность гофрами. Однако это усложняет технологию изготовления мембран и увеличивает их стоимость.

В качестве прототипа выберем устройство герметичного соединения валов с помощью качающейся шайбы по патенту US 4403521. Устройство содержит корпус из двух соединенных вместе полукорпусов, в каждом из которых в радиальных подшипниках установлены концы ведущего и ведомого валов. На обращенных друг к другу концах валов выполнены торцовые кулачки, в виде наклонных поверхностей. Тыльная сторона каждого кулачка опирается на корпус с помощью упорных подшипников. Упорные подшипники разгружают валы от осевой нагрузки, возникающей при передаче момента вращения от одного торцевого кулачка к другому. Между наклонными поверхностями торцовых кулачков расположена качающаяся шайба, взаимодействующая с ними через упорные подшипники. Шайба выполнена из двух дисков, между которыми закреплена тонкая, гибкая герметизирующая мембрана, выполненная из резины или кожи. Мембрана соединена по периметру с корпусом и разделяет его на две изолированных полости. Вращение ведущего вала торцевым кулачком преобразуется в волну осевой нагрузки, которая передается через качающуюся шайбу на кулачок выходного вала и вызывает его вращение. Качающаяся шайба под действием этой нагрузки вместе с мембраной совершает качающееся движение. Силы трения между качающейся шайбой и упорными подшипниками вызывают возникновение момента вращения, который прикладывается к гибкой мембране. Поскольку мембрана в прототипе выполнена из таких податливых материалов, как резина или кожа, то этот момент вращения будет закручивать мембрану. Поэтому для разгрузки мембраны на периферии качающейся шайбы предусмотрены прорези, зацепляющиеся с соответствующими выступами в корпусе. Для увеличения передаваемого муфтой крутящего момента необходимо увеличивать плечо действующих сил, которым является радиус качающейся шайбы. Это, в свою очередь, приведет к увеличению амплитуды колебаний мембраны и снижению ее срока службы при прочих равных условиях. Работа устройства-прототипа очень критична к износу упорных подшипников. Действительно, появление осевого люфта приведет к фазовому сдвигу наклонных поверхностей торцевых кулачков друг относительно друга, и поверхностный контакт кулачков выродится в точечный, а это начало процесса неконтролируемого разрушения. Муфта - прототип не может передавать момент вращения с изменением скорости, для этого требуются другие, более сложные устройства.

Таким образом, задачей изобретения является разработка простого по конструкции и надежного механизма передачи вращения в герметичный объем, дешевого, работающего с любыми средами и передающего высокие моменты вращения с высоким сроком службы. Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в уменьшении амплитуды колебаний гибкой герметизирующей мембраны, что позволяет использовать жесткие плоские металлические мембраны, не требующие дополнительных элементов для их разгрузки от момента вращения. Другим техническим результатом является компенсация осевого люфта качающейся шайбы и повышение срока службы муфты. Еще один технический результат достигается отдельным вариантом изобретения и заключается в возможности передачи момента вращения с саморегулирующимся в зависимости от нагрузки передаточным отношением.

Для решения поставленной задачи муфта, как и прототип, содержит корпус, в котором на радиально-упорных подшипниках установлены ведущий и ведомый валы с торцевыми кулачками на концах. Между торцевыми кулачками с образованием с ними вращательных пар расположена качающаяся шайба. Шайба образована двумя дисками, между которыми герметично закреплена гибкая мембрана, герметично же соединенная по периметру с корпусом. В отличие от прототипа, обращенные друг к другу поверхности дисков имеют выпуклую форму, обеспечивающую контакт дисков друг с другом и с закрепленной между ними мембраной только в центральной части, размеры которой определены величиной передаваемого момента. Гибкая мембрана выполнена в виде металлической пластины.

Торцевые кулачки обоих валов могут быть выполнены в виде наклонных поверхностей. В этом случае вращательная пара: диск качающейся шайбы - торцевой кулачок образуется посредством расположенных между ними упорных подшипников.

Для передачи момента вращения с передаточным отношением торцевой кулачок одного из валов выполнен в виде шарика, контактирующего с кольцевой дорожкой качения, выполненной на торцевой поверхности вала, обращенной к качающейся шайбе. С противоположной стороны шарик контактирует с кольцевой дорожкой качения на поверхности диска качающейся шайбы, посредством чего образуется вращательная пара торцевой кулачок - диск. При этом торцевой кулачок другого вала выполнен в виде наклонной поверхности и связан с качающейся шайбой двухсторонним упорно-радиальным подшипником. Такая муфта обеспечивает передаточное отношение 2/1 или 2/1, в зависимости от того, на каком из валов (входном или выходном) расположен кулачок в виде шарика. Данная конструкция муфты позволяет в небольших пределах менять передаточное отношение в зависимости от величины передаваемой нагрузки. Для этого, в одном случае, стенки дорожки качения на диске качающейся шайбы выполнены упругоподвижными, с возможностью уменьшения угла наклона между ними под давлением шарика. В другом случае упругоподвижной в осевом направлении выполняется внешняя кольцевая часть дорожки качения на торце входного вала.

