CC BY
18
УДК 621.825.(075.8)
КОНСТРУКТИВН1 ТА СИЛОВ1 ПАРАМЕТРИ ФРИКЦ1ЙНИХ МУФТ П1ДВИЩЕН01 НАВАНТАЖУВАЛБН01 ЗДАТНОСТ1
1.Г. Кириченко, проф., д.т.н., Хар^вський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет, В.О. Малащенко, проф., д.т.н., Б.В. Торбич, студент, Нацюнальний ушверситет «Льв1вська полггехшка»
Анотац1я. Запропоноеано конструкцт фрикцтног муфти тдвищеног навантажувальног зда-mHOcmi для р^зноматтних машин, що обладнуютъся деигунами внутр1шнього згорання, та мехатчних npueodie для запоб1гання ix перееантаженням. Наведено розрахунков1 схемы, анал1-mu4Hi еирази та результаты пор1вняльного ктъюсного анал1зу основных геометрычных пара-Mempie eidoMUX муфт та запропонованог конструкцп.
Ключов1 слова: фрикцтт муфты, наеантажуеалъна здатмстъ, геометричт параметры.
КОНСТРУКЦИОННЫЕ Н СИЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ФРИКЦИОННЫХ МУФТ ПОВЫШЕННОЙ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ
И.Г. Кириченко, проф.,д.т.н., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, В.А. Малащенко, проф., д.т.н., Б.В. Торбич, студент, Национальный университет «Львовская политехника»
Аннотация. Предложена конструкция фрикционной муфты повышенной нагрузочной способности для различных машын, оснащенных двигателями внутреннего сгорания, и механических приводов для предотвращения их перегрузок. Приведены расчетные схемы, аналитические выражения и результаты сравнительного количественного анализа основных геометрических параметров известных муфт и предложенной конструкции.
Ключевые слова: фрикционные муфты, нагрузочная способность, геометрические параметры.
DESIGN AND POWER CHARACTERISTICS OF HIGH LOAD CAPACITY
FRICTION CLUTCHES
I. Kyrychenko, Prof., D. Sc. (Eng.), Kharkiv National Automobile and Highway University, V. Malashchenko, Prof., D. Sc. (Eng.), B. Torbych, St., National University «Lviv Polytechnic»
Abstract. A design of a high load capacity friction clutch for a variety of machines equipped with internal combustion engines and mechanical drives to prevent overload has been offered. The calculation schemes, analytical expressions and results of comparative quantitative analysis of basic geometrical parameters of both known clutches and clutches of the offered design have been given.
Key words: friction clutches; load capacity; geometrical parameters.
Вступ
Муфти широко застосовуються для з'еднання та роз'еднання юнщв вашв р1зномаштних при-
вод1в мехашзм1в i машин, у тому числ1 буд1ве-льиих, землерийиих, транспортних та шших. З'еднання вашв та передавання обертального моменту е функщею Bcix без винятку муфт, але
е й тш{ технолопчш вимоги. Тут розгляда-ються фрикцшш муфти, що передають обер-тальний момент за рахунок сил тертя м1ж робочими поверхнями елеменлв. Часто фрикцшш муфти е вщповщальними ме-хашчними засобами, яю суттево впливають на р1вень та характер окремих частин кшема-тичних ланцюпв привод1в машин. Тому вони повсякчас вдосконалюються конструктивно з метою покращення гх експлуатацшних характеристик. Фрикцшш муфти також вико-нують функцп захисних пристрош, що обершають детал1 або складальш одинищ мехашчних привод1в вщ перевантажень. Це запоб1жш фрикцшш муфти, що автоматично роз'еднують вали шд час недопустимих перевантажень.
Часто е потреба у застосуванш комбшованих муфт, що складаються з декшькох простих. Однак таке ршення призводить до певного ускладнення всього кшематичного ланцюга приводу машин. Р1зномаштш обставини ви-магають постшного дослвдження фрикцшних муфт з метою покращення !х характеристик. Цим пояснюеться велика кшьюсть юнуючих наукових роб1т вщчизняних { закардонних вчених та шженер1в стосовно муфт р1зних тишв, у тому числ1 й запоб1жних фрикцшних муфт як конструктивно простих, але часто з недостатньою навантажувальною здатнютю та довгов1чнютю.
