Гибкая муфта для валов

 

Изобретение относится к авиадвигателестроению, к муфтам, предназначенным для передачи мощности от вала двигателя к валу потребителя в условиях несоосности и перекоса осей указанных валов. Гибкая муфта для валов содержит два фланца, соединенных между собой с помощью зажимных пальцев и упругого обода, состоящего из комплекта дисков с цилиндрическими отверстиями под пальцы. На максимальном удалении от оси муфты на внешней стороне пальцев выполнены лыски серповидного профиля протяженностью по окружности пальца в секторе 60^o или на максимальном удалении от оси муфты в стенках цилиндрических отверстий под пальцы в дисках упругого обода выполнены выемки-углубления серповидного профиля протяженностью по окружности пальца в секторе 60^o. При этом максимальная глубина лысок или выемок-углублений выполнена в пределах , где δ_max - максимальное осевое натяжение упругого обода муфты при работе из-за несоосности соединяемых агрегатов; Z - число пальцев на фланце муфты; Д - диаметр расположения осей пальцев на фланце. В результате повышается надежность дисков муфты путем исключения жесткого контакта пальцев с дисками упругого обода и снижения переменных напряжений в дисках. 12 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, а более конкретно - к муфтам, предназначенным для передачи мощности от вала двигателя к валу потребителя в условиях несоосности и перекоса осей вышеуказанных валов.

Известна гибкая муфта для валов, содержащая фланцы для каждого вала, соединенные между собой с помощью зажимных пальцев и упругого обода, состоящего из комплекта дисков. [1].

Недостатком известной муфты является ограниченный срок службы из-за усталостных поломок дисков в условиях работы муфты при больших несоосностях установки соединяемых агрегатов.

Наиболее близкой к заявляемой является гибкая муфта для валов, состоящая из двух дискообразных фланцев, соединенных посредством четного количества пальцев, расположенных взаимно противоположно в шахматном порядке, гаек и пакета тонких дисков. Пакет дисков и фланцы для обеспечения прогиба пакета разделены кольцами и шайбами под гайками для предотвращения коробления дисков при затяжке гаек при монтаже муфты. [2].

Недостатком известной муфты, принятой за прототип, является низкий срок службы и удорожание обслуживания (эксплуатации) вследствие вынужденных остановок для замены дисков муфты из-за усталостных поломок их в условиях работы муфт при больших несоосностях установки соединяемых агрегатов, например газотурбинной приводной установки (ГТУ) и газоперекачивающего агрегата (ГПА) компрессорных станций (ГКС) на магистралях транспортировки газа на большие расстояния.

Например, при испытаниях трансмиссий в составе ГПА-12П на стенде на большинстве пластин гибких муфт обнаружены трещины. По данным металлографического анализа изломы на дисках усталостного характера, трещины ориентированы от поверхности отверстий под пальцы по направлению к внешнему диаметру пластин. На рабочих поверхностях пальцев имеются следы приработки от пластин, находившихся в контакте с пальцами. Усталостная поломка диска - явление по своей природе случайное, зависящее от множества факторов, главным из которых является величина переменных напряжений (циклически изменяющихся с частотой вращения соединяемых валов). Долговечность диска, количество циклов переменных напряжений до поломки зависят от величины переменных напряжений, уровень которых пропорционален несоосности (радиальным смещениям и перекосам) соединяемых агрегатов, а частота равна частоте вращения муфт соединяемых валов.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности дисков муфты путем исключения жесткого контакта пальцев с дисками упругого обода и снижения переменных напряжений в дисках.

Сущность технического решения заключается в том, что в гибкой муфте для валов, содержащей два фланца, соединенные между собой с помощью зажимных пальцев и упругого обода, состоящего из комплекта дисков с цилиндрическими отверстиями под пальцы, согласно изобретению на максимальном удалении от оси муфты на внешней стороне пальцев выполнены лыски серповидного профиля протяженностью по окружности пальца в секторе 60^o или на максимальном удалении от оси муфты в стенках цилиндрических отверстий под пальцы в дисках упругого обода выполнены выемки-углубления серповидного профиля протяженностью по окружности пальца в секторе 60^o, при этом максимальная глубина лысок или выемок-углублений выполнена в пределах , где δ_max - максимальное осевое натяжение упругого обода муфты при работе из-за несоосности соединяемых агрегатов; Z - число пальцев на фланце муфты; Д - диаметр расположения осей пальцев на фланце.

