Раздел 15. Муфты приводов.

Общие сведения

В технике муфты — это соединительные устройства для тех валов, концы которых подходят один к другому вплотную или же удалены на небольшое расстояние. Соединение валов муфтами обеспечивает передачу вращающего момента от одного вала к другому. Валы, как правило, расположены так, что геометрическая ось одного вала составляет продолжение геометрической оси другого вала. С помощью муфт можно также передать вращение с валов на зубчатые колеса, шкивы, свободно насаженные на эти валы.

Муфты не изменяют вращающего момента и направления вращения. Не­которые типы муфт поглощают вибрации и точки, предохраняют машину от аварий при перегрузках.

Применение муфт в машиностроении вызвано необходимостью:

- получения длинных валов, изготовляемых из отдельных частей, ком­пенсации небольших неточностей монтажа в относительном распо­ложении соединяемых валов;

- придания валам некоторой относительной подвижности во время ра­боты (малые смещения и перекос геометрических осей валов);

- включения и выключения отдельных узлов;

- автоматического соединения и разъединения валов в зависимости от пройденного пути, направления передачи вращения, угловой скоро­сти, т. е. выполнения функций автоматического управления;

- уменьшение динамических нагрузок.

Современные машины состоят из ряда отдельных частей с входными и выходными концами валов, которые соединяют с помощью муфт (рис.1).

Рис. 1. Принципиальная схема машины

Классификация муфт.

Многообразие конструкций муфт усложняет их классификацию. Простейшая муфта сделана из куска ниппельной трубочки и соединяет вал электромоторчика с крыльчаткой автомобильного омывателя стекла. Муфты турбокомпрессоров реактивных двигателей состоят из сотен деталей и являются сложнейшими саморегулирующимися системами.

Группы муфт различают по характеру соединения валов.

- Муфты механического действия:

а) жесткие (глухие) — практически не допускающие компенсации ради­альных, осевых и угловых смещений валов;

б) компенсирующие — допускающие некоторую компенсацию радиаль­ных, осевых и угловых смещений валов благодаря наличию упругих элементов (резиновых втулок, пружин и др.);

в) фрикционные — допускающие кратковременное проскальзывание при перегрузках.

- Муфты электрического (электромагнитного) действия.

- Муфты гидравлического или пневматического действия.

В электрических и гидравлических муфтах, используют принципы сцепления за счет электромагнитных и гидравлических сил. Эти муфты изучают в специальных курсах. Далее анализируются только механические муфты. Большинство применяемых муфт стандартизованы. Основной характеристикой при подборе муфт по каталогу или справочнику является передаваемый момент, учитывающий наиболее тяжелое условие ее нагружения.

Классы муфт различают по режиму соединения валов.

- Нерасцепляемые (постоянные, соединительные) – соединяют валы постоянно, образуют длинные валы.

- Управляемые (сцепные) – соединяют и разъединяют валы в процессе работы, например, широко известная автомобильная муфта сцепления.

- Самодействующие (самоуправляемые, автоматические) – срабатывают автоматически при заданном режиме работы (обгонные, центробежные, предохранительные).

- Предохранительные муфты, разъединяющие валы при нарушении нормальных эксплуатационных условий работы.

- Прочие.

По степени снижения динамических нагрузок муфты бывают:

- жесткие, не сглаживающие при передаче вращающего момента вибрации, толчки и удары;

- упругие, сглаживающие вибрации, толчки и удары благодаря наличию упругих элементов — пружин, резиновых втулок и др.

Основная характеристика муфты – передаваемый вращающий момент.

Существенные показатели – габариты, масса, момент инерции.

Муфта, рассчитанная на передачу определённого вращающего момента, выполняется в нескольких модификациях для разных диаметров валов. Муфты – автономные узлы, поэтому они легко стандартизируются.

Муфты рассчитывают по их критериям работоспособности:

- прочности при циклических и ударных нагрузках,

- износостойкости,

- жёсткости.

На практике муфты подбираются из каталога по величине передаваемого вращающего момента Т = Т_ВалаK, где Т_Вала – номинальный момент, определённый расчётом динамики механизма (наибольший из длительно действующих), К – коэффициент режима работы.

В приводах от электродвигателя принимают:

- при спокойной работе и небольших разгоняемых массах (приводы конвейеров, испытательных установок и др.) К = 1,15...1,4;

- при переменной нагрузке и средних разгоняемых массах (металлоре­жущие станки, поршневые компрессоры и др.) К= 1,5...2;

- при ударной нагрузке и больших разгоняемых массах (прокатные станы, молоты и др.) К= 2,5...3.

