МЕХАНИЧЕСКИЕ МУФТЫ

Приводными муфтами (обычно просто муфтами) называются устройства, служащие для кинематической и силовой связи валов в приводах машин и механизмов. Муфты передают с одного вала на другой крутящий момент без изменения его величины и направления, а также компенсируют монтажные неточности и деформации геометрических осей валов, разъединяют и соединяют валы без остановки двигателя, предохраняют машину от поломок в аварийных режимах, в некоторых случаях поглощают толчки и вибрации, ограничивают частоту вращения и т. д.

При монтаже валов возможны следующие погрешности (несоосность валов, рис. 152): а – радиальное смещение D; б – осевое смещение l; в – угловое смещение d. Указанные погрешности могут существовать одновременно.

Муфты приводов машин классифицируют по многим признакам. По принципу действия муфты подразделяют на четыре класса:

1 – нерасцепляемые (не допускающие разъединения валов при работе машины);

2 – управляемые (допускающие возможность управления муфтой);

3 – самодействующие (автоматически срабатывающие в результате изменения заданного режима работы);

4 – прочие (все муфты, не входящие в первые три класса).

Классы муфт (кроме четвертого) подразделяют на группы (механические, гидроди-намические, электромагнитные), подгруппы (жесткие, компенси-рующие, упругие, предохрани-тельные, обгонные и др.), виды (фрикционные, с разрушаемым элементом и др.) и конструк-тивные исполнения (кулачковые, шариковые, зубчатые, фланце-вые, втулочно-пальцевые и мно-гие другие). В общем случае муфта состоит из ведущей и ведомой полумуфт и соединительных элементов. В механических

Рис. 152

муфтах в качестве соединительного элемента используют твердые (жесткие или упругие) тела. В гидродинамических муфтах функции соединительного элемента выполняет жидкость, в электромагнитных – электромагнитное поле.

В дальнейшем мы будем рассматривать только наиболее распространенные механические муфты, большинство из которых стандартизовано.

Среди нерасцепляемых жестких муфт (рис. 153) наиболее простыми, дешевыми и малогабаритными являются муфты втулочные, относящиеся к подгруппе жестких, не допускающих относительного смещения между ведущей и ведомой частями и не уменьшающих динамические нагрузки. Недостатком этих муфт является необходимость строгой соосности валов и смещения одного из них при монтаже и демонтаже.

ГОСТ предусматривает изготовление втулочных муфт в четырех исполнениях: 1 – с цилиндрическим посадочным отверстием и штифтами; 2 – с призматическими шпонками (4); 3 – с сегментными шпонками (4); 4 – с шлицевым посадочным отверстием.

Втулка 1 муфт исполнений 2, 3 и 4 предохраняется от смещения в осевом направлении установочным винтом 2, который стопорится пружинным кольцом 3. Диапазон номинальных крутящих моментов от 1 до 12 500 Н·м при диаметрах d посадочных концов валов от 6 до

Рис. 153

105 мм. Ограничений по частоте вращения муфта не имеет. Материал втулок – сталь 45.

Жесткая фланцевая муфта (рис. 154) применяется для соединения соосных валов при передаче номинального крутящего момента: стальными муфтами от 16 до 40000 Н·м и окружной скорости до 70 м/с; чугунными муфтами от 8 до 20000 Н·м и окружной скорости до 35 м/с. Диапазон диаметров валов от 12 до 250 мм. При переменной нагрузке и реверсивном вращении значения номинального момента

Рис. 154

уменьшаются. Посадочные отвер-стия для валов могут быть цилиндрическими или коническими. Фланцы полумуфт соединены болтами, из которых половина (через один) ставится с зазором и работает на растяжение. Остальные болты устанавливаются в разверну-тые отверстия без зазора; они осу-ществляют взаимное центрирование полумуфт и работают на срез. Расчет болтов обычно ведут в предположе-нии, что вся нагрузка воспринима-ется болтами, работающими на срез.