Об'ектом нашо1 роботи е конструктивш особливосл запоб1жних фрикцшних муфт, яю попереджають перевантаження в машинах, та можливосл мш1м1заци !х габарипв з шдвищеною навантажувальною здатнютю.
Анал1з публшацш
Розробщ нових конструкцш фрикцшних муфт присвячено багато роб1т вчених. До найбшьш докладних можна вщнести [1-6], де на р1вш винаход1в проведено опис гх конструктивних особливостей. Розрахунки окремих параметр1в традицшних муфт проведено у великш кшькосп праць [7-16]. Однак на сьогодш вщсутш розрахунки основ-них параметр1в нових фрикцшних муфт тдвищено! навантажувально! здатност1, що ускладнюе !х застосування у виробницт.
Мета 1 постановка завдання
Мета роботи полягае у науковому обгрунту-ванш геометричних { силових параметр1в та
пор1внянн1 отриманих результат1в з в1доми-ми. Це необхщно виконати для шдтверджен-ня ефективносп застосування ново! частини мехашчного приводу для р1зномаштних машин.
Конструктивш та силов1 параметри фрикцшних муфт пщвищено1 навантажувально'1 здатност1
Фрикцшш муфти, що описаш в наведених вище вщомих працях, мають спшьний недо-лж: вимагають тдвищено! точност1 взаемно-го розмщення кшьцевих канавок та вистушв пром1жних дисюв. Тому для усунення цього недолжу розроблено нову дискову запоб1жну фрикцшну муфту з1 складеними дисками, принципову конструкцш яко! наведено на рис. 1.
б
Рис. 1. Запоб1жна дискова фрикцшна муфта з1 складеними дисками за патентом РФ №2017023: а - розр1з; б - вид на внутршню поверхню диска без пруж-них елеменлв
Бона складаеться з швмуфти 1, яка на цилш-дричнш поверхш мае шлщи. 3 допомогою шлщв закршлюються л1ва { права частини самоустановлювального пром1жного диска 2, тобто з щею швмуфтою жорстко з'еднаш тшьки внутршш частини пром1жного диска.
Ззовш ця частина пром1жного диска шлщами з'еднуеться ¿з зовшшньою його частиною. Важливими особливостями ще! муфти е та-кож те, що на внутршшх поверхнях пром1ж-ного диска виконаш заглиблення 9 з постшно спадаючою глибиною у м1ру вщдалення кь льцевих вистушв вщ ос1 муфти. У цих загли-бленнях розмщеш пружини 8 р1зно! висоти. Друга швмуфта складаеться з корпуса 6 I кришки 3, яю з'еднуються болтовим з'еднанням 4. М1ж ними застосовано гумов1 прокладки 5.
3 рис. 1 видно, що шд час затягування болтового з'еднання боков1 поверхш впадин ведено! швмуфти входять у контакт ¿з фрикцш-ними поверхнями л1во! 1 право! частин самоустановлювального пром1жного диска. Оскшьки л1ва 1 права частини пром1жного диска пов'язаш м1ж собою через пружш еле-менти, то вони можуть незалежно один вщ одного самоустановлюватися вщносно впадин кришки 1 корпуса ведено! швмуфти. Ре-гулювання зусилля стиску пружних еле-мешгв (пружин) здшснюеться з допомогою болтового з'еднання з гумовими прокладками, а також ¿з допомогою глибини отвор1в шд пружш елементи. При перевантаженнях пружш елементи автоматично стискаються 1 поверхш тертя проковзують, тобто вщбу-ваеться роз'еднання кшщв вал1в 1 оберталь-ний момент не передаеться. Кр1м того, на-явшсть шлщьового з'еднання м1ж окремими частинами пром1жного самоустановлювального диска дозволяе !м перемщатися в осьовому напрямку муфти, що так само приводить до вир1внювання питомого наванта-ження на фрикцшних поверхнях. Така муфта хоч 1 мае деяю збшьшеш рад1альш габарити, але надшнють !! кршильних частин 1 пружш характеристики шдвищеш
Зрозумшо, що умова роботи без буксування будь-яко! фрикцшно! муфти зводиться до
Мтр > Гр,
де Мтр - момент тертя фрикцшно! пари; -розрахунковий момент.
