Муфты в приводе технологических машин

Муфты приводов.

 

 

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.

 

Применение муфт в машиностроении вызвано необходимостью:

- получения длинных валов, изготовляемых  из отдельных частей, компенсации небольших неточностей монтажа в относительном расположении соединяемых валов;

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

- включения и выключения отдельных узлов;

- автоматического соединения  и разъединения валов в зависимости  от пройденного пути, направления  передачи вращения, угловой скорости, т. е. выполнения функций автоматического  управления;

- уменьшение динамических нагрузок.

         Современные  машины состоят из ряда отдельных частей с входными и выходными концами валов, которые соединяют с помощью муфт.

 

Классификация муфт

 

             Многообразие конструкций муфт  усложняет их классификацию. 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.

 

Группы муфт различают  по характеру соединения валов

 

- Муфты механического действия:

а) жесткие (глухие) — практически  не допускающие компенсации радиальных, осевых и угловых смещений валов;

б) компенсирующие — допускающие  некоторую компенсацию радиальных, осевых и угловых смещений валов  благодаря наличию упругих элементов (резиновых втулок, пружин и др.);

в) фрикционные  — допускающие  кратковременное  проскальзывание  при перегрузках.

- Муфты электрического (электромагнитного)  действия.

- Муфты гидравлического или  пневматического действия.

 

             В электрических и гидравлических муфтах, используют принципы сцепления за счет электромагнитных и гидравлических сил. Большинство применяемых муфт стандартизованы. Основной характеристикой при подборе муфт по каталогу или справочнику является передаваемый момент, учитывающий наиболее тяжелое условие ее нагружения.

 

Классы муфт различают  по режиму соединения валов

 

- Нерасцепляемые (постоянные, соединительные) – соединяют валы постоянно,  образуют длинные валы.

- Управляемые (сцепные) – соединяют  и разъединяют валы в процессе работы, например, широко известная автомобильная муфта сцепления.

- Самодействующие (самоуправляемые,  автоматические) – срабатывают автоматически  при заданном режиме работы (обгонные, центробежные, предохранительные).

- Предохранительные муфты, разъединяющие  валы при  нарушении нормальных эксплуатационных условий работы.

- Прочие.

 

По степени снижения динамических нагрузок муфты бывают:

 

- жесткие, не сглаживающие при  передаче вращающего момента  вибрации, толчки и удары;

- упругие, сглаживающие вибрации, толчки и удары благодаря наличию упругих элементов — пружин, резиновых втулок и др.

 

Муфты рассчитывают по  их критериям работоспособности:

- прочности при циклических  и ударных нагрузках, 

- износостойкости, 

- жёсткости.

 

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

 

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 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.

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

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

Многообразие узловых конструкций  машин способствует широкому распространению  муфт в машиностроении.

 

 

                                         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Жёсткие (глухие) муфты

 

С помощью этих муфт осуществляется жесткое соединение валов. Могут быть втулочными или фланцевыми.

 

Втулочная муфта является простейшей из жестких муфт. Она представляет собой втулку, посаженную с помощью шпонок, штифтов или шлицев на выходные концы валов. Втулочные муфты находят применение в тихоходных и неответственных конструкциях машин при диаметрах валов d < 70 мм.

 

Достоинство таких муфт — простота конструкции и малые габаритные размеры; недостатки — необходимость  при монтаже и демонтаже раздвигать концы валов на полную длину муфты, либо сдвигать втулку вдоль вала не менее чем на половину ее длины. Необходимо очень точное совмещения валов, так как эти муфты не допускают радиального или углового смещения осей валов

 

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

 

Фланцевая муфта состоит из двух полумуфт 1 и 2 (рис.4 Фланцевые муфты: а - центровка за счет выступа; б —  центровка кольцом), соединенных  болтами 4. Для передачи вращающего момента используют шпоночные или  шлицевые соединения. Вращающий момент передаётся за счёт сил трения между фланцами, а когда болты вставлены без зазора, то также и болтами. Фланцевые муфты стандартизованы в диапазоне диаметров 12...250 мм и передают моменты  8...45000 Нм. В тяжёлых машинах полумуфты приваривают к валам.

 

Эти муфты называют иногда поперечно-свертными. Для лучшего центрования фланцев  на одной полумуфте делают кольцомкруговой  выступ, на другой — выточку того же диаметра (рис а) или предусматривают центрующее кольцо 3 (рис., б).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).

 

        Компенсирующие  муфты. Конструкции этих муфт несколько сложнее, но они допускают некоторые радиальные и угловые смещения осей валов. Основное назначение этих муфт состоит в том, чтобы компенсировать вредное влияние неправильного относительного положения соединяемых валов. Однако эти  муфты  чувствительны к перекосам. Кроме того, при перекосах валов вследствие трения в зубьях  муфта нагружает валы изгибающим моментом примерно 10% от вращающего. Компенсирующие муфты делятся на жесткие подвижные и упругие (деформируемые).

 

Кулачково-дисковая муфта состоит из двух полумуфт с диаметральными пазами на торцах и промежуточного плавающего диска с взаимно перпендикулярными выступами. В собранной муфте выступы диска располагаются в пазах полумуфт. Кулачково-дисковая муфта применяется для соединения тихоходных валов (до 250 об/мин). Недостаток этих муфт — повышенная чувствительность к перекосам валов. Эти муфты предназначены для компенсации относительно   параллельного   смещения   осей валов. Полумуфты и диски рекомендуется изготовлять из стали 45Л.

