RU2374525C2

RU2374525C2 - Ball hydro-resistant clutch with regulated rotating frequency of output shaft

Info

Publication number: RU2374525C2
Application number: RU2007103144/11A
Authority: RU
Inventors: Виктор Борисович Лебедев (RU); Виктор Борисович Лебедев
Original assignee: Виктор Борисович Лебедев
Priority date: 2007-01-18
Filing date: 2007-01-18
Publication date: 2009-11-27
Also published as: RU2007103144A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to machine building, in particular to clutches. Ball hydro-resistant clutch consists of driving or driven units, between which there are placed balls and rests, and preservative valve assembly. Driving an driven units are implemented with ability of its creeping relative to each other. One of units is implemented in the form of inclined disc, fixed on shaft, and other in the form of nave. At peripheral part of nave it is installed not less than two opposite located hydraulic actuators, filled by operating fluid, and piston, and engaged with rests. Additionally balls are located between faceplate of inclined disk and rests. For regulation of effort on rests nave allows controllable bypass valve. Regulation of rotation frequency of output shaft is implemented by means of management of creeping process of driving unit relative to driven.

EFFECT: providing of smooth increasing of rotational moment at output shaft of clutch with ability of continuous duty with any rotation frequency of driven unit from zero up to maximal.

4 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может использоваться в различных устройствах для изменения частоты их вращения при постоянной частоте вращения приводного двигателя, кроме того, изобретение может найти пименение в качестве муфты сцепления в трансмиссии транспортных средств.The invention relates to mechanical engineering and can be used in various devices to change the frequency of their rotation at a constant speed of the drive motor, in addition, the invention may find a name as a clutch in the transmission of vehicles.

Известна конструкция фрикционной муфты, например муфты сцепления автомобилей ГАЗ, содержащая ведущий и ведомый диски, причем поверхность ведомого диска имеет фрикционные накладки, а прижатие его к ведущему диску осуществляется пружинами. Изменяя с помощью механизма выключения и органов управления усилие нажатия пружин, изменяют величину сил трения между дисками, что приводит к проскальзыванию ведомого диска, а в конечном итоге к изменению частоты вращения всего ведомого узла. Однако фрикционная муфта не обеспечивает достаточно плавного возрастания крутящего момента на ведомом узле и не допускает длительного проскальзывания дисков из-за сильного нагрева деталей и интенсивного их износа.A known construction of a friction clutch, for example, a clutch of a GAZ automobile, comprising a drive and a driven disc, the surface of the driven disc having friction linings and pressing it against the driving disc by springs. Using the shutdown mechanism and controls, the force of pressing the springs is changed, the magnitude of the friction forces between the disks is changed, which leads to slippage of the driven disk, and ultimately to a change in the rotational speed of the entire driven unit. However, the friction clutch does not provide a sufficiently smooth increase in torque on the driven unit and does not allow long slippage of the discs due to the strong heating of the parts and their intensive wear.