Для того чтобы муфта была менее критична к осевым люфтам, вызванным как неточностью изготовления, так и износом упорных подшипников, диски качающейся шайбы выполнены из упругого материала и вставлены между торцевыми кулачками с предварительным осевым сжатием их краев.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами на фиг.1-5. На фиг.1-3 представлены продольные разрезы различных конструктивных вариантов муфт, а на фиг.4 и 5 показаны схемы взаимодействия торцевого кулачка - шарика с дорожками качения, обеспечивающие автоматически изменяющееся передаточное отношение при изменении нагрузки на выходном валу.

В самом общем случае муфта представляет собой цилиндрический корпус 1, выполненный из двух половин 2 и 3, соединенных друг с другом с помощью наружных фланцев 6 и 7, стянутых шпильками 8 на фиг.1, или фланцами 4 и 5, как это показано на фиг.2 и 3. В корпусе 1 на упорных подшипниках 9 установлены концы соединяемых валов 10 и 11. На концах валов выполнены торцевые кулачки. На фиг.1 и 2 торцевые кулачки представляют собой наклонные поверхности 12 и 13. Между торцевыми кулачками с образованием с ними вращательной пары расположена качающаяся шайба 14, образованная двумя дисками 15 и 16. Поверхности дисков, обращенные друг к другу, имеют выпуклую форму. Таким образом, диски в поперечном сечении имеют толщину в центре диска большую, чем толщина его у наружного края. Такая форма выполнения дисков обеспечивает их контакт друг с другом только в ограниченной центральной области, диаметр которой обозначен буквой D. В месте контакта между дисками герметично закреплена гибкая мембрана 17 в виде металлического диска. По внешнему периметру мембрана 17 герметично зажата между половинами корпуса 2 и 3. Диаметр D контактной области желательно иметь как можно меньшим, так как тогда окружность герметичного прикрепления мембраны к качающейся шайбе приближается к центру прецессии качающейся шайбы, т.е. к неподвижной точке. Соответственно амплитуда колебаний мембраны будет минимальной. Однако неограниченно уменьшать диаметр D нельзя, так как величина передаваемого момента ограничивается прочностью крепления дисков качающейся шайбы друг с другом. При креплении их с помощью резьбового соединения 18, как это показано на чертежах, размер D определяется размером крепежных элементов, который, в свою очередь, определяется величиной передаваемого момента. Благодаря упорным подшипникам 19 и 20 шайба 14 образует с входным и выходным валами 10 и 11 вращательные пары. Диски 15 и 16 шайбы 14 целесообразно выполнять из упругого материала. При установке шайбы 14 между торцевыми кулачками края дисков предварительно поджимают друг к другу. Предварительный натяг компенсирует износ упорных подшипников или неточности изготовления за счет сил упругости сжатых дисков.

Муфты на фиг.1 и 2 рассчитаны на одинаковый момент, т.к. имеют одинаковый диаметр пятна контакта дисков 15 и 16. Отличаются они лишь тем, что плечом силы в одном случае является диаметр дисков, а в другом, - высота качающейся шайбы, и, соответственно, одна из конструкций плоская, но большего диаметра, а другая имеет меньший диаметр, но большие осевые размеры. Выбор той или иной конструкции определяется размерами свободного установочного пространства.

Обратимся к муфте, изображенной на фиг.3. Эта муфта предназначена для передачи вращения в герметичный объем с передаточным отношением 2/1 или 1/2. Торцевым кулачком входного вала 10 является шарик 21, движущийся в кольцевых дорожках качения 22 и 23 полукруглого сечения, образованных на обращенных друг к другу поверхностях торца вала 10 и диска 15. Кроме функции торцевого кулачка шарик одновременно обеспечивает образование вращательной пары между торцом входного вала 10 и качающейся шайбой 14. Противоположный торцевой кулачок образован наклонной поверхностью 13 торца выходного вала 11. Образование вращательной пары между качающейся шайбой и торцевым кулачком 13 обеспечивается парой упорных подшипников 24, 25. Один из подшипников, а именно 24, несет полную нагрузку, а другой возвращает качающуюся шайбу в исходное положение, т.е. работает в режиме холостого хода. Такую же функцию может выполнять и один двусторонний упорный подшипник. Передаточное отношение появляется за счет того, что за один оборот входного вала 10 торцевой кулачок - шарик 21 пробежит по неподвижной дорожке 23 на диске 16 только половину окружности. Соответственно, шайба 14 совершит только половину своего прецессионного движения, а выходной вал сделает половину оборота. Если входной и выходной валы поменять местами, то муфта будет служить мультипликатором с передаточным отношением 1/2. Последняя конструкция муфты при небольшой модификации может передавать момент вращения с плавно меняющимся в зависимости от нагрузки передаточным отношением. Для этого стенки 26 и 27 дорожки качения на диске 15 выполняются упругоподвижными с возможностью изменения угла наклона стенок при давлении шарика 21. На фиг.4 такая подвижность обеспечивается кольцевой полостью 28, выполненной в диске 15. На фиг.5 упругоподвижной выполнена внешняя кольцевая часть 29 детали 10 с дорожкой качения 22. Подвижность обеспечивается кольцевой проточкой 30 на противоположной от дорожки качения 22 стороне.