Выполнение лысок на внешней стороне пальцев или углублений-выемок в цилиндрических отверстиях под пальцы на максимальном удалении от оси муфты образует зону переменного радиального зазора, что позволяет исключить контакт пальцев в отверстиях дисков в зонах расположения лысок на пальцах или выемок в отверстиях дисков, а также позволяет исключить переменные напряжения в дисках, все это повышает долговечность и надежность муфты.

На фиг. 1 - изображена гибкая муфта для валов в разрезе.

На фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.

На фиг. 3 - схема соединения несоосных агрегатов трансмиссии, оснащенной двумя муфтами.

На фиг. 4, 5, 6 - схемы компенсации муфтой осевых натяжений, распоров, перекосов при работе трансмиссии.

На фиг. 7 - схема изменения диаметра расположения отверстий под пальцы в дисках, вызванные осевым натяжением муфты.

На фиг. 8 - палец в отверстии диска в разрезе с выемками-углублениями в отверстиях дисков.

На фиг. 9 - палец в отверстии диска в разрезе с лысками на пальцах.

На фиг. 10 - развертка части диска в состоянии осевого натяжения.

На фиг. 11 - схема для расчета радиуса выемки в отверстии диска.

На фиг. 12 - схема для расчета радиуса лыски на пальце.

Гибкая муфта для валов состоит из двух фланцев 1, 2, соединенных посредством четного количества зажимных пальцев 3, расположенных взаимно противоположно в шахматном порядке и скрепленных посредством гаек 4 и упругого обода 5, состоящего из комплекта дисков с цилиндрическими отверстиями 6 под пальцы 3. Упругий обод 5 и фланцы 1, 2 для обеспечения прогиба дисков разделены кольцами 7 и шайбами 8 под гайками 4 для предотвращения коробления дисков при затяжке гаек. На максимальном удалении от оси муфты на внешней стороне пальцев 3 выполнены лыски 10 серповидного профиля протяженностью по окружности пальца в секторе 60^o или на максимальном удалении от оси муфты в стенках цилиндрических отверстий 6 под пальцы в дисках упругого обода выполнены выемки-углубления 9 серповидного профиля протяженностью по окружности пальца в секторе 60^o. За счет лысок на пальцах или выемок-углублений в стенках отверстий под пальцы образуются зазоры 12 между пальцами и дисками. Причем точка 13 максимального зазора наиболее удалена от оси муфты.

Гибкая муфта для валов работает следующим образом. Крутящий момент передается от фланца 1 одной полумуфты фланцу 2 другой полумуфты посредством обода 5 из дисков пальцами 3. Упругий обод 5 из комплекта тонких дисков предназначен для компенсации возникающих при работе изменений длин валов, например из-за термических расширений и несоосностей установки валов соединяемых агрегатов. На фиг. 4, 5, 6 схематически показаны деформации упругого обода муфты при компенсации возникающих при работе осевых натяжений-распоров, перекосов осей. Величина осевого натяжения δ_Ho равна δ_Ho = |a_p-a_м|, где a_р - осевой размер между фланцами муфты при работе, a_м - осевой размер, образовавшийся между фланцами муфты после сборки-монтажа. Из-за несоосности (перекоса осей) соединяемых агрегатов возникает переменное δ_max...δ_min по окружности муфты осевое натяжение упругого обода (фиг. 3), которое является причиной возникновения переменных напряжений при вращении трансмиссии. При натяжении упругого обода 5 муфты каждый его диск выглядит зигзагообразно (фиг. 4-6). Принимая зигзагообразную форму диск упруго усаживается по диаметру (фиг. 7). При этом оси пальцев 3 остаются на том же постоянном диаметре Д, а отверстия в дисках стремятся занять положение на меньшем диаметре Д'. Пальцы с дисками по отверстиям вступают в жесткий силовой контакт в точках 14 (фиг. 2, 7), наиболее удаленных от оси муфты, со значительными радиальными усилиями P (фиг. 2). Эти усилия и являются причиной возникновения высоких напряжений и недостаточной долговечности дисков.

