Текст
¥ . - iS: \
МИНИСТЕРСТВО АВИАЦИОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СОЮЗА ССР
ЦЕНТРАЛЬНЫЙ АЭРО-ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
им. проф. Н. Е. Жуковского
ТЕХНИЧЕСКИЕ ОТЧЕТЫ
№ 91 с. п.
МАТЕРИАЛЫ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ МУФТ
ВКЛЮЧЕНИЯ ВИНТОКРЫЛЫХ АППАРАТОВ
Н. Г. Русановнч
ИЗДАТЕЛЬСТВО БЮРО НОВОЙ ТЕХНИКИ
1947
«
<1-ТДГИ>
ТЕХНИЧЕСКИЕ ОТЧЕТЫ
* —г '
г- р
№ 91 с. п.
МАТЕРИАЛЫ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ МУФТ ВКЛЮЧЕНИЯ
ВИНТОКРЫЛЫХ АППАРАТОВ
Н. Г. РУСАНОВИЧ
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ
В отчете излагаются: определение расчетного крутящего момента муфты, об-
щие сведения и приемы расчета, сравнительный анализ применяемых муфт включения
и перспективы их конструктивного развития. В статье приводится также статистика,
собранная по осуществленным конструкциям.
Втулка отопа
I ВВЕДЕНИЕ
__.1 Винтокрылые летательные аппараты по тем требованиям, которые предъявляются
к муфтам включения, можно разделить на три группы: автожиры, взлетающие с разбегом,
автожиры, взлетающие без разбега, и гели-
коптеры.
Несмотря на значительно более раннее
изобретение геликоптера, все основные во-
просы его конструкции были впервые удачно
решены на автожирах.
Одним из таких вопросов являтся меха-
нический запуск автожира. Как извёстно, при
взлете на автожире необходимо предваритель-
но раскрутить ротор. Это достигалось на
первых аппаратах путем пробежки перед
взлетом, но с самого начала своего разви-
тия автожир потребовал наличия механиче-
ского запуска для предварительной раскрутки
ротора перед взлетом. В дальнейшем возни-
кла идея раскрутки ротора до таких оборо-
тов, чтобы не только сократить, но и совсем
уничтожить разбег. Так возник автожир,
взлетающий без разбега, который в отноше-
нии передаваемого на ротор момента можно
рассматривать как самостоятельный тип ап-
парата.
Механический запуск представляет собой
систему зубчатых передач, валов и сцеплений,
передающих ротору от мотора необходимую
для раскручивания мощность (фиг. 1). После
достижения ротором оборотов, близких к А мотору
нормальным полетным, стартерный механизм
выключается, И автожир, после небольшого Фиг. 1. Механический запуск автожира С-ЗС
разбега, взлетает.
Что касается геликоптеров, то эти аппараты требуют посгоянн) включенной транс-
миссии для передачи крутящего момента на ротор. Процесс раскрутки ротора геликоп-
тера по своему характеру в основном ничем не отличается от раскрутки ротора автожира.
Обязательным агрегатом механического запуска автожира и трансмиссии геликоптера
является муфта включения, иногда называемая в автожирах муфтой мехзапуска.
Из-за большой инерции роторов муфты включения, как правило, выполняются в виде
фрикционных муфт различных конструктивных форм. Никакие другие сцепные включаю-
щие устройства не обеспечивают достаточной плавности раскрутки ротора.
В настоящей работе излагаются: определение расчетного крутящего момента муфты,
общие сведения и приемы расчета, сравнительный анализ применяемых муфт включения
и I ерспективы их конструктивного развития. В статье приводится также статистика, собран-
ная по осуществленным конструкциям.
Автор выражает свою благодарность доктору технических наук М. Л. Милю за цен-
ные указания, сделанные им при постановке .задачи., а также при окончательном про-
смотре работы.
Лхевсн^и
БИБЛИ ТЕК*
§ I. ВЫБОР ПЕРЕДАТОЧНОГО ЧИСЛА РЕДУКТОРА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНОГО
КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА МУФТЫ
Режимы работы мотора, соответствующие раскрутке ротора, у автожиров и геликоп-
теров различны.
Для автожира основным условием выбора расчетных оборотов мотора /гМот является
необходимость иметь достаточный избыток мощности для преодоления момента аэроди-
намических и инерционных сил, возникающих при раскрутке ротора, в определенный
промежуток времени.
В то же время обороты мотора должны быть выбраны минимальными возможными,
так как передаточное число редуктора мехзапуска
Щиот
Гмех ~ Я
«•рот
является основным фактором, определяющим сложность и вес редуктора.
Имея для данного автожира внешнюю характеристику мотора и характеристику
тянущего винта (фиг. 2), можно построить кривую располагаемого избытка мощности
мотора по оборотам (фиг. 3).
