книги из ГПНТБ / Ковалев Н.А. Теория механизмов и детали машин крат. курс учебник

кондов соединяемых валов (поперечные е, угловые ос, продольные А и их комбинации), т. е. способные выполнять функции упруго-компен- сирующих муфт.

На рис. 15-16 представлена упругая муфта с цилиндрическими пружинами, работающая но первому способу. На рис. 15-17 изобра­ жена муфта с упругой резиновой прослойкой, приклеенной к дискам обеих полумуфт, закрепляемых на концах соединяемых валов. Эта муфта работает по второму способу.

Основную часть нагрузки упругого элемента составляет окруж­ ное усилие, соответствующее передаваемому моменту. Например,

I

для муфты, показанной на рис. 15-16, нагрузка на одну пружину, очевидно, равна

2Мк Q zD пр

где М к — максимальный крутящий момент, передаваемый муфтой; г — число пружин; Д ір — диаметр окружности, на которой располо­ жены пружины.

■ Если под нагрузкой Q пружина получает осадку Я, то муфта допу-

2К

скает закручивание на угол ср = -^—. Чем больше этот угол, тем ниже ^Пр

частота крутильных колебаний ведомого вала и тем меньше проявляется неравномерность вращения.

Резиновый слой муфты, изображенной на рис. 15-17, под действием передаваемого момента М к испытывает касательные напряжения кру­ чения тк, величина которых пропорциональна величине Мк. С другой стороны, при несоосности валов в резиновом слое возникнут дополни­ тельные напряжения среза тср, пропорциональные величине несоос­ ности е и тем большие, чем больше жесткость резинового слоя на срез. Таким образом, максимальное напряжение в слое

т = тк + тср = т (М)-Ь т (е).

Чем эластичнее слой, тем меньше дополнительное напряжение, которое вызовет в нем одна и та же деформация от несоосности е.

258

материал упругих элементов различной конструкции при одном и том же характере их деформации может находиться в совершенно различном напряженном состоянии. Например, в одном случае он может испыты­

Рис. 15-20

диаметр D—d определяет размер оправки), s — шаг, равный подъему

260

Чаще всего цилиндрические пружины нагружают силой, действую­ щей вдоль их оси. При этом напряжение кручения в поперечном сече­ нии витка (рис. 15-19, б)

длине развернутого прутка (проволоки), из которого навита пружина

(I Ä ; я DZ)\

где G — модуль упругости второго рода; / р — момент инерции сечения прутка при кручении.

Таким образом,

При выводе выражений (15.7) и (15.8) не принимались во внимание напряжения среза и изгиба, зависящие от величины угла подъема вин­ товой линии. Эти напряжения при Did 8 невелики.

Цилиндрические пружины дают значительную деформацию и под нагрузкой, перпендикулярной к их оси.

На рис. 15-20 представлена листовая рессора. Так как после нагру­ жения изогнутые листы рессоры имеют примерно одну и ту же кри­ визну, их можно мысленно поместить в одной плоскости и рассмат­ ривать как один лист, имеющий ступенчато-меняющуюся ширину. Приближенно заменяя его треугольным листом равного сопротивления, получим

где Е — модуль упругости первого рода.

По отношению к силам, действующим в плоскости размеров L, Ь, рессора ведет себя как жесткое тело.

261

На рис. 15-21 изображен резиновый амортизатор. Слой резины приклеивается к металлическим пластинам и работает на срез. При этом

где а — высота слоя; b — его ширина (размер, перпендикулярный к плоскости чертежа).

Деформация сжатия под действием силы, перпендикулярной к плос­ кости резинового слоя, значительно меньше деформации среза.