Жесткая продольно-свертная муфта (рис. 155) соединяет цилиндрические валы диаметром d=25...130 мм при номинальных крутящих моментах от 125 до 12500 Н·м, передаваемых силами трения. Допускаемое радиальное смещение валов 0,05 мм.

Муфта состоит из двух полумуфт 1, соединенных болтами, полукожухов 2, закрепляемых винтами, и двух фиксирующих полуколец 3. В крупных муфтах дополнительно ставят призматическую шпонку. Достоинство муфты – возможность монтажа без осевого смещения валов.

Рис. 155

Кулачково-дисковая муфта (рис. 156), применяя-емая для соединения валов диаметром от 16 до 150 мм, при номинальных крутящих моментах от 16 до 16000 Н·м без уменьшения динамических нагрузок. Максимальная частота вращения 4 с–1 для муфт с наружным диаметром до 300 мм и 2 с–1 для муфт большого диаметра. Муфта допускает угловое смещение геометрических осей валов до 0°30' и их радиальное смещение от 0,6 до 3,6 мм (в зависимости от диаметра

Рис. 156

вала), поэтому она относится к подгруппе компенсирующих муфт. Посадочные отверстия для валов могут быть цилиндрическими или коническими.

Кулачково-дисковая муфта состоит из полумуфт 1 и 2, плавающего диска 3 и кожуха 4. Пазы на полумуфтах являются направляющими для выступов на диске, обеспечивающих передачу вращающего-момента, но вместе с тем допускающих относительное поперечное смещение полумуфт и диска. Выступы на торцах дискарасположены по взаимно перпендикулярным диаметрам. Для уменьшения трения и износа муфту необходимо периодически смазывать, причем рекомендуются смазочные материалы с противозадирными присадками. Обычно полумуфты и диск изготовляют из углеродистых или легированных (хромистых) сталей.

Для соединения валов, установленных друг к другу под углом до 45°, применяют шарнирные муфты (рис. 157). Основные параметры, конструкцию и размеры малогабаритных шарнирных муфт общего назначения для передачи номинального крутящего момента от 11,2 до 1120 Н·м без смягчения динамических нагрузок регламентирует ГОСТ. Стандарт предусматривает изготовление двух типов шарнирных муфт: одинарных и сдвоенных с промежуточной спаренной вилкой 3. Эти муфты широко применяются в автомобилестроении (карданная передача).

Рис. 157

Шарнирные муфты компенсируют неточность монтажа узлов, деформации рамы и рессор в транспортных машинах, поэтому их можно отнести к подгруппе компенсирующих муфт.

Пространственное изображение одинарной, схематическое и конструктивное изображение сдвоенной шарнирной муфты представлено на рис. 157. Ведущий вал 1 заканчивается вилкой, соединенной с крестовиной 2; вторая перекладина крестовины соединена с вилкой ведомого вала одинарной муфты или со спаренной вилкой 3, если муфта сдвоенная.

У одинарной муфты при равномерном вращении ведущего вала ведомый вал будет вращаться неравномерно. Если муфта сдвоенная, а ведущий вал 7 и ведомый вал 5 параллельны (или образуют равные углы со спаренной вилкой 3), то при равномерном вращении ведущего вала ведомый вал тоже вращается равномерно. Детали шарнирной муфты изготовляются из сталей 20Х и 40Х.

Упругие муфты обладают двумя очень важными свойствами, а именно: демпфирующей способностью, снижающей динамические нагрузки и способностью компенсировать несоосность валов. На рис. 158 представлена упругая муфта со звездочкой, применяемая для соединения соосных цилиндрических валов при передаче номинального крутящего момента от 2,5 до 400 Н·м и уменьшении динамических нагрузок; диаметры валов от 6 до 48 мм, допускает в зависимости от диаметра вала: частоту вращения до 5500 мин^–1, радиальное смещение осей валов до 0,4 мм, угловое смещение до 1°30'.

Муфта состоит из двух полумуфт 1, изготовляемых из стали 35 и резиновой звездочки 2 (с четырьмя или шестью выступами).