Якщо муфта мае запоб1жш функцп, то умова роз'еднання кшщв з'еднаних вал1в запису-еться так: Мтр = Тр, I тод1 Тр = Ти - момент
максимальнии, за якого обов'язково роз'еднуються.
К1нц1 вал1в
За шшими критер1ями загальний момент тертя мае бути на вс1х фрикцшних поверхнях однаковим. Тому в нашш робот! також необ-хщно знати можливосп, щоб наблизитися до виконання цих критерпв. Беручи до уваги те, що питоме навантаження вс1х поверхонь тертя муфти мае бути однаковим, то потр1бно, щоб площ1 дотику дисюв 1 швмуфт вс1х частин були також наближеш (рис. 1). Тому тут розглянемо розподш навантажень у рад1аль-ному напрямку фрикцшних дисюв для конструкций наведено! на рис. 2.
Рис. 2. Геометричш чинники л1во! частини муфти
Кути нахилу бокових фрикцшних поверхонь а (п = 1,2 - кшьюсть вистушв) до ос1 муфти випдно мати змшними. Використовуючи рис. 2, виведено таку ушверсальну формулу, яку можна використовувати для майже вс1х муфт под1бного типу
N N
2N+2 Ь + 2 я +2 и, + ^-1 +
ап = аг^-
1=1 1=1
N
я
ЯN + 2 Ь + ЯN-1 + %-1 + гN-1 + )СЭёа
(1)
1 =1
2
1 =1
п
де ап - кут нахилу боково! фрикцшно! поверхн!, звернено! до ос\ муфти, для М-го висту-пу; Н - д!аметр маточини ведучо! швмуфти;
N
^ - сума довжин основ вс!х заглибин ди-
Т =1
N
ска з N виступами; ^ qi - сума довжин про-
т=1
екцш бокових фрикцшних поверхонь, звер-нених вщ ос! муфти, на площину, перпендикулярну до ос\ муфти для N висту-
N
шв; ^ иТ - сума довжин торщв N вистушв
Т=1
диска; qN-1 - довжина проекцп боково! фрикцшно! поверхш, звернено! вщ ос! муфти, на площину, перпендикулярну до ос\ муфти, для N-1^0 виступу; и^ - довжина торця N-1^0 виступу диска; qN - довжина проекцп боково! фрикцшно! поверхш, звернено! вщ ос! муфти, на площину, перпендикулярну до ос! муфти, для N^0 виступу; - довжина проекцп боково! фрикцшно! поверхш, звернено! до ос! муфти, на площину, перпендикулярну до ос! муфти, для N-1^0 виступу; zN - довжина проекцп боково! фрикцшно! поверхш, звернено! до ос\ муфти, на площину, перпендикулярну до ос\ муфти, для N^0 виступу; аС - кут нахилу боково! фрикцшно! поверхш, звернено! вщ ос\ муфти, для N-гo виступу.
Важливими параметрами для цих муфт е та-кож площ! поверхонь доторкання фрикцш-них пар, основною вимогою до яких е !х р!в-нють м\ж собою, що сприяе р!вном!рному розподшу питомого навантаження та р!вно-м!рному спрацюванню поверхонь тертя 1 зб1-льшенню довгов!чност! вс!е! муфти.
Для обчислення площ поверхонь тертя ро-зроблено вщповщш розрахунков! схеми для кожного з вистушв. Так, наприклад, для першого виступу розроблено розрахункову схему, наведену на рис. 3.
Якщо вюь обертання муфти сумютити з вюсю ОХ, то з рис. 3 видно, що верхня по-верхня контакту утворюеться в результат! обертання лшГ! С1Д1 навколо ос! ОХ. На д!лянц! т ця площа визначаеться за формулою
т
А, = вп | /2( х^1 + /2/2( х)Нх,
(2)
утворюе верхню поверхню контакту; т осьова висота виступу.
/ 2( X) = к х +
Н - Н
/2/( х) = Кх = = 4 3
2т
де Нз ! Н4 - найменший та найбшьший д!амет-ри фрикцшно! поверхн!, звернено! до ос! муфти.