Напряжение в упругих элементах в про­ цессе работы машины или сравнительно слабо пульсирует (рессоры автомобилей и железно­ дорожного подвижного состава), или изме­ няется по симметричному циклу (резиновые прокладки колес бесшумного трамвая). В за­ висимости от этого выбирают величину допу­ скаемого напряжения. Для пружин и рессор применяют высокоуглеродистую сталь, с со­ держанием. углерода 0,55-4-0,65%, легиро­

Размеры упругого элемента зависят от произведения QK, где Q — нагрузка элемента, К — соответствующая деформация (так как работа деформации пропорциональна Q)і, а от величины этой работы как раз и зависит необходимый объем упругого элемента).

Например, для цилиндрической пружины из формулы (15.9)

„nd3

^— 8 D Т|{’

Тогда, учитывая выражение (15.10), имеем

Здесь V — объем активной части прутка. Объем, занимаемый всей пружиной, приблизительно пропорционален объему V.

§ 4. МУФТЫ СЦЕПНЫЕ

Большую группу образуют муфты, которые служат для присоеди­ нения (отсоединения) ведомого вала к вращающемуся ведущему, т. е. для изменения структурной схемы кинематической цепи. Если замы­ кание и размыкание (расцепление) такой муфты производится вручную,

2С2

то она называется сцепной. Если оно происходит в зависимости от скорости вращения или от величины крутящего момента, то муфта называется автоматической. Сцепные муфты подразделяются на муфты

зацеплением — кулачковые и зубчатые и муфты фрикционные. Приме­ нение сцепных муфт необходимо при пуске в ход и реверсировании машины во всех тех случаях, когда двигатель должен разгоняться вхо­ лостую (двигатели внутреннего сгорания, турбины) при полной на­ грузке (автомобиль, грузовая лебедка и т. п.).

К у л а ч к о в ы е и з у б ч а т ы е м у ф т ы . Устройство и принцип действия кулачковой муфты поясняет рис. 15-22. Левая полумуфта укреплена неподвижно на ведущем валу, правая с помощью хомутика (на рисунке не показан) и отводки может перемещаться по шпонке или зубцам вдоль ведомого вала. В крайнем правом положении подвижной полумуфты зацепление отсутствует и кинематическая цепь разомкнута. В крайнем левом положении торцовые выступы одной

Вид на npaßyw полумуфту

Рис. 15-22

полумуфты входят в промежутки между выступами второй, образуя жесткую связь. Для облегчения входа в зацепление выступы (кулач­ ки) снабжены направляющими скосами.

Сходны с кулачковыми по принципу действия и зубчатые сцепные муфты,которые в замкнутом положении подобны зубчатому(шлицевому) соединению. Одна из зубчатых полумуфт остается неподвижной, в то время как другая перемещается при замыкании по шпонке или шлицам. Кулачковые и зубчатые муфты требуют хорошего центрирования, достигаемого в большинстве случаев тем, что одна из полумуфт сво­ бодно сидит на валу, с которым жестко скреплена вторая полумуфта.

Недостатком сцепных муфт зацеплением является жесткий удар, в результате замыкания муфты, сопровождающий мгновенное изменение структурной схемы механизма. Величина сил на кулачках муфты, возникающих при этом ударе, зависит от массы деталей, связанных с валами, и крутильной жесткости самих валов. Но при всех условиях во избежание чрезмерных динамических перегрузок разность угловых скоростей соединяемых валов не должна быть значительной.

В некоторых случаях для предварительного выравнивания ско­ ростей соединяемых валов кулачковые или зубчатые сцепные муфты снабжают синхронизаторами, представляющими собой фрикционные муфты, встроенные в муфты зацеплением (рис. 15-23). Первой вклю-

263

чается фрикционная муфта (рис. 15-23, а) и лишь после уменьшения разницы угловых скоростей происходит замыкание зубчатой муфты (рис. 15-23, б).

Ф р II к ц и о н и ы е м у ф т ы. Перейдем к фрикционным сцеп­ ным муфтам. Если довести передачу трением до состояния буксования, когда

то всякая связь между скоростями звеньев механизма исчезнет. На этом основан принцип действия сцепных фрикционных муфт (а также механических тормозов). Эти муфты имеют те же функции, какие присущи кулачковым и зубчатым сцепным муфтам. Однако большая

муфты прекращается. После этого она начинает работать как прессо­ вое соединение.