Известна также конструкция гидромуфты, например, приведенной в книге "Гидравлика, гидродинамика и гидроприводы" /Башта Т.М. и др. - М.: Машиностроение,1982 г./ на стр.257, рис.2.85. Конструкция гидромуфты включает в себя корпус, заполненный рабочей жидкостью /маслом/ в который помещены насосное и турбинное колеса, причем насосное колесо соединено с ведущим, а турбинное с ведомым валом. При подключении муфты к нагрузке между насосным и турбинным колесами возникает достаточно большое проскальзывание, которое постепенно убывает, благодаря чему крутящий момент от приводного двигателя к ведомому узлу передается плавно. Гидромуфта, таким образом, защищает детали механизмов от резких динамических нагрузок. Это ее свойство позволяет использовать гидромуфту и как предохранительное устройство, ограничивающее величину крутящего момента, передаваемого муфтой, поскольку при превышении этой величины муфта проскальзывает. Гидромуфта, выполненная по схеме с изменяемым заполнением рабочей полости, допускает регулирование частоты вращения выходного вала. Однако диапазон регулирования частоты вращения ограничен из-за неустойчивой работы муфты при значительном опорожнении. Кроме того, длительная работа с проскальзыванием приводит к недопустимо высокому нагреву рабочей жидкости, что требует применения специальных систем охлаждения.Also known is the design of the fluid coupling, for example, given in the book "Hydraulics, hydrodynamics and hydraulic drives" / TM Bashta et al. - M.: Mechanical Engineering, 1982 / on p. 257, Fig. 2.85. The design of the fluid coupling includes a housing filled with a working fluid / oil / in which the pump and turbine wheels are placed, the pump wheel being connected to the drive wheel and the turbine wheel to the driven shaft. When the coupling is connected to the load between the pump and turbine wheels, a sufficiently large slip occurs, which gradually decreases, due to which the torque from the drive motor to the driven unit is transmitted smoothly. The fluid coupling, thus, protects the details of mechanisms from sharp dynamic loads. This property of it allows the use of a fluid coupling as a safety device that limits the amount of torque transmitted by the coupling, since when this value is exceeded, the coupling slips. The fluid coupling, made according to the scheme with a variable filling of the working cavity, allows the control of the output shaft rotation frequency. However, the speed control range is limited due to the unstable operation of the coupling with significant emptying. In addition, prolonged operation with slippage leads to unacceptably high heating of the working fluid, which requires the use of special cooling systems.

Наиболее близка к изобретению по конструктивному исполнению шариковая предохранительная муфта, например, приведенная в справочнике по муфтам /автор Поляков В.С. и др. - Л.:, Машиностроение, 1979 г./ на стр.261 рис.VII 11. Муфта состоит из ведущей и ведомой полумуфт, между торцевыми поверхностями которых, в специальных углублениях - гнездах - помещены шарики, нагруженные усилием пружин. Предельный момент, при котором происходит срабатывание /проскальзывание/ муфты, устанавливается предварительным затягом пружин. Во время проскальзывания шарики выходят из гнезд одной полумуфты, углубляясь в гнезда и сжимая пружины другой полумуфты. Однако шариковая муфта не пригодна для осуществления поставленной задачи изобретения.The closest to the invention in terms of design is a ball safety coupling, for example, given in the manual on couplings / author Polyakov V.S. et al. - L.: Engineering, 1979 / on page 261 of Fig. VII 11. The coupling consists of a leading and a driven coupling half, between the end surfaces of which, in special recesses - nests - are placed balls loaded with spring force. The limit moment at which the actuation / slippage / clutch occurs is set by preloading the springs. During slipping, the balls exit the nests of one half-coupling, going deeper into the nests and compressing the springs of the other half-coupling. However, the ball coupling is not suitable for the implementation of the task of the invention.

Задача изобретения - при сохранении функции предохранительного устройства по перегрузке обеспечить плавное возрастание крутящего момента на выходном валу муфты с возможностью длительной работы с любой частотой вращения от нуля до максимальной.The objective of the invention is, while maintaining the function of the overload safety device, to ensure a smooth increase in torque on the output shaft of the coupling with the possibility of continuous operation at any speed from zero to maximum.

Указанная задача решается тем, что ведущий или ведомый диск установлен на валу наклонно к оси вращения, а контактируют с торцевой поверхностью диска шарики, прижимаемые гидроупорами со стороны ступицы, причем скольжение ведущего узла относительно ведомого и, соответственно, частота вращения выходного вала находятся в зависимости от давления рабочей жидкости в цилиндрах гидроупоров, которое, в свою очередь, зависит от положения золотника, регулирующего перепуск жидкости из цилиндров, а функцию защиты от перегрузок выполняет предохранительный клапан, установленный в гидросистеме.This problem is solved by the fact that the leading or driven disk is mounted on the shaft obliquely to the axis of rotation, and the balls are in contact with the end surface of the disk, pressed by hydraulic bearings from the hub side, and the sliding of the driving unit relative to the driven one and, accordingly, the rotation speed of the output shaft are dependent on working fluid pressure in hydraulic cylinders, which, in turn, depends on the position of the spool regulating fluid bypass from the cylinders, and the overload protection function hydraulic valve installed in the hydraulic system.