При использовании предлагаемого изобретения в точках 14 при сборке муфты образуется зазор 12 (фиг. 8, 9), обеспечивающий отсутствие жесткого силового контакта пальцев 3 с дисками обода 5 под влиянием рабочих факторов, например натяжения дисков из-за несоосностей соединенных трансмиссией агрегатов. Зазор 12 является компенсирующим. При этом величина Δ_r компенсирующего зазора 12 определяется из схемы, представленной на фиг. 10, где δ_max - максимальное осевое натяжение упругого обода муфты при работе из-за несоосности соединяемых агрегатов, d_ш - диаметр шайбы, обжимающей пакет дисков в ободе, B - участок диска между соседними шайбами, A - проекция на радиальную плоскость участка B диска.

Исходное выражение для компенсирующего зазора следующее:
где Д' - предполагаемый диаметр расположения осей отверстий в дисках после натяжения пакета из-за несоосностей, возникающих при работе.

Умножив числитель и знаменатель выражения (1) на число π получим

где πД и πДʹ - длина окружности расположения осей пальцев и предполагаемая длина окружности расположения осей отверстий в дисках после осевого натяжения пакета.

Из схемы на фиг. 10 очевидны соотношения
πД = (2d_ш+2B)·Z (3)
πДʹ = (2d_ш+2A)·Z (4)
Подставляем выражения (3) и (4) в выражение (2) и получим

Из схемы на фиг. 10 очевидны также соотношения


Подставив (6) и (7) в (5) получим

Выражение (8) дает возможность определить минимальную величину компенсирующего зазора для достижения максимального эффекта использования предлагаемого изобретения.

Например, для реальной трансмиссии разработки нашего предприятия при Д = 260 мм, d_ш = 50 мм, Z = 4, δ_max = 2 мм минимальный компенсирующий зазор составит

Для гарантии достижения желаемого эффекта в устранении нагруженности диска переменными напряжениями следует выполнять в фактическом исполнении примерно в 2 раза больший компенсирующий зазор, т.е. в рассмотренном конкретном случае Δ_r должен быть равным
= 2·0,049 = 0,098 ≈ 0,1 мм
Чрезмерно большой зазор нежелателен с точки зрения статической прочности на передачу крутящего момента пальцев и дисков, т.к. лыски и выемки ослабляют поперечные сечения дисков и пальцев. Анализ конкретных результатов расчета величины компенсирующего зазора, строго зависимого от конкретных конструктивных параметров муфты и условий эксплуатации (Д, Z, δ_max ), позволяет получить следующее, полностью удовлетворяющее использованию, выражение для оптимального интервала зазора:

На фиг. 11 и на фиг. 12 представлены схемы определения радиусов R_x инструмента для выполнения лысок на пальцах или выемок-углублений в отверстиях дисков. Величина R_x зависит от величины компенсирующего зазора Δ_r и диаметра d пальца или отверстия в диске.

Из фиг. 11 можно записать








Аналогично, из фиг. 12 можно получить выражение для определения радиуса лыски на пальце:

где O - центр окружности диаметра d,
O' - центр радиуса R_x,
A, B - точки пересечения окружности диаметра d и окружности радиуса R_x,
C, E, K - точки пересечения отрезка AB, окружности, радиуса R_x и окружности диаметра d соответственно с линией центров OO',
F - точка пересечения перпендикуляра O'F, опущенного на отрезок EB.

Источники информации
1. Патент США N 4482335, F 16 D 3/78, 1984 г.

2. Патент РФ N 2087768, F 16 D 3/78, 1995 г. - прототип.

Формула изобретения

Гибкая муфта для валов, содержащая два фланца, соединенных между собой с помощью зажимных пальцев и упругого обода, состоящего из комплекта дисков с цилиндрическими отверстиями под пальцы, отличающаяся тем, что на максимальном удалении от оси муфты на внешней стороне пальцев выполнены лыски серповидного профиля протяженностью по окружности пальца в секторе 60^o или на максимальном удалении от оси муфты в стенках цилиндрических отверстий под пальцы в дисках упругого обода выполнены выемки-углубления серповидного профиля протяженностью по окружности пальца в секторе 60^o, при этом максимальная глубина лысок или выемок-углублений выполнена в пределах
,
где δ_max - максимальное осевое натяжение упругого обода муфты при работе из-за несоосности соединяемых агрегатов;
z - число пальцев на фланце муфты;
Д - диаметр расположения осей пальцев на фланце.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12