Рис. 3. Розрахункова схема для визначення площ! поверхн! для першого виступу
Пюля врахування наведених позначень р!вняння (2) набуде вигляду
А1 = 2я[ (К1х + Н-)^ + К Нх = п/в Нср2, (3)
де /2 - довжина контакту верхньо! частини першого виступу; Нсрв - середн!й д!аметр
верхньо! частини першого виступу.
Под!бно до (3) можна записати р!вняння для визначення площ! поверхн! контакту нижньо! частини першого виступу
Лв = п • /1Н(
сР1
де також використано сшвв1дношення
Н = Н1 + Н 2 ; Н = Нз + Н4
^ср1 в ' срв в
(4)
де А1 - площа верхньо! поверхн! контакту першого виступу; /в(х) - р!вняння прямо!', що
Загальна площа поверхн! дотику першого виступу диска з швмуфтою
А = 4 + 4 = гс(/НсР1 + /2 НсР2
). (5)
Тобто загальна площа контакту «-го виступу
А = Ал + Ап в = л(/п1НсРп1 + 1пв НсРп 2), (6)
де Ап - загальна площа поверхш контакту п-го виступу; /п1, /п2 - довжини похилих АВ 1
CD п-го виступу; dí
СРп1
СРп 2
середш
Д1аметри п-го виступу в1дпов1дно нижньо1 и верхньо! частин.
Отримаш анал1тичш вирази (2)-(6) мають практичне значения та ознаки ушверсаль-носп в тому, що дозволяють проектувати муфти шдвищено! навантажувально! здат-носп, беручи до уваги р!вном1ршсть притис-кання елемешгв фрикцшно! пари. Зрозумшо, що бшьш р1вном1рний розподш питомого навантаження за поверхнями тертя сприяе збшьшенню довгов1чност1 фрикцшних муфт. Тому 1х проектування рекомендуеться вико-нувати у такш послщовностг
Виходячи з конструктивних вимог, призна-чаеться зовшшнш д1аметр маточини та муфти, що дозволяе визначити ширину кшьця, на якому виконуються виступи та западини для утворення фрикцшних пар. Знаючи кшь-юсть вистушв, за отриманими вище залежно-стями визначаються загальш площ1 вс1х вистушв у загальному виглядг Тепер умовою появи р1вном1рного питомого навантаження поверхонь тертя е р1вшсть !х площ доторкан-ня, тобто мае мюце р1вшсть
А1=Ав=....=Ап.
(7)
Пюля подстановки значень площ вистушв з р1внянь (3), (4) та (6) можна отримати залеж-шсть м1ж геометричними параметрами з умови р1вном1рного питомого навантаження поверхонь тертя, що сприяе однаковому спрацюванню робочих поверхонь фрикцш-них муфт.
Для апробацп запропоновано! методики ро-зрахунюв проведено кшьюсний анал1з дис-ково1 запоб1жно! фрикцшно! муфти ¿з пря-молшшним профшем контакту ¿з змшними кутами нахилу робочих поверхонь виступив (рис. 1) для передач! номшального моменту Тиои = 140 Н.м.; кп=1,4; д1аметр вала Н=40 мм.
У цш муфт1, под1бно до наведених у роботах [1-6], для р1вном1рного навантаження фрикцшних поверхонь у м1ру !х вщдалення вщ ос1 обертання муфти необхщно змшюва-ти величину площ1 доторкання елемешгв тертя. Кр1м того, змша купв нахилу фрикцшних поверхонь приводить до змши сил пружних елеменгав, що ддать на вщповщш поверхш контакту для вс1х п вистушв, тобто вони при цьому залежать також вщ геомет-ричних характеристик муфти.
Результата кшьюсного анал1зу та послщов-шсть його виконання зведено до табл. 1, з яко! видно, що для р1вном1рного притискан-ня поверхонь тертя потр1бне збшьшення кута 1х нахилу до 27°. Тепер е доцшьним виконання пор1внянь габарит1в дослщно! муфти, що отримаш внаслщок проектного розрахун-ку, з под1бними габаритами деяких впчизня-них та заруб1жних конструкцш мехашчних привод1в машин, що комплектуються фрик-цшними муфтами з р1зними парами тертя.