Фиг. 2. Внешняя и дроссельная характе- Фиг. 3. Кривая избытка мощности
ристики мотора мотора
По кривой располагаемого избытка мощности можно найти минимальные и достаточ-
ные для раскрутки ротора обороты мотора из условия:
Аизб =z (А^р. м ф- А^инер ) ^ред , (1)
где А/р. м— мощность мотора, необходимая для преодоления реактивного момента ротора;
определяется по формуле:
(Мр[кг м] — реактивный момент ротора для полных оборотов раскрутки; опреде-
ляется по нормам прочности автожира),
А/инер — мощность мотора, необходимая для поглощения инерции ротора за время рас-
крутки t:
= (3)
(J—массовый момент инерции ротора [кгмсек2],
t—время полной раскрутки ротора [сек], обычно задается конструктором
и в дальнейшем включается в инструкцию по эксплоатации),
»3ред — коэфициент полезного действия редуктора мехзапуска.
Выбранные таким образом обороты мотора необходимо проверить на следующие
условия.
1. Развиваемая винтом тяга, во избежание движения аппарата во время раскрутки
ротора, должна быть, с одной стороны, меньше силы торможения на ободе колес шасси,
с другой стороны, меньше силы трения при движении аппарата на заторможенных коле-
сах (юзом) (при этом предполагается, что установлен минимальный возможный шаг винта,
создающий минимальную тягу).
2. Выбранные обороты необходимо также проверить на условие безопасности против
опрокидывания аппарата, согласно которому сумма моментов всех сил при раскрутке
ротора относительно точки соприкасания колес основного шасси с землей должна быть
4
равна нулю, или, что более желательно, суммарный момент должен дать положительную
нагрузку на костыльное колесо.
Пользуясь вышеприведенными соображениями, можно определить:
1. Передаточное число редуктора мехзапуска:
где п„т— выбранное число оборотов мотора [об1мин].
2. Крутящий момент на валу муфты включения:
/Икр = 716,2 -и^, (5)
^М. в
где пы. в — число оборотов муфты включения при раскрутке ротора [об1мин].
Все приведенные соображения полностью приложимы и для автожиров, взлетающих
без разбега. Однако у них, вследствие раскрутки ротора до оборотов, превышающих
полетные на 40—50%, очевидно, снимаемая с мотора мощность во время раскрутки будет
больше, чем у автожиров, взлетающих с разбегом.
Трансмиссия геликоптера рассчитывается на передачу полного крутящего момента
при оборотах, соответствующих полетному режиму.
Передаточное число трансмиссии:
_ Я-.мот. max
Ярот. пол
Крутящий момент на валу муфты включения рассчитывается по формуле (5), где
вместо Л/изс подставляется Л/мот.
Для уменьшения веса и размеров муфты включения поступают следующим образом.
При выборе основных параметров муфт включения задаются нормальными значениями
удельного давления на дисках фрикциона для режима уравнивания угловых скоростей ве-
дущей и ведомой частей муфты.
Таким режимом будет режим работы мотора на минимальных возможных оборотах при
включенном роторе с установленным минимальным общим шагом лопастей. Этот режим
можно определить, как указано для автожира, с учетом мощности мотора, затрачиваемой
на вращение вентилятора для охлаждения мотора, а также с учетом расхода мощности
на устройства для уравновешивания реактивного момента ротора (у однороторных гели-
коптеров). Для такой муфты после раскрутки ротора до указанных оборотов силу нажа-
тия дисков необходимо повышать до величины, требуемой при передаче полного крутя-
щего момента мотора (муфту затягивают). При этом удельное давление между дисками
возрастает до величины, превышающей нормальную.
Такой способ уменьшает вес и размеры муфты, но является нежелательным, так
как в случае понижения коэфициента трения начинается пробуксовка дисков с возмож-
ными задирами поверхностей трения.
§ 2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ
Основной особенностью муфт включения фрикционного типа является то, что они
передают крутящий момент мотора на ротор трением, которое возбуждается между рабо-
чими элементами муфты осевым нажатием. Осевое нажатие производится различным спо-
собом (мускульной силой летчика, силой пружины, давлением жидкости или центробеж-
ной силой).
Основными требованиями, предъявляемыми к конструкции муфт включения, являются:
1. Плавность включения, т. е. плавность нарастания момента трения.
Плавность включения зависит главным образом от способа включения и выбранного
типа фрикциона.
Очевидно, наибольшую плавность включения можно получить при способе включе-
ния, основанном на центробежном принципе. Лучшим типом фрикциона, с точки ‘зрения
плавности включения из применяемых на винтокрылых аппаратах, являются многодиско-
вые фрикционы.
2. Надежность передачи момента, что обеспечивается:
а) выбором достаточного запаса момента трения,
Ь) хорошим отводом образующегося тепла,
с) защитой трущихся поверхностей от попадания масла и пыли,
d) надежной конструкцией привода включения.
5
3. Чистота выключения, что обеспечивается выбором достаточных зазоров между
трущимися поверхностями и конструкцией муфты, гарантирующей сохранение этих зазоров.
4. Уравновешенность осевых усилий внутри муфты, т. е. отсутствие осевых усилий
от включения муфты, действующих на коленчатый вал двигателя или соседние участки
трансмиссии.
