книги из ГПНТБ / Поляков В.С. Муфты. Конструкции и расчет
.pdfГлава III
СЦЕПНЫЕ МУФТЫ
Сцепные муфты служат для соединения нлп разъединения валов (на ходу или во время остановки) с помощью специальных управля ющих устройств. Муфты этого вида широко используются там, где требуются частые пуски и остановки, изменение режимов работы, реверсирования, например в тепловозах, автомобилях, прокатных станах, прессах, станках и т. п.
|
|
|
|
А. КУЛАЧКОВЫЕ МУФТЫ |
|
|
|
|
|
||||||
Различают |
муфты |
с |
кулачками |
на |
торцевых |
поверхностях |
|||||||||
(рис. |
104, а), |
зубчатые |
(рис. |
104, б) и |
шпоночные |
с |
вытяжной |
||||||||
(рис. |
104, е) |
или |
поворотной |
(рис. |
104, г) шпонкой. |
Кулачковые |
|||||||||
муфты |
|
требуют строгой |
соосности соединяемых валов, которая в |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рассматриваемой |
|
кон |
|||
Размеры кулачковых муфт с прямоугольной |
струкции обеспечивается |
||||||||||||||
центрирующим |
|
коль |
|||||||||||||
формой кулачков (рис. 104, а) |
в мм |
|
цом. Размеры муфт даны |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
G |
в табл. |
33. |
|
|
|
|
d |
|
D |
L |
|
|
Ь |
|
/1 |
Кулачковые |
муфты |
|||||
|
а |
|
С |
в кг |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
создают |
жесткое |
соеди |
|||
35—40 |
100 |
200 |
70 |
|
95 |
5 |
30 |
8 |
нение |
валов, |
|
и |
если |
||
55—60 |
150 |
275 |
90 |
139 |
6 |
40 |
20 |
включение |
их |
произво |
|||||
80 |
|
200 |
350 |
ПО |
182 |
8 |
50 |
45 |
дится на ходу, то повы |
||||||
100 |
|
250 |
435 |
140 |
225 |
10 |
60 |
S9 |
шение угловой скорости |
||||||
125 |
|
300 |
500 |
160 |
260 |
10 |
70 |
142 |
ведомого вала |
до |
ско |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рости ведущего осущест |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вляется |
за |
очень корот |
кий промежуток времени. Включение кулачковых муфт возможно лишь при определенных угловых положениях одного вала относи тельно другого.
Подвижную полумуфту рекомендуется располагать на ведомом валу, что уменьшает износ деталей механизма управления муфтой.
Преимуществами кулачковых муфт по сравнениюсфрикционными являются малые габариты и отсутствие относительного поворота соединяемых валов. Основной недостаток кулачковых муфт — невозможность их включения на ходу при большой разности угловых скоростей ведущего и ведомого вала.
Рис. 104. Разновидности кулачковых муфт
Число кулачков колеблется в весьма широких пределах — от 3 до 60 и более; оно выбирается в зависимости от передаваемого крутящего момента (при данном диаметре муфты число кулачков тем меньше, чем больше крутящий момент) и от желаемого времени включения муфты. Следует иметь в виду, что в передаче крутящего момента участвуют не все кулачки в равной мере. Это вызывается погрешностями изготовления и сборки.
Рис. 105. Формы зубьев кулачковых муфт
Если |
обозначить |
z — число |
кулачков, п — частоту |
вращения |
|||
в об/мин, |
t0 — время |
включения |
муфты |
в секунду, |
то |
|
|
|
|
|
6° |
1 |
|
|
|
откуда |
|
|
60 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
z ~ n t 0‘ |
|
|
|
||
Наиболее распространенные |
формы |
кулачков |
приведены на |
||||
рис. 105. |
|
|
105, а) применяется |
для |
передачи |
||
Треугольный профиль (рис. |
малых крутящих моментов п при малой разности скоростей соединя емых валов. Передача больших крутящих моментов потребовала бы создания больших осевых сил (профильный угол здесь составляет 30—45°), а при больших относительных скоростях соединяемых валов происходит быстрое обмятие вершин зубьев. Основное досто инство треугольного профиля— легкость и быстрота включения, связанная с большим числом кулачков (до 60).
