Муфты, их классификация и особенности применения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мумфта -- устройство (деталь машины), предназначенное для соединения друг с другом концов валов и свободно сидящих на них деталей и передачи крутящего момента. Служат для соединения двух валов, расположенных на одной оси или под углом друг к другу.

Муфта передаёт механическую энергию без изменения её величины.^[1]

По видам управления

· Управляемые -- сцепные, автоматические

· Неуправляемые -- постоянно действующие.

По группам муфт (механические)

· Жёсткие (глухие) муфты:

o втулочные (по ГОСТ 24246-96) ;

o фланцевые (по ГОСТ 20761-96);

o продольно-свёртные (по ГОСТ 23106-78).

· Компенсирующие муфты -- компенсируют радиальные, осевые и угловые смещения валов:

o шарнирные муфты -- угловое смещение до 45° (по ГОСТ 5147-97)

o зубчатые;

o цепные (по ГОСТ 20742-93).

· Упругие муфты -- компенсация динамических нагрузок:

o муфты с торообразной оболочкой (по ГОСТ 20884-93);

o втулочно-пальцевые (по ГОСТ 21424-93);

o муфты со звёздочкой (по ГОСТ 14084-93).

· Сцепные муфты -- соединение или разъединение валов или валов с установленными на них деталями.

o муфты кулачково-дисковые (по ГОСТ 20720-93);

o кулачковые муфты;

o фрикционные;

o центробежные.

· Самоуправляемые (автоматические) муфты:

o обгонные муфты -- передача вращения только в одном направлении;

o центробежные -- ограничение частоты вращения;

o предохранительные муфты -- ограничение передаваемого момента (с разрушающимся элементом и автоматические).

· Гидравлические (гидродинамические).

· Электромагнитные и магнитные.

Примеры конструктивных исполнений унифицированных муфт

Жёсткие фланцевые и втулочные муфты

В жёсткой фланцевой муфте применяется болтовое соединение фланцев. Во втулочной муфте применяется жёсткая втулка, соостно соединяющая друг с другом два вала.^[2]

Упруго-крутильные кулачковые муфты

Муфта состоит из двух ступиц и упругого элемента - "зубчатого венца". Передача крутящего момента осуществляется геометрическим замыканием. Устойчивы на пролом. Колебания и удары, которые возникают во время эксплуатации эффективно демпфируются и снижаются. За счёт использования упругого элемента плохо переносит температурные нагрузки.

Гидравлическая муфта

Гидравлическая муфта -- устройство, в котором валы не имеют жёсткой механической связи и передача механической энергии происходит под действием потока рабочей жидкости (масла) от насосного колеса к турбинному колесу. Особенность гидравлической муфты в том, что она ограничивает максимальный момент, сглаживает пульсации, устраняет перегрузку двигателя при пуске и разгоне.

Электромагнитная и магнитная муфта

Электромагнитная и магнитная муфта -- валы также не имеют жесткой механической связи и, кроме того, она позволяет передавать механическую энергию за счет магнитных сил. При подаче напряжения на магнитное тело якорь муфты притягивает ведущий и ведомые диски. Различают следующие типы электромагнитных муфт:

Контактные - подача напряжения на магнитное тело щеткодержателем ЭМЩ, тип ЭТМ ..2 муфта втулочный силовой

Бесконтактные - подача напряжения по токопроводу, тип муфты ЭТМ ...4

Тормозные - ЭТМ ... 6

Муфты

В современном машиностроении большинство машин состоит из сборочных единиц (узлов) и механизмов. Для обеспечения кинематической и силовой связи валы узлов соединяют муфтами. Муфта -- устройство (деталь машины), предназначенное для соединения друг с другом концов валов, а также валов и свободно сидящих на них деталей.

Назначение муфт - передача вращающего момента без изменения его значения и направления. В ряде случаев муфты дополнительно поглощают вибрации и толчки, предохраняют машину от аварий при перегрузках, а также используются для включения и выключения рабочего механизма машины без остановки двигателя.

Существует класс постоянных (нерасцепляемых) муфт, обеспечивающих постоянное в течение всего времени экс-плуатации машины соединение валов. Кроме того, в некоторых машинах применяют муфты сцепления для соедине-ния (сцепления) агрегатов или их разъединения во время работы машины. В свою очередь муфты сцепления делятся на управляемые и самоуправляемые (самодействующие).

Управляемые муфты соединяют (разъединяют) агрегаты машин по команде. Самоуправляемые муфты срабатыва-ют автоматически, соединяя или разъединяя валы в зависимости от специфики работы машины.

По характеру работы муфты делят на жесткие и упругие. Жесткие муфты передают вместе с вращающим момен-том вибрации, толчки, удары. Упругие муфты амортизируют вибрации, толчки и удары при передаче вращающего момента благодаря наличию упругих элементов - различных пружин, ?резиновых втулок и так далее.

Фланцевые муфты

Фланцевые муфты состоят из двух полумуфт с фланцами, стянутыми болтами, причем половина болтов установ-лена с зазором, а другая - без зазора.

Фланцевые муфты соединяют отдельные части валопровода в один вал, работающий как целый. Для того чтобы этот составной вал оставался прямолинейным, необходима строгая соосность его частей и пригонка полумуфт, в про-тивном случае неизбежны изгиб вала, его биение и появление дополнительных нагрузок на опоры.

Фланцевые муфты просты по конструкции, надежны в работе, могут передавать большие моменты. Они широко распространены в машиностроении. Материал полумуфт - сталь. Эти муфты выбирают по стандарту. ?

Компенсирующие муфты

Жесткие компенсирующие муфты относятся к постоянным муфтам и предназначены для соединения валов с ком-пенсацией радиальных (а), осевых (б) и угловых (в) смещений вследствие неточности изготовления и монтажа.

Компенсация отклонений от соосности валов достигается за счет подвижности жестких деталей муфты. Эти муфты уменьшают дополнительные нагрузки на валы и подшипники, вызываемые отклонениями от соосности валов. Наибольшее распространение из группы компенсирующих муфт получили зубчатые и цепные.

