Значение и использование муфт

Введение

 

В современном машиностроении большинство машин состоит из сборочных единиц (узлов) и механизмов. Для обеспечения кинематической и силовой связи валы узлов  соединяют муфтами.

Муфтой - называется устройство для соединения концов валов или для соединения валов со свободно сидящими на них деталями (зубчатые колеса, звездочки и т. д.).

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 останова двигателя.

Муфты служат для соединения валов или валов с деталями, свободно вращающимися на них (зубчатыми  колесами, шкивами и т.п.), с целью  передачи вращения без изменения  скорости. Известно, что большинство  устройств, систем компонуют из отдельных  узлов с входными и выходными  валами. Такими узлами являются, например, привод в виде двигателя, передаточный и исполнительный механизмы. Кинематическая и силовая связь между этими  узлами устройства осуществляется с  помощью муфт (рис.1).

Муфта

Двигатель

Передаточный механизм

(редуктор)

Исполнительный механизм

 

Муфта

Рис. 1

Соединение валов является основным, но не единственным назначением  муфт. Муфты применяют для включения  и выключения исполнительного органа при непрерывно работающем двигателе, для предохранения рабочих органов  от перегрузок и чрезмерно больших  скоростей, для передачи движения между валами только в одном направлении, для остановки в качестве тормоза и других функций.

 

1. Классификация муфт

 

Многообразие  требований, предъявляемых к муфтам, и различные условия их работы обусловили создание большого количества конструкций муфт, которые классифицируют по различным признакам на группы.

По принципу действия т.е. муфты по управляемости передачей вращения между соединяемыми валами делят на три группы:

1) постоянные муфты, осуществляющие  постоянное соединение валов  между собой;

2) сцепные муфты, допускающие  во время работы сцепление  и расцепление валов с помощью  системы управления;

3) самоуправляемые муфты,  автоматически разъединяющие валы  при изменении заданного режима работы машины.

По характеру работы: 
1) глухие жесткие муфты, передающие вместе с вращающим моментом вибрации, толчки и удары; 
2) упругие муфты, амортизирующие вибрации, толчки и удары при передаче вращающего момента благодаря наличию упругих элементов — различных пружин, резиновых втулок и др.

Группы (механические, гидродинамические, электромагнитные). Рассматриваются только механические муфты. Электромагнитные и гидравлические муфты изучают в специальных курсах.

Подгруппы:

1)глухие жёсткие,

2) компенсирующие,

3) упругие, 

4) предохранительные, 

5) обгонные.

Глухие жесткие  муфты используют при передаче движения между соосными валами, которые должны работать как единый вал. Компенсирующие подвижные муфты применяют при передаче движения между несоосными валами при наличии небольших радиальных, осевых, угловых или комбинированных смещений осей валов. Упругими муфтами пользуются для смягчения толчков, динамических нагрузок при передаче вращающегося момента между валами. Предохранительные муфты применяют во избежание поломок деталей механизма из-за перегрузок. Обгонные муфты используют для передачи движения только в одну сторону.

Виды: 
1) фрикционные, 2) с разрушаемым элементом.

Конструктивные исполнения:

1) кулачковые,

2) шариковые, 

3) зубчатые,

4) фланцевые, 

5) втулочно-пальцевые, 

6)втулочные.

 

2. Постоянные муфты

Эти муфты делятся на глухие и подвижные, или компенсирующие, которые допускают небольшие  неточности.

2.1. Глухие муфты

Глухая  втулочная муфта (рис. 2) является наиболее простой и используется при высокой соосности соединяемых валов и отсутствии перекоса. Она состоит из втулки, соединенной с валами с помощью штифтов (рис. 2, а), шпонок (рис. 2, б), а при больших моментах – шлицами.

а          б  

Рис. 2

 

Глухие муфты соединяют  соосные валы в одну жесткую линию. Применяются в тихоходных приводах. Из различных видов глухих муфт наибольшее распространение получили втулочные и фланцевые муфты.