Диаметры посадочных отверстий муфты согласуют с диаметрами концов соединяемых валов, которые могут быть различными при одном и том же вращающем моменте вследствие применения разных материалов и различной нагруженности изгибающими моментами.

Основные типы муфт регламентированы стандартом для некоторо­го диапазона диаметров валов и рассчитаны на передачу определенного момента.

Наиболее слабые звенья выбранной муфты проверяют расчетом на прочность по расчетному моменту Т_р.

Работа муфт сопровождается потерями. По опытным данным при расчетах КПД муфт обычно принимают η = 0,985...0,995.

Многообразие узловых конструкций машин способствует широ­кому распространению муфт в машиностроении.

Жёсткие (глухие) муфты

С помощью этих муфт осуществляется жесткое соединение валов. Могут быть втулочными или фланцевыми.

Втулочная муфта является простейшей из жестких муфт. Она представляет собой втулку 3 (рис.2), посаженную с помощью шпонок, штифтов или шлицев на выходные концы валов 1 и 2.

Рис.2. Втулочная муфта: а — крепление на шпонке; б — крепление штифтом

Втулочные муфты находят применение в тихоходных и неответствен­ных конструкциях машин при диаметрах валов d < 70 мм.

Достоинство таких муфт — простота конструкции и малые габаритные размеры; недостатки — необходимость при монтаже и демонтаже раздви­гать концы валов на полную длину муфты либо сдвигать втулку вдоль вала не менее чем на половину ее длины; необходимость очень точного совме­щения валов, так как эти муфты не допускают радиального или углового смещения осей валов (рис.3).

Материал для изготовления втулки — сталь 45; для муфт больших раз­меров — чугун СЧ25.

Рис.3. Возможные смещения валов

Фланцевая муфта состоит из двух полумуфт 1 и 2 (рис.4), со­единенных болтами 4. Для передачи вращающего момента используют шпоночные или шлицевые соединения. Вращающий момент передаётся за счёт сил трения между фланцами, а когда болты вставлены без зазора, то также и болтами. Фланцевые муфты стандартизованы в диапазоне диаметров 12...250 мм и передают моменты 8...45000 Нм. В тяжёлых машинах полумуфты приваривают к валам.

Эти муфты называют иногда поперечно-свертными. Для лучшего цен­трования фланцев на одной полумуфте делают круговой выступ, на дру­гой — выточку того же диаметра (рис.4, а) или предусматривают цен­трующее кольцо 3 (рис.4, б).

Рис.4. Фланцевые муфты: а - центровка за счет выступа; б — центровка кольцом

Фланцевые муфты могут передавать значительные вращающие момен­ты; имеют широкое распространение в машиностроении. Употребляются для валов диаметром d < 350 мм. Достоинство этих муфт — простота конст­рукции и легкость монтажа; недостаток — необходимость точного совме­щения валов и точного соблюдения перпендикулярности соприкасающих­ся торцовых поверхностей полумуфт к оси вала.

Материал фланцевых полумуфт — сталь 40, 35Л, чугун СЧЗО (для муфт больших размеров).

Болты, поставленные без зазора, могут обеспечивать центровку валов. При постановке болтов с зазором центровка обеспечивается выступом, который воспринимает также все поперечные нагрузки. Центрирующий выступ усложняет монтаж и демонтаж соединения, так как при этом необходимо осевое смещение валов. Для обеспечения техники безопасности выступающие части болтов закрывают буртиками 4. В тех случаях, когда муфта имеет общее ограждение, буртики не делают. Расчет на прочность выполняют для шпоночных соединений и болтов (см. расчет призматических шпонок и расчет болтовых соединений нагруженных в плоскости стыка для болтов поставленных с зазором и без зазора). Установка болтов без зазора позволяет получить муфты меньших габаритов и поэтому применяется чаще.

Наибольшее распространение из этой группы муфт получила зубчатая муфта (рис.4.1). Она состоит из полумуфт 1 и 2 с наружными зубьями и разъемной обоймы 3 с двумя рядами внутренних зубьев эвольвентного профиля (рис. 16.3). Муфта компенсирует радиальные, осевые и угловые смещения валов за счет боковых зазоров в зацеплении и обточки зубьев по сфере. Компенсация несоосности валов сопровождается скольжением зубьев. Для повышения износостойкости зубья подвергают термообработке, а в муфту заливают смазку.