Зубчатая муфта. Эта муфта стандартизирована. Состоит из двух обойм 1 с внутренними зубьями эвольвентного профиля, которые зацепляются с зубьями втулок 2, насаживаемых на концы валов. Обоймы соединены собой болта-ми, поставленными в отверстие без зазора. Втулки и обоймы изготавливают из стали.

Зубчатые муфты компенсируют радиальные, осевые и угловые смещения валов за счет боковых зазоров в зацепле-нии и обточки зубьев втулок в сфере. Компенсация отклонений от соосности валов сопровождается скольжением зубьев.

Для повышения износостойкости зубья подвергают термообработке, а муфту заливают маслом большой вязкости.

Зубчатые муфты широко применяются для соединения горизонтальных тяжело нагруженных валов. Эти муфты надежны в работе, имеют малые габариты. При работе зубья испытывают переменные контактные напряжения и на-пряжения изгиба, что затрудняет их точный расчет.

Цепные муфты. Состоят из двух полумуфт-звездочек, имеющих одинаковые числа зубьев, охватывающей их об-щей цепи и защитного кожуха, заполненного пластичным смазочным материалом. Применяются цепи роликовые од-норядные и двухрядные, а также зубчатые цепи. Достоинства цепных муфт - простота конструкции и обслуживания, относительно небольшие габариты. При монтаже и демонтаже не требуется осевого смещения узлов.

Упругие муфты

Упругие муфты относятся к постоянным муфтам. Основная часть этих муфт - упругий элемент, который передает вращающий момент от одной полумуфты к другой. Упругие муфты смягчают толчки и удары, служат средством защиты от резонансных крутильных колебаний, воз-никающих вследствие неравномерного вращения, допускают сравнительно большие смещения осей соединяемых валов.

Основная характеристика упругих муфт - жесткость или (обратная жесткости величина) податливость и деформи-рующая способность, т.е. способность превращать в теплоту энергию при деформации упругих элементов муфты. По конструкции упругие муфты разнообразны. По материалу упругих элементов они делятся на две группы: муф-ты с неметаллическими и муфты (обычно резиновыми) с металлическими упругими элементами.

Муфта упругая втулочно-пальцевая (МУВП). Муфта состоит из двух дисковых полумуфт, в одной из которых в конических отверстиях закреплены соединительные пальцы с надетыми гофрированными резиновыми втулками. Ма-териал полумуфт - чугун или сталь, а материал пальцев - сталь.

Вследствие небольшой толщины резиновых втулок муфта обладает малой податливостью, компенсируя незначи-тельные смещения валов. Радиальные и угловые смещения валов снижают долговечность резиновых втулок, нагружая валы дополнительной изгибающей силой.

Муфты МУВП широко применяются для соединения машин с электродвигателями при передаче малых и средних вращающих моментов. Она проста в изготовлении.

Муфта упругая со звездочками. Состоит из двух полумуфт 1 с торцовыми кулачками и резиновой звездочки 2, зубья которой расположены между кулачками. При передаче момента в каждую сторону работает половина зубьев. Муфта компактна и надежна, компенсирующая способность ее невелика. Применяется для соединения быстроход-ных валов.

Муфта упругая с торообразной оболочкой. Состоит из двух полумуфт, упругой оболочки, по форме напоми-нающей автомобильную шину, и двух колец, зажимающих с помощью винтов оболочку.

Эта муфта обладает высокими упругими и демпфирующими свойствами. Обеспечивает шумо- и электроизоляцию узлов привода, удобна и надежна в эксплуатации.

Применяется в конструкциях, где трудно обеспечить соосность валов, при переменных и ударных нагрузках.

Сцепные муфты

Сцепные (управляемые) муфты служат для быстрого соединения и разъединения валов при работающем двигателе. Применяются при строгой соосности валов. По принципу работы делятся на кулачковые и фрикционные. Все сцепные муфты должны легко и быстро включаться при незначительной силе, а также иметь малый нагрев и небольшую изнашиваемость при частых переключениях.

Фрикционные муфты. Служат для плавного сцепления валов под нагрузкой на ходу при любых скоростях. Пере-дача вращающего момента осуществляется силами трения между трущимися поверхностями деталей муфты. В начале включения за счет проскальзывания рабочих поверхностей муфты разгон ведомого вала происходит плавно, без удара, с постепенным нарастанием передаваемого вращающего момента по мере увеличения нажимной силы F. При установившемся движении проскальзывание отсутствует, муфта замыкается и оба вала вращаются с од-ной и той же угловой скоростью. В момент перегрузок фрикционные муфты пробуксовывают, предохраняя машину от поломок. По форме поверхностей трения фрикционные муфты делятся на дисковые (а), конусные (б) и цилиндрические (в). В дисковых муфтах рабочими поверхностями служат плоские торцевые поверхности дисков, в конусных - конические, а в цилиндрических - цилиндрические.

Многодисковая фрикционная муфта состоит из двух полумуфт в виде корпуса 1 и втулки 3, дисков 4 и 5 и на-жимного механизма 2. В продольные пазы внутренней поверхности корпуса свободно входят зубья ведущих дисков 4, а в пазы на наружной поверхности втулки - зубья ведомых дисков 5, между которыми возникают силы трения, что обусловливает передачу вращающего момента.

Многодисковые муфты имеют малые габариты, что важно для быстроходных механизмов. Эти муфты с механиче-ским управлением применяют для передачи малых и средних вращающих моментов. При передаче больших моментов многодисковые фрикционные муфты снабжают пневматическим, гидравлическим или электромагнитным дистанционным управлением. Основным критерием работоспособности фрикционных муфт является износостойкость трущихся поверхностей.

Самоуправляемые муфты

Самоуправляемые муфты предназначены для автоматического сцепления и расцепления валов при изменении за-данного режима работы машины. Самоуправляемые муфты бывают: по направлению вращения - обгонные; по угло-вой скорости - центробежные; по моменту - предохранительные.



Обгонные муфты

Обгонные муфты, или муфты свободного хода, служат для передачи вращающего момента в одном направлении. Наибольшее распространение получила роликовая муфта с диапазоном валов d=10…90 мм и числом роликов z=3…5.

