Волновые муфты

Принципиальные схемы взаимодействия кинематических звеньев в волновых муфтах В отличие от волновых фрикционных вводов в волновых герметичных муфтах вращение от ведущего звена передается через; остановленное гибкое звено ведомому жесткому звену, рабочая поверхность которого по своей конфигурации аналогична форме гибкого звена в деформированном состоянии. Поэтому скорость и направление вращения ведомого жесткого звена волновой муфты полностью определяются скоростью и направлением вращения волны деформации в ее гибком звене, которые задаются генератором.

На рис. 63 показаны три схемы возможного взаимного расположения кинематических звеньев в волновых муфтах. На первой схеме рабочий профиль кулачка генератора 1 и внутренняя поверхность жесткого звена 3 выполнены с идентичными некруглыми формами, и они имеют непосредственный контакт с гибким звеном 2.

На второй схеме рабочие поверхности кулачка генератора и жесткого звена также имеют одинаковую некруглую форму, но между ними и гибким звеном для уменьшения трения установлены тела качения, которые могут быть размещены в гибких подшипниках.



Третья схема отличается тем, что кулачок генератора имеет наиболее технологичную круглую форму, а форма деформации гибкого звена задается соответствующим подбором тел качения разных диаметров, устанавливаемых между кулачком и гибким звеном. В этом случае генератор муфты представляет собой фрикционную планетарную передачу с передаточным числом, определяемым формулой (7), и поэтому вращение жесткого звена будет осуществляться с редукцией, зависящей от передаточного числа генератора.

Поэтому такие волновые муфты получили название передачи-муфты. Конструкция основных элементов волновых муфт (гибкие герметичные оболочки, генераторы, гибкие подшипники) аналогичны подобным элементам волновых зубчатых вводов. Исключение в этом отношении составляет волновая трубчатая муфта, гибкий элемент которой существенно отличается от гибких оболочек волновых вводов других типов.

Принцип действия и особенности конструкции волновой трубчатой муфты Конструкция волновой трубчатой муфты была предложена в качестве специального устройства для передачи в герметизированное пространство вращательного движения.

В отличие от других типов волновых вводов с гибкими герметичными оболочками для трубчатой муфты характерны следующие особенности:

1) сравнительная простота изготовления, особенно гибкой оболочки;

2) идентичность конструкции ведущего и ведомого звеньев и их подшипниковых опор;

3) малые габаритные размеры и возможность рационального использования внутренней недеформируемой части оболочки для встраивания дополнительных герметичных электромеханических устройств (токо-вводов, сильфонных штоков, трубок охлаждения и др.);

4) возможность сохранения герметичности ввода при усталостном механическом разрушении его гибкой оболочки;

5) нежесткая кинематическая связь между ведущим и ведомым звеньями.

Принципиальная схема нагружения и деформаций гибкой оболочки трубчатой муфты показана на рис. 64. Действие перепада давления атмосфера—вакуум, которое воздействует в виде силы Q=pnr2 на внутреннюю жесткую часть диафрагмы оболочки и равномерно распределенной нагрузки р на внешнюю гибкую часть диафрагмы, приводит к появлению деформаций w и осевому смещению оболочки. При установке ведущего генератора (на схеме показан двухволновый роликовый генератор) возникает нагрузка на оболочку со стороны генератора, которая на схеме условно обозначена в виде двух равнодействующих сосредоточенных сил Pi (в реальных условиях эта нагрузка является распределенной в зоне каждой волны деформации, причем форма распределения зависит от типа и кон-фигурации генератора). В плоскости действия сил Pi возникают радиальные деформации оболочки: Ai — наибольшие положительные и Л2 наибольшие отрицательные под углом 90°.

Ввиду свойства коротких тонкостенных оболочек передавать радиальные деформации с одного конца на другой со сдвигом на угол 90° левый торец оболочки под действием сил Pi также деформируется и в плоскости на расстоянии t от конца, симметричной плоскости действия сил Рь возникнут радиальные деформации Д3 и Д4, а в случае установки на левом конце оболочки ведомого кулачка, аналогичного по форме ведущему генератору, — дополнительные радиальные деформации Дз и Д а (Д1 = Д4+Д4 И Д2=ДЗ + ДЗ ) и нагрузки Р2.