Трапецеидальный профиль (рис. 105, б) обычно применяется при сравнительно больших крутящих моментах и больших относи тельных скоростях вращения соединяемых валов. Число кулачков 2 = 5 -г- 11; угол профиля а = 3 -ь 10°.
Прямоугольный профиль (рис. 105, в) применяется в тяжело нагруженных машинах, а также при ручном включении. Этот профиль не требует постоянной осевой силы прижатия и имеет правильный контакт зубьев по плоскости при неполном их вклю
чении. К недостаткам прямоугольного профиля следует отнести наличие зазоров в соединении, ухудшающих условия работы при реверсивной нагрузке, а также трудность включения.
Несимметричные треугольные и трапецеидальные профили (рис. 105, г и д) применяются только для соединения валов с посто янным направлением вращения. Основное их достоинство — облег ченное включение.
Нередко для облегчения включения муфт с трапецеидальным и прямоугольным профилем кулачков применяют подрезание кулач ков (рис. 105, е).
Прямоугольный кулачок (рис. 105, ж) изготовляют постоянной высоты; кулачок с треугольным профилем должен обязательно иметь уменьшающуюся к центру высоту (рис. 105, з), так как шаг пропорционален радиусу, а профили во всех сечениях подобны.
Кулачки с трапецеидальным профилем изготовляют либо по стоянной высоты, либо с высотой, уменьшающейся к центру. В пос
леднем случае удается обрабатывать обе |
рабочие грани впадины |
за один проход инструмента. Полумуфты |
при этом изготовляют |
с плоскими торцами (рис. 105, и), что уменьшает износ торцов при включении, поскольку кулачки входят в зацепление одновременно по всей ширине, а не углами. Однако в рабочем состоянии контакт кулачков наблюдается не по всей их высоте (за исключением внут реннего диаметра).
'Материалом кулачковых муфт в мало ответственных приводах при включении в состоянии покоя может служить чугун марки СЧ 21—40; в остальных случаях — стали Ст. 5, 15, 20Х и высоколе гированные стали. Стальные кулачки обычно цементируются и закаливаются до твердости HRC 56—62.
Для нормальной работы кулачков должно быть обеспечено надеж ное направление подвижной полумуфты на валу. Это достигается достаточно длинной втулкой полумуфты и скользящей или ходовой ее посадкой на вал. Перемещение подвижной полумуфты должно осуществляться по шлицам или, по крайней мере, по двум направ ляющим диаметрально расположенным шпонкам. Длина втулки обычно берется Зг (1,5 -г- 2) à, где d — диаметр вала.
Работоспособность кулачков определяется напряжениями смя тия на контактных поверхностях и изгибающими напряжениями.
В предположении, что в передаче нагрузки участвуют равно мерно все кулачки и что давление равномерно распределяется по поверхности каждого кулачка (подробно см. [57]), можно написать следующие приближенные расчетные зависимости:
9/Мрасч
* JVi
°Гсм_ dcpzF
И
2MpaC4/t
СТ,І= Wdcpz '
где F — площадь проекции опорной поверхности кулачка на диа метральную плоскость в см2; h — высота кулачка в см; W — момент сопротивления основания кулачка в см2; Мросч — расчетный кру тящий момент в кгс -см; dcp — средний диаметр муфты (по кулачкам).