Муфты включения, применяемые в винтокрылых аппаратах, можно классифицировать
по способу включения.
Механические, имеющие рычажное или винтовое устройство для включения,
приводимое в действие из кабины летчика системой рычагов или тросов.
Гидромеханические, имеющие в конструкции муфты гидравлический агрегат
включения, приводимый в действие из кабины летчика краном или насосом, создающими
давление в гидравлическом агрегате.
Автоматические, имеющие в конструкции муфты агрегат включения, основан-
ный на центробежном или ином принципе, который дает автоматическую связь между
осевым усилием нажатия и угловой скоростью ведущего вала. Поэтому такая муфта не
требует специального управления.
По числу и качествам поверхностей трения муфты включения можно классифици-
ровать как:
1) Муфты простые, однодисковые. Муфты однодисковые, имеющие один
ведущий диск, конструктивно представляют собой систему из двух дисков. Один диск
связан с ведущим валом, другой диск—с ведомым. Рабочая поверхность одного из дисков,
как правило, обшивается фрикционными накладками (ферадо, райбест).
Основными преимуществами такой муфты являются:
а) уменьшение нагрева муфты вследствие возможности увеличения массы диска и луч-
шего отвода тепла и
б) безусловно четкое выключение.
Основным недостатком является возможность резкого включения при способах вклю-
чения механическом и гидромеханическом.
2)Муфты многодисковые сухие (без смазки). В конструкции муфты
имеется две группы дисков. Одна группа связана с ведущим валом, другая—с ведомым.
Обычно диски одной группы обшиваются фрикционными накладками.
Основные преимущества многодисковых муфт:
а) значительно большая плавность включения (против муфт однодисковых),
Ь) меньшие габарит^ и вес,
с) значительно меньшее необходимое осевое усилие нажатия для включения.
Основные их недостатки:
а) запаздывание в период выключения, при котором передача крутящего момента
некоторое время продолжается,
Ь) повышенный износ поверхностей трения в результате плохого отвода тепла от
средних дисков,
с) неравномерность распределения износа по дискам, а также по поверхности отдель-
ных дисков. |
3) Муфты многодисковые мокрые (со смазкой). Конструкция муфт
многодисковых мокрых отличается от муфт сухих тем, что диски трения употребляются
без обшивки и работают в масляной ванне.
Преимуществом таких муфт является плавность включения, большая, чем у всех
других типов фрикционных муфт.
Основным недостатком таких муфт являются значительный вес и габариты вслед-
ствие малого коэфициента трения, который можно допустить при проектировании.
4) Муфты конусные. У этих муфт сила трения возникает между конусом,
связанным с ведущим валом, и конической поверхностью, связанной с ведомым валом.
Основным преимуществом конусной муфты является малое осевое усилие, необходи-
мое при включении (приблизительно в 3 раза меньше, чем дискового фрикциона).
Недостатком конструкции являются резкость включения и необходимость тщатель-
ной центровки конуса.
5) Муфты комбинированные. Конструкция муфты включает две последова-
тельно работающих системы: фрикционную, служащую для предварительного уравнивания
угловых скоростей ведущего и ведомого валов, и жесткую (кулачковую), назначением
которой является передача полного крутящего момента,
С точки зрения получения малого веса и габаритов, при хорошем конструктивном
выполнении, такая конструкция является наиболее желательной.
%
§ 3. ПОДБОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ФРИКЦИОНА
Для проектирования муфт включения необходимо провести расчет по определению
размеров и количества поверхностей трения и определить необходимое осевое усилие
нажатия на диски трения.
Расчет можно произвести по известным формулам:
Л/тр = 1^1тир2д(ОЗ-ГЗн), (6)
q=^(£)2h„D2ja (7)
Здесь /Итр — момент трения, передаваемый муфтой включения [кг см],
Л7тр = Р ./Икр,
Q — осевое усилие нажатия на диски трения [кг],
Dn и DBK—наружный и внутренний диаметры поверхностей трения [ел],
Za — количество поверхностей трения.
В приведенных расчетных формулах (6) и (7) параметрами, выбираемыми из учета
опыта эксплоатации применяемых конструкций, являются:
1. Коэфициент запаса момента трения р
Необходимость иметь р> 1 вытекает из следующих соображений:
а) в эксплоатации ие исключена возможность замасливания дисков трения и вслед-
ствие этого уменьшение коэфпциента трения у.,
Ь) чем меньше р, тем длительнее буксование в процессе выравнивания скоростей
мотора и ротора.
С другой стороны, большое значение ₽ нецелесообразно ввиду возрастания излиш-
них нагрузок на трансмиссию. В практике автомобилестроения коэфициент р колеблется
от 1,2 до 4.
Для муфт включения автожиров и геликоптеров можно рекомендовать коэфициент
р = 1,3-V-1,35.
2. Коэфициент трения и
В винтокрылых аппаратах применяются преимущественно так называемые муфты
фрикционные сухие с накладками.
В качестве накладок применяются асбестовые волокнистые ткани с медным пере-
плетением типа ферадо или прессованая асбестовая волокнистая масса типа райбест. Эти
накладки отличаются высоким коэфициентом трения при высокой температуре.