Втулочная муфта собой втулку, насаживаемую на концы валов рис. 3. Применяется для передачи небольших вращающих моментов. Имеет простую конструкцию, малые габариты и низкую стоимость. Недостатком муфты является неудобный монтаж и демонтаж, связанные с осевым смещением валов или муфты вдоль вала. Материал втулки — сталь 45. Втулочную муфту выбирают по стандарту. Шпоночное соединение проверяют на прочность.

 

 Рис 3. Втулочная муфта

 

Втулки изготавливают  из различных материалов, но чаще из тех же марок сталей, что и валы. Рекомендуют следующие соотношения  между наружным D и внутренним d диаметрами D = 1,5d. Длина посадочной части втулки на каждом валу ℓ1 = (1 … 1,5)d; общая длина муфты ℓ = (2,25 … 3)d, диаметр штифта dш = (0,2 … 0,25)d.

Для соединения втулки с  валом рекомендуют посадки с  нулевым зазором типа H/h или переходные типа H/k.

Расчет таких муфт сводится к расчету штифтов (шпонок) на сдвиг.

Размеры втулочных муфт стандартизированы.

Фланцевая муфта состоит из двух полумуфт с фланцами, стянутыми болтами рис. 4, причем половина болтов установлена 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 противном 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 40 или сталь 35Л, допускается также чугун СЧ20. Эти муфты выбирают по стандарту и проводят проверочный расчет болтов на прочность.

 

Рисунок 4. Фланцевая муфта

 

Поводковые  муфты различных конструкций (рис. 5, 6) применяют при диаметрах валов 3 … 12 мм. Они допускают небольшие радиальные смещения осей валов. Муфты состоят из полумуфт 1 и 2, закрепленных на валах штифтами. На фланце одной из полумуфт закреплен палец (поводок) 3, входящий в паз второй полумуфты. Палец может быть цилиндрическим и сферическим, последний допускает и перекос осей. Муфта (см. рис. 5) проста по конструкции, но у нее всегда существует мертвый ход за счет зазора Dz между пальцем и пазом. При расстоянии r между осями вала и пальца величина мертвого хода в угловых минутах Dj = 3438 Dz/r. Чтобы уменьшить в вале радиальную изгибающую нагрузку, рекомендуют применять муфты с двумя пальцами, расположенными симметрично относительно оси валов.

В точных передачах применяют  поводковые муфты (рис. 6), мертвый ход в которых выбирают плоской 4 или винтовой пружиной.

 

   Рис. 5      Рис. 6

 

2.2. Жесткие компенсирующие муфты

 

Жесткие компенсирующие муфты относятся к постоянным муфтам и предназначены для соединения валов с компенсацией радиальных рис. 7, осевых рис. 8 и угловых рис. 9.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.

Рис. 7. Виды смещений валов

 

Зубчатая  муфта рис. 8 состоит из двух обойм 1 с внутренними зубьями эвольвентного профиля, которые зацепляются с зубьями втулок 2, насаживаемых на концы валов. Обоймы соединены между собой болтами, поставленными в отверстия без зазора. Втулки и обоймы изготовляют из стали 40 или стали 45Л.

Рис. 8. Зубчатая муфта

 

Зубчатые  муфты компенсируют радиальные, осевые и угловые смещения валов за счет боковых зазоров в зацеплении и обточки зубьев втулок по сфере. Зубчатые муфты широко применяются для соединения горизонтальных тяжело нагруженных валов диаметром d=40...560 мм при окружных скоростях до 25 м/с. Эти муфты надежны в работе, имеют малые габариты. Зубчатые муфты подбирают по наибольшему диаметру концов соединяемых валов и проверяют по формуле:

где Тгост — максимальный вращающий момент муфты по ГОСТ;

Т — вращающий момент, передаваемый муфтой;

К1 =1,1…1,8 - коэффициент безопасности;

К2 =1…1,5- коэффициент условий работы машины.

Цепная  муфта состоит из двух полумуфт-звездочек, имеющих одинаковые числа зубьев рис. 9, охватывающей их общей цепи и защитного кожуха, заполненного пластичным смазочным материалом. Применяются цепи роликовые однорядные и двухрядные, а также зубчатые. Достоинства цепных муфт — простота конструкции и обслуживания, относительно небольшие габариты. При монтаже и демонтаже не требуется осевого смещения узлов.