Рекомендуются следующие допускаемые значения [о1сп для стальных термически обработанных (цементация п закалка) кулач
ков [671: для муфт при включении в состоянии |
покоя |
[olCM= |
|
= 900 |
-т- 1200 кгс/см2; при включении на тихом ходу 1ст]см = |
500 -ь |
|
-ь 700 |
кгс/см2; при включении на быстром ходу |
[а1см = |
350 -f- |
-r- 450 |
кгс/см2. |
|
|
Допускаемые напряжения на изгиб выбираются в зависимости от материала муфты.
Расчетный крутящий момент обычно берется равным
Мросч — 1 ,ЗМкр,
где М кр — максимальный крутящий момент, передаваемый муфтой при установившемся движении.
В ответственных случаях производится уточненный расчет по динамическому моменту [671.
Сила включения муфты определяется из следующей зависимости:
2М рпсч |
|
Q' = *ср г ~d |
tg (a —P) , |
где /' — коэффициент трения по валу; d — диаметр вала в см; а — угол наклона рабочей грани кулачка (рис. 105); р — угол трения на контактных поверхностях кулачков (tgp = f).
Самовыключение муфты возможно при
t g a > / ( l + ~ ] ,
если принять f — f. |
равна |
||
Сила |
включения |
муфты |
|
|
Q |
2М расч |
|
|
~~d |
r ^ E+ .tg (a + p) • |
|
|
|
ср |
|
Обычно |
принимают |
/' = f |
= 0,15 -ь 0,20. |
Б.ФРИКЦИОННЫЕ МУФТЫ
1.Общие сведения
Фрикционные муфты нашли широкое применение в приводах раз личных машин в качестве сцепных муфт.
Фрикционные муфты осуществляют передачу крутящего момента от ведущего вала к ведомому при помощи сил трения, создаваемых на контактных поверхностях сцепляющихся частей муфты.
Рис. 106. Конусные муфты
Рис. 107. Дисковые муфты
Рис. 108. |
Колодоч |
Рис. 109. Муфта с разжимным |
ная |
муфта |
кольцом |
В нерабочем состоянии муфты контактные поверхности не нахо дятся в сцеплении. Включение муфты производится прижатием друг к другу указанных поверхностей, а выключение — их разъеди нением. В период включения происходит взаимное скольжение контактных поверхностей, которое прекращается после уравнива ния угловых скоростей ведомой п ведущей частей. Некоторое про скальзывание возможно во время работы муфты при внезапном возрастании крутящего момента.
Изменением силы сжатия трущихся поверхностей можно легко регулировать силу трения. Поэтому фрикционные муфты обеспе чивают плавное сцепление (пуск машины) при любой разности угло вых скоростей ведущего н ведомого валов.
Плавное включение муфт позволяет избежать больших динами ческих нагрузок и шума при пуске. Применение этих муфт в транс портных машинах предохраняет человека от инерционных пере грузок. Наконец, фрикционные муфты дают возможность регули ровать время разгона ведомых частей п наибольший крутящий момент, передаваемый муфтой. Это позволяет использовать муфту в качестве предохранительного звена. Фрикционные муфты не пригодны в тех случаях, когда требуется строгое совпадение угло вых скоростей соединяемых валов, так как при проскальзывании муфты это условие нарушается.
По направлению перемещений сцепляющихся элементов муфты делятся на осевые (конусные, рис. 106 и дисковые, рис. 107) и ради альные (колодочные, рис. 108; ленточные и с разжимным кольцом,
рис. 109). |
по рис. 109 муфта включения 1 через рычаги |
|
В конструкции |
||
2 и 6 разжимает |
разрезное кольцо 4, |
благодаря чему соз |
дается необходимый момент трения между |
ведущей 3 и ведомой 5 |
|
полумуфтамн. |
|
|
Дисковые муфты имеют наибольшее применение по сравнению с другими типами фрикционных муфт. Это объясняется тем, что они обеспечивают передачу больших крутящих моментов при относи тельно небольших габаритах и силах, требуемых для прижатия поверхностей сцепления. Это достигается использованием в диско вых муфтах нескольких пар поверхностей трения.