Наибольшее распространение .получили дисковые фрикционные муфты, устройство которых поясняет рис. 15-24. Корпус полумуфты 1 закреплен на одном из соединяемых валов. На втором валу закреплен корпус второй полумуфты 5. Вдоль ступицы полумуфты 1 скользит по направляющему пазу нажимной диск 2, который давит на пачку фрикционных дисков 3 и 4. Диски 3, как и нажимной диск 2, имеют выступы на внутренней стороне, которые входят в направляющие пазы полумуфты 1. Благодаря этим пазам диски 3 и 2 вращаются вместе с полумуфтой 1. Диски 4 имеют выступы на внешней стороне. Они вхо­ дят в пазы полумуфты 5, так что диски 4 могут вращаться только вместе с этой полумуфтой. Если сила давления на диск 2 равна PN, то момент, вызывающий скольжение на поверхностях соприкосновения дисков 3 и 4 и называемый моментом скольжения муфты, равен

где Dc — средний диаметр фрикционного диска, / — коэффициент трения; г — число трущихся поверхностей.

264

Размеры фрикционной муфты определяются величиной этого момен­ та, так как нормальное давление на поверхностях скольжения должно быть меньше допускаемого:

г N

РЛ'' F [PN1 (15.18)

где F — площадь трения фрик­ ционного диска; F та лDCB, а В — ширина диска; В = 0,5 (DH— DB).

Поэтому из равенства (15.17)* получаем

MF = flP A. ] ^ f - = f[pN]C0V,

(15.19)

где1 V — объем пакета дисков; С0 — коэффициент пропорциональ­ ности (это справедливо, если тол­ щина и ширина диска взяты в опре­ деленной пропорции от Dr).

Как видно из последнего соот­ ношения, объем, а значит и раз­ меры муфты зависят не только от величины передаваемого момен­ та M F, но и от / и [рдф

Величина [рЛ'1 определяется ин­ тенсивностью износа поверхностей трения и нагреванием. С повыше­ нием pN сверх некоторого значения интенсивность износа начинает рез­ ко увеличиваться, меняется и сам характер износа (например, на стальных дисках могут появиться царапины и т. п.). При конструи­ ровании фрикционных муфт, как и в случае фрикционных передач, стремятся подобрать материалы так, чтобы или обеспечить высокое допускаемое поверхностное давле­ ние [рЛ>], или высокий коэффициент трения /. В первом случае приме­ няют фрикционную пару: сталь­ ные диски по стальным, при обиль­ ной смазке поверхностей трения; во втором используют пару: сталь

по накладке из фрикционного материала, например, из ферродо (или другого прессованного материала на основе асбеста), работаю­ щую насухо.

265

Опытом установлено, что [pN] и / в известной мере зависят от началь­ ной скорости скольжения. Соответствующие данные приводятся в спра­ вочниках. Примерные значения для пары сталь по стали при обильной смазке: f = 0,08; [рЛ-] = 0,6 ч- 0,8 Мн/м2 = 6 ч- 8 кгс/см2\ для пары прессованный материал на основе асбеста по стали насухо: / = 0,35; !рд;| = 0,15 ч- 0,25 Мн!м2 = 1,5 ч- 2,5 кгс/см2.

Число дисков в пакете не рекомендуется принимать более 20, так как чем больше их число, тем значительнее разница ввеличине давления на поверхностях крайних дисков. Это является следствием трения выступов сжимаемых дисков о стенки направляющих пазов.

