Подвижной
состав метрополитена
Вагоны типа Д
Глава IV
КАРДАННАЯ МУФТА
Как указывалось выше, при карданной передаче тяговый двигатель полностью прикреплен к раме тележки и не связан непосредственно с колесной парой, как это имеет место в обычных системах моторно-осевой (трамвайной) подвески двигателей. Тяговый двигатель также на своем валу не имеет шестерни, – она находится в редукторе на колесной паре, и с ее валом вал тягового Двигателя соединяется через карданную муфту (рис. 29). Сравнительные схемы карданной а и моторно-осевой б передач показаны на рис. 30.
Таким образом карданная муфта является соединительным зве ном между двигателем и редуктором и служит для передачи тягового усилия от двигателя к колесной паре или, в обратном направлении, тормозного усилия от колесной пары к двигателю при электрическом торможении.
15. Условия работы карданной муфты
Необходимость применения в передаче соединительного звена карданной муфты вызвана тем, что в процессе движения вагона и при просадке надбуксовых рессор оба вала – двигателя и редуктора – не могут сохранить свою соосность и будут смещаться один относительно другого в пространстве во всех направлениях.
Конусные концы валов редуктора и тягового двигателя, обращенные друг к другу и служащие основанием для посадки карданной муфты, имеют совершенно одинаковую форму и размеры. На рис. 31 показаны размеры валов и расстояние между ними при среднем положении разбега колесной пары и расположении их на одной оси.
В процессе движения вагона могут быть следующие виды и величины отклонений от указанного взаиморасположения валов.
Несоосность параллельная, или параллельное смещение одного вала относительно другого. Это может быть при выборке зазора (разбега) между буксами и буксовыми лапами вдоль вагона, а также при просадке надбуксовых рессор. Последнее объясняется тем, что прикрепленные к одной и той же раме тележки тяговый двигатель и редуктор смещаются неодинаково: тяговый двигатель перемещается вместе с рамой тележки в вертикальном направлении сверху вниз, а редуктор перемещается по дуге окружности вокруг оси колесной пары, поворачиваясь на шарикоподшипниках.
От этого происходит расхождение валов и в вертикальной плоскости (отставание вала шестерни от вала тягового двигателя из-за наклонного расположения подвески редуктора и изменения ее угла наклона при опускании рамы тележки) и в горизонтальной (расхождение валов на величину стрелки дуги поворота редуктора).
В целом величины параллельного смещения валов между собой могут доходить: в вертикальной плоскости – до 5,5 мм и в горизонтальной – до 6 мм. Конструкция же карданной муфты предусматривает возможность работы ее при параллельном смещении валов до 8 мм.
Несоосность угловая, или расположение валов под углом (перелом прямой). Это может быть в случае установки двигателя непараллельно оси колесной пары или при неодинаковых продольных разбегах букс этой колесной пары.
В указанных случаях валы могут находиться в любой плоскости под углом до 178-180° друг к другу.
Конструкция карданной муфты обеспечивает возможность ее работы при расположении валов под углом 177,5-180°.
Сближение и раздвижка валов, или их взаимное продольное смещение. Это может быть в результате имеющегося разбега колесной пары поперек вагона, когда вместе с ней вал шестерни будет удаляться или приближаться к валу тягового двигателя.
Величина такого перемещения может доходить до 10 мм. Карданная же муфта допускает взаимное расхождение валов до 11 мм. Кроме указанных смещений валов, карданная муфта должна удовлетворять следующим условиям работы:
муфта должна рассчитываться с учетом того, что на ободе колеса диаметром 900 мм при пуске (до скорости 35 км/ч) и при электрическом торможении (со скорости 65 км/ч) будет усилие, равное 3000 кг;
наибольшая скорость вращения муфты при выбеге может доходить до 3 250 об/мин, что соответствует максимальной скорости движения вагона 90 км/ч при минимальном диаметре бандажей 840 мм;
муфта должна иметь надежное соединение кулачков с валами Двигателя и редуктора, для чего необходима горячая посадка кулачков на конусы валов. Вместе с этим нужно иметь возможность снять кулачки при помощи специальной винтовой или гидравлической стяжки с упором в торец вала;
муфта должна иметь свободную подвижность своих частей; трущиеся детали должны быть обеспечены постоянной смазкой без ее утечки и разбрызгивания;
Необходимо, чтобы было легкое разъединение и надежное соединение между собой половин муфты, сидящих на валах редуктора и тягового двигателя. И, наконец, муфта должна обеспечивать, надежную и продолжительную работу в течение пробега не менее установленного между планово-подъемочными ремонтами вагонов.