Преимущество конусных муфт — простота конструкции и мень шее осевое усилие по сравнению с однодисковой.
Муфты радиального действия имеют значительно меньшее рас пространение из-за сравнительно большой сложности и больших га баритов.
Следует отметить, что некоторые типы колодочных муфт не так чувствительны к перекосам соединяемых валов, как, например, конусные, которые требуют тщательной выверки соосности валов.
В зависимости от отсутствия или наличия смазки на поверхно стях трения различают сухие и масляные муфты. Сухие фрикцион ные муфты должны быть защищены от попадания смазки, а масля ные—должны обеспечиваться обильной смазкой. В последних фрик
ционные поверхности работают в масляной ванне, что обеспечивает постоянство коэффициента трения и, следовательно, постоянную величину передаваемого крутящего момента.
2. Процессы сцепления и расцепления
Фрикционные муфты могут быть нормально разомкнутыми и нормально замкнутыми. Последние применяются значительно реже, чем первые, когда требуются лишь кратковременные включения (например, в автомобилях, тракторах и др.). В этом случае рабочие поверхности муфты нормально сжаты и принудительно размыка ются лишь при включении.
Рассмотрим процесс включения фрикционной муфты первого вида. Первоначально ведущий вал вращается, ведомый же непод вижен. Включение муфты производится прижатием контактных поверхностей друг к другу. При этом сила и момент трения между сцепляющимися деталями муфты возрастает от нуля до некоторого максимума, определяемого наибольшим передаваемым крутящим моментом. Когда момент трения станет больше момента сил сопро тивления, приложенного к ведомому валу, последний начнет вра щаться с некоторым ускорением до тех пор, пока скорости обеих
частей |
привода не сравняются. После этого оба вала |
продолжают |
|||
вращаться с одинаковой угловой скоростью. |
|
|
|||
До |
установления |
общей |
скорости имеет место взаимное |
||
скольжение контактных поверхностей. При этом |
работа |
тре |
|||
ния преобразуется в тепло и происходит нагрев |
рабочих |
эле |
|||
ментов |
муфты. |
|
|
|
|
В процессе сцепления следует различать время сцепления и |
|||||
включения. Время |
включения |
муфты— это время |
нарастания |
силы сжатия (соответственно, момента трения) сцепляемых частей от нуля до максимума. Время сцепления — время, отсчитываемое от начала включения, за которое угловая скорость ведомого вала достигает скорости ведущего вала. В зависимости от конструкции муфты, величины передаваемого ею крутящего момента и момента инерции приводимых масс отношение времени включения к вре мени сцепления может изменяться от величины, близкой к нулю, до единицы или даже больших.
С достаточной для практики точностью принимают, что усилия сжатия контактных поверхностей и момент трения в муфте пропор циональны времени, отсчитываемому от начала включения. Это равносильно предположению о постоянстве коэффициента трения на трущихся поверхностях и постоянстве скорости включения муфты. При этом допущении зависимость между моментом сил трения и временем изобразится графиком ОВС (рис. ПО). На ри сунке обозначены:
М,„ах — наибольший момент трения в муфте в кгс-м; Мс — момент сил сопротивления в кгс-м; Мт — текущая величина момента трения в кгс -м;
t — текущая величина времени в с, отсчитываемая от начала включения муфты;
/вкл — время полного включения муфты в с; іс — время в с, при котором момент Мт достигает значения /Ис; ісц — время сцепления муфты в с.
Как уже упоминалось, в зависимости от характеристики муфты и конкретных условий /сц может быть больше или меньше, чем время tnKJI. В процессе включения и сцепления муфты следует различать три периода (рис. ПО).