Таблиця 1 Послщовшсть \ результаты кшьюсного анал1зу
Назва параметра Познач. параметра Одиниця вишрюв. Результат
Максимальный обертальний момент Т ± тах Н.м. 196
Коефщент тертя П 0,15
Допустиме питоме навантаження [р] МПа 0,3
Кут нахилу ироф1лю першого виступу а/1 град 12
Висота першого виступу Ь1 мм 8
Довжина основи заглибин першого виступу С1 мм 7
Довжина проекцп боково! фрикцшно! поверхш, звернено! до вш муфти першого виступу и1, мм 4
Довжина проекцп боково! фрикцшно! поверхш, звернено! до муфти першого виступу г1 мм 12
Кут нахилу зовшшнього проф1лю першого виступу а1 град 27
Таблиця 2 Пор1вняльний анал1з габаритов фрикцшних запоб1жних муфт
Назва муфти Т (Н.м) за числа внутршшх дисюв D L за числа дисшв
1 2 3 1 2 3
Муфта багатодис-кова 3i змшним 178 356 534 187 167 181 195
числом фрикцш-
них дисшв 395 790 1185 260 218 232 253
Параметри муфти Матер1ал поверхонь тертя \р\, мПа П Т (Н.м) D L
Багатодискова
фрикцшна муфта ф1рми «Боленц» (ФРН) i3 пром1ж- Фрикцшна метало-керамша - сталь 0,5-0,7 0,3-0,4 140 242 340
ною 31рочкою
Конусна фрикцшна муфта ф1рми «Деш» Прессований азбест 0,1 0,3 240-360 152-195 94-115
Запоб1жна дискова Чавун загартований -сталь 0,3-0,4 0,2 346 200 65
фрикцшна муфта Пресований азбест 0,2-0,3 0,3 390 200 65
(рис. 1) Металокерамша -сталь 0,5-0,7 0,3-0,4 910 200 65
Примтка. У табл. 2 введено таш позначення: Т - максимальный момент, що його передае муфта, Н.м; D - зовшшнш д1аметр муфтн, мм; L - осьова довжина муфти, мм.
Даш для пор1вняння використовуемо з попе-реднього розрахунку под1бних муфт, у тому числ1 ф1рм «Боленц» та «Деш». Оскшьки конструкщя запропоновано! муфти мае поеднання фрикцшних дисюв та конушв, то для пор1вняння використовуемо даш як для запоб1жних дискових, так 1 для запоб1жних конусних муфт. Результати цього анал1зу зведемо до табл. 2.
На шдстав! результата теоретичних до-слщжень та кшьюсного анал1зу (табл. 2) можна дшти таких основних висновюв.
Висновки
Проведен! дослщження е значущими, оскшь-ки спрямоваш на розв'язання актуально! задач! - шдвищення навантажувально! здат-носп фрикцшних запоб1жних муфт р1знома-штних привод1в машин, що мають двигуни внутршнього згорання.
Запропоновано анал!тичш вирази для проведения яюсного та кшьюсного анал1зу нових, розроблених на стадп патешгв, фрикцшних муфт шдвищено! навантажувально! здатносп.
Розроблено та апробовано алгоритм кшьюсного анал1зу муфт цього класу та встанов-лено:
- для наближених габаритних po3Mipiß муфта за A.c. СРСР №1781479 здатна передавати в 2 рази бшьший момент та мае в 2,5 рази менш1 осьов1 габарити пор1вняно з багато-дисковою муфтою з найменшим числом дисюв;
- муфта 3i змшним числом дисюв, що дор1в-нюе двом, передае практично однаковий момент, у пор!внянш з муфтою за A.c. СРСР №1781479, проте И осьов1 габарити в 3 рази перевищують осьов1 габарити муфти ¿з прямою лшею контакту;
- максимальний обертальний момент багато-дисково! фрикцшно! муфти ф1рми «Боленц» та конусно! муфти ф!рми «Деш» (ФРН), за одного i того ж зовшшнього д!аметра, на-ближаеться до максимального обертального моменту муфти за A.c. СРСР №1781479, проте !х осьов1 габарити в 1,3 - 1,7 рази е бшь-шими за осьов1 габарити муфти ¿з прямою лшею контакту.