Компенсирующие муфты

Конструкции этих муфт несколько сложнее, но они допускают некоторые радиальные и угловые смещения осей валов. Основное назначение этих муфт состоит в том, чтобы компенсиро­вать вредное влияние неправильного относи­тельного положения соединяемых валов. Однако эти муфты чувствительны к перекосам. Кроме того, при перекосах валов вследствие трения в зубьях муфта нагружает валы изгибающим моментом примерно 10% от вращающего. Ком­пенсирующие муфты делятся на жесткие под­вижные и упругие (деформируемые).

Кулачково-дисковая муфта (рис.5) состоит из двух полумуфт 1 и 2 с диаметраль­ными пазами на торцах и промежуточного пла­вающего диска 3 (рис.5, а) с взаимно пер­пендикулярными выступами. В собранной муфте выступы диска располагаются в пазах полумуфт (рис.5, б). Трущиеся поверхности периодически смазывают пластичной смазкой (один раз в смену). Кулачково-дисковая муфта применяется для соединения тихоходных валов (до 250 об/мин). Допустимые радиальные сме­щения валов — до 0,04 мм, угловое — до 30'. Не­достаток этих муфт — повышенная чувстви­тельность к перекосам валов. Эти муфты пред­назначены главным образом для компенсации относительно параллельного смещения осей валов. Теоретически, при любом смещении пе­редаточное отношение между валами постоян­ное. При вращении ведущего вала без угловых ускорений ведомый вал также будет вращаться равномерно. Полумуфты и диски рекомендует­ся изготовлять из стали 45Л.

Рис.5. Кулачково-дисковая муфта: а — элементы муфты; б — в собранном виде

Зубчатая муфта (рис.6) состо­ит из четырех основных деталей: двух полу­муфт 1 и 2 с наружными зубьями и двух обойм 3 и 4 с внутренними зубьями. Обой­мы муфты соединены болтами 5. Через от­верстие 6 заливается масло (один раз в три месяца). Зубчатые муфты компенсируют ра­диальные, угловые и комбинированные смеще­ния валов (углы между полумуфтами и обоймами не должны превышать 0,5°; d< 560 мм); находят широкое применение в машиностроении. Эти муфты надежны в работе, имеют малые габаритные размеры. Материал полумуфт и обойм — сталь 40 или 45Л.

Рис.6. Зубчатая муфта: 1, 2 - полумуфты с наружными зубьями;

3, 4 — обоймы; 5 — болты; 6 — от­верстие для подвода смазки

Упругая втулочно-пальцевая муфта (рис.7) по конструкции ана­логична фланцевой муфте, вместо соединительных болтов у упругой муфты имеются стальные пальцы 1 на которые установлены эластичные (резино­вые, кожаные и т. п.) втулки 2. Эластичные элементы позволяют компен­сировать незначительные осевые (для малых муфт 1—5 мм; для больших муфт 2—15 мм), радиальные (0,2—0,6 мм) и угловые (до 30') смещения валов. Упругие втулочно-пальцевые муфты обладают хорошей эластично­стью, высокой демпфирующей и электроизоляционной способностью, просты в изготовлении, надежны в работе. Находят широкое применение, особенно для соединения электродвигателей с исполнительными механиз­мами (машинами) при d< 150 мм. Материал полумуфт — сталь 35, 35Л или чугун СЧ25; пальцы изготовляют из стали 45.

Рис. 7. Муфта упругая втулочно-пальце­вая: 1 — пальцы; 2 — эластичные втулки

Несущая способность муфт резко падает с ростом перекоса валов.

Размеры муфт подбирают по таблицам в зависимости от вращающего момента, который находят по наибольшему длительно действующему моменту на ведущем валу.

Подвижные муфты

Допускают соединение валов с повышенным взаимным смещением осей как вызванными неточностями, так и специально заданными конструктором.

Ярким представителем этого семейства являются шарнирные муфты. Идея муфты впервые предложена Джироламо Кардано в 1570 г. и доведена до инженерного решения Робертом Гуком в 1770 г. (рис.8). Поэтому иногда в литературе они называются карданными муфтами, а иногда – шарнирами Гука.

Рис.8. Шарнир Гука по идее Кардано

Шарнирные муфты соединяют валы под углом до 45^о, позволяют создавать цепные валы с передачей вращения в самые недоступные места. Всё это возможно потому, что крестовина является не одним шарниром, а сразу двумя с перпендикулярными осями.

Прочность карданной муфты ограничена прочностью крестовины, в особенности мест крепления пальцев крестовины в отверстиях вилок. Поломка крестовины – весьма частый дефект, известный, практически, каждому владельцу заднеприводного автомобиля.