Мт,кгс-м
Рис. ПО. Зависимость крутящего момента Л4Тот времени в процессе включения муфты
В первом периоде: |
0 < t |
^ /с; 0 < |
УИТ ^ |
Мс; |
M max; |
||
во |
втором |
периоде: |
tz < |
t < /пкл; |
Мс < |
М т< |
|
в |
третьем |
периоде: |
t > |
tm.„ ; М у = Mmax = |
const. |
В течение первого периода вращается только ведущий вал; ведомый вал неподвижен. Во втором периоде ведомый вал полу чает разгон. Если угловые скорости ведущего и ведомого валов не сравняются в течение второго периода (/СТ1< /ш(.,), то разгон ведомого вала продолжается и в третьем периоде (/с11> ^вкл).
Добавочно |
введем |
следующие |
обозначения: |
|
||
J — момент |
инерции |
ведомых частей машины, приведенный в |
||||
муфте, |
в кгс • м • с2; |
|
|
|
||
юд — угловая |
скорость ведущего вала (двигателя) в 1/с; |
|||||
© — текущее |
значение угловой |
скорости ведомого вала в 1/с; |
||||
А т — работа трения |
в |
кгс -м, т. е. |
работа, совершенная |
моментом |
||
трения |
М г за |
время |
/сц на |
пути скольжения и |
полностью |
|
преобразованная |
в |
тепловую энергию; |
|
kкоэффициент пропорциональности между временем и кру тящим моментом:
Л ! . .
M~s = ki, k--
Допустим также, что угловая скорость шд ведущего вала в про цессе сцепления остается постоянной. Это допущение приближенно справедливо для приводов с асинхронными двигателями, а также с другими двигателями, в которых обеспечена достаточная равно мерность вращения.
Кроме того, примем, что момент сил сопротивления Л4Сна ведо мом валу в процессе сцепления муфты также не изменяется Mc=const. Тогда имеют силу следующие зависимости для определения работы
трения и |
времени |
сцепления: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
л |
I |
2 'л^ |
1 Г |
2/сод , |
МБіОд |
|
|
/1N |
|
|
Лт= — |
-ЬуУИсШд (/ — |
+-2J- |
|
|
(1) |
||||
И Л И |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А т= /гСОд |
ф- М тахШЛ о в - f j |
|
|
+ |
(Mmax - |
M J t \ o6 + |
||||
|
|
|
|
-f- k (^вкл |
Q 2 ^доб |
J |
T û)A |
(2) |
||
|
|
|
|
2 1 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
где |
|
t |
- МЛ |
MR |
, . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
Iг |
t_ = |
|
*вкл> |
|
|
|
|
|
|
|
|
ь = |
M |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
‘BK |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
R |
m max |
|
|
|
|
|
|
|
|
f |
__ 2У ( О д |
k ( І вкл |
/с)2 |
|
|
|
|
|
|
|
Д°б |
2 ( М П1ах- / И с) |
• |
|
|
|
|
Формула (1) относится к случаю, когда время ^сц меньше или равно времени іІІКЛ (рис. ПО); формула (2) соответствует случаю, когда tСц > івкл нахождение времени сцепления /сц позволяет опре делить, по какой из формул рассчитывать работу А т.
Время сцепления находится по формуле
|
|
ЛД |
-р/~ 2JМд |
|
|
(3) |
|
или по формуле |
/си |
|
|
|
|
||
Мс |
) . |
|
«/Ид |
|
|||
|
tСЦ |
|
|
||||
|
М |
/ ‘ |
~М |
|
— м |
(4) |
|
|
|
n j max |
/ |
Л ішах |
и с |
|
|
Формула (3) относится к случаю, когда tcn^ |
а формула (4), |
||||||
когда ^сц |
^вкл- |
времени сцепления |
сначала |
рассчитывают |
|||
Для |
определения |
его по формуле (3). Если полученная величина меньше или равна і„кл, то ее и следует принять за истинное значение /си, а величину
Ат можно находить по формуле (1). Если же полученная по формуле
(3)величина больше (вкл, то следует величину ^сц пересчитать по формуле (4), а величину А тсчитать по формуле (2).