При вращении генератора в зонах контакта наружной поверхности роликов и внутренней поверхности оболочки возникнут тангенциальные фрикционные силы Ти а на левом конце в результате силового воздействия волны деформации оболочки на ведомый кулачок — нагрузки на оболочку Г2.

Нагрузочная способность волновой трубчатой муфты, ее кинематическая жесткость, долговечность оболочки и работоспособность узлов трения, особенно в вакуумной ее части, определяются взаимосвязанными нагрузками Р и Т и деформациями Д, а также конструкцией оболочки, генератора и ведомого кулачка.

Методы расчета тонкостенной оболочки с диафрагмой посредине, имеющей жесткую внутреннюю и податливую внешнюю части, пока не разработаны.

Сравнительные испытания малогабаритных трубчатых муфт с раз-личными по конструкции тремя типами оболочек, показанными на рис. 65, проводились в вакууме 5Х10 мм рт. ст. без нагрузки с радиальной деформацией оболочки д,=0,35 мм при частоте вращения двух волнового роликового генератора 9 об/мин. Проведенные испытания показали, что наибольшую надежность по герметичности и механической прочности места стыка диафрагмы и оболочки имеют оболочки со сплошной диафрагмой и составными трубками свариваемыми электроннолучевой сваркой в вакууме.



Исследование характера распределения нормальных напряжений, возникающих в деформированной двумя силами Рi оболочке трубчатой муфты было проведено с помощью проволочных тензодатчиков, размещенных на оболочке в точках, указанных на рис. 66 (знак «+» указывает на наличие в соответствующих точках растягивающих напряжений, знак «—» на наличие напряжений сжатия).

Исследование показало, что наибольшие напряжения при деформировании возникают в зонах 1—4, т. е. в зонах наибольших радиальных деформаций. Максимальные же напряжения возникают в зонах контакта оболочки с генератором. В зонах, близких к стыку оболочки с диафрагмой и к внешней заделке гибкой части диафрагмы напряжения оказались существенно меньше, чем в зонах 1—4. В зонах 6 и 15, расположенных под углом 45° к плоскости приложения нагрузки, напряжения были переменными по знаку и незначительными по величине. На основании этих исследований можно указать на то, что для гибких оболочек трубчатых муфт, поскольку при их деформировании генератором максимальные напряжения возникают на краях оболочки, усталостное разрушение оболочек на краях в зонах контакта с генераторами и ведомым кулачком будет предшествовать разрушениям диафрагмы, т. е. выход из строя муфты может не сопровождаться ее разгерметизацией.

Влияние геометрических параметров оболочки трубчатой муфты на ее жесткость Так как принцип действия волновой трубчатой муфты основан на свойстве короткой тонкостенной оболочки передавать радиальные перемещения, возбуждаемые на одном из ее концов, на другой, то для рационального ее конструирования необходимо знать зависимость между величиной радиальной нагрузки Pi и вызываемыми ею радиальными деформациями А на обоих концах оболочки, т. е. жесткость оболочки Д=f(P).

Это решение получено из условия не растяжимости срединной поверхности оболочки и сохранения в деформированном состоянии прямолинейности ее образующей.

Экспериментальное изучение жесткости оболочек трубчатых муфт, проведенное на образцах 3-го типа, изготовленных из стали Х18Н9Т с геометрическими размерами, указанными в табл. 37, при статическом нагружении двумя радиальными силами Р по схеме, показанной на рис. 64, при = 2 мм показало, что различные геометрические параметры оболочки в разной степени влияют на ее жесткость.

влияние геометрических параметров, степени деформирования оболочки и конструкции генератора на нагрузочную способность трубчатой муфты На нагрузочную способность трубчатой муфты, которая определяется величиной передаваемого момента М в зависимости от угла р поворота ведущего генератора относительно ведомого кулачка под нагрузкой, влияют геометрические параметры оболочки 7 и величина радиальных деформаций Ai и Д4, рас- Oi г стояние t установки генератора и кулачка от края оболочки и их конструкция, а также механические свойства материала оболочки.

В результате длительного силового контакта вращающегося генератора с оболочкой последняя может несколько деформироваться на краях (в результате раскатки), что может привести к снижению передаваемого муфтой момента в процессе эксплуатации.