При испытаниях различных типов накладок (НА'Щ, ВАММ) были получены коэфи-
циенты трения (в зависимости от материала, температуры, скорости скольжения и удель-
ного давления) р. = 0,27 0,45. Однако, по условию надежности, целосообразно принимать
р. = 0,30, но не выше р. = 0,35.
3. Удельное давление р
Предельное значение удельного давления р устанавливается по соображениям износа
трущихся поверхностей. Так, в опытах Флоринга при испытании ферадо на износ при
скорости скольжения 2 м[сек и удельном давлении р = 6 кг)см2 износ достигал 0,04 г/сл*2
за 30 минут. В аналогичных опытах Куцбаха при скорости 6 м)сек и давлении 1 кг/см2
износ был в 4 раза меньше, т. е. 0,01 г/см2. Следовательно, для уменьшения износа
необходимо, по возможности, снижать удельные давления. С другой стороны, малые
удельные давления при проектировании вызывают увеличение веса и габаритов муфт
включения. Величина удельных давлений в автомобилестроении колеблется от р = 0,5
до р = 3 кг[см2. Можно рекомендовать из условия надежной работы муфт включения
р=1,5 кг/см2, но не выше р~ 2 кг)см2.
§ 4. ПРОВЕРКА НА ИЗНОС
Включение муфты производится при установившихся минимальных оборотах мотора,
соответствующих угловой скорости «/. Предполагается, что включение сопровождается
одновременным прибавлением газа, так что до момента полного включения (конец про-
буксовки), соответствующего времени t, угловая скорость ведущей части муфты «/
остается постоянной. От времени до t производится плавная раскрутка ротора с одно-
временным прибавлением газа при соблюдении условия отсутствия пробуксовки. Таким
7
образом, время является временем уравнивания угловых скоростей моторной и ротор-
ной частей муфты включения на минимальном режиме устойчивой работы мотора.
Так как буксование (скольжение) поверхностей трения происходит при наличии
определенного давления, то за время i\ на этих поверхностях выделяется работа буксо-
вания L, результатом которой являются износ и нагрев поверхностей трения.
Работу буксования L можно определить по формуле:
J ш1 ЛЛ _
L =----_______. (8)
2 мтр-л/;-
На основании формулы (8) можно сделать вывод, что работа трения в муфте за
одно включение зависит от квадрата числа оборотов мотора на режиме, при котором
производится буксование поверхностей трения. Буксование рабочих поверхностей проис-
ходит в период уравнивания угловых скоростей ведущей и ведомой систем муфты вклю-
чения. Поэтому выгодно на первом этапе включение производить на минимальных обо-
ротах мотора. После раскрутки ротора до соответствующих оборотов муфту включения
нужно затягивать, т. е. увеличивать усилия нажатия на диски трения до расчетных
и доводить обороты ротора до полных путем плавного открытия дросселя, не допуская
пробуксовки муфты включения.
Работа трения зависит от величины приведенного момента инерции ротора и транс-
миссии J. И, наконец, работа трения зависит от величины реактивного момента ротора
на этом же режиме работы мотора. Чем больше реактивный момент, при прочих равных
условиях, тем больше работа трения. Поэтому при наличии в системе управления аппа-
рата управления общим шагом лопастей раскрутку ротора нужно производить при уста-
новленном минимальном шаге.
Для характеристики износа поверхностей трения при пробуксовке принято понятие
об удельной работе буксования (из автомобилестроения). Удельная работа буксования
представляет собой работу трения в килограммосантиметрах, приходящуюся на 1 см2
рабочей поверхности трения:
<9>
где С — удельная работа буксования [кгсм/см2],
F — площадь каждой поверхности трения [с.и2].
Достаточно проверенных экспериментом норм допустимых удельных работ пока нет.
Ориентировочные допустимые значения С можно принять на основании сравнения удель-
ной работы у фрикционов автомобилей, танков и тракторов. По приводимым во враще-
ние массам, наиболее близкими к муфтам включения винтокрылых аппаратов являются
фрикционы танков, у которых удельная работа буксования колеблется от С=175 до
С = 860 kzcmIcm2.
Очевидно, допускать удельную работу буксования выше С = 800 = 900 кгсм/см3 не
следует.
§ 5. ПРОВЕРКА НА НАГРЕВ
Работа трения только в небольшой своей части идет на износ поверхностей трения,
а в основном превращается в тепло. При этом нагреваются те диски муфты, по которым
трутся накладки, диски же, к которым приклепаны накладки, ввиду их плохой теплопро-
водности почти не нагреваются.
Для температуры нагрева дисков без накладок получим:
-г__ Т L
~ 427 ск Од ’
где 7 — коэфициент, учитывающий, какая доля работы трения приходится на рассчиты-
ваемый диск,
см — теплоемкость материала детали в кал/°Ц, для стали принимают см = 0,115 кал/°Ц,
Од — вес диска [кг].
