24.4.4.Компенсирующие муфты

Зубчатая муфта (ГОСТ 5006-55) относится к подгруппе компенсирующих, нерасцепляемых муфт. Компенсирующие муфты предназначены для соединения валов с небольшими смещениями их осей, вызванными неточностью изготовления, монтажа и упругими деформациями. Эта муфта не смягчает толчков и поэтому относится к подгруппе жестких муфт. Зубчатая муфта состоит из двух втулок с внешними зубьями и надетой на них обоймой с внутренними зубьями.

Зубчатые втулки 2 (рис. 24.6) насаживают на концы валов, а обоймы 1 стягивают винтами. Зубья втулок и обоймы имеют эвольвентный профиль. Зубчатые муфты обладают большой несущей способностью (до 100000 Нм), т.к. одновременно в муфте работает большое число зубьев. Соединяют валы Ø 40…560 мм. Допускают значительные частоты вращения (V_скр≤ 1^º). При большом угловом смещении на валы начинает действовать изгибающий момент, величина которого может достигать 0,1 М_кр.

Рис. 24.144. Конструкция муфты зубчатой

Детали муфты изготавливают из стали 40. Зубья втулок закаливают до твердости HRC 40, а зубья обойм до HRC 35. Зубьям придают бочкообразную форму. Число зубьев каждого венца Z = 30…80.

Для уменьшения износа зубьев в муфту заливают нигрол (смазка большой вязкости). Считается, что нагрузка распределяется равномерно между всеми зубьями и что контакт происходит по всей длине зуба (в) и рабочей высоте (h).

Основным критерием работоспособности муфт является износостойкость зубьев. Условие износостойкости:

где Р – давление на поверхности зубьев, Н/мм;

в – длина зуба, мм;

Д_γ = m · z – делительный диаметр, мм;

[р] = 15 Н/мм² – допускаемое давление;

М_р – расчетный момент, Н · мм².

здесь К₁ – коэффициент безопасности.

К₁ = 1, если поломка муфты не вызывает аварии;

К₁ = 1,5, если поломка муфты ведет к аварии ряда машин;

К₁ = 1,8, если авария муфты ведет к человеческим жертвам;

К₂ – коэффициент условий работы муфты;

К₂ = 1 спокойная работа;

К₂ = 1,5 – работа с ударами, неравномерно нагруженных и реверсивных механизмах.

Зубчатые муфты широко применяются, особенно в тяжелом машиностроении.

Муфта со змеевидной пружиной состоит из двух полумуфт с зубьями специального очертания, между которыми свободно заложены секции ленточной змеевидной пружины прямоугольного сечения (рис. 24.7). Кожух, состоящий из двух половин, удерживает пружину от выскакивания под действием центробежных сил и служит резервуаром для пластичного смазочного материала, который меняют через каждые четыре месяца.

Муфта надежна в работе и долговечна. Применяется для передачи больших крутящих моментов. Потери в муфте оцениваются КПД, η ≈ 0,98.

Рис. 24.145. Упругая муфта со змеевидной пружиной а) конструкция муфты; б) схема взаимодействия элементов в) упругая втулочно-пальцевая (МУВП)

Назначение упругих муфт – смягчение толчков нагрузки и предотвращение опасных колебаний. Упругие муфты обладают жесткостью (податливостью), а также демфирующей способностью. Муфты могут иметь постоянную или переменную жесткость. Первые имеют линейную характеристику ( , а вторые – нелинейную. Упругие муфты состоят из двух полумуфт и упругих элементов – металлических (стальные пружины) и неметаллических (резиновые втулки).

Муфта упругая втулочно-пальцевая (МУВП) получила широкое распространение, особенно в передачах от электродвигателя (рис. 24.8). Полумуфта (1) и (2) насаживаются на концы валов с натягом с помощью призматических шпонок. Сами муфты между собой соединяются пальцами (3), на которых устанавливаются резиновые кольца (4).

Рис. 24.146. Конструкция муфты упругой втулочно-пальцевой

Полумуфты изготавливают из чугуна СЧ ч1 – 40, пальцы – из нормализованной стали 45, а кольца – из специальной резины. Пальцы проверяют на изгиб по сечению (А – А).

где Д₀ – диаметр окружности на которой расположены пальцы;

Z – количество пальцев;

L_n – длина цилиндрического участка пальца;

d_n – диаметр;

[σ]_u = 80 … 90 Н/мм².

Проверяют также допускаемое давление между пальцами и упругими муфтами:

Допускаемое давление Н/ мм².

Управляемые (сцепные) муфты предназначены для соединения и разъединения валов при малой частоте вращения и на ходу. Различают кулачковые и зубчатые муфты, включаемые без вращения и при низкой частоте вращения и фрикционные, включаемые и выключаемые под нагрузкой.

Для передачи значительных моментов при несчастных включениях, невысоких требованиях к плавности включения применяют и при необходимости осуществления жесткой кинематической связи применяют кулачковые и зубчатые муфты.

Для плавного соединения и разъединения валов под нагрузкой применяют фрикционные муфты.

Кулачковые муфты состоят их двух полумуфт с торцевыми кулачками (выступами), входящими во впадины, между кулачками сопряженной полумуфты.

Включение и выключение осуществляется осевым перемещением одной полумуфты или с помощью скользящей шпонки.

Рис. 24.147. Кулачковая муфта

Обычно для уменьшения износа кулачков перемещают ведомую полумуфту.

Кулачковые муфты требуют весьма точного центрирования валов, что обычно достигают устраивая опору для ведомого вала в расточке ведущего.

