Значение и использование муфт

 

Рис. 16. Муфта упругая с  торообразной оболочкой

 

Муфта с цилиндрическими пружинами  сжатия. Одна из конструкций таких муфт показана на рис.17. Пружины 4 установлены па стержни сегментов 5 предварительно сжатыми, чтобы одним концом они опирались на сегменты, принадлежащие полумуфте 3, а другим — на сегменты полумуфты. При передаче вращающего момента осадка половины от общего числа пружин увеличивается, остальных — уменьшается. Сегменты имеют возможность качательного движения на пальцах 2 и изготовляются из износостойких пластмасс или чугуна. Путем подбора пружин жесткость муфты изменяется в весьма широких пределах. Расчет пружин ведут методами сопротивления материалов.

 

Рисунок 17. Муфта с цилиндрическими  пружинами

 

Муфта со змеевидной пружиной состоит из двух полумуфт с зубьями специального очертания, между которыми свободно заложены секции ленточной змеевидной пружины 3 прямоугольного сечения рис.18. Кожух 2, состоящий из двух половин, удерживает пружину от выскакивания под действием центробежной силы и служит резервуаром для пластичного смазочного материала, который меняют через каждые четыре месяца. Материал полумуфт — сталь 40 или 45Л, материал пружин — сталь 65Г. Кожух отливают из чугуна СЧ15. Муфта со змеевидной пружиной достаточно податлива. Муфта надежна в работе и долговечна. Применяется при передаче больших вращающих моментов.

 

Рис. 18. Муфта со змеевидной пружиной

 

3. 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.

С помощью управляемых, называемых также сцепными, муфт можно в процессе работы соединять и разъединять  валы.

Муфты с ручным управлением  в дистанционно управляемых системах, системах автоматики, различных приводах периферийных устройств ЭВМ практически  не применяются. При этом используют муфты управляемые дистанционно с помощью электрических сигналов малой мощности.

Из управляемых сцепных  муфт наиболее применимы электромагнитные фрикционные и порошковые, обладающие высоким быстродействием и возможностью регулирования передаваемого момента. Эти муфты используются дополнительно  в качестве предохранительных и  тормозных устройств.

 

Кулачковые  муфты состоят из двух полумуфт с кулачками на торцовых поверхностях рис. 19. При включении кулачки одной полумуфты входят во впадины другой, создавая жесткое сцепление. Для переключения муфты одна полумуфта передвигается вдоль вала по направляющей шпонке или шлицам с помощью механизма управления муфтой.

Кулачковые муфты просты в изготовлении и малогабаритны. Применяются в механизмах, где  должно быть обеспечено постоянное передаточное число (металлорежущие станки), а также  при передаче больших вращающих  моментов, когда переключения производят редко.  

Недостаток кулачковых муфт — невозможность включения на быстром ходу. Во избежание ударов и повреждения кулачков включение  муфты производят без нагрузки. Основные элементы муфт — кулачки различных  профилей рис. 20 : прямоугольного (а), трапецеидального (б), треугольного (а) соответственно для больших, средних и малых нагрузок.

 

Рис. 19. Кулачковая муфта

 

 

Рис. 20. Профили кулачков муфт сцепления

 

Фрикционные муфты служат для плавного сцепления валов под нагрузкой на ходу при любых скоростях. Передача вращающего момента осуществляется силами трения между трущимися поверхностями деталей муфты рис. 21.а—в. 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 Р. При установившемся движении проскальзывание отсутствует, муфта замыкается, и оба вала вращаются с одной и той же угловой скоростью. В момент перегрузок фрикционные муфты пробуксовывают, предохраняя машину от поломок.

 

Рис. 21. Фрикционные муфты

 

По форме поверхности  трения фрикционные муфты рис.21 делятся на дисковые (а), конусные (б) и цилиндрические (в).

По условиям смазывания муфты  бывают масляные и сухие.

Масло служит для уменьшения износа, улучшения расцепления рабочих  поверхностей и отвода теплоты. В  муфтах, работающих в масле, трущиеся детали изготовляют из закаленной стали. В сухих муфтах применяют пары трения — сталь или чугун по фрикционному материалу (накладки из асбестопроволочной прессованной ткани — ферродо, фрикционные пластмассы, металлокерамическое покрытие и др.).