Муфты выбираются по каталогу. Проверочный расчёт ведётся для рабочих поверхностей шарниров на смятие, проверяется прочность вилок и крестовины.

Малогабаритные шарнирные муфты (рис.9) стандартизованы в диапазоне диаметров 8...40 мм и моментов 12,5...1300 Нм. Крестовина выполнена в виде параллелепипеда. Шарнир образуется с помощью вставных осей, одна из которых длинная, а другая состоит их двух коротких втулок, стянутых заклёпкой. Конструкция весьма технологична.

Рис.9. Малогабаритная карданная муфта

Упругие муфты

Предназначены главным образом для смягчения (амортизации) ударов, толчков и вибрации. Кроме того, допускают некоторую компенсацию смещений валов.

Главная особенность таких муфт – наличие металлического или неметаллического упругого элемента. Используются различные упругие элементы (рис.10) а – звёздочки, б – шайбы, в – упругие оболочки, г – винтовые пружины, д – змеевидные пружины, е – сильфоны и т.п. Способность упругих муфт противостоять ударам и вибрации значительно повышает долговечность машин.

Рис. 10. Конструкции упругих муфт

Муфта с упругой торообразной оболочкой может, фактически, рассматриваться, как упругий шарнир Гука. Она способна компенсировать значительные неточности монтажа валов.

Лёгок монтаж, демонтаж и замена упругого элемента. Допускаются радиальные смещения 1...5 мм, осевые 2...6 мм, угловые 1,5...2⁰, угол закручивания 5...30⁰.

Несущая способность (и прочность) муфт зависит от крепления оболочки к фланцам. Стандартизованы муфты с неразрезной упругой оболочкой в диапазоне моментов 20...25000 Нм.

Широкое применение находит упругая втулочно-пальцевая муфта "МУВП" (рис.11).

Здесь нет необходимости крепить резину к металлу, легко заменять упругие элементы при износе.

В этих муфтах момент передаётся через пальцы и насаженные на них упругие элементы в форме колец или гофрированных втулок. Такие муфты легки в изготовлении, просты в конструкции, удобны в эксплуатации и поэтому получили широкое применение, особенно для передачи вращения от электродвигателя.

Рис.11. Упругая втулочно-пальцевая муфта

Муфты нормализованы в диапазонах 16...150 мм и 32...15000 Нм.

К сожалению, радиальные и угловые смещения существенно снижают срок службы упругих элементов и повышают нагрузки на валы и опоры.

Муфты рассчитывают по допускаемым давлениям между пальцами и упругими втулками

P = 2M_вр / (Z∙D∙d∙l) £ [P],

где Z – число пальцев, d – диаметр пальца, l – длина упругого элемента, D – диаметр расположения осей пальцев. Допускаемое давление обычно 30 МПа.

Пальцы муфты рассчитывают на изгиб.

Сцепные муфты

Эти муфты предназначены для соединения и разъединения валов. Некото­рые типы сцепных муфт позволяют это делать на ходу, без остановки элек­тродвигателя. Сцепные муфты иногда называют управляемыми. По принци­пу работы различают кулачковые и фрикционные сцепные муфты.

Кулачковые муфты (см. рис.12) состоят из двух полумуфт 1 и 2, имеющих кулачки на торцовых поверхностях. Включение муфты осуществ­ляется за счет полумуфты 2, которая может передвигаться вдоль вала по направляющей шпонке или по шлицам.

Во избежание повреждений кулачков включение муфты на ходу допуска­ется без нагрузки при весьма малой разности угловых скоростей валов. Вы­ключение допускается на ходу. Достоинство кулачковых муфт — простота конструкции и малые габаритные размеры; недостаток — невозможность, как правило, включения на ходу. Рекомендуемый материал кулачковых по­лумуфт — легированная сталь 20Х или 20ХН (с цементацией и закалкой).

Рис.12. Кулачковая муфта: 1,2—полумуфты

Фрикционные муфты (рис.13) в отличие от кулачковых, допус­кают включение на ходу под нагрузкой. Фрикционные муфты передают вра­щающий момент за счет сил трения. Фрикционные муфты допускают плавное сцепление при любой скорости, что успешно используется, например, в конструкции автомобильного сцепления. Кроме того, фрикционная муфта не может передать через себя момент больший, чем момент сил трения, поскольку начинается проскальзывание контактирующих фрикционных элементов, поэтому фрикционные муфты являются эффективными неразрушающимися предохранителями для защиты машины от динамических перегрузок.