На фиг.1 представлен схематический разрез шариковой гидроупорной /ШГУ/ муфты для использования в качестве устройства, регулирующего частоту вращения ведомого вала при постоянной частоте вращения ведущего, например в приводе с асинхронным электродвигателем. Муфта состоит из ведущего и ведомого узлов. В данном случае к ведущему узлу относится диск 1, установленный на валу наклонно к оси вращения. Ведомый узел содержит ступицу 2, жестко связанную с полым ведомым валом 13. На переферийной части ступицы оппозитно друг другу закреплены корпуса как минимум двух гидроцилиндров 6, в которые помещены поршни 5 с уплотнениями. В расточках корпусов, с возможностью осевого перемещения, установлены упоры 4. Одна из торцевых поверхностей упоров имеет гнездо для размещения в нем шарика 3. Кроме того, для удерживания консистентной смазки на поверхности упоров выполняется спиральная канавка, которая сообщается с внутренним каналом. В центральной части ступицы, в полости ведомого вала имеется специальная расточка с помещенным в ней золотником 8. В этой расточке, образующей корпус золотника, выполнены каналы, соединенные трубопроводами 7 с рабочими полостями гидроцилиндров. С трубопроводами параллельно также соединен предохранительный клапан 14. Клапан /фиг.2/ состоит из двух частей корпуса 15, каждая из которых имеет свою клапанную часть 17. Между клапанами установлена пружина 16, затяг которой соответствует предельно допустимому давлению рабочей жидкости и максимальной нагрузке на механизмы. Затяг пружины регулируется толщиной прокладки между частями корпуса, стянутых между собой резьбовыми соединениями. Каждая отдельная часть клапанного блока контролирует давление жидкости в полости своего гидроцилиндра /группы гидроцилиндров/. Шток золотника 8 соединен с подвижной тарелкой центробежного регулятора через продольный паз ведомого вала, например, с помощью штифта 11. Тарелка регулятора нагружена усилием пружины 9, затяг которой через упорный подшипник 10 с помощью привода управления муфтой может изменяться. Привод управления может быть ручным, ножным, электромеханическим или иного типа. Выходной /ведомый/ вал заканчивается соединительной частью, например фланцем. Наклонный диск и ступица с гидроударами стыкуются соосно и таким образом, чтобы шарики всех упоров плотно прижимались к поверхности диска. При этом вся гидросистема полностью заполнена рабочей жидкостью. Детали или поверхности деталей, находящиеся в контакте с шариками, изготавливаются по технологии, применяемой при производстве подшипников качения.Figure 1 shows a schematic section of a ball hydraulic / SHGU / coupling for use as a device that controls the speed of the driven shaft at a constant speed of the drive, for example, in a drive with an asynchronous motor. The coupling consists of master and slave units. In this case, the drive unit includes a disk 1 mounted on a shaft obliquely to the axis of rotation. The driven unit contains a hub 2, rigidly connected with a hollow driven shaft 13. On the peripheral part of the hub, at least two hydraulic cylinders 6 are mounted opposite to each other, into which pistons 5 with seals are placed. In the bores of the housings, with the possibility of axial movement, stops 4 are installed. One of the end surfaces of the stops has a socket for accommodating the ball 3. In addition, a spiral groove is made to hold the grease on the surface of the stops, which communicates with the internal channel. In the central part of the hub, in the cavity of the driven shaft, there is a special bore with a spool 8 placed in it. In this bore, which forms the spool body, channels are made that are connected by pipelines 7 to the working cavities of the hydraulic cylinders. A safety valve 14 is also connected in parallel with the pipelines. The valve / Fig. 2/ consists of two parts of the housing 15, each of which has its own valve part 17. A spring 16 is installed between the valves, the tightening of which corresponds to the maximum permissible fluid pressure and maximum load on the mechanisms . The spring tightness is regulated by the thickness of the gasket between the parts of the housing, tightened together by threaded connections. Each individual part of the valve block controls the fluid pressure in the cavity of its hydraulic cylinder / group of hydraulic cylinders /. The spool rod 8 is connected to the movable plate of the centrifugal regulator through the longitudinal groove of the driven shaft, for example, using a pin 11. The regulator plate is loaded by the force of the spring 9, the tightening of which through the thrust bearing 10 with the help of the clutch control drive can be changed. The control drive can be manual, foot, electromechanical or other type. The output / follower / shaft ends with a connecting part, for example a flange. The inclined disk and the hub with hydroshocks are joined coaxially and so that the balls of all the stops tightly pressed against the surface of the disk. In this case, the entire hydraulic system is completely filled with working fluid. Parts or surfaces of parts in contact with the balls are made according to the technology used in the production of rolling bearings.