Лабораторные испытания накладок из ткани типа ферадо показали, что износ при
отсутствии охлаждения, когда температура поверхности трения достигала величины
150 'Ц, получается примерно в 15 раз больше, чем при наличии охлаждения и при тем-
пературе ниже 100° Ц.
Исходя из этих данных и рекомендаций в области автомобилестроения, можно при-
нять как предельное значение Т = 80° Ц.
8
§ 6. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРИМЕНЯЕМЫХ МУФТ ВКЛЮЧЕНИЯ
Основными параметрами, могущими характеризовать качество муфт включения,
являются:
1) отношение веса муфты включения к передаваемому крутящему моменту:
в : /Икр,
2) удельная работа буксования С кгсм1см*,
3) температура нагрева дисков 7°Ц.
Для сравнительной оценки муфт включения проведен расчет этих параметров для
нескольких осуществленных типовых конструкций.
Результаты расчета приведены в табл. 1 и 2. При расчете основных параметров
муфт включения автожиров (табл. 1) принималось:
Таблица 1
Сравнительные расчеты основных параметров муфт включения
Наименование аппарата Тип включе- ния Диаметр ротора Dp И лр [об/мин] лм.в [об мин] X сх J [кгм/сек2] [гггх] сз х ex к АГ [л. с.] ч N £>н [сж] II М нв J р [кг/см-] [гя] 0 С-м. В [уг1 в Л1кр
Автожир С-30 механич. (фиг. 4) 11,28 210 1700 6,42 0,95 9,62 7,42 17,6 1 18,8 7,2 1,96 464 4,5 0,607
Автожир1 А-12 механич. (фиг. 5) 14,0 200 1000 35,6 8,26 53,5 41,2 57,5 2 29,4 19,4 1,88 720 16,5 0,4
Автожир 2 А7-ЗА гидро- механнч. (фиг. 6) 15,18 195 1126 45,2 7,76 68,0 52,3 82,0 1 36,6 27,2 3,0 1420 21,1 0,404
Автожир8 АК, взлетающий без разбега гидро- механнч. (фиг 7) 13,5 300 1350 59,6 7,64 89,5 68,8 129,0 6 22 13 2,25 555 28,6 0,416
Геликоптер А механич. 7,0 600 1950 24,4 1 1,57166 1 128 350 8 28,6 24,7 3,18 516 32,1 0,25
1 Конструкции Н. К. Скржинского.
* конструкции Н. 1. Камова.
8 Конструкции Н. И. Камова и М. Л. Миля.
, Таблица 2
Сравнительный расчет параметров износа и нагрева муфт включения
Наименование аппарата Тип включения [кгм] f Пм. в [об/мин] МР [кгм] L [кгм] С [кгсм/см2] Од [лгг] Т ГН] К [кгм] [сек]
Автожир С-30 . . . механич. 4,0 600 0,8 2050 870 1,5 27,8 3,2 18,7
Автожир А-12 . . . механич. 42,6 600 12,8 23400 9060 4,0 60,0 29,8 17,5
Автожир А7-ЗА . . гидрО- механич. 34,0 600 12,8 2460V 5200 5,0 101 13,4 36,6
Автожир АК, взлетаю- щий без разбега . гидро- механич. 59,5 428 6,0 8460 570 1.5 38,5 39,8 8,6
Геликоптер А . . . механич 78,4 600 2,2) 3210 211 0,6 27,2 57,9 1,7
Момент трения муфты включения-
/Итр — пэ /Ир ,
где пэ — эксплоатационная перегрузка, 1,5,
/Ир — реактивный момент ротора, приведенный к валу муфты включения.
Крутящий момент на валу муфты включения :
М Л/тр
ЛТкр — р ,
где коэфициент запаса момента трения (принято р=1,3).
2
9
Для геликоптера момент трения определялся как:
/Итр Р /Икр,
где
N — максимальная мощность мотора (за вычетом расхода на привод вентилятора) [л. с].
При расчете основных параметров, характеризующих износ и нагрев, приняты оди-
наковые условия для всех рассматриваемых муфт для периода времени tx, в течение
которого происходит уравнивание угловых скоростей моторной и роторной частей муфты.
Режим работы мотора принят п'1ОТ=600 об)мин. Момент трения 7Итр принят соот-
ветствующим удельному давлению на поверхностях трения р ==1,5 кг[см\
/—ведущий диск, 2- „единый диск, 3—включающие кулачки, 4—отжимная пружина,
5— рычаг включения, 6—упорный подшипник
Фиг. 4. Муфта включения автожира С-30
/—ведущий диск, 2—ведущий диск, 3— ведомый диск, 4- включающий механизм, 5— круглая рессора,
С—шар н оподшипник, 7—отжимная пружина, 8—включающий рычаг
Фиг. 5. Муфта включения автожира А-12
10
При этих условиях время пробуксойкй определялось Но Приближенной формуле!
1 М ’
где J—массовый момент инерции ротора, приведенный к валу муфты включения [кгл/сек-],
ЛГи— часть момента трения на валу муфты включения, расходуемая на преодоление
инерции ротора за время tx [кгм],
м>/итр-м;,
М' — реактивный момент ротора при пиот = 600 об/мин, приведенный к валу муфты
включения [кг.и].