По конструкции фрикционные муфты делят на: дисковые, в которых трение происходит по торцевым поверхностям дисков (одно- и многодисковые) (см. рис.13, а); конусные, в которых рабочие поверхности имеют коническую форму (рис.13.10, б); цилиндрические имеющие цилиндрическую поверхность контакта (колодочные, ленточные и т.д.) (рис.13.10, в). Наибольшее распространение получили дисковые муфты.

Фрикционные муфты работают без смазочного материала (сухие муф­ты) и со смазочным материалом (масляные муфты). Последние применяют в ответственных конструкциях машин при передаче больших моментов. Смазывание уменьшает изнашивание рабочих поверхностей, но усложняет конструкцию муфты.

Материал для фрикционных муфт — конструкционные стали, чугун СЧ30. Фрикционные материалы (прессованную асбесто-проволочную ткань — ферродо, фрикционную пластмассу, порошковые материалы и др.) применяют в виде накладок.

Рис. 13. Фрикционные муфты: а — дисковая; б — конусная; в — цилиндрическая

Главной особенностью работы фрикционных муфт является сжатие поверхностей трения. Отсюда ясно, что такие муфты рассчитываются на прочность по контактному давлению (аналогично напряжениям смятия). Для каждой конструкции необходимо вычислить сжимающую силу и разделить её на площадь контакта. Расчётное контактное давление не должно быть больше допускаемого для данного материала.

Самоуправляемые муфты

Эти муфты предназначены для автоматического разъединения валов в зависимости от изменения одного из следующих параметров: вращающего момента — предохранительные муфты, направления вращения — обгонные, и скорости вращения - центробежные.

Муфты свободного хода (обгонные) (рис.14) предназначены для передачи вращающего момента в одном направлении (например, для вращения втулки заднего колеса велосипеда). Ролики 3 муфты свободного хода за счет сил трения заклиниваются между поверхностями полумуфт 1 и 2

Рис. 14. Роликовая муфта свободного хода

При уменьшении скорости вращения полумуфты 1 вследствие обгона роли­ки выкатываются в широкие участки вырезов, и муфта автоматически раз­мыкается.

Муфты свободного хода работают бесшумно, допускают большую час­тоту включений.

В качестве материалов для муфт свободного хода рекомендуют приме­нять стали ШХ15, 20Х, а также высокоуглеродистые инструментальные стали.

Центробежные муфты (рис.15) служат для автоматического включения (выключения) валов при заданных угловых скоростях.

Центробежная муфта состоит из ведущей и ведомой полумуфт 1 и 2, в пазы которых устанавливают фрикционные грузы — колодки 3.

Рис. 15. Центробежная колодочная муфта: 1,2— полумуфты; 3 — колодки

При достижении ведущей полумуфтой заданной угловой скорости ко­лодки 3, за счет центробежных сил, прижимаются к ведомой полумуфте, и муфта включается. В показанной на рис.15 конструкции любая из полу­муфт (1 или 2) может быть ведущей. Передача вращающего момента осуще­ствляется силами трения, значение которых пропорционально квадрату уг­ловой скорости. Центробежная муфта допускает частые включения, обес­печивает плавное включение и имеет сравнительно небольшие габаритные размеры.

Предохранительные муфты

Эти муфты допускают ограничение передаваемого вращающего мо­мента, что предохраняет машины от поломок при перегрузках.

Наибольшее распространение получили предохранительные кулачко­вые, шариковые и фрикционные муфты (рис.16).

Рис.16. Предохранительные муфты

От сцепных и других муфт они отличаются отсутствием механизма включения. Предохранительные кулачковые и шариковые (рис.16, а) муфты постоянно замкнуты, а при перегрузках кулачки или шарики полумуфты 1 выдавливаются из впадин полумуфты 2, и муфта размыкается. Иначе работает предохранительная фрикционная муфта (рис.16, б). При перегрузке за счет проскальзывания происходит пробуксовывание этой муфты (останавливается ведомый вал).

Рассмотренные на рис.16 предохранительные муфты применяют при частых перегрузках.

При маловероятных перегрузках применяют предохранительные муфты с разрушающимся элементом, например со срезным штифтом (рис. 17). Такая муфта состоит из дисковых полумуфт 1 и 2, соединяемых металлическим штифтом 3, вставленным в термически обработанную втулку 4. При возникновении перегрузки штифт срезается, и муфта разъединяет валы. Они просты по конструкции и малогабаритны.