Эта муфта состоит из двух полумуфт, одна из которых имеет форму звездочки с вырезами для роликов. Для быст-рого включения муфты ролики отжимаются пружинами. При передаче вращающего момента ролики заклиниваются между полумуфтами в сужающейся части выреза, образуя жесткое сцепление. Если по какой-либо причине угловая скорость ведомого вала превысит угловую скорость ведущего, то вследствие обгона ролики расклинятся, выкатятся в расширенную часть выреза и муфта автоматически выключится. При остановке ведущего звена ведомый вал продол-жает вращаться.

Материал деталей обгонных муфт - стали, термообработанных до высокой твердости рабочих поверхностей. Ро-лики должны быть постоянно смазаны маловязким маслом. Обгонные роликовые муфты работают бесшумно, допуская большую частоту включений. Применяются в станках, автомобилях и т.д. Критерием работоспособности роликовых муфт является прочность рабочих ?поверхностей роликов и полумуфт.

Центробежные муфты

Центробежные муфты предназначены для автоматического включения или выключения ведомого вала при дости-жении ведущим валом заданной угловой скорости.

По устройству центробежные муфты представляют собой фрикционные муфты, у которых механизмом управле-ния служат грузы-колодки 1, находящиеся под действием центробежных сил. При достижении ведущим валом задан-ной угловой скорости центробежные силы, действуя на грузы, производят включение муфты. Передача вращающего момента осуществляется силой трения, пропорциональной квадрату угловой скорости.

В современном машиностроении применяются конструкции центробежных муфт, которые служат для разгона ме-ханизмов с большими маховыми массами при двигателе с малым пусковым моментом, для повышения плавности пус-ка, для предотвращения разноса машины. Размеры муфт принимают конструктивно. Рабочие поверхности трения грузов проверяют на износостойкость ?аналогично фрикционным муфтам.

Предохранительные муфты

Предохранительные муфты предназначены для предохранения машин от перегрузок. Муфты ставят как можно ближе к месту возникновения перегрузки. Они могут работать только при строгой соосности валов.

Пружинно-кулачковая предохранительная муфта. По конструкции эта муфта аналогична сцепной кулачковой, только подвижна в осевом направлении полумуфта прижимается к неподвижной не механизмом управления, а посто-янно действующей пружиной с регулируемой силой. Кулачки выполняют трапецеидального профиля небольшой вы-соты с углом наклона рабочих граней 45…60°. Кулачковые предохранительные муфты надежны в работе, но имеют повышенный износ кулачков. Размеры муфт подбирают по стандарту или принимают конструктивно.

Фрикционные предохранительные муфты. Они отличаются большим разнообразием. Применяются при частых кратковременных перегрузках. Конструкция этих муфт аналогична конструкции сцепных фрикционных муфт. Сила нажатия в них создается пружинами, отрегулированными на передачами.



1. Муфты, их классификация и особенности применения

В технике муфты -- это соединительные устройства для тех валов, концы которых подходят один к другому вплотную или же удалены на небольшое расстояние. Соединение валов муфтами обеспечивает передачу вращающего момента от одного вала к другому. Валы, как правило, расположены так, что геометрическая ось одного вала составляет продолжение геометрической оси другого вала. С помощью муфт можно также передать вращение с валов на зубчатые колеса, шкивы, свободно насаженные на эти валы.

Муфты не изменяют вращающего момента и направления вращения. Некоторые типы муфт поглощают вибрации и точки, предохраняют машину от аварий при перегрузках.

1.1 Назначение муфт

Муфты в машиностроении предназначены:

- соединять соосные валы отдельных узлов и механизмов, а также разнообразные детали (зубчатые колеса, звёздочки, шкивы и т.п.) с валами (в дальнейшем - просто валов) с целью передачи между ними крутящего момента;

- компенсировать несоосность соединяемых валов. Необходимость компенсирующих свойств муфт возникает в связи с тем, что при соединении валов сборочных единиц изделий имеет место смещение их осей вследствие неточности изготовления, монтажа, нагрузочных и тепловых деформаций валов. Различают смещения осевые ?l, радиальные ?r, угловые ?б (рис. 1.1). На практике в большинстве случаев встречаются различные комбинации этих смещений. Несоосность осей валов усложняет монтаж муфт и условия их работы. По этой причине смещения осей ограничивают.

Рис.1.1. Отклонения от соосности соединяемых валов: а - соосное расположение валов; б, в, г, д - оси валов имеют смещения (осевое - ?l, радиальное - ?r, угловое - ??? и комбинированное)

- снижать ударные динамические нагрузки, интенсивность вибрации, устранять опасность резонансных явлений. Потребность в снижении динамических нагрузок, интенсивности колебательных процессов возникает в быстроходных элементах машин при эксплуатации в нестационарных (неустановившихся) режимах работы. Обязательным компонентом муфт, применяющихся в подобных ситуациях, является упругий элемент, который способен аккумулировать кинетическую энергию динамических процессов, преобразовывать её в потенциальную энергию деформации и тепловую энергию работ сил трения. Кроме того, подобные муфты могут изменять собственную частоту колебаний за счет изменения жесткости упругих элементов с изменением их деформации и предотвращают явление резонанса.

- предохранять элементы машин от недопустимых кратковременных перегрузок в машинах ударного действия, обладающих значительной инерционностью отдельных звеньев и ведущих обработку сред неоднородной структуры, при эксплуатации в неустановившихся режимах работы, в которых перегрузки могут в 2…3 и более раз превышать номинальные. Такие кратковременные перегрузки вызывают статические (квазистатические) разрушения элементов машин. Для исключения подобных перегрузок используют специальные муфты, в которых при перегрузках происходит взаимное крутильное угловое смещение ведущих и ведомых элементов с фрикционной, расцепляющейся связью или разрушение специально предусмотренного легко заменяемого звена в силовой цепи. Последний тип муфт целесообразно использовать лишь при сравнительно редких значительных перегрузках.