Лггература
1. A.c. 1610114 СССР, МКИ F16D 13/64. Дисковая фрикционная муфта / С.Г. Калинин, В.А. Малащенко, П.Я. Петренко, П.В. Карнаух. - № 4651070/31-27;
заявлено 02.01.89; опубл. 30.11.90, Бюл. №44, 1990. - 3 с.
2. A.c. 1693290 СССР, МКИ F16D 13/64. Дис-
ковая фрикционная муфта/ С.Г.Калинин, В. А. Малащенко, П.Я.Петренко, П.В. Карнаух (СССР). - № 4667643/27; заявлено 30.01.89; опубл. 23.11.91, Бюл. №43, 1991. - 2 с.
3. A.c. 1781479 СССР, МКИ F16D 13/64. Дис-
ковая фрикционная муфта / С.Г. Калинин, В.А. Малащенко, П.В. Карнаух (СССР). - №4949999/27; заявлено 27.06.91; опубл. 15.12.92, Бюл. №46, 1992. - 4 с.
4. Патент на изобретение RU 2003877, МКИ
F16D 13/64. Дисковая фрикционная муфта / С.Г. Калинин, П.В. Карнаух, В.А. Малащенко (Украина); заявитель и патентообладатель П.В. Карнаух. -№ 5019469/27; заявлено 26.12.91. опубл.
30.11.93. - 5 с.
5. Пат. RU 2107849, МКИ F16D 13/64. Дис-
ковая фрикционная муфта / П.В. Карнаух, Н.К Мазепа (Украина); заявитель и патентообладатель П.В. Карнаух. -№ 5038218/27; заявлено 19.02.92; опубл.
30.07.94. - 4 с.
6. Пат. RU 2107849, МКИ F16D 13/64. Дис-
ковая фрикционная муфта / П.В. Карнаух (Украина); заявитель и патентообладатель П.В. Карнаух. - № 93001438/28; заявлено 11.01.93; опубл. 27.03.98. - 5 с.
7. Киркач Н.Ф. Расчет и проектирование де-
талей машин / Н.Ф. Киркач, P.A. Бала-санян. - X.: Основа, 1991. - 276 с.
8. Малащенко В.О. Муфти привод1в. Кон-
струкцп та приклади розрахунюв / В.О. Малащенко. - Льв1в: НУ «Льв1всь-ка полп-ехшка», 2009. - 216 с.
9. Поляков B.C. Справочник по муфтам /
B.C. Поляков, И.Д. Барбаш, O.A. Ряхов-
ский. - Л.: Машиностроение, 1979. -344 с.
10. Венцель С.С. Анал1з навантажувально! здатносп запоб1жних фшцшних муфт привод1в шдйомно-транспортних машин / С.С. Венцель, В.О. Малащенко,
B.В. Федик // Вестник ХНАДУ: сб. науч. тр. - 2014. - Вып. 65-66. - С. 21-28.
11. Malaschtchenko V. Vol'nobezna qulbekova
spojka / V. Malaschtchenko, J. Homuschin, O. Sorokivskiy // Strojarstvo Srojirenstvi. -2001. - № 12. - C. 56-58.
12. Malaschtchenko V. The Selection of Param-
eters of a Coaster Ball clutch and Recommendation for its Construction / V. Malaschtchenko, O. Sorokivskiy // Transac-Transactions of the Universities of Kosicl. - 2002. - № 2. - C. 1-6.
13. Малащенко В. Залишков! явища в багато-
дискових фрикцшних муфтах шд час вимикання / В. Малащенко, В. Рябов // Машинознавство. - 1999. - №7. -
C.51-54.
14. Решетов Д.Н. Детали машин / Д.Н. Ре-шетов. - М.: Машиностроение, 1989. -496 с.
15. Ряховский O.A. Справочник по муфтам /
O.A. Ряховский. - Л.: Политехника, 1991. - 384 с.
16. Муфти запоб1жш фрикцшш Параметри, конструкщя i розм1ри: ДСТУ 3174-95. -Чинний вщ 01.81.1997. - К.: Держ. ком1-тет стандарт. метролог. та сертифшац. Украши, 1997. - 58 с.
Рецензент: С.С. Венцель, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надшшла до редакцп 2 березня 2016 р.
