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.