В описанных муфтах для создания силы PN применяется ручное, пневматическое, гидравлическое и электромагнитное нажатие. При ручном замыкании (включении) муфты (см. рис. 15-24) механизм, пере­ дающий давление руки на диски, должен быть самотормозящимся, чтобы при снятии давления с рукоятки включающего рычага муфта оставалась в замкнутом положении. При этом сила нажатия PN продол­ жает создаваться силой упругости звеньев механизма замыкания (например, силой, связанной с деформацией рычагов 6 и валиков 7) и пакета дисков. При размыкании муфты отводка перемещает втулку 8 в крайнее правое положение. Рычаги 6, скользя по конусу втулки, освобождаются от деформации и снимают давление с нажимного диска, чему способствует вспомогательная пружина (на рисунке не показана). Сила PN связана с силой давления Р%, действующей со стороны втулки 8, соотношением

Д р у г и е в и д ы с ц е п н ы х му фт . Наряду с описанными дисковыми фрикционными муфтами применяются другие виды сцепных муфт: шинно-пневматические, порошковые, а также нефрикционные гидравлические и электромагнитные муфты. Последние иногда назы­ вают муфтами скольжения, так как у них угловая скорость ведомого вала и по окончании пуска машины при ее установившейся скорости меньше угловой скорости ведущего. Их не следует смешивать с фрик­ ционными муфтами, имеющими гидравлическое или электромагнитное нажатие.

П р о ц е с с з а м ы к а н и я ф р и к ц и о н н о й м у ф т ы . Чтобы лучше понять характер работы сцепной фрикционной муфты, обратимся к рис. 15-25, изображающему процесс присоединения рабо­ чей машины к двигателю с помощью этой муфты. Из предыдущего ясно, что момент, развиваемый муфтой в период скольжения)

где С — коэффициент пропорциональности; / — коэффициент тре­ ния; Рдг — нормальное давление на поверхностях трения.

Пусть за счет упругой деформации деталей муфты сила нажатия

.Рдг в процессе замыкания постепенно увеличивается в течение времени т2 до полной своей величины. Тогда зависимость момента Мр, переда­

266

ваемого муфтой на ведомый вал, от времени %изобразится графиком, представленным па рис. 15-25, а.

На рис. 15-25, б показана зависимость скорости вращения ведомого вала со2 от времени; сщ — скорость ведущего вала 1. В течение вре­ мени ту момент Мр, развиваемый муфтой, меньше момента М г полезных сопротивлений на ведомом валу 2. Поэтому вал 2 остается в покое. В течение времени т2 —т, момент муфты больше момента нагрузки, т. е. Мр 2> ЛІ2. Этот избыток уравновешивается моментом сил инерции масс, связанных с валом 2, а скорость (оа ведомого вала увеличивается. Начиная с т2, процесс замыкания заканчивается и в дальнейшем раз­ ность М р — М2 остается постоянной. Однако скорости ш2 и сщ еще различны и скольжение продолжается. В момент времени т = тр скорости обоих валов уравниваются, скольжение муфты прекращается

и момент муфты, как и момент, передаваемый прессовой посадкой, становится равным моменту нагрузки (так как теперь величина силы трения покоя, как всякой реактивной силы, определяется величиной активных сил: PF < foPiv)-

Из сказанного ясно, что максимальный момент муфты Мр — С ■\PN], т. е. момент скольжения должен быть больше момента нагрузки. Обыч­ но его выбирают равным КМ2, где К = 1,3 — 2 ,0 , а М2 — номиналь­ ный момент нагрузки. При меньшем К период разгона тр чрезмерно затягивается и увеличивается потеря энергии на нагревание в резуль­ тате длительного скольжения муфты; при большем К увеличивается расчетная нагрузка вала 2, которая равна моменту скольжения Муфты и которая определяет размеры его сечения, необходимые для обеспе­ чения прочности.

М е х а н и ч е с к и е т о р м о з а . По принципу действия весьма сходны с фрикционными муфтами механические тормоза. Их задача состоит в том, чтобы остановить и удержать в покое вал, находящийся под действием сил инерции, а иногда и движущих его сил (т. е. началь­ ная скорость (о2 ф 0, а конечная сщ = 0). Например, необходимо удержать от падения груз, подвешенный на тросе, который наматы­ вается на барабан лебедки, или остановить движущийся по инерции

267