В действительности усилия нажатия при каждом включении муфты будут несколько
различаться, так как механические и гидромеханические муфты включения не имеют
достаточно надежных устройств, позволяющих закономерно регулировать это усилие.
Минимальные устойчивые режимы работы моторов также отличны у разных моторов.
Тем не менее такие допущения, при качественном анализе конструкции, могут быть
приняты.
Необходимо отметить, что геликоптерпые муфты находятся в более благоприятных
условиях по сравнению с автожирными вследствие того, что имеют значительно больший
избыток момента трения в период уравнивания скоростей.
В табл. 1 и 2 приведены данные по муфтам включения ряда автожире в и одного
геликоптера, а схемы конструкции их приведены на фиг. 4 — 7. По имеющимся сведе-
ниям лучшими (из приведенных) в эксплоатадии являются муфта включения автожира
С-30 и муфта включения геликоптера А. Тяжелый температурный режим свойственен
муфте автожира А7-ЗА. Требовалось постоянное наблюдение за ней при эксплоатации.
7-диск, 2— нажимной цилиндр, 3— мембрана, 4— отжимные пружины, 5—кольцо, 6—зубчатый венец пе-
редней передачи, 7—малая шестерня передней передачи, 8— кронштейн, 9—цилиндр муфты, 10—упорный
подшипник
Фиг. 6. Муфта включения автожира А7-ЗА
11
/—вертикальный вал, 2—ведомые диски, 3—цилиндр, 4— включающая мембрана, 5—упорный диск,
6'~промежуточные диски, 7—нажимной диск, 8-подшипник включения, 9-разжимные пружины,
10- карданный валик трансмиссии, 11—пружины
Фиг. 7. Муфта включения автожира АК (взлетающего без разбега)
§ 7. ПЕРСПЕКТИВЫ КОНСТРУКТИВНОГО РАЗВИТИЯ МУФТ
ВКЛЮЧЕНИЯ ГЕЛИКОПТЕРОВ
В результате проведенных изысканий новых рациональных конструктивных форм
муфт включения автором была проведена разработка конструкции трех типов муфт:
механической, автоматической и комбинированной для одного и того же условного гели-
коптера с звездообразным мотором N = 350 л. с., п = 2025 об/мин.
Для сравнительной оценки ниже приводятся табл. 3 и 4 выбранных и расчетных
параметров, а также описание конструкции и особенностей расчета автоматической
и комбинированной муфт.
Таблицы составлены по вышеприведенным способам расчета с рекомендуемыми
нами основными параметрами. Расчет проведен при заданных основных данных по гели-
коптеру: диаметр ротора Dp — 12,5 м, число оборотов ротора лр =240 об/мин, коэфициент
заполнения о = 0,05, момент инерции ротора 7Р = 105 кгмсек2. Число оборотов муфты
включения пм.в = 2025 об/мин. Крутящий момент на валу муфты /Икр = 120 кгм.
Описание конструкции и расчет
Механическая многодисковая муфта включения (фиг. 8) —типичная
для геликоптеров.
Автоматическая муфта (фиг. 9) Ътличается наличием в конструкции вклю-
чающего центробежного ртутно-гидравлического агрегата. Корпус муфты (1), посаженный
на носке коленчатого вала, служит одновременно камерой для ртути (3), которая является
центробежным включающим элементом муфты.
При возникновении внутреннего давления в ртутном кольце от центробежной силы
резиновая шайба продавливается по форме нижней крышки кольцевой мембраны (6)
и создает в спирто-глицериновой смеси мембраны такое же давление (за вычетом проти-
водавления центробежной силы смеси).
12
Подбор необходимых размеров ртутного кольца производится, исходя
из необходимости получения усилия нажатия Q на поверхностях трения для обеспечения
момента трения Мгр = рЛ1кр, при этом:
Q = Fm,
где — рабочая площадь мембраны [см2],
— результирующее давление, создающее осевое нажатие между дисками трения
[кг/см2],
k ^1,
k — внутреннее давление в ртутном кольце [кг/см*], может быть определено по
формуле:
13
‘i — удельный вес ртути [г/ем3],
ш— угловая скорость коленчатого вала мотора [1/сел],-
g — ускорение силы тяжести [см;'сек2].
Приведенная формула не учитывает распределения давления по радиусу ртутногб
кольца, но дает с достаточной точностью величину среднего давления при принятых
— радиусе внутреннего кольца ртути и А*2 — среднем радиусе мембраны.
/—корпус муфты, 2— рабочее колесо вентилятора, 3—ртуть, 4—резиновая шайба, 5— крышка, 6—кольцевая мембрана, 7—шайба
3—нажимной диск, 9— отжимная пружина» 10—направляющие штыри, 11 -замыкающая шайба, /2—болты, 13— ведомые диски,
//—промежуточный диск, 15-заездомка «тулки, свободного хода, /6—ролики втулки свободного хода, /7—корпус втулки свобод.