- управлять работой машин. В некоторых случаях управлять отдельными машинными операциями рациональнее с помощью муфт. К примеру, в машинах, механизмах с частыми пусками и остановками исполнительного (рабочего) органа возникает необходимость кратковременного разобщения кинематической цепи, соединяющей работающий двигатель с исполнительным органом. Иногда требуется передача крутящего момента с двигателя на рабочий орган в одном направлении при равенстве угловых скоростей ведущего и ведомого элементов и разобщение их, если скорость ведомого превысит скорость ведущего (например, в велосипеде). В иных случаях требуется соединение ведущего и ведомого элементов в случае достижения ведущим определенной скорости. В описанных случаях управляющие функции рационально выполнять не специальными устройствами, а совместить их с основной задачей муфт.

- придать валам некоторой относительной подвижности во время работы (малые смещения и перекос геометрических осей валов);

- автоматически соединять и разъединять валы в зависимости от пройденного пути, направления передачи вращения, угловой скорости, т.е. выполнения функций автоматического управления;

- обеспечивать плавный разгон машины и облегчать условия работы двигателя (муфты скольжения);

- осуществлять электрическую изоляцию валов, что важно с точки зрения безопасности для муфт электродвигателей (упруго-демпфирующие муфты с неметаллическими элементами).

Основными конструктивными элементами муфт являются ведущая 1, ведомая 2 полумуфты и соединительный элемент (силовая цепь) 3 для их соединения (рис. 1.1). Каждая полумуфта выполняет функции передачи крутящего момента между ними и валами. Полумуфты нередко практически одинаковы и могут быть взаимозаменяемыми. Различия между ними часто касаются лишь формы или размеров посадочных отверстий, а также исполнения соединения «вал - ступица». Современные стандарты на муфты обычно предусматривают возможность варьирования формы и диаметров отверстий ведущей и ведомой полумуфт в пределах набора значений, предусмотренных для каждого типоразмера, а также типов указанных соединений. В силу взаимозаменяемости полумуфт в подобных случаях их не разделяют. Однако для понимания принципа действия, силового анализа муфт и оформления конструкторских документов такое разделение является целесообразным.

Разнообразие прямых и дополнительных функций муфт, многообразие средств их реализации определили широкий набор конструкций обсуждаемого узла и развёрнутую их классификацию. В качестве первичного признака классификации муфт можно принять принцип передачи крутящего момента между ведущим и ведомым элементами. По этим признакам выделяют муфты механические, гидравлические, пневматические и электромагнитные. В муфтах механического принципа действия передача движения осуществляется посредством контакта твёрдых тел. Такие муфты наиболее просты по конструкции, надежны в работе, имеют минимальные потери энергии, универсальны по возможности реализации перечисленных функций и потому в современном машиностроении наиболее распространены. Муфты механического принципа действия и приняты в настоящем разделе объектом изучения.

 



1.2 Классификация и характеристики муфт

1.2.1 Классификация муфт

Широко применяемые в машиностроении муфты стандартизированы. Простейшая муфта сделана из куска ниппельной трубочки и соединяет вал электромоторчика с крыльчаткой автомобильного омывателя стекла. Муфты турбокомпрессоров реактивных двигателей состоят из сотен деталей и являются сложнейшими саморегулирующимися системами.

Многообразие механических муфт и возможность сложного их комбинирования затрудняет строгую типизацию подобных устройств. Упрощенный вариант классификации показан на рис. 1.2. Отметим также, что приведенная классификация сокращена по сравнению с ГОСТ 50371-92.



Рис.1.2. Классификация муфт

Рассматриваемые по первичному классификационному функциональному признаку муфты подразделяются по классам на нерасцепляемые, расцепляемые самодействующие (автоматические), расцепляемые управляемые (сцепные). Муфты первого класса не допускают разобщения валов без их разборки или демонтажа одного из соединяемых элементов. Расцепляемые муфты обеспечивают разобщение валов без остановки двигателя. При этом в расцепляемых муфтах самодействующих разобщение происходит автоматически при достижении установленного значения параметра (T, n и т.д.). В соответствии с перечисленными характерными свойствами каждого из указанных типов муфт можно определить и особенности применения каждого из них.

Нерасцепляемые муфты применяют в машинах и механизмах, в которых при их эксплуатации не требуется разобщение соединяемых элементов либо подобные разобщения производятся на остановленных технических объектах с целью проведения профилактических, ремонтных и других плановых работ и при аварийных ситуациях. В функциональном плане среди нерасцепляемых принято выделять группы муфт: жесткие неподвижные, жесткие компенсирующие и упругие компенсирующие в зависимости от типа связи соединяемых валов (рис. 1.2).

Жесткие неподвижные муфты образуют жесткое соединение валов, к соосности которых предъявляются повышенные требования. Допустимое радиальное смещение осей валов не должно превышать (3…5) мкм. Отечественные серийные муфты данного типа производятся для передачи крутящих моментов Т =(1,0…40000) Н•м при соединении валов диаметром от 6 до 250 мм. Они могут работать в диапазоне частот вращения от 84000 до 250 об/мин и ниже.

Жесткие компенсирующие муфты также осуществляют жесткое соединение валов, но при этом обеспечивают возможность их сопряжениия при определенном уровне осевых, радиальных, угловых и комбинированных смещений осей валов. Жесткие компенсирующие муфты отечественными стандартами регламентируются в диапазоне диаметров соединяемых валов от 8 до 200 мм и номинальных крутящих моментах от 11 до 63000 Н•м. Подобные муфты обладают высокой нагрузочной способностью, сравнительно малыми габаритами и могут применяться при частотах вращения, не превышающих 12000 об/мин.

Муфты упругие компенсирующие наряду с непосредственным соединением валов выполняют функции снижения динамических нагрузок, устранения опасности резонанса крутильных колебаний и компенсации несоосности валов. Компенсирующие возможности упругих муфт, также как и чисто компенсирующих, характеризуются комплексом смещений соединяемых валов (осевого, радиального и углового). Отечественные серийные муфты данного типа регламентируются для передачи крутящих моментов Т = (2,5 …40000) Н•м при соединении валов диаметром от 6 до 240 мм. Они могут работать в диапазоне частот вращения, не превышающих 6000 об/мин.