Характер влияния некоторых факторов на нагрузочную способность муфты показан в табл. 41—44. Все данные получены при статических нагружениях муфт, когда ведомый кулачок был закреплен неподвижно, а к валу генератора прикладывался нагружающий момент до полного его проворота относительно ведомого кулачка.

Конструкции волновых трубчатых муфт и области их рационального применения На рис. 72 показаны две конструктивных модификации цельно-металлической малогабаритной волновой трубчатой муфты с роликовым генератором, отличающихся тем, что в схеме, изображенной на рис. 72, а, подшипниковые опоры генератора и ведомого кулачка для обеспечения наибольшей компактности муфты размещены внутри гибкой оболочки на осях, приваренных к внутренней жесткой диафрагме, а п схеме, приведенной на рис. 72,6, внутри оболочки в жесткую диафрагму вварен дополнительно металлокерамический электроввод (например, термопарный для измерения температуры элементов аппаратуры в вакууме). В этом случае в валах генератора и ведомого кулачка предусматриваются соответствующие отверстия для размещения электрических про-водов.

На рис. 73 приведена конструкция комбинированного цельнометаллического ввода движения, с помощью которого можно получить в вакууме сложное перемещение объекта 1: вращение вокруг вертикальной оси ввода, что достигается креплением перемещаемого объекта на ведомом кулачке волновой трубчатой муфты 2, и поворот объекта вокруг горизонтальной оси, что обеспечивается с помощью дополнительного сильфонного механизма 3, поступательно перемещающийся шток которого в вакууме связан рычажной системой 4 с объектом и закреплен в подшипниковой опоре на кулачке муфты.

Размещение всей конструкции ввода на одном малогабаритном фланце позволяет рационально его встраивать в прогреваемую высоковакуумную аппаратуру.

Конструкция трубчатой муфты с повышенной точностью взаимного центрирования генератора и ведомого кулачка показана на рис. 74. На валу электродвигателя 5 типа РД-09 (с встроенным редуктором) закреплено зубчатое колесо 7, которое находится в зацеплении с колесом 6. Колесо 6 закреплено на вращающемся стакане 5, на котором смонтирован ведущий кулачковый генератор 9, деформирующий гибкую оболочку 10.

Аналогичный по форме ведомый кулачок 13 смонтирован на вращающемся стакане 12. Стаканы 5 и 12 установлены на подшипниках 1 на оси 2, вваренной во внутреннюю диафрагму оболочки, которая герметично приваривается по наружному торцу внешней гибкой части диафрагмы к базовому фланцу 3. С помощью этого фланца муфта устанавливается на фланце вакуумной камеры. Регулировку положения генератора и кулачка относительно оболочки в этой конструкции можно осуществить за счет юстировки стакана 4 регулировочными болтами 11 и фиксации оси 2 относительно стакана 4 (за счет податливости гибкой части диафрагмы).

За счет выбора двигателя РД-09 с соответствующей редукцией в этой конструкции привода можно обеспечить передачу в вакуум вращения с. различной частотой от 1,8 до 152 об/мин.



Волновые трубчатые муфты могут быть использованы в высоковакуумной аппаратуре в качестве компактных цельнометаллических прогреваемых малонагруженных вводов вращения повышенной надежности по герметичности, но при относительно невысоких требованиях к точности взаимного положения ведущего и ведомого валов и малых значениях передаваемого крутящего момента, а также в качестве комбинированных вводов с дополнительно встроенными герметичными устройствами типа сильфонных штоков, токовводов, трубопроводов для ввода в вакуум хладагентов и т. д.

Трубчатые муфты целесообразно применять в качестве индивидуальных приводов подложек в напылительной технике, различных экранов и заслонок в прогреваемой сверхвысоковакуумной аппаратуре, а также в качестве конструктивных элементов вакуумных манипуляторов.

Однако наиболее эффективное использование положительных качеств волновой трубчатой муфты как ввода вращения в высокий вакуум будет возможно лишь после того, как будут изучены все основные факторы, влияющие на ее работоспособность, и прежде всего — характер изменения величины передаваемого муфтой момента в процессе ее длительной эксплуатации, что связано главным образом с возможной раскаткой гибкой трубки в зоне действия генератора.