Рис. 158

Рис. 159

Упругая муфта с торообразной оболочкой (рис. 159) предназначена для соединения соосных валов и передачи номинального крутящего момента от 20 до 40 000 Н-м, уменьшения динамических нагрузок и компенсации смещений валов диаметром от 14 до 240 мм. Муфта допускает в зависимости от диаметра вала: частоту вращения до 3000 мин–1, осевое смещение до 11 мм, радиальное смещение до 5 мм, угловое смещение до 1°30'. Муфта состоит из двух полумуфт 1, резиновой торообраз-ной оболочки 2, прижатой кольцами и болтами к полумуфтам. Эта муфта

допускает кратковременную перегрузку в 2–3 раза; она проста и надежна в эксплуатации, является лучшей из известных упругих муфт. Посадочные отверстия для валов могут быть цилиндрическими или коническими.

Изображенная на рис. 160 муфта упругая втулочно-пальцевая применяется для соединения соосных валов и передачи номинального вращающего момента от 6,3 до 16 000 Н·м и уменьшения динамических нагрузок; диаметры валов от 9 до 160 мм. Муфта допускает (в зависимости от диаметра вала): частоту вращения до 8800 мин^–1, радиальное смещение осей валов до 0,6 мм, угловое смещение до 1°30'.

Муфта состоит из двух чугунных полумуфт 1, в отверстиях которых закреплены стальные пальцы с надетыми на них кольцами и резиновыми гофрированными втулками 2. Металлический контакт полумуфт отсутствует, что обеспечивает плавную работу муфты и электрическую изоляцию валов.

Посадочные отверстия для валов могут быть цилиндрическими или коническими. Муфта проста в изготовлении и ремонте и получила в машиностроении широкое применение, особенно для приводов от электродвигателей.

Управляемые муфты бывают синхронные (допускающие переключение только при равных или почти равных угловых

Рис. 160

скоростях ведущей и ведомой частей) и асинхронные (позволяющие производить переключение при различных угловых скоростях ведущей и ведомой частей). У асинхронных муфт крутящий момент передается за счет сил трения, поэтому такие муфты называются фрикционными. Они дают возможность плавного сцепления ведущего и ведомого валов под нагрузкой.

Простейшая дисковая фрикционная муфта (рис. 161, а) имеет одну пару поверхностей трения. Левая полумуфта закреплена на ведущем валу неподвижно, а полумуфта, сидящая на ведомом валу, подвижна в осевом направлении (подвижная полумуфта может быть расположена и на ведущем валу). Следует заметить, что фрикционные муфты не допускают несоосность валов. Центровка полумуфт достигается либо их расположением на одном валу, либо с помощью специальных центрирующих колец (рис. а). Для соединения валов к подвижной полумуфте с помощью механизма управления прикладывается осевая сила Q.

Рис. 161

На рис. 161, б показана схема конической фрикционной муфты. Конические поверхности трения позволяют создать на них значительные нормальные давления и силы трения при относительно малых силах нажатия Q. Угол наклона образующей конуса должен быть больше угла трения покоя во избежание самозахватывания муфты.

Конические муфты просты по конструкции, но имеют значительные радиальные габариты, поэтому в настоящее время их применение весьма ограниченно.

Во время включения фрикционной муфты неизбежно проскальзывание трущихся поверхностей, сопровождающееся выделением теплоты. Поэтому фрикционные материалы, применяемые в муфтах, должны быть износостойкими и теплостойкими. Прочность сцепления в муфте зависит от коэффициента трения и его стабильности при изменении скорости скольжения, давления и температуры.

Условие работоспособности (т. е. отсутствия пробуксовывания) фрикционной муфты записывается так:

М_тр ≥ KТ,

где М_mр – момент трения на полумуфтах; K=1,25...1,5 – коэффициент запаса сцепления; Т – крутящий момент, передаваемый муфтой (произведение KT называют расчетным крутящим моментом).