Расцепляемые самодействующие муфты применяются в машинах и механизмах, требующих разобщения мотора и исполнительного устройства при параметрах работы, которые не отвечают установленным границам. Примером целесообразности применения расцепляемых самоуправляемых муфт могут служить разнообразные рассматриваемые устройства, которые автоматически разобщают силовую цепь машины при повышении нагрузки в ней в связи с непредусмотренным увеличением сопротивления на рабочем органе, аварийным заклиниванием элементов машин, механизмов и т.п. Отечественные серийные муфты данного типа регламентируются для передачи крутящих моментов Т = (4,0 …400) Н•м при диаметрах отверстий от 8 до 48 мм. Они могут работать в диапазоне частот вращения, не превышающих 3000 об/мин.

Расцепляемые самодействующие муфты в функциональном плане дополнительно классифицируют по типу связи в зависимости от вида управляющего параметра для соединения ведущего и ведомого элементов на предохранительные, обгонные и центробежные. Муфты предохранительные жестко соединяют (или разобщают) валы при значении крутящего момента, не превышающем (или превышающем) установленной предельно допустимой нагрузки. В обгонных муфтах, или муфтах свободного хода, соединение валов происходит при передаче движения в одном направлении вращения ведомого вала с частотой, не превышающей частоты ведущего. Наконец центробежные муфты предназначены для соединения или разобщения валов при определённом уровне скорости ведущего звена.

Расцепляемые управляемые муфты применяются для соединения элементов машин и механизмов, в которых при их работе необходимы частые кратковременные разобщения энергоисточника и исполнительного органа без остановки двигателя на основе действий оператора или автоматического устройства, управляющих работой машины. К примеру, в случае необходимости останова сборочных конвейеров для проведения технологических операций сборки, при необходимости отключения отдельных исполнительных механизмов в случае привода от одного двигателя нескольких параллельно работающих устройств. Характерным примером расцепляемых управляемых муфт являются муфты сцепления в автомобилях. В качестве дополнительного функционального признака, классифицирующего тип связи и способ разобщения валов, в расцепляемых управляемых муфтах механического принципа действия принимают именно способы разобщения валов с применением механических, гидравлических и электромагнитных переключателей. В конструктивном плане рассматриваемые муфты устроены так же, как и расцепляемые самодействующие. При этом заметим, что в практике курсового проектирования по дисциплине «Детали машин и основы конструирования» подобные муфты используются сравнительно редко. В связи с указанными обстоятельствами и ограниченным объемом пособия отмеченные муфты в дальнейшем не рассматриваются.

Муфты по конструктивным признакам обычно разделяют на типы, подтипы и исполнения. При этом разделение на типы и подтипы связано с принципиальными особенностями конструкции муфт и их эксплуатационных характеристик. Разделение по исполнениям характеризует форму, длину посадочного отверстия и тип соединения «вал - ступица». В зависимости от формы выделяют полумуфты с цилиндрическими и коническими отверстиями. По длине ступиц полумуфты принято разделять на длинные и короткие, отвечающие стандартам цилиндрических и конических концевиков валов (ГОСТ 12080, ГОСТ 12081). Для соединения валов с полумуфтами наиболее часто используют штифтовые (ГОСТ 3129), шпоночные призматической (ГОСТ 10748, ГОСТ 23360) и сегментной (ГОСТ 24071) шпонками; шлицевые соединения прямобочными (ГОСТ 1139) и эвольвентными (ГОСТ 6033) шлицами. Более подробно фрагменты классификации, касающиеся разделения муфт по исполнениям, рассмотрены ниже непосредственно для каждой из рассматриваемых муфт.

Многие типовые муфты, как отмечалось выше, состоят из конструктивно одинаковых ведущей и ведомой полумуфт, которые могут отличаться исполнениями, то есть формой и размером посадочных отверстий и типом соединения «вал - ступица». Такие полумуфты в дальнейшем для краткости будем называть практически одинаковыми. При разработке конструкторской документации в подобных случаях составляют рабочие чертежи обеих полумуфт либо разрабатывают групповой чертеж.

Среди общих вопросов конструирования муфт выделим вопрос об осевой фиксации полумуфт. К типовым способам фиксации относят:

1. Упор полумуфт в бурт на концевом участке вала, с одной стороны, и фиксация торцевой шайбой и винтом, вворачиваемым в торец вала (рис. 1.3 а) - с другой. Винт в таких конструкциях снабжается шайбой, которая исключает его самоотвинчивание. Роль бурта может также выполнять распорная втулка, как это показано в нижней части рисунка 1.3 а. Фиксация торцовой шайбой особенно целесообразна при наличии осевых сил; в случае конического посадочного отверстия вместо винта используют концевик с резьбовым участком, на который наворачивается гайка.

2. Закрепление полумуфт с помощью штифтов, которые также служат для передачи крутящего момента (рис 1.3 б). В этом случае упрощается конструкция вала в связи с ненадобностью бурта.

3. Закрепление полумуфт с помощью фиксирующих винтов, вворачиваемых радиально в ступицы полумуфт (рис. 1.3 в). С целью исключения самоотворачивания винтов используют пружинные кольца, которые укладываются в специальные канавки полумуфт и шлиц винта.

Рис. 1.3. Способы осевой фиксации муфт: а - торцевой шайбой; б - штифтом; в - фиксирующим винтом

Отмеченные способы осевой фиксации ведущей и ведомой полумуфт могут также применяться в комбинированном виде.

1.2.2 Характеристики муфт

Основная характеристика муфты - передаваемый вращающий момент.

Существенные показатели - габариты, размеры посадочных мест, масса, момент инерции и др.

Подбор муфты ведут по таблицам соответствующего стандарта (ведомственной нормали): по условиям эксплуатации, по большему диаметру соединяемых валов, расчетному вращающему моменту и проверяется предельная скорость вращения.

Муфта, рассчитанная на передачу определённого вращающего момента, выполняется в нескольких модификациях для разных диаметров валов. Муфты - автономные узлы, поэтому они легко стандартизируются.

Муфты рассчитывают по их критериям работоспособности:

- прочности при циклических и ударных нагрузках,

- износостойкости,

- жёсткости,

-демпфирующей способности.