16. Конструкция карданной муфты
Карданная муфта (рис. 32) состоит из двух одинаковых полумуфт А и Б, которые после установки их на концах валов тягового двигателя и редуктора соединяются друг с другом болтами. Такое устройство позволяет после разъединения половин муфты отвести редуктор в сторону на его шарикоподшипниках.
Каждая из полумуфт состоит из кулачка 1 с двумя роликами и двумя колпачками, закрепительной гайки 2 с пластинчатой шайбой 3, корпуса (вилки) 4, стакана 5, закрепительного кольца 6, уплотнительного щита 7 и трех длинных болтов 8. При соединении полумуфт между собой устанавливается общая центрирующая шайба 9 и уплотнительная прокладка 10 из толстой бумаги; полумуфты соединяются тремя болтами 11.
Кулачок изготовляется из поковки хромоникелевой стали 20ХН3А по ГОСТ 4543-48 и представляет собой втулку, на которой имеются две цапфы диаметром около 37 мм. Обработка кулачка производится с большой точностью, биение посадочных поверхностей цапф допускается не более 0,03 мм.
Втулка кулачка имеет конусное отверстие для горячей бесшпоночной посадки на конец вала.
На переднем торце кулачка выполнены два наклонно распиленных паза, предназначенные под язычки пластинчатой шайбы, а у заднего торца – хвостовая часть в виде небольшой втулки.
Шлифованные конусная посадочная поверхность кулачка и цилиндрические поверхности цапф цементируются на глубину 0,5-1,2 мм и закаливаются для придания им надлежащей твердости Остальные поверхности остаются сырыми.
Каждая цапфа по торцу имеет гнезда глубиной 10,5 мм и диаметром 28 мм под посадку основания колпачка и в дне гнезда – уходящее вглубь отверстие с мелкой резьбой 1М 12 х 1,25 для винта, закрепляющего колпачок.
На цапфы надеваются ролики 12 в виде колец, имеющие внутренний диаметр около 43 мм, наружный 60 мм и ширину кольца 20 мм. Ролики изготовляются из высококачественной хромоникелевольфрамовой стали 18ХНВА, цементируются на глубину 1,5-1,8 мм и закаливаются до высокой твердости.
Между роликом и цапфой размещаются 42 иглы 13, применяющиеся обычно в игольчатых подшипниках. Диаметр каждой иглы 3 мм и длина 20 мм. Иглы комплектуются для каждого подшипника с отклонением не более 0,005 мм и устанавливаются вплотную друг к другу; по ним происходит вращение роликов на цапфах.
Под действием центробежной силы при вращении муфт ролики стремятся сползти с цапф. Для предотвращения этого устанавливаются колпачки 14, они также изготовляются из стали 18ХНВА и подвергаются цементации и закалке. Колпачок имеет грибовидную форму и своей ножкой диаметром 28 мм впрессовывается в гнездо цапфы, а затем укрепляется специальным винтом 15, имеющим тугую резьбу. Кроме того, против самоотвинчивания устанавливается пружинная шайба 16, под которой тело колпачка не имеет закалки. Для получения должной затяжки винты ввертываются при помощи специального приспособления, создающего осевое усилие до 500 кг.
Упор торца ролика при его вращении во внутреннюю поверхность грибовидной головки колпачка осуществляется через ряд из 24 шариков 17 диаметром 1/8", находящихся в обойме-сепараторе 18 на равных расстояниях друг от друга. Наружная поверхность колпачков имеет сферическую форму диаметром сферы 150 мм, описанным из центра на оси вала кулачка.
Условия надежной и прочной посадки кулачка на вал требуют выполнения ряда операций, заключающихся в следующем. Вал и кулачок должны иметь точно пригнанные друг к другу конусные поверхности, для чего они проверяются специальными спаренными конусными калибрами (кольцом и пробкой). Каждый кулачок в собранном виде с роликами и колпачками должен индивидуально притираться по валу пемзой, причем необходимо обеспечить прилегание посадочных поверхностей не менее 80% при проверке на краску. У надетого в холодном состоянии кулачка на вал замеряется свес торца кулачка над концом конуса вала.
После этого кулачок нагревается в масле при температуре 100-120° в течение 15-20 мин и надевается на вал при помощи легких ударов кувалды через бронзовую втулку до тех пор, пока свес его над валом не будет меньше на 1,0-1,2 мм, чем при холодном состоянии.