В современном машиностроении применяются различные конструкции  фрикционных муфт, среди которых  наибольшее распространение получила многодисковая муфта.

Многодисковая фрикционная муфта состоит из двух полумуфт в виде корпуса / и втулки 3, дисков 4 и 5 и нажимного механизма 2 рис. 22. 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. Толщину стальных дисков принимают 1,5...2,5 мм для масляных и 2,5...5 мм для сухих муфт. Зазор между дисками выключенной муфты 0,2...1,5 мм в зависимости от материала поверхностей трения. Число ведущих дисков выбирают не более 11, так как нажимная сила Р на последние диски постепенно уменьшается вследствие трения зубьев дисков в пазах полумуфт.

Все диски в муфте должны быть параллельными и соосными во избежание их местного повышенного  износа и нагрева. По этой причине  ведущие и ведомые диски устанавливают  на одной полумуфте, расположенной  на ведомом валу, при этом число  пар трущихся поверхностей четное, а число всех дисков — нечетное. Многодисковые муфты имеют малые  габариты, что важно для быстроходных механизмов.

Эти муфты с механическим управлением применяют для передачи малых и средних вращающих  моментов. При передаче больших моментов многодисковые фрикционные муфты  снабжают пневматическим, гидравлическим или электромагнитным дистанционным  управлением, широко применяемым в  современном станкостроении.

Рис. 22. Многодисковая фрикционная муфта

 
 
Основным критерием работоспособности  фрикционных муфт является износостойкость  трущихся поверхностей. Поверхности  трения дисков проверяют на износостойкость  по значению давления.

 

 

 

Управляемые муфты

 

Управление электромагнитом  кулачковых (зубчатых) муфт связано  с рядом трудностей, обусловленных  плавным сцеплением и расцеплением полумуфт, что возможно только при  равенстве их угловых скоростей. Наиболее широко используются фрикционные  электромагнитные муфты. Они обеспечивают плавное сцепление и расцепление валов при любых скоростях. В этих муфтах для соединения валов используются силы трения между поверхностями полумуфт. Принципиальные схемы фрикционных муфт показаны на рис. 7. Левые полумуфты закреплены на валах неподвижно, а правые являются подвижными (шлицевое, шпоночное соединение) или имеют подвижные элементы. В зависимости от формы рабочих поверхностей различают фрикционные муфты: дисковые – однодисковые (рис. 7, а) и многодисковые (рис. 7, б); конусные (рис. 7, в).

Многодисковые муфты получили наибольшее распространение благодаря  плавности включения, небольшим  габаритам при передаче больших  моментов. Оптимальное число дисков 6 … 10.

В конусных муфтах (см. рис. 7 в) угол a не должен быть меньше угла трения для предотвращения заклинивания и облегчения расцепления, для металлических поверхностей a ³ 8 … 15°.

 

в

б

а

Рис. 7

 

Необходимая сила прижатия дисков

Q = (T / Rcp)∙f∙n ,         (1)

где Т – передаваемый муфтой момент; Rcp – средний радиус поверхностей трения; n – число поверхностей трения; f – коэффициент трения, принимаемый для стали по металлокерамике f = 0,1 … 0,4, для стали по стали при наличии смазки f = 0,08.

Осевая сила включения  конусной муфты

Q = (T∙sina/Rcp)∙f.        (2)

Для повышения коэффициента трения рабочие диски изготавливают  из фрикционных материалов на основе металлических порошков.

Сила прижатия дисков или  конусов создается электромагнитом, встроенным в левую полумуфту, на обмотку которого подается напряжение через скользящие контакты – кольца и счетки.

Конструкции многодисковых  фрикционных муфт нормализованы. Их используют при мощностях до 250 Вт и частотах вращения до 4000 об/мин, время срабатывания 28 … 200 мс. Однодисковые муфты проще по конструкции, но габариты их сравнительно велики.

Порошковые  муфты отличаются малой инерционностью, быстродействием (время срабатывания 5 … 50 мс), возможностью управлять передаваемым моментом и независимостью величины передаваемого момента от скорости.

Муфта состоит (рис. 8) из трех основных частей: неподвижного корпуса 1 и двух полумуфт 2, 3. Полумуфты свободно вращаются внутри корпуса. Пространство между полумуфтами заполнено  ферромагнитной массой 4 в жидком или порошкообразном виде (смесь из мелкодисперсных частиц карбонильного железа и наполнителя в виде талька или графита). Катушка 5 электромагнита располагается в одной из полумуфт или в корпусе.