Муфта работает следующим образом. Выключенному положению муфты соответствует отсутствие усилия со стороны пружины и смещение золотника вправо, при этом каналы в его корпусе через трубопроводы сообщают полости гидроцилиндров между собой. Поверхность наклонного ведущего диска при вращении оказывает давление на шарик, который через упор поршнем максимально смещен в сторону наклонного диска, либо, при равном смещении, на первый шарик по направлению вращения. Усилие, действующее на шарик в осевом направлении, передается упору, поршню и рабочей жидкости в цилиндре. Так как полости цилиндров сообщены, то поршень перемещается, вытесняя жидкость из своего цилиндра в диаметрально противоположный цилиндр, заставляя перемещаться его поршень, упор и шарик в сторону наклонного диска. За следующий пол-оборот поверхность наклонного диска, воздействуя на шарик и упор противоположного цилиндра перемещает его поршень, а поршень первого цилиндра, упор и шарик под давлением жидкости смещаются к диску. Вращаясь, наклонный диск совершает возвратно-поступательное движение относительно оси вращения, это движение повторяют шарики, упоры и поршни всех гидроцилиндров ступицы /аналогично поршням аксиально-поршневого насоса/. При таком цикле работы муфты крутящий момент от ведущего диска к ступице не передается и муфта полностью выключена. Для включения муфты и получения необходимой частоты вращения ведомого вала с помощью привода, воздействуя на упорный подшипник 10 /по стрелке Р, фиг.1/, устанавливают соответствующий затяг пружины 9. При этом золотник усилием пружины перемещается влево и перекрывает сообщающие каналы. В результате прекращается перепуск рабочей жидкости из одних цилиндров в другие и поршни, упоры и шарики лишаются возможности осевого перемещения, т.е. происходит их фиксация. Набегающая поверхность наклонного диска продолжает оказывать давление на шарики и упоры, однако теперь упоры через корпуса цилиндров передают крутящий момент от ведущего диска ступице и ведомому валу. Поршни гидроцилиндров в передаче крутящего момента не участвуют. Когда частота вращения ведомого вала превысит заданную затягом пружины, грузы 12 центробежного регулятора, преодолевая усилие пружины, перемещают тарелку и связанный с ней золотник вправо. При этом сообщающие каналы в корпусе золотника открываются, полости гидроцилиндров сообщаются между собой, осевое перемещение шариков, упоров и поршней возобновляется без передачи крутящего момента. После того как тормозной момент на ведомом валу понизит частоту его вращения, усилие пружины превысит величину центробежной силы грузов и золотник вновь перекроет сообщающие каналы, а передача крутящего момента от ведущего диска к ступице и ведомому валу восстанавливается. Практически, устанавливается равновесие между тормозным моментом на ведомом валу и крутящим моментом, передаваемым шариками от ведущего диска ступице. Этим моментам соответствует определенное давление жидкости в гидроцилиндрах, которое, в свою очередь, зависит от проходного сечения каналов, регулируемого золотником. В конечном итоге заданная частота вращения ведомого вала поддерживается в результате проскальзывания ведущего диска относительно ступицы, причем шарики, упоры и поршни наряду с вращательным движением совершают при этом цикл осевых перемещений. Количество этих циклов за единицу времени тем больше, чем больше величина проскальзывания, т.е. чем больше частота вращения ступицы отличается от частоты вращения ведущего диска. При полностью перекрытых золотником сообщающих каналах проскальзывание полностью отсутствует и частота вращения ведомого вала равна частоте вращения ведущего диска. Если нагрузка на ведомом валу превысит допустимую, это вызовет повышение давления рабочей жидкости в одном из цилиндров /или группе цилиндров/ и трубопроводах выше установленной величины. В этом случае давление жидкости на поверхность одного из клапанов 17 окажется больше, чем противостоящее ему усилие пружины 16, клапан отжимается и жидкость из перегруженного цилиндра перепускается в противолежащий цилиндр. В результате поршни и упоры с шариками совершают цикл осевых перемещений, ведущий диск проскальзывает и муфта выключается. Если по условиям эксплуатации большую часть времени муфта должна работать с проскальзыванием, то для улучшения смазки трущихся поверхностей шариков, упоров и наклонного диска муфта заключается в герметичный корпус, в нижнюю часть которого заливается масло. При вращении ведущего диска и ступицы детали смазываются разбрызгиванием.The coupling operates as follows. The switched off position of the clutch corresponds to the absence of force from the side of the spring and the displacement of the spool to the right, while the channels