При посадке кулачка на вал необходимо обеспечить упор другого конца вала для предохранения от ударов подшипников двигателя или шестерни.
При плохой притирке и меньшем натяге возможно проворачивание кулачка на валу.
Чрезмерные же натяги могут вызвать большие напряжения в теле кулачка и вала, а также затруднить снятие кулачков в случае необходимости.
Посаженный кулачок зажимается закрепительной гайкой 2, которая стопорится пластинчатой шайбой 5.
Закрепительная гайка изготовляется из стали 20 и подвергается термообработке – цементации и закалке. Гайка имеет наружный диаметр под ключ 65 мм и внутреннюю мелкую резьбу 2М 42 х 2 по резьбе вала. С торца гайка закрыта стенкой, у которой наружная поверхность выполнена в виде сферы радиусом 58 мм, с чистой отшлифованной поверхностью.
Пластинчатая шайба изготовляется из мягкой листовой стали толщиной 2 мм и имеет две лапки, которые отгибаются в пазы на кулачке и фиксируют тем самым шайбу, а также дисковую часть для загиба ее над гранью закрепительной гайки.
Корпус (вилка) 4, размещающийся над кулачком, изготовляется из кованой стали 35 и представляет собой втулку с наружным диаметром 150 мм, внутренним 120 мм и длиной 100 мм, имеющей с одной стороны фланец толщиной 15 мм и наружным диаметром 236 мм, а с другой два открытых прореза шириной 63,5 мм и глубиной 70 мм, в которых размещаются ролики кулачка. Места, где происходит контакт ролика с раствором вилки и осуществляется передача усилия, должны иметь повышенную твердость иизносоустойчивость.
На ранее изготовленных муфтах здесь устанавливались специальные упоры 19 из стали 18ХНВА с термообработкой и шлифовкой, которые имели форму ласточкина хвоста и вколачивались в подобные же пазы, в теле корпуса, с натягом от 0,05 до 0,115 мм. От этой конструкции пришлось отказаться по двум причинам: во-первых, посадка ослаблялась и упоры выскакивали и, во-вторых, нельзя было изготовлять одинаковые взаимозаменяемые упоры без их индивидуальной пригонки под каждый паз в отдельности, что значительно усложняло производство.
Упоры заменены наплавкой твердым сплавом типа Сормайт мест раствора вилки в зоне, где может упираться ролик. При этом оказалось, что заварка подготовленных ранее пазов не могла обеспечить прочность корпусов муфт, и лишь указанная наплавка вилок без пазов показала вполне удовлетворительную работу.
Наплавленные площадки упоров подвергаются шлифовке с тем, чтобы обеспечить расстояние между обработанными поверхностями Б растворе одной вилки, равное 60 мм, т. е. диаметру ролика.
Первоначальный зазор между роликом и упором может быть в пределах 0,09-0,12мм, а максимально допускается зазор 0,5 мм.
Во фланцах корпусов имеется шесть отверстий, из которых три диаметром 16 мм сверлятся и проходятся разверткой одновременно в корпусах обеих полумуфт. Эти отверстия предназначены для соединения полумуфт точно пригнанными чистыми болтами 11. Три других отверстия имеют резьбу M12 под болты 8.
Стакан 5 изготовляется из стали 20Х с термообработкой и имеет форму полого цилиндра бездонышков длиной 73 мм, внутренним диаметром 150 мм и наружным 168 мм. Стакан, размещаясь на корпусе, перекрывает места раствора вилки и облегает сферу колпачков кулачка с легкоходовой посадкой.
В стакане имеется два отверстия с трубной резьбой 3/8" под пробки 20. Через эти отверстия можно дополнять смазку в муфту без ее разборки. Пробки ставятся на свинцовых прокладках 21.
Передний торец стакана упирается во фланец корпуса, где для плотности ставятся бумажные прокладки 22. Задний торец имеет небольшой буртик для крепления уплотнительного щита.
Закрепительное кольцо 6 изготовляется из стали и термообрабатывается. При помощи этого кольца и трех длинных болтов 8 зажимается стакан и одновременно закрепляется уплотнительный щит. Для предохранения от отвертывания на болты ставятся контргайки 23.
Уплотнительные щиты 7 ставятся для удержания смазки внутри муфты. Для этого ранее применялись резиновые щиты, закреплявшиеся на стакане и на кулачке, поскольку относительного вращения между ними нет.