Рис. 17. Муфта предохранительная со срезным штифтом:

1,2— полумуфты; 3 — срезной штифт; 4 — закаленные втулки

Для изготовления деталей предохранительных муфт в зависимости от типа муфты применяют конструкционные стали, чугун СЧЗО, фрикцион­ные материалы, сталь ШХ12 и др. Штифты для муфт с разрушающимся элементом изготовляют из стали 45, втулки — из стали 40Х с закалкой.

Краткие сведения о выборе и расчете муфт

Применяемые в машиностроении муфты стандартизованы. Муфты каж­дого типоразмера выполняют для некоторого диапазона диаметров вала. Основным критерием при выборе стандартных муфт является передаваемый вращающий момент.

При проектировании новых муфт конструктивные размеры элементов муфты определяют расчетом. Стандартизованные или нормализованные муфты не рассчитывают. Их, как правило, выбирают, как и подшипник ка­чения, по таблицам справочников.

Выбор стандартных муфт. Основной характеристикой при выбо­ре муфт является передаваемый расчетный момент

, (1)

где К_р — коэффициент режима работы (табл.1); T — номинальный вра­щающий момент при установившемся режиме работы.

Таблица 1. Значение коэффициента режима работы К_p

Механизм или машина	Кp
Конвейеры:
ленточные	1,25-1,50
цепные, скребковые и винтовые (шнеки)	1,50-2,0
Воздуховки и вентиляторы центробежные	1,25-1,50
Насосы:
центробежные	1,50-2,0
поршневые компрессоры	2,0-3,0
Станки металлообрабатывающие:
с непрерывным движением	1,25-1,50
с возвратно-поступательным движением	1,50-2,50
Станки деревообделочные	1,50-2,0
Мельницы шаровые, дробилки, молоты, ножницы	2,0-3,0
Краны, подъемники, элеваторы	3,0-4,0

Муфты выбирают по соответствующим таблицам (табл. 2 и 3) по К_р в зависимости от диаметра вала d (учитывают также максимальную угло­вую скорость ). Отдельные детали выбранной муфты проверяют на прочность.

Таблица 2. Коэффициенты безопасности К_б и режима работы К_р

Степень ответственности передачи	Кб
Поломка муфты вызывает остановку машины	1,0
Поломка муфты вызывает аварию машины	1,2
Поломка муфты вызывает аварию ряда машин	1,5
Поломка муфты может привести к человеческим жертвам	1,8
Условия работы машины	Кр
Работа спокойная	10
Работа неравномерная	1,1-1,3
Тяжелая работа с ударами	1,3-1,5

Таблица 3. Значения [р] и f для фрикционных муфт

Материал поверхностей трения	При смазывании		Всухую
	[р], МПа	f	[р], МПа	f
Закаленная сталь по закаленной стали	0,6-0,8	0,06	—	—
Ферродо по стали и чугуну	—	—	0,2-0,3	0,3
Порошковый материал по закаленной стали	0,8	0,12	0,3	0,3

Расчет на прочность жестких (глухих) муфт.

Втулочные, фланцевые и продольно-свертные муфты выбирают по норма­лям.

Прочность втулки проверяют по основному условию прочности на кру­чение

(2)

где — допускаемое напряжение на кручение (для стали 45: = 22 ÷ 25 МПа);

, (3)

— расчетное напряжение на кручение; Т_р — расчетный момент; d и D — размеры муфты (см. рис.2).

Шпоночные или шлицевые (зубчатые) соединения вала с жесткой муф­той проверяют по формулам (9.1)—(9.3), болтовые соединения на растяже­ние и срез. Болты и стенки полумуфт на смятие прове­ряют по формуле

, (4)

где F_t — сила, срезающая один болт; А_см — площадь смятия; d_б — диаметр болта; К— толщина фланца полумуфты (см. рис.4, а); — допускае­мое напряжение на смятие материала болтов или полумуфт.

Расчет на прочность компенсирующих муфт. Эти муфты выбира­ют по нормалям или стандартам (см. рис. 5).

Проверочный расчет на прочность (износостойкость) кулачково-дисковых муфт производят по формуле

, (5)

где р — максимальное давление, возникающее на рабочей поверхности со­пряженных деталей муфты; D, d, h — размеры муфты (см. рис.5); [р] — допускаемое давление (для муфт с закаленными поверхностями трения [р] = 15 ÷ 30 МПа).