ного хода, 18— фланец, 11—рессора, 2J—кожух и направляющий аппарат вентилятора
Фиг. 9. Автоматическая ртутно-гидравлическая муфта включения
Так же можно определить внутреннее давление спирто-глицериноьсй смеси в мем-
бране kA. При этом должно быть учтено усилие полного рабочего сжатия отжимных
пружин, которые подбираются, исходя из величины суммарной предварительной затяжки
их на минимально устойчивом режиме мотора.
В это время пружины для обеспечения междискового зазора должны выдерживать
давление мембраны в предельно сжатом состоянии и усилие от центробежной силы
ртутного кольца. Удобно все эти сопоставления производить графически.
Процесс включения по своему характеру почти не отличается от включения обычной
муфты.
Запуск и прогрев мотора производятся на минимальных оборотах мотора, что обе-
спечивается отжимными пружинами, которые до определенных оборотов выдерживают
усилие ртутно-гидравлического агрегата.
В случае затянувшегося прогрева можно заканчивать прогрев при включенной
муфте, что достигается плавным увеличением открытия дросселя до оборотов, соответ-
ствующих процессу уравнивания угловых скоростей
14
После окончания процесса уравнивания угловых скоростей мотора и ротора даль-
нейшее увеличение оборотов до раскруточных необходимо производить плавным откры-
тием дросселя. В данном случае желательно было бы иметь специальный автомат, откры-
вающий дроссель мотора в заданное время.
Очевидными преимуществами такой муфты являются следующие:
1) отсутствие в системе управления геликоптером специального управления включе-
нием ротора; включение производится рукояткой газа;
2) центробежный принцип включения дает гарантию безусловно мягкого и плав-
ного включения;
3) осевое усилие включения замыкается в корпусе самой муфты;
4) комбинация ртутной камеры с гидравлическим элементом может быть выполнена
как отдельный герметичный агрегат.
Комбинированная муфта (фиг. 10) является комбинацией двух последова-
тельно включающихся систем: фрикционной (для режима запуска и прогрева мотора)
и жесткошлицевой (для эксплоатационных режимов работы мотора). Муфта авто-
матическая.
Ртутно-гидравлический агрегат конструктивно аналогичен описанному выше в авто-
матической муфте, за исключением того, что мембрана здесь заменена комплектом стан-
дартных латунных сильфонов, расположенных по кольцу. Сильфоны входят в специаль-
ные проточки в корпусе муфты (2), опираясь на корпус муфты своими крышками. Корпус
муфты имеет внутреннюю, хорошо обработанную коническую поверхность, которая при
включении конуса (8) образует поверхность трения и может перемещаться по шлицам
фланца (1) в осевом направлении.
На наружной торцевой части корпус муфты имеет мелкие радиальные шлицы, на-
значением которых является передача полного крутящего момента при сцеплении
с фланцем (4).
В выключенном состоянии корпус муфты отжимается до упора на фланце (1) отжим-
ной пружиной (3) и образует зазор между поверхностями трения, гарантирующий чистоту
выключения муфты. Конус (8) отжимается пружинами фрикционного включения (7) до
упорной гайки (5) и образует зазор между шлицами жесткого включения. Пружины
фрикционного включения представляют упругую подушку; они воспринимают необходи-
Сечение по А-А
-13
пайка серебром
Ртутно - гидравлический
агрегат
Передний упорный I
подшипник мотора
Косок коленчатого
вала мотора
11
1G
9
«
7
6-----
5-----
4-----
з-—
2
С порто глицериновая смеа
или трансформаторе, масло
Положение резиновой мембраны
при полном включении
Положение резиновой мембраны
при выключенной муфте
Вид по стрелке, С
/—фланец
2—корпус ^муфты
3—отжимная пружина
А-фланец
5— упорная гайка
б—стаканчик конуса
7—пружины фрикционного включения
6—конус
9— резиновая мембрана
1(1— сильфон
//—сильфонный агрегат
/2—рабочее колесо вентилятора
13— кожух вентилятора
14— кольцевая .шайба
/У—днище сильфона
16— крышка сильфона
/7—винт
18— гайка
Фиг. 10. Комбинированная муфта включения
15
мое усилие нажатия для передачи крутящего момента. Фланец (4) является деталью
с которой снимается крутящий момент.
Включение муфты происходит следующим образом. Производится нормальный запуск
мотора и прогрев его на минимальном режиме. При этом мотор загружается, прибли-
зительно, нормальной нагрузкой (соответствующей нагрузке нормально подобранного
винта). Это гарантируется, с одной стороны, давлением, создаваемым ртутно-гидравличе-
ским агрегатом, которое строго соответствует определенным оборотам коленчатого вала,
с другой стороны, упругой подушкой из пружин фрикционного включения.
Пробуксовывание муфты полностью заканчивается в период прогрева мотора на
минимальном режиме. После этого летчик плавным открытием дросселя переходит
на эксплоатационные режимы работы мотора.