Для параметрической оценки возможности снижения динамических нагрузок и устранения опасности резонансных явлений вводят понятия жёсткость и демпфирующая способность.

Жесткостью называют способность технического объекта сопротивляться деформациям при нагружении, для количественной оценки которой используют зависимость между величиной нагрузки и деформацией. Применительно к муфтам, нагружаемым крутящим моментом Т, это зависимость угла относительного поворота полумуфт ц= f(T). Если на ободах ненагруженной муфты нанести совпадающие риски, то при её нагружении за счет деформаций риски полумуфт повернутся относительно друг друга на угол ц (рис. 1.4,а). Функцию ц=f(T) называют упругой характеристикой муфты, а параметр C_??=dT/d?? крутильной жесткостью. Эта функция для муфт линейна при постоянной (C_??=T/??) и нелинейна при переменной жесткости (рис. 1.4,б), муфты нелинейной жесткости могут иметь жесткую (нижняя кривая) или мягкую (верхняя кривая) характеристики.

В нелинейных муфтах с жесткой характеристикой жесткость растет с увеличением угла закручивания (сравните жёсткость в точках 1 и 2 - С_??1 и С_??2). Такое свойство выгодно использовать в машинах, у которых нагрузка растет пропорционально квадрату скорости. Постоянную жесткость имеют муфты с использованием в силовой цепи материалов с упругими характеристиками, соответствующими закону Гука (металлических деформируемых элементов, к примеру). Переменная жесткость характерна для муфт, использующих неметаллические упругие элементы, физико-механические свойства которых не регламентируется законом Гука. Переменная жесткость также может иметь место и в муфтах с металлическими упругими элементами при помощи специальных конструктивных приемов. Муфты постоянной жесткости лишь позволяют снизить уровень динамической нагрузки, в то время как при переменной жесткости появляется дополнительная возможность исключить явления резонанса и значительно снизить интенсивность колебательных процессов. Как известно, резонанс наступает при совпадении частот собственных колебаний системы fc и внешних возмущающих воздействий f_воз. В случае применения муфт переменной жесткости при приближении f_c к границе резонанса наблюдается рост амплитуды колебаний, вызывающий изменения и собственной частоты. Например, для простейшей двухмассовой системы

Очевидно, что изменения С_?? и соответственно fc приводят к выводу упругой системы из обозначенной зоны. В этом выражении I₁ и I₂ - приведенные к ведущей и ведомой полумуфтам моменты инерции.



Рис. 1.4. К характеристике жестких упругих муфт: а - угол относительного поворота полумуфт при нагружении; б - упругие характеристики муфт постоянной и переменной жесткости

Демпфирующая способность характеризует величину кинетической энергии удара, необратимо поглощаемой муфтой за счет ее преобразования в потенциальную и тепловую энергию. Подобные преобразования связаны с деформированием упругого элемента и внешним и внутренним трением, сопровождающим этот процесс. Известно, что поглощаемая энергия пропорциональна площади петли гистерезиса, образующейся между ветвями упругой характеристики при нагружении и разгрузке деформируемого элемента, как это показано на рис. 1.4,б применительно к муфте постоянной жесткости (заштрихованная площадка). Для количественной оценки демпфирующих свойств упругих элементов используют коэффициент демпфирования

где A_гист - площадь петли гистерезиса; а A_OAB - полная площадь под упругой характеристикой муфты при ее нагружении (площадь треугольника ОАВ).

На практике муфты подбираются из каталога по величине передаваемого вращающего момента Т = Т_ВалаK, где Т_Вала - номинальный момент, определённый расчётом динамики механизма (наибольший из длительно действующих), К - коэффициент режима работы.

Коэффициент k рассчитывают на основании данных о спектре нагружения с учетом влияния различных уровней нагрузки на прочность и износостойкость деталей муфты. При отсутствии таких данных пользуются приближенными рекомендациями, отражающими в известной степени опыт эксплуатации.

В приводах от электродвигателя принимают:

- при спокойной работе и небольших разгоняемых массах (приводы конвейеров, испытательных установок и др.) К = 1,15...1,4;

- при переменной нагрузке и средних разгоняемых массах (металлорежущие станки, поршневые компрессоры и др.) К= 1,5...2;

- при ударной нагрузке и больших разгоняемых массах (прокатные станы, молоты, шаровые мельницы, дробилки и др.) К= 2,5...3.

Диаметры посадочных отверстий муфты согласуют с диаметрами концов соединяемых валов, которые могут быть различными при одном и том же вращающем моменте вследствие применения разных материалов и различной нагруженности изгибающими моментами.

Основные типы муфт регламентированы стандартом для некоторого диапазона диаметров валов и рассчитаны на передачу определенного момента.

Наиболее слабые звенья выбранной муфты проверяют расчетом на прочность по расчетному моменту Т_р.

Работа муфт сопровождается потерями. По опытным данным при расчетах КПД муфт обычно принимают з = 0,985...0,995.

1.3 Изучение устройства конструктивных типов муфт, их исполнений и особенностей применения

1.3.1 Муфты нерасцепляемые

1.3.1.1 Муфты нерасцепляемые жесткие

Жесткие муфты образуют жесткое и неподвижное соединение валов. Они не компенсируют ошибок изготовления и сборки, требуют точной центровки валов.

Длинные валы по условиям изготовления, сборки и транспортировки иногда изготавливают составными. В этом случае валы, соединенные глухой муфтой, работают как одно целое, поэтому наряду с крутящим муфта может воспринимать изгибающий момент, поперечные и осевые нагрузки. В некоторых случаях глухие муфты применяют и для соединения строго соосных валов агрегатов.

К муфтам жестким нерасцепляемым относят втулочные, фланцевые (поперечно-разъемные) и продольно-свертные.

Втулочные муфты (рис. 1.5) относятся к наиболее простым по конструкции и изготовлению типам. Они имеют минимальные значения габаритных размеров, массы и момента инерции, а также минимальны по стоимости изготовления. К недостаткам втулочных муфт следует отнести невозможность разобщения соединяемых валов без демонтажа соединяемых узлов и низкую изгибную жесткость, необходимость при монтаже и демонтаже раздвигать концы валов на полную длину муфты либо сдвигать втулку вдоль вала не менее чем на половину ее длины; необходимость очень точного совмещения валов, так как эти муфты не допускают радиального или углового смещения осей валов.