Работает предлагаемая муфта для передачи вращения в герметичный объем следующим образом. При вращении входного вала 10 качающаяся шайба 14 под действием силы давления со стороны торцевого кулачка 12 начинает прецессировать относительно точки О, которая лежит в плоскости гибкой мембраны 17. Прецессия шайбы торцевым кулачком 13 выходного вала 11 преобразуется в его вращение. Гибкая металлическая мембрана 17, зажатая между дисками 15 и 16 качающейся шайбы 14 колеблется вместе с шайбой 14. Поскольку, в отличие от прототипа, место крепления мембраны к шайбе приближено к неподвижной точке О - центру прецессии шайбы, то амплитуда колебаний мембраны становится меньше. Небольшая амплитуда колебаний мембраны позволяет сделать мембрану металлической, что повышает надежность герметизации. Силы трения в торцевых подшипниках 19, как и в прототипе, в дополнение к прецессии шайбы создают вращательный момент относительно ее оси. Поскольку гибкая мембрана в предлагаемой муфте выполнена в виде металлического диска, то она способна выдерживать достаточно значительные моменты вращения без закручивания. Понятно, что размер D области контакта дисков 15 и 16 друг с другом желательно сделать минимальным. Однако его уменьшение ограничено прочностью соединения дисков 15 и 16 друг с другом, и размер D тем больше, чем выше передаваемый момент вращения. Благодаря посадке шайбы 14 между торцевыми кулачками с предварительным сжатием дисков 15 и 16, при износе упорных подшипников 9, 19 или 20 силовой контакт между торцевыми кулачками и качающейся шайбой будет сохраняться до тех пор, пока износ не превысит величину предварительного сжатия

Работа муфты на фиг.3 отличается от вышеописанной только тем, что при повороте входного вала 10 на один оборот, торцевой кулачок - шарик 21 совершает половину оборота. Соответственно, выходной вал 11 будет вращаться со скоростью в два раза меньшей, чем скорость входного вала. Поясним работу муфты с автоматически изменяющимся передаточным отношением в зависимости от величины нагрузки на выходном валу. Для этого обратимся к фиг.4. Если при качении шарика 21 в дорожках качения на торце входного вала 10 и на диске 15 качающаяся шайба из-за большой нагрузки на выходном валу остается на месте, то шарик продвигается в область меньшего расстояния между торцом вала 10 и диском 15, отгибая упругие стенки 26 и 27 дорожки качения на диске 15. На фиг.4 изменение взаимного расположения диска 15 и шарика 21 показано пунктиром. Величина смещения стенок 26 и 27 зависит от величины нагрузки на выходном валу. Это изменение приведет к изменению эффективного радиуса качения шарика 21 относительно этой дорожки. Обозначим R1 - радиус качения шарика относительно дорожки 22, a R2 и R3 - радиусы качения шарика 21 по дорожке на диске 15 до и после увеличения нагрузки. Если в начале работы передаточное отношение определялось как 2R1/R2, то при увеличенной нагрузке передаточное отношение изменится и станет равным 2R1/R3. При этом R3<R2, то есть отношение увеличится. При уменьшении нагрузки стенки 26 и 27 дорожки качения под действием сил упругости вернут шарик в прежнее положение с уменьшением передаточного отношения. То есть мы получили муфту с автоматически изменяющимся передаточным отношением в зависимости от нагрузки. Аналогичный результат можно получить, если создать условия для изменения радиуса качения шарика 21 относительно дорожки 22, как это показано на фиг.5. Здесь при закатывании шарика в клин между деталями 10 и 15 шарик будет отгибать внешнюю кольцевую часть 29 детали 10. Такой изгиб становится возможным благодаря кольцевой проточке 30. Передаточное отношение до и после повышения нагрузки определяется выражениями R1/R2 и R4/R2, где R1 и R4 радиусы качения шарика 21 относительно дорожки 22 до и после увеличения нагрузки. Как видно из чертежа, R4 больше R1, соответственно и передаточное отношение увеличивается.

Таким образом, предлагаемая муфта при упрощении конструкции и уменьшении потерь на трение расширяет свои функциональные возможности за счет передачи момента вращения в герметичный объем с передаточным отношением. Муфта имеет повышенный ресурс работы.