Во время открытия дросселя вначале между шлицами муфты выбирается остаю-
щийся зазор, затем происходит включение шлиц жесткой части муфты.
Если произойдет несовпадение шлиц, то начнется пробуксовывание конуса, но так
как пробуксовывание возможно только на угол, соответствующий шагу шлиц, а шлицы
взяты мелкие, то такое малое угловое смещение не даст практически ощутимого удара
при включении шлицевой части муфты.
Порядок расчета комбинированной муфты может быть предложен следующий.
Подбор необходимых размеров ртутного кольца производится, исходя
из получения необходимого усилия нажатия конуса для конца фрикционного включения
При этом создаваемый момент трения должен иметь величину
Л4тр = ₽(/Ир + М,).
Среднее давление в ртутном кольце должно быть таким, чтобы обеспечить получе-
ние указанного усилия нажатия Q, а также преодолеть противодавление спирто-глице-
риновой смеси и усилие сжатия выключающей пружины.
Выключающая пружина в состоянии предварительной затяжки должна выдерживать
осевое давление ртутно-гидравлического агрегата при оборотах мотора п= 100 об/мин
и упругое сжатие гармошек сильфона.
Подбоо поверхности трения фрикциона производился, как указано выше, для режима
работы мотора « = 600 800 об/мин. Пружины фрикционного включения подбираются,
исходя из условия: /
Qc -- ЕР,
где Qc—нажагие, необходимое для возникновения необходимого момента трения,
ЕР — суммарное усилие всех пружин фрикционного включения.
Основными преимуществами такой муфты будут:
Безусловно надежная передача крутящего момента мотора на всех эксплоатационных
режимах его работы.
Значительное сокращение времени, необходимого для раскрутки ротора, так как
период уравнивания угловых скоростей моторной и роторной частей муфты совпадает
по времени с прогревом мотора, а раскрутка ротора до взлетных оборотов может про-
изводиться в меньшее время при наличии жесткого сцепления.
Возможность применения для фрикционного включения одной поверхности трения.
Возможность применения „мокрой" (с металлическими дисками в масле) муфты,
достаточно удовлетворительной в отношении веса и габаритов.
Возможность запуска мотора без опасения быстрого его разгона, так как мотор,
начиная с « = 100 об/мин, нагружается включаемой фрикционной муфтой Торможение
мотора происходит за счет пробуксовывания в поверхностях трения и за счет раскрутки
ротора. Так как пробуксовывание фрикциона происходит с малыми удельными давле-
ниями р', то поверхности трения изнашиваются незначительно, и поэтому пробуксовы-
вание допустимо в течение сравнительно долгого времени. Всякая тенденция мотора,
в период его прогрева, к разгону погашается мгновенным увеличением момента трения
фрикциона за счет увеличения давления в ртутно-гидравлииеском агрегате.
Анализ табл. 3 и 4 показывает, что применение муфт, аналогических описанным,
может привести к снижению веса муфт почти в два раза, что при напряженном весовом
балансе геликоптера является немаловажным фактором.
Можно полагать, что описанные автоматическая и комбинированная муфты представ-
ляют правильное направление развития конструкции в этой области.
Таблица 3
Сравнительный расчет основных параметров муфт различных типов
Тип муфты включения лмот [об/мин] ”р [об чин] л/р [кгм] ₽ Л*тр [кгм] DK [сл] Z)BH [CJW] Р [кг/см2] Q [кг] ом.в [кг] GM в
^кр [кг'кгм]
Механическая . . 2025 240 14 1.3 156 4 29,8 12 2 1170 38 0,316
Автоматическая . 2025 240 14 1,63 196 4 29,8 13,5 2,59 1440 32 0,266
Комбинированная 800 95 2,2 1,3 24,7 1 ^ср 6 = = 14 = 3,6 1,68 122 22 0,183
ПРИМЕЧАНИЕ. Для комбинированной муфты включения подбор рабочих поверхностей произ-
водился исходя из момента трения, необходимого для оборотов ротора, соответствующих концу фрик-
ционного включения (пм в = 800 об'мин).
Таблица 4
Сравнительный расчет параметров износа и нагрева муфт различных типов
Тип муфты включения Р' [кг/см2] Q [кг] К [кгм] Л1' =ЛЬр-М' и р [кгм] [сек] L [кгм] С [кгсм/см-] Г [°Ц]
Механическая . . 1 585 78 58,8 1,58 2960 127 10
Автоматическая . 0,38 210 29,6 21,6 4,3 3030 136 11,5
Комбинированная 1 73 14,8 10,2 9,1 3180 900 15
ПРИМЕЧАНИЕ. Определение параметров износа и нагрева производилось для режима работы
мотора п^от =600 об/мин. При этом приняты общие параметры: иМ1В=600 об/мин, р= 1,3 р=0,3.
Л1' == 1,23 кгм.
Отв. редактор А. А. Горяйнов
Объем 2'Д печ. л., 42880 зн. в печ. л.
Подписано к печати 23/VI 1947 г.
Учетно-авторских листов 2,3
г-80624
Тип. изд-ва БНТ
Зак. № 1374