in its housing through the pipelines communicate the cavity of the hydraulic cylinders with each other. The surface of the inclined drive disk during rotation exerts pressure on the ball, which, through the stop, is displaced by the piston as far as possible towards the inclined disk, or, with equal displacement, on the first ball in the direction of rotation. The force acting on the ball in the axial direction is transmitted to the stop, piston and working fluid in the cylinder. Since the cavities of the cylinders are communicated, the piston moves, displacing the liquid from its cylinder into the diametrically opposite cylinder, forcing its piston, emphasis and ball to move towards the inclined disk. Over the next half turn, the surface of the inclined disk, acting on the ball and the stop of the opposite cylinder, moves its piston, and the piston of the first cylinder, stop and ball under pressure of the liquid are displaced to the disk. Rotating, the inclined disk makes a reciprocating motion relative to the axis of rotation, this movement is repeated by the balls, stops and pistons of all the hydraulic cylinders of the hub / similar to the pistons of an axial piston pump /. With this cycle of operation of the clutch, torque is not transmitted from the drive disk to the hub and the clutch is completely turned off. To turn on the clutch and obtain the required speed of the driven shaft using the drive, acting on the thrust bearing 10 / in the direction of arrow P, Fig. 1 /, set the corresponding spring tightening 9. In this case, the spool moves to the left by the spring force and blocks the communicating channels. As a result, the transfer of the working fluid from one cylinder to another and the pistons stops, stops and balls lose the possibility of axial movement, i.e. they are fixed. The ramming surface of the inclined disk continues to exert pressure on the balls and stops, however, now the stops through the cylinder bodies transmit torque from the drive disk to the hub and the driven shaft. Hydraulic cylinder pistons do not participate in torque transmission. When the rotational speed of the driven shaft exceeds the specified spring pull, the weights of the centrifugal controller 12, overcoming the spring force, move the plate and the spool associated with it to the right. At the same time, the communicating channels in the valve body open, the hydraulic cylinder cavities communicate with each other, the axial movement of the balls, stops and pistons resumes without transmitting torque. After the braking torque on the driven shaft decreases its rotation frequency, the spring force will exceed the value of the centrifugal force of the loads and the spool will again block the communicating channels, and the transmission of torque from the drive disk to the hub and the driven shaft is restored. In practice, an equilibrium is established between the braking torque on the driven shaft and the torque transmitted by the balls from the drive disk to the hub. These moments correspond to a certain fluid pressure in the hydraulic cylinders, which, in turn, depends on the passage section of the channels, regulated by the valve. In the end, the specified speed of the driven shaft is maintained as a result of slipping of the drive disk relative to the hub, and the balls, stops and pistons along with the rotational movement make an axial displacement cycle. The number of these cycles per unit time is greater, the greater the amount of slippage, i.e. the greater the speed of the hub is different from the speed of the drive disk. When the communicating channels are completely blocked by the slide valve, slippage is completely absent and the speed of the driven shaft is equal to the speed of the drive disk. If the load on the driven shaft exceeds the permissible, this will cause an increase in the pressure of the working fluid in one of the cylinders / or group of cylinders / and pipelines above the set value. In this case, the pressure of the liquid on the surface of one of the valves 17 will be greater than the opposing force of the spring 16, the valve is wrung out and the liquid from the overloaded cylinder is transferred to the opposite cylinder. As a result, the pistons and stops with balls make a cycle of axial movements, the drive disc slides and the clutch is switched off. If under the operating conditions the clutch should work most of the time with slipping, then to improve the lubrication of the friction surfaces of the balls, stops and the inclined disk, the clutch is in a sealed housing, in the lower part of which oil is poured. When the drive disk and hub rotate, parts are lubricated by spraying.