 

   

Рис. 8   Рис. 9

 

Если электромагнит не включен (при нулевой напряженности  магнитного поля), то вязкость ферромагнитной массы 4 небольшая и полумуфты механически не связаны. При подаче сигнала управления на катушку электромагнита и прохождении магнитного потока через рабочие зазоры ферромагнитные частицы намагничиваются и располагаются вдоль силовых линий. Вязкость ферромагнитной массы увеличивается, механически связывая полумуфты. При увеличении интенсивности магнитного поля растут вязкость массы 4 и величина передаваемого момента. Жидкостные муфты работают плавнее, чем порошковые, но требуют более совершенных уплотнений.

Конструкции порошковых муфт нормализованы (серия БПМ) и подбираются  по передаваемому моменту и частоте  вращения вала.

Использование пьезокристаллических муфт позволяет увеличить быстродействие при соединении валов до 0,2 мс, что особенно важно в системах управления, обработки информации. Принцип их действия основан на изменении размеров пьезокристалла под действием постоянного тока (рис. 9). При подводе постоянного тока к кристаллам 1 происходит увеличение размеров полумуфты 2, выборка зазоров между ней и полумуфтой 3 и передача вращения за счет сил трения.

Зазор между полумуфтами  ограничивается микронными изменениями  размера кристаллов. Отсюда высокие  требования к точности взаимного  расположения осей соединяемых валов, к точности изготовления элементов  муфты и наличие вследствие малых  зазоров между полумуфтами тормозного момента при нулевом сигнале  управления.

 

Самоуправляемые муфты

 

Самоуправляемые муфты служат для автоматического разъединения (соединения) валов в тех случаях, когда передаваемый валом момент или скорость превышает заданную условиями эксплуатации величину. Рассмотренные  фрикционные сцепные муфты (см. рис. 7) могут быть использованы в качестве самоуправляемых по величине передаваемого момента. В этих муфтах при перегрузках будет происходить проскальзывание полумуфт с автоматическим разъединением валов.

Центробежная  муфта прямого действия (рис. 10, а) применяется для автоматического сцепления валов, а центробежная муфта обратного действия (рис. 10, б) – для автоматического расцепления валов. Полумуфты 1 и 2 соединяются с помощью колодок 3, которые могут поступательно перемещаться в полумуфте 1.

б

а

Рис.10

 

В муфтах прямого действия колодки удерживаются силами упругости  Fпр пружин растяжения в полумуфте 1. При вращении вала с полумуфтой 1 со скоростью w на колодки действуют центробежные силы инерции Fn = mrw2, где m – масса колодки, r – расстояние от центра масс колодки до оси вращения полумуфты 1. При увеличении скорости вращения сила инерции преодолевает силу упругости пружины и прижимает колодку к полумуфте 2 с силой N = Fn – Fпр, создающей трение между полумуфтами. При моменте трения Мтр = Fтр· r = (Fn – Fпр)r, превышающем момент сопротивления, происходят передача вращательного движения от полумуфты 1 к полумуфте 2 и соединение валов.

В муфтах обратного действия (см. рис. 10, б) расцепление валов происходит при скорости, когда сила инерции (Fn) колодки ставится равной силе упругости пружины (Fпр) и отжимает колодку от полумуфты 2.

Обгонная  муфта (рис. 11) передает движение только в одном направлении. Она состоит из ведущей 1 и ведомой 2 полумуфт, шариков (роликов) 4.

Принцип работы обгонных муфт состоит в следующем. Полумуфта 1 жестко закреплена на ведущем валу. При его вращении по часовой стрелке  шарики 4 под действием сил пружин 3 и сил трения вкатываются в  узкую часть клинового зазора полумуфт и, заклиниваясь, передают вращательный момент от полумуфты 1 к полумуфте 2, свободно сидящей на валу и являющейся зубчатым колесом.

Рис. 11

 

При вращении полумуфты 1 против часовой стрелки шарики выходят  в широкую часть клиновых зазоров  и полумуфты разъединяются, т.е. вращение от вала к зубчатому колесу не передается.

Такие муфты нормализованы. Они обеспечивают бесшумную работу и обладают высокой нагрузочной  способностью.