Проверочный расчет зубчатых муфт не производят. Их выбирают по стандарту. Для зубчатых муфт расчетный момент

Т_р=К_бК_рТ, (6)

где К_б и К_р — коэффициенты безопасности и режима работы; Т — номинальный вращающий момент (табл.12.4).

Таблица 4. Муфты втулочные со шпонками (см. рис. 2, а), размеры, мм

d	D	L	Т , Н-м	d	D	L	Т , Н-м
20	35	60	70	(45)	70	140	710
(22)	35	65	90	50	80	150	850
25	40	75	125	(55)	90	160	1060
(28)	45	80	170	60	100	180	1500
30	45	90	210	(70)	ПО	200	2240
(35)	50	105	350	80	120	220	3150
40	60	120	450	(90)	130	240	4000
				100	140	280	5600

Примечание. Значения, указанные в скобках, по возможности не применять.

Для упругих втулочно-пальцевых муфт проверочный расчет для пальцев производят на изгиб по формуле (7), для втулок — на смятие по форму­ле (8):

; (7)

, (8)

где М_р — расчетный момент; d_n, l_п, l_в, D₁, — размеры пальца втулки и полу­муфты (см. рис.7); z — число пальцев; — допускаемое напряжение изгиба (для пальцев из стали 45 = 80...90 МПа); — допускаемое напряжение смятия втулки (для резины = 2 МПа).

Расчет сцепных муфт. Расчет наиболее распространенных в ма­шиностроении сцепных многодисковых фрикционных муфт производят на отсутствие проскальзывания полумуфт (дисков) и на износостойкость ра­бочих поверхностей дисков. Для передачи вращательного движения от по­лумуфты 1 к полумуфте 2 (см. рис.10) без относительного проскальзывания дисков момент сил трения должен быть не меньше вращающего мо­мента, создаваемого на ведущем валу.

Фрикционные дисковые муфты выбирают по нормалям.

Расчет самоуправляемых и предохранительных муфт. Самоуправ­ляемые роликовые муфты свободного хода выбирают по нормалям. На контактную прочность проверяют только ролики и рабочие поверхности полумуфт (см. рис.15):

, (9)

где Т_р — расчетный момент; Е_пр — приведенный модуль упругости; d и l — диаметр и длина роликов; 7⁰ — угол заклинивания роликов; D — диа­метр рабочей поверхности обоймы; z — число роликов; — допускаемое контактное напряжение (для стали ШХ15, 20Х и 40Х = 1500 МПа).

Размеры центробежных муфт принимают конструктивно. Рабочие по­верхности трения грузов проверяют на износостойкость аналогично фрик­ционным муфтам. Массу груза подбирают по создаваемой им центробеж­ной силе.

Фрикционные предохранительные муфты выбирают по стандарту. Их расчетная проверка аналогична расчету сцепных фрикционных муфт.

Предохранительные муфты с разрушающимся элементом выбирают по нормалям станкостроения, после чего штифт проверяют на срез (см. рис.17):

, (10)

где T_пред — предельный момент, при котором происходит разрушение штифтов; D₁ — диаметр расположения штифтов (см. рис.17); — пре­дел прочности на срез (для стали 45 = 420 МПа); Т_р — расчетный мо­мент; d_m — диаметр штифта; z = 1 ÷ 2 — число штифтов.

Пример 1. Фланцевая муфта установлена в приводе металлорежущего ставка и соединяет концы двух валов диаметром d=80 мм каждый. Фланцы полумуфт стянуты шестью болтами М16, три из которых поставлены без зазора в отверстия из-под развертки (диаметр стержня болта d₄ = 17 мм); остальные три — в отверстия с зазором. Материал болтов сталь 30, класс прочности 5.6 ( = 300 Н/мм²).

Проверить на срез болты, поставленные без зазора, в предположении, что весь вращающий момент T= 2500 Н·м передают только эти болты. Диаметр окружности, на которой расположены оси болтов, D₁ = 220 мм.

Решение. 1. Допускаемое напряжение на срез стержня болта

= 0,25·300 = 75 Нмм²,

2. Коэффициент режима работы муфты K = 1,75.

3. Окружная сила, передаваемая одним болтом (при z = 3),

Н

4. Расчетное напряжение среза в болте

Н/мм²

Условие прочности выполнено: = 58,4 Н/мм² < = 75 Н/мм².

Вопросы для самопроверки

- Для чего используют муфты?

- Каково назначение муфт приводов? Какие различают муфты по управляемости?

- Какие элементы привода могут соединять муфты?

- На какие группы и по каким признакам классифицируют муфты?