Целесообразно использовать в узлах с повышенными требованиями к ограничению радиальных габаритов, массы, момента инерции и при возможности обеспечения незначительных смещений осей валов в пределах допустимой соосности. Муфты данного типа могут применяться при окружных скоростях на наружном диаметре до 70 м/с при частотах вращения (84000…9550) об/мин в соответствии с диаметром валов от 10 до 100 мм. Серийные отечественные втулочные муфты (ГОСТ 24246-96) выпускаются для диаметров валов в диапазоне (6…105) мм, номинальных крутящих моментов (1,0 … 12500) Н•м и удельной массой (0,01…0,001) кг/Н•м (табл. 1.1). Используются только для соединения цилиндрических концевиков валов и имеют четыре конструктивных типа в зависимости от вида соединения «вал - ступица»: 1 - со штифтами; 2 - с призматической шпонкой; 3 - с сегментной шпонкой; 4 - со шлицами (рис. 1.5).

Муфты второго типа имеют два исполнения: для концевиков длинных (первого исполнения) и коротких (второго исполнения) валов по ГОСТ 12080. Принцип работы муфты очевиден из рисунка. Передача движения осуществляется сопротивлением соединений «вал - ступица» деформациям сдвига и смятия, тело муфты при этом скручивается. Осевая фиксация тела муфты на валу в первом типе осуществляется непосредственно штифтом, а в остальных - с помощью радиального винта, который удерживается от самоотвинчивания пружинным кольцом для стопорения винтов, укладываемым в специальную канавку тела муфты (рис. 1.5 б, в, г).

Прочность муфты определяется прочностью соединения и прочностью самой втулки.

Материал для изготовления втулки -- сталь 45; для муфт больших размеров -- чугун СЧ25.

Пример обозначения муфты исполнения 1, при Т_ном = 200 Н•м, d = 36 мм, в климатическом исполнении У и категории 3:

Муфта втулочная 1-200-36-У3 ГОСТ 24246-80.

Фланцевые муфты (рис. 1.6) являются одними из наиболее распространенных жёстких нерасцепляемых муфт. Они удобны в монтаже и обеспечивают жёсткие соединения валов. Отечественные стандартные фланцевые муфты (ГОСТ 20761 - 96) состоят из конструктивно одинаковых ведущей 1 и ведомой 2 полумуфт, фланцы которых соединяются болтами 7 и 8 с соответствующими гайками 5 и шайбами 6. Крутящий момент с валов на полумуфты передается с помощью призматических шпонок. Осевая фиксация полумуфт на валах в стандарте не регламентирована. Вращающий момент передаётся за счёт сил трения между фланцами, а когда болты вставлены без зазора, то также и болтами. Болты, поставленные без зазора, могут обеспечивать центровку валов. При постановке болтов с зазором центровка обеспечивается выступом, который воспринимает также все поперечные нагрузки. Центрирующий выступ усложняет монтаж и демонтаж соединения, так как при этом необходимо осевое смещение валов.

При установке болтов с зазором масса муфты намного больше, чем в варианте без зазоров, а несущая способность при одинаковых размерах в пять-шесть раз меньше. В случае установки всех болтов с зазором необходимо предусматривать центрирующие буртики, обеспечивающие соосность соединяемых валов. В тех случаях, когда муфта имеет общее ограждение, буртики не делают.

В рассматриваемой конструкции одна из полумуфт зафиксирована винтом 3 с пружинным кольцом 4. По форме концевиков валов, на которые насаживаются полумуфты, стандартом выделены исполнения муфт I и II соответственно с цилиндрическими отверстиями под длинные и короткие концевики валов. Серийные муфты выпускаются для валов диаметром (11…250) мм при номинальных крутящих моментах (16…40000) Н•м с удельной массой (0,043…0,009) кг/Н•м. Максимальная окружная скорость на наружном диаметре стальных полумуфт не должна превышать 70 м/с или частот вращения (17600…2680) об/мин. Основные параметры фланцевых серийных муфт приведены в таблице 1.1.

Рис. 1.5. Конструкция муфты втулочной и ее типы: а - тип 1 со штифтом по ГОСТ3129; б - тип 2 со шпоночным пазом по ГОСТ 10748 или 23360 под призматическую шпонку; в - тип 3 со шпоночным пазом по ГОСТ 24071 под сегментную шпонку; г - тип 4 со шлицевым посадочным отверстием по ГОСТ 1139



Таблица 1.1. Основные параметры отечественных серийных жестких неподвижных и жестких компенсирующих муфт

Конструктивный тип муфт	Диапазоны	Допустимые смещения осей валов	Максимально допустимая частота вращения [n]**, мин-1 (с-1)
	диаметров соединяемых валов d, мм	номинальных крутящих моментов Tном, Н•м	удельной массы , кг/Н•м	осевые [l], мм	Радиальные [?r], мм	Угловые [?б], град
Муфты нерасцепляемые жесткие неподвижные
Втулочные (ГОСТ 24246-96)	6…105	1,0…12500	0,01…0,001	±0,5	-	-	84000…9550 (1400…160)
Фланцевые (ГОСТ 20761-96)	11…250	16…40000 (8…20000)***	0,043…0,009	-	-	-	16700…2680 (280…45)
Продольно-свертные (ГОСТ 23106-78*)	25…130	125…12500	0,019…0,005	-	0,05	-	250…100 (4,2…1,6)
Муфты нерасцепляемые жёсткие компенсирующие
Зубчатые (ГОСТ 5006-96)	40…200	1000…63000	0,007…0,004	±1,0	1…3,5	30ґ…1°	5400…1200 (90…20)
Цепные (ГОСТ 20742-93)	20…180	63…16000	0,035…0,012	-	0,16…1,2	1є…2°	1500…660 (25…11)
Кулачково-дисковые (ГОСТ 20720-93)	16…150	16…16000	0,09…0,012	-	0,6…3,6	1°	240…100 (4,2…1,6)
Дисковые полужесткие (ГОСТ 26455-97)	11…130	40…6300	0,011…0,008	0,5…2,5	-	45ґ…1°	12000…3700 (200…62)
Шарнирные (ГОСТ 5147-97)	8…42	11,2…1120	0,005…0,004	-	-	45°	?1000 (?17)
Примечания: 1. - изменение удельной массы приведено в указанном диапазоне варьирования Tном. 2. [n]** - диапазон изменения максимально допустимой частоты вращения соответствует указанным границам варьирования Tном. 3. *** - значения номинального момента Tном указаны для группы с использованием чугунных полумуфт.