Однако резиновые щиты себя не оправдали. Они были наиболее уязвимым и слабым местом в конструкции муфты. Это объясняется и имеющимся перемещением корпуса со стаканом по отношению к кулачку, и действием центробежных сил вращающейся в муфте смазки, и непосредственным контактом щита со смазкой. Указанные обстоятельства являлись причиной быстрого разрушения резины или ее крепления. Применение различных форм щитов и марок резины положительных результатов не дало.
В настоящее время вместо резиновых щитов устанавливаются металлические, которые закрепляются на стакане только по своему наружному диаметру, а по внутреннему имеют зазор между втулкой кулачка 3,5-4 мм, обеспечивающий максимальные перемещения стакана относительно кулачка.
Уплотнительный щит изготовляется штамповкой из мягкой листовой стали толщиной 2 мм. Внутренний диаметр его дополнительно отбортовывается загибом кромки внутрь муфты, что препятствует выливанию смазки из муфты (наподобие чернильницы «невыливайки»). При этом требуется лишь заполнять смазкой муфту не выше уровня нижней кромки отбортовки.
Металлический уплотнительный щит должен быть надет на вал до посадки кулачка и может работать неограниченное время, так как не подвергается истиранию или излому. Форма щита должна быть выполнена с небольшой выпуклостью наружу с тем, чтобы препятствовать сдвигу полумуфт вдоль валов для выемки центрирующей шайбы при демонтаже муфты.
При движении вагона в карданной муфте происходит непрерывное трение скольжения отдельных частей друг о друга, по этому требуется, чтобы смазка их была более жидкой и заполняла все трущиеся места
Для карданной муфты применяется смесь консистентной смазки 1-13 (1 кг) с автотракторным нигролом (0,25 кг). Периодически жидкую смазку можно доливать в муфту через пробки в стакане.
Центрирующая шайба 9 изготовляется из стали 45 с термообработкой. Она имеет форму диска диаметром 130 мм и толщиной 14 мм. В средней части диска с обеих сторон вышлифованы пятачки в виде вогнутых сфер радиусом 65 мм. Эти поверхности являются местами упора шайбы в закрепительные гайки потому закаливаются на глубину до 1 мм для получения высокой твердости поверхности.
Для обеспечения точности соединения центрирующая шайба выполняется под напряженную посадку в корпуса полумуфт. В шайбе высверлены четыре отверстия диаметром 20 мм, которые сообщают внутренние полости полумуфт между собой.
На рис. 33 показаны отдельные детали карданной муфты.
17. Работа карданной муфты
Передача муфтой вращающего усилия производится следующим образом: кулачок на ведущем валу своими роликами ведет через упоры корпус полумуфты со стаканом; корпус через три болта соединения полумуфт ведет корпус второй полумуфты, который в свою очередь через упоры передает вращение кулачку на ведомом валу.
При вращении муфты параллельное и угловое смещение валов относительно друг друга может быть реализовано благодаря наличию в ней шарнирности в двух плоскостях: одной – по оси вращения роликов на цапфах и другой – по сфере колпачков. На рис. 34 и 35 показаны возможные положения корпуса вместе со стаканами и центрирующей шайбой в зависимости от положения валов.
Карданная муфта вагона типа Д по принципу действия относится к так называемым универсальным шарнирам. В качестве неподвижных элементов в ней являются два кулачка, закрепленные на соединяемых валах; в качестве подвижного элемента – корпус со стаканами и центрирующей шайбой. Подвижный элемент муфты в процессе ее работы не имеет определенного положения и может
располагаться не только наклонно в пространстве, но и перемещаться вдоль валов. Величина этого перемещения, определяющая разбег муфты, ограничивается упорами центрирующей шайбы илв в одну или в другую закрепительные гайки кулачков на тор соединяемых валов.
Регулировка разбега муфты производится перемещением тягового двигателя на поперечной балке тележки вдоль его оси. Этот разбег, являющийся суммарным зазором а + b (рис. 36) между закрепительными гайками по обе стороны центрирующей шайбы должен быть на 2-3 мм больше минимального из четырех зазоров В между наличниками буксы и буксовых лап со стороны редуктора (в поперечном направлении тележки). В противном случае может быть упор валов друг в друга через центрирующую шайбу вместо; упора колесной пары в буксовые лапы. Таким образом
A + B = Bмин + (2÷3) мм.
Общий же разбег колесной пары, как, известно, определяется! суммой минимальных зазоров Амин + В мин.