Компенсирующие муфты

Компенсирующие муфты служат для соединения валов с небольшими взаимными смещениями осей, связанных с неточностями изготовления, монтажа и упругими деформациями. В их конструкции предусмотрены некоторые части, имеющие небольшую свободу перемещения, благодаря чему на валы и подшипники не действует нежелательная дополнительная нагрузка, связанная с неточным монтажом.

Зубчатые муфты (рис. 4) применяют для соединения высоконагруженных валов, особенно в тяжелом машиностроении, где передают большие моменты и затруднена точная установка валов. Диаметры валов – от 40 до 200 мм, передаваемый вращающий момент – от 1000 до 63000 Н×м.

Муфта состоит из двух втулок с внешними зубьями и двух обойм с внутренними зубьями. Обоймы соединены жестко с помощью болтов, посаженных в отверстия без зазора. Для повышения износостойкости активные поверхности зубьев выполняют твердыми (45-55 HRC), а внутрь муфты заливают масло.

Рис. 8.4. Зубчатая муфта

Радиальные и угловые смещения осей втулок относительно оси обоймы взаимосвязаны в процессе эксплуатации. Наибольшее угловое смещение может достигать 1,5°, при отсутствии радиального смещения, а наибольшее радиальное смещение – от 1,5 до 6,5 мм (в зависимости от диаметра вала) при отсутствии углового смещения. Следует помнить, что несущая способность муфт резко падает с увеличением углов перекосов.

Для муфт используют эвольвентное зацепление с профильным углом a=20° и коэффициентом высоты h_a^*=0,8. Число зубьев каждого венца 30…56 в зависимости от размера муфты. Центрирование обоймы относительно втулки обычно выполняют по вершинам зубьев втулок. Зубьям втулки придают бочкообразную форму, которая не вызывает концентрации нагрузок на их кромках.

Муфта обладает высокой допускаемой скоростью вращения (окружная скорость на зубьях может быть до 25 м/с, а при точном изготовлении – еще выше). Большое число одновременно работающих зубьев эвольвентного профиля обеспечивают надежность, компактность и высокую нагрузочную способность, но изготовление сложнее, чем изготовление цепной муфты.

Зубчатые венцы обойм могут быть изготовлены из пластмасс (капролона). При этом нагрузка распределяется между зубьями более равномерно, износостойкость – удовлетворительная.

Цепные муфты (рис. 8.5) состоят из двух звездочек (насаженных на соединяемые концы валов и имеющие одинаковый зубчатый венец), охватывающей их цепи и кожуха.

Муфты допускают несоосность валов до 1,2 мм и перекос до 1° (при применении двухрядной роликовой цепи с бочкообразными роликами – до 3…5°). Для предохранения от загрязнения и лучшего смазывания муфты целесообразно закрывать кожухом с уплотняющими элементами. Вращающий момент передается с помощью звездочек и цепи.

Рис. 8.5. Цепная муфта (тип 2)

Основное применение имеют однорядые муфты (тип 1). Применяют также муфты с двухрядной роликовой цепью (тип 2) и с зубчатой цепью.

Достоинства муфт: простота конструкции и обслуживания, надежность, технологичность изготовления, относительно малая масса и габариты, удобные монтаж и демонтаж. Недостаток – наличие окружных зазоров, из-за которых нельзя применять их для реверсивных приводов и приводов с большими динамическими нагрузками.

Муфты применяют для соединения валов диаметрами от 20 до 140 мм при передаче вращающего момента от 63 до 8000 Н×м с частотой вращения 500-1600 мин^-1. Муфты допускают радиальное смещение валов до 1,2 мм и угловое смещение до 1° (при применении двухрядной роликовой цепи с бочкообразными роликами – до 3…5°). Для предохранения от загрязнения и лучшего смазывания муфты целесообразно закрывать кожухом с уплотняющими элементами. Вращающий момент передается с помощью звездочек и цепи.

Консольная сила принимается в долях от F_t – окружной силы на делительном диаметре звездочки:

F_k » 0,25×F_t

Шарнирные муфты (шарнир Гука) (рис. 8.6) предназначены для передачи вращающего момента между валами с взаимным уклоном до 40º, причем угол наклона осей может меняться. Используя сдвоенную муфту можно удвоить предельный угол между валами или передавать движение между параллельными, но смещенными валами (карданова передача). Применяя телескопический промежуточный вал, т.е. вал с изменяющейся длиной, можно изменять смещение валов во время работы.

Рис. 8.6. Шарнирная муфта

Помимо рассмотренных конструкций, на практике применяют поводковые, мембранные и другие муфты.

Упругие муфты

Назначение упругих муфт – снижение динамических нагрузок и предотвращение опасных резонансных колебаний. Кроме того, они допускают некоторую компенсацию неточностей взаимного положения валов. Известны случаи многократного повышения ресурса механизмов, подверженных динамическим нагрузкам, при использовании упругих муфт.