На фиг.3 представлена конструктивная схема ШГУ муфты для использования в качестве автоматической муфты сцепления в трансмиссии автотранспортных средств. В этом варианте ведущим узлом является ступица, а ведомым - наклонный диск. Ступица соединяется с маховиком 18 фланцем 19, в центральной части ступицы помещен регулирующий золотник, связанный с подвижной тарелкой центробежного регулятора. С другого конца золотник нагружен усилием пружин с разной жесткостью. Когда частота вращения ведущего узла находится на уровне установленной минимальной величины, золотник смещен влево и каналы в его корпусе открыты для перепуска рабочей жидкости из полостей гидроцилиндров, т.е. муфта выключена. При повышении частоты вращения тарелка центробежного регулятора сместит золотник вправо, сжимая пружину с меньшей жесткостью. Перемещение золотника приводит к уменьшению проходного сечения каналов и повышению давления рабочей жидкости в гидроцилиндрах. В результате муфта начнет передавать крутящий момент с частичным проскальзыванием. Однако дальнейшее смещение золотника вправо возможно только после сжатия пружины большей жесткости. Это произойдет тогда, когда частота вращения ведущего узла будет соответствовать номинальному крутящему моменту двигателя. При достижении этой частоты вращения тарелка регулятора переместит золотник далее, он полностью перекроет каналы перепуска жидкости и муфта будет работать без проскальзывания. Таким образом, постепенно увеличивая частоту вращения двигателя, осуществляют плавное трогание автотранспортного средства, его разгон и последующее движение, без потерь на скольжение в муфте. В данном случае ШГУ муфта в режиме скольжения допускает возможность длительного движения транспортного средства с малой скоростью практически на любой передаче.Figure 3 presents a structural diagram of the SHGU clutch for use as an automatic clutch in the transmission of vehicles. In this embodiment, the leading node is the hub, and the slave is an inclined disk. The hub is connected to the flywheel 18 by the flange 19, in the central part of the hub is placed a control valve connected to the movable plate of the centrifugal regulator. At the other end, the spool is loaded with spring force with different stiffness. When the speed of the drive unit is at the set minimum value, the spool is shifted to the left and the channels in its housing are open for bypassing the working fluid from the hydraulic cylinder cavities, i.e. clutch is off. When the speed increases, the centrifugal regulator plate will shift the spool to the right, compressing the spring with less rigidity. The movement of the spool leads to a decrease in the bore of the channels and an increase in the pressure of the working fluid in the hydraulic cylinders. As a result, the clutch will begin to transmit torque with partial slippage. However, further displacement of the spool to the right is possible only after compression of the spring of greater rigidity. This will happen when the speed of the drive unit matches the rated torque of the engine. When this speed is reached, the regulator plate will move the spool further, it will completely block the fluid bypass channels and the clutch will work without slipping. Thus, gradually increasing the engine speed, smoothly moving off the vehicle, its acceleration and subsequent movement, without loss of slip in the clutch. In this case, the SHGU clutch in sliding mode allows for the long-term movement of the vehicle at low speed in virtually any gear.

Claims

A ball-type hydraulic clutch with an adjustable output shaft rotation speed, comprising a driving and driven units, between which there are balls and stops, and a safety valve unit, characterized in that for transmitting rotational movement from the driving unit to the driven unit and their slipping relative to each other, one of the units made in the form of an inclined disk mounted on the shaft, and the other in the form of a hub, on the peripheral part of which at least two opposed hydraulic cylinders are installed, filled with working fluid bore, and the pistons that come into contact with the stops, with the balls placed between the end surface of the inclined disk and the stops, moreover, to regulate the force on the stops and control its magnitude by changing the pressure of the liquid on the pistons, the hub has a controlled bypass valve.