Штыцко П.И., Иванова А.П.
*Днепропетровский
национальный технический университет
железнодорожного
транспорта им. академика В. А. Лазаряна,
**Национальная металлургическая
академия Украины
Определение основных параметров пружинной муфты
Одним из способов уменьшения динамических нагрузок в
приводах машин является применение упругих муфт. Значительного эффекта можно
достичь, в частности, применением пружинной муфты (рис. 1) с кусочно-линейной
характеристикой. Основными элементами муфты, обеспечивающими ее демпфирующие
свойства, являются предварительно сжатые пружины.
Рис.1. Пружинная муфта
Эта муфта имеет высокую надежность и
пригодна для передачи больших крутящих моментов. Муфта состоит из корпуса 1 с ребрами 2 и втулки 3 с диском 4. Ребра корпуса размещаются в кольцевой канавке диска, так,
что возможен относительный поворот этих двух деталей. Ребра и диск имеют одинаковые
фасонные вырезы, в которые закладываются пружины 5 с ограничителями 6. С
торца муфта закрывается диском 7,
который крепится к корпусу муфты винтами и предохраняет пружины и ограничители
от выпадения и загрязнения. Основной
частью муфты являются пружины, вставленные в ячейки с предварительным сжатием.
До тех пор пока крутящий момент, передаваемый муфтой, не достигнет величины,
равной величине момента от предварительного сжатия пружин, последние не
деформируются и муфта работает как жесткая. При достижении передаваемым
моментом величины предварительного сжатия, пружины начинают деформироваться и
жесткость муфты резко уменьшается.
Авторами предложена конструкция муфты, у
которой предусмотрена возможность регулирования момента сил предварительного
сжатия пружины (а.с. №868167), а так же конструкция муфты с нелинейным
изменением жесткости (а.с. №1539414), податливость которой регулируется в
зависимости от крутящего момента по определенному закону.
Уменьшение приведенной жесткости вала при
включении муфты приводит к уменьшению динамического момента, который с
увеличением угла закручивания муфты растет не значительно. Когда рабочий ход
пружин станет равным зазору между ограничителями, муфта снова приобретает
свойства жесткого соединения. Характеристика упругой связи с пружинной муфтой
приведена на рис. 2.
Рис. 2 Характеристика упругой связи с пружинной муфтой
Здесь и
- момент
предварительной затяжки, и предельный момент, передаваемый муфтой, при котором
происходит соприкосновение ограничителей хода пружин. Угол
представляет собой
сумму половины зазора и угла закручивания упругой связи системы при моменте,
равном моменту предварительной затяжке амортизатора. Угол
есть сумма половины
зазора и угла закручивания упругой связи и муфты при предельной величине
момента допускаемого муфтой.
Результаты предварительных исследований по
формуле Л.И. Цехновича [1], показывают, что эффективность ее применения
увеличивается с уменьшением жесткости, а при одной и той же жесткости в
значительной мере зависит от величины момента предварительной затяжки пружин.
Однако, уменьшение жесткости ведет к увеличению габаритов муфты, поэтому
затруднительно построить муфту, имеющую малую жесткость и достаточный рабочий
ход пружин. В связи с этим возникает задача выбора приемлемых комбинаций
указанных параметров.
После того, как из конструктивных
соображений выбраны радиус расположения пружин и их количество
, которое можно расположить в два ряда по окружности указанного
радиуса, так же заданы величина и жесткость
, момент предварительной затяжки
и предельный момент
допускаемый для
данной муфты, определение основы параметров выполняем в такой последовательности:
1. Определяем предельную осевую силу,
сжимающую пружину:
(1)
по и допускаемому
напряжению
выбираем диаметр
проволоки
и средний диаметр
расположение пружины
[2].
2. По параметрам пружины и муфты и
определяем наибольшие
возможные размеры ячеек под пружины и допускаемую длину пружины
, когда она сжата осевой силой:
(2)
3. Определяем жесткость пружины и количество рабочих
витков
[2], соответствующие величине полученной жесткости и размерам
пружины по формулам:
, (3)
, (4)
где - модуль сдвига
пружинной стали.
4. Вычисляем рабочий угол относительно
поворота полумуфт :
, (5)
а так же предельную , предварительную
и рабочую
деформации пружин.
5. Определяем шаг витков и расчетную длину
пружин в прижатом состоянии
, соответствующую заданной величине момента предварительной затяжки:
, (6)
. (7)
В результате расчета может получиться, что
или
. Если
, пружинная муфта с заданной жесткостью
и рассчитанными
параметрами обеспечит передачу предельного момента
и пригодна для работы
в системе привода. Если
, то конструкцию муфты с принятыми значениями
и жесткостью
для передачи заданных
нагрузок осуществить не возможно. В этом случае необходимо изменить характеристику
пружин или размеры муфты. Когда
, муфта принципиально пригодна, но ее возможности не будут
использованы до конца, по этому для создания высококачественной муфты
необходимо определить число рабочих витков
, при котором будет выполняться условие
:
. (8)
По числу витков необходимо вновь определить жесткость
и соответствующую ей
максимальную деформацию пружины
[2] :
,
(9)
, (10)
где - коэффициент,
учитывающий влияние кривизны витков.
После этого следует найти момент , который может передать муфта с жесткостью пружин
и деформацией
и сравнить его с
заданным
. Увеличение допускаемого предельного момента
>
и уменьшение жесткости муфты
приводит к улучшению
динамических и нагрузочных характеристик муфты. Технически возможно использование
одной и той же муфты с регулируемой затяжкой пружин. В этом случае при
увеличении предварительной затяжки рабочий угол относительно поворота полумуфт
будет уменьшен на величину:
, (11)
где - исходная величина
момента затяжки.
Наибольшую эффективность применения
пружинной муфты, работающей в условиях периодически изменяющейся нагрузки,
можно получить при оптимальной величине момента предварительной затяжки,
зависящей от величины и скорости изменения внешних нагрузок.
Литература.
1.
Цехнович Л.И. Выбор
затяжки амортизатора поворотного механизма экскаватора. «Вестник
машиностроения» №7, 1958-с.23-25.
2.
Биргер И.А. , Шорр и др.
Расчеты на прочность деталей машин. Справочник. М.: Машиностроение, 1979. –
702с.