Цепные муфты имеют  значительные люфты. Поэтому их не применяют  в реверсивных приводах (реверс будет  сопровождаться ударами). Цепные муфты  допускают угловое смещение валов.

    Рис. 9. Цепная муфта

 

2.3.  Упругие  муфты

 

Упругие муфты применяют для амортизации ударных и динамических нагрузок при частых пусках и реверсах механизма.

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, возникающих вследствие неравномерного вращения; допускают сравнительно большие  смещения осей соединяемых валов.

Основные характеристики упругих муфт — жесткость или(обратная ей величина) податливости и демпфирующая способность, т. е. способность превращать в теплоту энергию при деформации упругих элементов муфты.

Упругая поводковая муфта представлена на рис. 10. Она состоит из двух полумуфт 4, 5, закрепленных на валах. В каждой полумуфте закреплено симметрично относительно оси по два цилиндрических пальца (поводка) 1, 2. Между полумуфтами находится упругий элемент 3 из твердой резины, кожи с четырьмя расположенными равномерно по окружности отверстиями, в которые входят пальцы полумуфт. При работе муфты упругий элемент деформируется, амортизирует динамические нагрузки и компенсирует погрешности расположения осей валов. Недостатком муфты является наличие мертвого хода из-за деформации упругого элемента и зазора между пальцем и упругим элементом.

Упругая мембранная муфта (рис. 11) позволяет передавать вращение между валами, имеющими радиальное смещение и перекос осей соответственно до ±0,7 мм и 2°30¢. Вращающийся момент передается с полумуфты 1 на полумуфту 2 с помощью тонкого упругого кольца и мембраны 3. Изготавливают мембраны из стали 65Г, фосфористой бронзы, текстолита и других материалов. Мертвый ход муфты не превышает 6 … 12¢.

Размеры упругих поводковых и мембранных муфт для валов с  диаметром 4 … 5 мм нормализованы.

Рис. 10   Рис. 11

По конструкции упругие  муфты разнообразны. По материалу  упругих элементов они делятся  на две группы: муфты с неметаллическими упругими элементами (обычно резиновыми) рис.12 а — г и муфты с металлическими упругими элементами рис. 13.а — г: а—цилиндрические пружины; б— з меевидные пластинчатые пружины; в — стержни, пластины и пакеты пластин, расположенные по образующей и по радиусу; г — пакеты разрезных гильзовых пружин.

 

Рис. 12. Основные типы резиновых  упругих элементов муфт

 

Рис. 13. Основные типы металлических  стальных упругих элементов муфт

 

Муфта упругая  втулочно-пальцева состоит из двух дисковых полумуфт рис. 14, в одной из которых в конических отверстиях закреплены соединительные пальцы с надетыми гофрированными резиновыми втулками. Материал полумуфт — чугун СЧ20, сталь 35 или 35Л. Материал пальцев — сталь 45.

Вследствие небольшой  толщины резиновых втулок муфта  обладает малой податливостью, компенсируя  незначительные смещения валов. Радиальное и угловое смещения валов снижают  долговечность резиновых втулок, нагружая валы дополнительной радиальной изгибающей силой. Муфта широко применяется  для соединения машин с электродвигателями при передаче малых и средних  вращающих моментов. Она проста в  изготовлении. Наружная поверхность  полумуфт может использоваться в  качестве тормозного барабана. Муфту  подбирают по стандарту в диапазоне  диаметров валов d=16...150 мм.

 

Рис. 14. Муфта упругая втулочно-пальцевая

 

Муфта упругая со звездочкой состоит рис.15 из двух полумуфт 1с  торцовыми кулачками и резиновой  звездочки 2, зубья которой расположены  между кулачками. При передаче момента  в каждую сторону работает половина зубьев.

Муфта компактна и надежна. Применяется для соединения быстроходных валов.

Рис. 15. Муфта упругая со звездочкой

 

Муфта упругая с торообразной оболочкой состоит из двух полумуфт рис. 16, упругой оболочки, по форме напоминающей 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.