Для кулачковых муфт характерно полное отсутствие проскальзывания и небольшие габариты, но их можно включать только при низкой частоте вращения (окружная скорость менее 1 м/с). Включение муфты сопровождается ударами.

На практике применяют следующие основные профили кулачков:

1) треугольный применяется при малых скоростях и моментах. Легко включается, но при передаче больших моментов возможно самовыключение;

2) прямоугольный применяется при высоких моментах, не требует осевого поджатия, но не обеспечивает сцепление без зазора и поэтому плохо работает при реверсивной нагрузке;

3) трапециидальный применяется при высоких моментах и скоростях, занимает промежуточное положение между треугольным и прямоугольным профилем.

В большинстве случаев рабочие (боковые) поверхности кулачков выполняют плоскими, однако в условиях крупносерийного производства кулачки нарезают высокопроизводительным методом огибания на зуборезных станках. При этом боковая поверхность кулачков становится дуговой.

Для удовлетворительной работы кулачковых муфт необходимо обеспечивать высокую твердость кулачков и посадочной поверхности подвижной полумуфты.

Муфты изготавливают из сталей 20Х, 12ХН3А (цементация и закалка до твердости HRС 54-60) или из сталей 40Х, 40ХН, 35 ХГСА с закалкой до HRС 40-45.

Критериями работоспособности кулачковых муфт является прочность и долговечность кулачков по контактным напряжениям и по изгибу.

Условное контактное напряжение в предложении равномерной работы всех кулачков равно:

где Д₀ – средний диаметр окружности кулачков;

Z – число кулачков;

в – ширина кулачка, измеряемая по радиусу;

h – высота кулачка, измеряемая по оси муфты.

[p] = 800 … 1200 МПа – для муфт не включенных на ходу;

[p] = 300 … 400 МПа^- для муфт включенных на ходу.

Номинальное напряжение изгиба у основания кулачков в предположении, что сила приложена к вершине кулачка (неполное включение) равна:

где W – момент сопротивления кулачка изгибу;

k – коэффициент неравномерности кулачков (R = 2 … 5);

n – коэффициент безопасности,

Работа фрикционных муфт (рис. 24.10) основана на использовании сил трения между элементами муфты. Основным достоинством фрикционных муфт является возможность их плавного включения под нагрузкой. Фрикционные муфты очень широко применяются в транспортных машинах, кузнечно-прессовом оборудовании, землеройных машинах.

По форме рабочих поверхностей муфты делят на:

а) дисковые (с плоской рабочей поверхностью);

б) конусные (с конической рабочей поверхностью);

в) цилиндрические шинно-пневматические (с цилиндрической рабочей поверхностью).

По условиям смазки трущихся поверхностей различают сухие и масляные фрикционные муфты. Сухие фрикционные муфты имеют меньшее усилие нажатия поверхностей трения, а муфты, работающие в масле обеспечивают более стабильную величину передаваемого момента.

Основными критериями работоспособности фрикционных муфт являются:

а) прочность сцепления, т.е. способность передавать требуемый момент;

б) износостойкость поверхностей трения;

в) теплостойкость.

Рис. 24.148. Конструкция управляемых фрикционных муфт а) многодисковая муфта; б) пневмошинная муфта; в) конусная муфта

Практические расчеты фрикционных муфт ведут на прочность сцепления и на стойкость рабочих поверхностей по допускаемому давлению.

За расчетный для фрикционной муфты принимают момент, умноженный на коэффициент запаса , а допускаемые давления МПа (сухие муфты) и МПа (для муфт со смазкой).

Крутящий момент, который может передавать дисковая муфта, равен:

где Q – осевая сила сжатия дисков;

β – коэффициент запаса сцепления;

R, r – наружный и внутренний радиусы кольцевой поверхности;

– средний радиус поверхности трения;

[p] – допускаемое давление;

i – число пар поверхностей трения (равное сумме чисел наружных и внутренних дисков вместе с крайними фланцами минус 1).

Потребляемая сила сжатия дисков:

Конусные муфты имеют меньшее усилие сжатия фрикционных элементов и хорошо расцепляются (выключаются).

Включение и выключение конусной муфты осуществляется осевым перемещением одной из полумуфт. Конические поверхности трения позволяют реализовать значительные нормальные давления на поверхности трения, что снижает потребное усилие включения.

Для облегчения расцепления муфты угол наклона образующей конуса α назначается меньше угла трения покоя и составляет 10 … 15^º.

Момент, передаваемый конусной муфтой, равен:

Потребное усилие включения муфты:

Цилиндрические шинно-пневматические муфты. В этих муфтах трение создается между колодками резинового баллона, связанного с одной полумуфтой и цилиндрическим ободом второй полумуфты. Для включения такой муфты в камеру баллона подается сжатый воздух, прижимающий колодки к цилиндрическому барабану.

Шинно-пневматические муфты обладают рядом достоинств:

1. удобство управления;

2) возможность регулирования предельного момента и скорости включения;

3) компенсация осевых, радиальных и угловых смещений (на практике наблюдаются радиальные смещения 2–3 мм);

4) самокомпенсация износа и отсутствие необходимости периодической регулировки;

5) хорошая демифирующая способность (смягчение толчков, гашение крутильных колебаний).

К недостаткам муфты относят высокую стоимость баллона, старение резины, чувствительность муфты к попаданию на резину масла, кислот и щелочей.

Шинно-пневматические муфты принимают в основном в тяжелом машиностроении: в буровых лебедках, в экскаваторах и т.д.