Упругие элементы могут быть металлическими (стальные пружины) или неметаллическими (обычно из резины или полиуретана). Они аккумулируют и частично рассеивают энергию динамических нагрузок. Достоинства упругих элементов из эластомеров:

· способность аккумулировать большее количество энергии на единицу массы, чем пружинная сталь, до 10 раз;

· значительная демпфирующая способность: относительное рассеивание энергии в упругих элементах из резины достигает 0,3…0,8;

· наличие электроизолирующей способности.

Муфты с упругим элементами из эластомеров технологичнее, чем со стальными, но ресурс их значительно меньше. Резина вследствие структурных изменений, ускоряемых внешними воздействиями, постепенно теряет свои упругие свойства.

Упругие муфты просты по конструкции, имеют высокие эксплуатационные качества. К недостаткам следует отнести сравнительно небольшой передаваемый вращающий момент и необходимость сдвига валов или полумуфт при монтаже. Податливость муфты позволяет соединять валы с довольно большими перекосами и смещениями, но при этом упругие элементы получают значительные дополнительные нагрузки и быстро выходят из строя. Кроме того, упругие элементы создают дополнительные нагрузки на валы и их опорные узлы. Их следует учитывать в расчетах подшипников. Поэтому неточность взаимного положения валов не должна быть слишком большой.

Муфты упругие втулочно-пальцевые (МУВП) (рис. 8.7) широко применяется в машиностроении, особенно для приводов от электродвигателей, благодаря легкости изготовления, простоте упругих элементов и удобству их замены пакетами резиновых дисков. По конструкции она схожа с поперечно-свертной муфтой, но вместо болтов в одной полумуфте закреплены стальные пальцы, на которые надеты резиновые втулки. На диске второй полумуфты имеются отверстия, в которые входят пальцы с втулками. Толчки и удары смягчаются вследствие деформации резиновых втулок.

Рис. 8.7. Упругая втулочно-пальцевая муфта

МУВП применяется для валов диаметрами 9–160 мм при вращающих моментах 6,3–16000 Н×м. Частоту вращения муфты ограничивают окружной скоростью 30 м/с. Муфта допускают, в зависимости от типоразмера, радиальное смещение осей валов на 0,2–0,4 мм, продольное смещение валов на 10–15 мм и угловое смещение на 1°. Диапазон рабочих температур от –40° до +50°С.

Работоспособность муфты определяется стойкостью втулок.

Приближенно принимая характеристику радиальной жесткости муфты линейной, радиальную силу F_k, вызванную смещением D, можно определить по соотношению F_k=С_р×D, где С_р – радиальная жесткость муфты:

Муфты упругие со звездочкой (рис. 8.8) состоят из двух одинаковых полумуфт, снабженных кулачками, между которыми помещается резиновая звездочка с четырьмя или шестью лепестками. Лепестки звездочки работают на сжатие, поэтому целесообразно придавать им бочкообразную форму. Муфта обладает небольшими радиальными размерами. Компенсирующие свойства, как и у МУВП, невелики.

Рис. 8.8. Упругая муфта со звездочкой

Муфта применяется для соединения валов диаметрами 12–45 мм при вращающих моментах 2,5–400 Н×м. Муфта допускают радиальное смещение осей валов до 0,4 мм и угловое смещение до 1,5°. Диапазон рабочих температур от –40° до +50°С.

Приближенно принимая характеристику радиальной жесткости муфты линейной, радиальную силу F_k, вызванную смещением D, можно определить по соотношению F_k=С_р×D, где С_р – радиальная жесткость муфты (значения по ГОСТ 14084-93):

Муфты с торообразной оболочкой (рис. 8.9) обладают хорошими компенсирующими свойствами, благодаря большой крутильной, радиальной и угловой податливости, угол закручивания может достигать 5°. Она применяется там, где трудно обеспечить соосность валов, хорошо компенсирует динамические нагрузки, но имеет большие диаметральные габариты. Из-за большого угла закручивания муфту нельзя применять при реверсивных нагрузках.

Рис. 8.9. Муфта с торообразной оболочкой

В соответствии с ГОСТ Р 50892-96 муфты изготовляют с оболочкой выпуклого профиля и с оболочкой вогнутого профиля.

Муфта с оболочкой выпуклого профиля применяется для соединения валов диаметрами 14–240 мм при вращающих моментах 20–40000 Н×м. Муфты допускают, в зависимости от типоразмера, радиальное смещение осей валов до 5 мм, продольное смещение валов до 11 мм и угловое смещение до 1,5°.

Муфта с оболочкой вогнутого профиля при наибольших диаметрах соединяемых валов, равных 180 мм, допускает осевое (до 9 мм), радиальное (до 6 мм) и угловое (до 6°) смещения полумуфт и может передавать номинальный вращающий момент до 16000 Н×м.

Даже при предельно допустимых для муфты смещениях радиальная сила и изгибающий момент невелики, поэтому при расчете валов и их опор этими нагрузками можно пренебречь.

Описание муфт