Рис. 1.6. Конструкция муфты фланцевой: а, б - с центрированием осей валов болтами, поставленными без зазора; в - с центрированием пояском на одной из полумуфт (слева) и центрированием полукольцами (справа)

Конструктивно предусматривают фланцевые муфты открытые и закрытые. В закрытых муфтах фланцы снабжаются ободами, закрывающими головки болтов и гайки, которые обеспечивают безопасную эксплуатацию без защитного кожуха. Соосность полумуфт достигается

а) центрирующими точно изготовленными винтами 8, устанавливаемыми без зазора в отверстия совместно обработанных полумуфт в отличие от болтов 7, которые поставлены с зазором (рис. 1.6 а, б). Подобное центрирование предусмотрено указанным стандартом;

б) центрированием с помощью цилиндрического пояска в одной из полумуфт и выточкой на другой (рис. 1.6 в - слева);

в) центрированием полукольцами (рис. 1.6 в - справа). В отличие от варианта «б» при монтаже и демонтаже не требуется осевого смещения соединяемых валов, но точность центрирования осей валов при этом снижается.

Фланцевые муфты могут передавать значительные вращающие моменты; имеют широкое распространение в машиностроении. Употребляются для валов диаметром d < 350 мм. Достоинство этих муфт -- простота конструкции и легкость монтажа; недостаток -- необходимость точного совмещения валов и точного соблюдения перпендикулярности соприкасающихся торцовых поверхностей полумуфт к оси вала.

Материал фланцевых полумуфт -- сталь 40, 35Л, чугун СЧЗО (для муфт больших размеров).

Эти муфты называют иногда поперечно-свертными. Для лучшего центрования фланцев на одной полумуфте делают круговой выступ, на другой -- выточку того же диаметра или предусматривают центрующее кольцо 3.

Расчет на прочность выполняют для шпоночных соединений и болтов (см. расчет призматических шпонок и расчет болтовых соединений нагруженных в плоскости стыка для болтов поставленных с зазором и без зазора).

Пример обозначения муфты при Т_ном = 63 Н•м, d = 22 мм, исполнения 1(с цилиндрическими отверстиями для длинных концов валов по ГОСТ 12080-66; 2 - то же для коротких концов валов), материал 1 (сталь; 2 - чугун), в климатическом исполнении У и категории 3:

Муфта фланцевая 63-22-11 У3 ГОСТ 20761-80.

Муфты продольно-свертные (рис. 1.7) применяются для соединения тихоходных соосных валов с частотой вращения, не превышающей 250 об/мин. Монтажные и демонтажные операции элементов привода не требуют их осевого перемещения. Сложность балансировки и изготовления двух полумуфт с осевым разъемом, а также повышенные требования к соосности валов ограничивают применение продольно-свертных муфт. Отечественные серийные муфты (ГОСТ 23106-78*) выпускаются для соединения цилиндрических концевиков валов диаметром (25…130) мм при номинальных крутящих моментах (125…12500) Н•м с удельной массой (0,019…0,005) кг/Н•м.

Данным стандартом предусмотрены исполнения с полувтулками 5, показанными на рис. 1.7, и без них. Конструкция муфты состоит из двух симметричных полумуфт 1, стягиваемых с помощью болтов 2 и гаек 4 с шайбами 3; двух полувтулок 5, закладываемых в специальную выточку в полумуфтах, и двух полукожухов 6, закрепляемых винтами 7. Бурты полувтулок при сборке входят в соответствующие пазы на концевиках соединяемых валов и обеспечивают дополнительную осевую фиксацию полумуфт на валах. Передача нагрузки в муфте осуществляется за счет момента трения, образуемого трением от силы затяжки болтов с соответствующими гайками. С целью обеспечения прижатия полумуфт к валам последние разделены зазорами. Шпонка, которая может быть предусмотрена, закладывается между полумуфтами в один из зазоров и в расчете, как правило, не учитывается.

Рис. 1.7. Конструкция муфты продольно-свертной



1.3.1.2 Муфты нерасцепляемые жесткие компенсирующие

Основная функция муфт - соединение валов с целью передачи крутящего момента - в компенсирующих муфтах дополнена возможностью качественного соединения валов, которые имеют осевые, радиальные, угловые и комбинированные смещение их осей (см. рис. 1.1). Муфты рассматриваемого типа являются одними из наиболее распространенных.

Применение компенсирующих муфт позволяет снизить требования к точности расположения валов и уменьшить дополнительные нагрузки на концы валов и опоры. Компенсацию отклонений валов достигают:

а) в жестких компенсирующих муфтах - подвижностью жестких деталей;

б) в упругих муфтах - деформированием упругих деталей.

В этом функциональном классе муфт в зависимости от конструктивных признаков выделяют муфты: зубчатые, цепные, кулачково-дисковые, дисковые и шарнирные (см. рис. 1.2).

Муфты зубчатые (рис. 1.8) обладают наибольшей нагрузочной способностью и надежностью среди муфт жестких компенсирующих; они обеспечивают устойчивую работу при окружных скоростях в зацеплении до 25 м/с и частотах вращения (5400…1200) об/мин. Отечественные серийные муфты (ГОСТ 5006 - 96) выпускаются в диапазонах номинальных крутящих моментов (1000…63000) Н•м и диаметров посадочных отверстий (40…200) мм с удельной массой в указанном диапазоне (0,007 - 0,004) Н•м; они обладают высокими компенсирующими свойствами по всем видам несоосности.

...