Зубчатая муфта состоит из четырех основных деталей: двух полумуфт с наружными зубьями и двух обойм с внутренними зубьями. Обоймы муфты соединены болтами. Зубчатые муфты компенсируют радиальные, угловые и комбинированные смещения валов находят широкое применение в машиностроении.  Эти муфты надежны в работе, имеют малые габаритные размеры. Материал полумуфт и обойм — сталь 40 или 45Л.

Упругая втулочно-пальцевая муфта по конструкции аналогична фланцевой муфте, вместо соединительных болтов у упругой муфты имеются стальные пальцы на которые установлены эластичные (резиновые, кожаные и т. п.) втулки. Эластичные элементы позволяют компенсировать незначительные осевые, радиальные и угловые смещения валов. Упругие втулочно-пальцевые муфты обладают хорошей эластичностью, высокой демпфирующей и электроизоляционной способностью, просты в изготовлении, надежны в работе. Находят широкое применение, особенно для соединения электродвигателей с исполнительными механизмами (машинами). Материал полумуфт — сталь 35, 35Л или чугун СЧ25.

 

Подвижные

 

Допускают соединение валов с повышенным взаимным смещением осей как вызванными неточностями, так и специально заданными  конструктором. Ярким представителем этого семейства являются шарнирные муфты.  Идея муфты впервые предложена Джироламо Кардано в 1570 г. и доведена до инженерного решения Робертом Гуком в 1770 г.. Поэтому иногда в литературе они называются карданными муфтами, а иногда – шарнирами Гука. Шарнирные муфты соединяют валы под углом до 45^о,  позволяют создавать цепные валы с передачей вращения в самые недоступные места. Всё это возможно потому, что крестовина является не одним шарниром, а сразу двумя с перпендикулярными осями.

Упругие муфты

 

Предназначены главным образом  для смягчения (амортизации) ударов, толчков и вибрации. Кроме того, допускают некоторую компенсацию смещений валов.

Главная особенность таких муфт – наличие металлического или  неметаллического упругого элемента. Используются различные упругие  элементы звёздочки,  шайбы,  упругие оболочки, винтовые пружины, змеевидные пружины, сильфоны и т.п. Способность упругих муфт противостоять ударам и вибрации значительно повышает долговечность машин. Муфта с упругой торообразной оболочкой может, фактически, рассматриваться, как упругий шарнир Гука. Она способна компенсировать значительные неточности монтажа валов.

Муфты рассчитывают по допускаемым  давлениям между пальцами и упругими втулками

                P = 2Mвр / (Z∙D∙d∙l) £ [P],

где Z – число пальцев, d – диаметр  пальца, l – длина упругого элемента, D – диаметр расположения осей пальцев. Допускаемое давление обычно 30 МПа.

 

 

 

Сцепные муфты

 

Эти муфты предназначены для  соединения и разъединения валов. Некоторые  типы сцепных муфт позволяют это  делать на ходу, без остановки электродвигателя. Сцепные муфты иногда называют управляемыми. По принципу работы различают кулачковые и фрикционные сцепные муфты.

Кулачковые муфты состоят из двух полумуфт 1 и 2, имеющих кулачки на торцовых поверхностях. Включение муфты осуществляется за счет полумуфты 2, которая может передвигаться вдоль вала по направляющей шпонке или по шлицам. Достоинство кулачковых муфт — простота конструкции и малые габаритные размеры; недостаток — невозможность, как правило, включения на ходу. Рекомендуемый материал кулачковых полумуфт — легированная сталь 20Х или 20ХН (с цементацией и закалкой).

 

Фрикционные муфты в отличие от кулачковых, допускают включение на ходу под нагрузкой. Фрикционные муфты передают вращающий момент за счет сил трения. Фрикционные муфты допускают плавное сцепление при любой скорости, что успешно используется, например, в конструкции автомобильного сцепления. Кроме того, фрикционная муфта не может передать через себя момент больший, чем момент сил трения, поскольку начинается проскальзывание контактирующих фрикционных элементов, поэтому фрикционные муфты являются эффективными неразрушающимися предохранителями для защиты машины от динамических перегрузок.

По конструкции фрикционные  муфты делят на: дисковые (в которых трение происходит по торцевым поверхностям дисков) и цилиндрические (имеющие цилиндрическую поверхность контакта). Наибольшее распространение получили дисковые муфты. Материал для фрикционных муфт — конструкционные стали, чугун СЧ30.

 

Самоуправляемые муфты

Эти муфты предназначены для  автоматического разъединения валов  в зависимости от изменения одного из следующих параметров: вращающего момента — предохранительные муфты, направления вращения — обгонные, и скорости вращения - центробежные.

 

Муфты свободного хода (обгонные) предназначены для передачи вращающего момента в одном направлении (например, для вращения втулки заднего колеса велосипеда). Ролики 3 муфты свободного хода за счет сил трения заклиниваются между поверхностями полумуфт. При уменьшении скорости вращения полумуфты 1 вследствие обгона ролики выкатываются в широкие участки вырезов, и муфта автоматически размыкается.