- Достоинства и недостатки глухих муфт, примеры конструкций?

- Виды несоосности валов? Какие муфты компенсируют их вредное влияние?

- Какие функции выполняют упругие муфты?

- Чем характеризуются динамические свойства упругих муфт?

- Какие упругие муфты наиболее распространены?

- Какие функции выполняют сцепные муфты? Их разновидности?

- Самоуправляемые муфты? Их классификация по назначению?

- Для чего используются глухие муфты? Приведите пример.

- Как компенсирует несоосность валов зубчатая муфта?

- Каковы достоинства и недостатки упругих компенсирующих муфт по сравнению с зубчатыми?

- Каковы преимущества и недостатки металлических упругих эле­ментов по сравнению с резиновыми?

- Каковы достоинства и недостатки сцепных муфт, основанных на зацеплении по сравнению с фрикционными?

- Каковы достоинства и недостатки различных типов фрикционных муфт?

- На каком принципе основаны обгонные муфты?

- Какие типы центробежных муфт существуют и где они применяются?

- Каковы преимущества и недостатки различных типов предохранительных муфт?

- Каким образом настраивают предохранительные кулачковые и фрикционные муфты на срабатывание при определенном вращающем моменте?

- Каков физический смысл коэффициента режима работы муфты?

- Как устроена фланцевая муфта? Где ее применяют? Почему для соединения валов фланцевой муфтой требуется их строгая соосность?

- Как устроена зубчатая муфта? Какие смещения валов и за счет чего она компенсирует? Почему изнашиваются зубья?

- Каковы достоинства упругих компенсирующих муфт? Почему упругие муфты снижают динамические нагрузки в приводе? В каких случаях целесообразно применять резиновые, а в каких — металлические упругие элементы?

- Какую из сцепных муфт следует применить для соединения вращающегося с большой частотой вала с неподвижным валом?

- Как устроены и работают обгонные муфты? В каком направлении должна вращаться обойма, чтобы произошло заклинивание ролика (см. рис.14)?

- С какой целью в приводах применяют центробежные пусковые муфты?

- Передают ли жесткие и упругие муфты вибрации, толчки и удары?

- За счет чего можно увеличить расчетный момент многодисковой фрик­ционной муфты, не изменяя ее диаметра?

- Что является основной характеристикой муфт?

- На рис.4 покажите центрующее кольцо. Каково назначение этой де­тали?

- За счет чего происходит компенсация осевого, радиального и углового смещений в зубчатой муфте?

- Дайте характеристику муфте, изображенной на рисунке.

- Кратко опишите назначение и принцип работы кулачковой муфты.

- Найдите рабочие поверхности фрикционных муфт, показанных на рис.13.

- Опишите работу муфты свободного хода при остановке полумуфты 1 (рис.14).

- Поясните необходимость установки грузов-колодок 3 (см. рис. 15) в обеих полумуфтах?

- Опишите уст­ройство предохранительной муфты с разрушающимся элементом. Назовите недостаток этой муфты.

- Для чего существуют муфты?

- Каковы главные признаки классификации муфт?

- Какая характеристика муфты считается главной?

- Каковы принципы конструкции и работы жёстких муфт?

- Каковы принципы конструкции и работы шарнирных муфт?

- Каковы принципы конструкции и работы упругих муфт?

- Как устроена и как работает упруго втулочно-пальцевая муфта (МУВП)?

- За счёт каких сил работают фрикционные муфты?

- Какие критерии прочности применяют для фрикционных муфт?

- Назовите материалы (без уточнения марки) для изготовления кулачково-дисковых муфт

1) Чугун

2) Сталь

3) Бронза

- Изменяют ли с помощью муфты угло­вую скорость одного вала относитель­но другого?

1) Изменяют

2) Нет

- Перечислите компенсирующие муфты

1) Фланцевые

2) Продольно-свертные

3) Зубчатые

4) Кулачковые

5) Фрикционные

- Какие муфты можно включать на ходу при вращении ведущего вала с боль­шой угловой скоростью?

1) Кулачковые

2) Фрикционные

- Каково назначение самоуправляемых муфт?

1) Для соединения и разъединения валов на ходу

2) Для автоматического соединения и разъеди­нения валов при заданной угловой скорости

3) Для передачи вращающего момента в одном направлении

4) Для регулирования передаваемого вращающе­го момента

- Основными функциями муфт являются…

1) соединение концов валов и передача крутящего момента

2) компенсирование погрешностей расположения валов

3) уменьшение динамических нагрузок, предохранение от перегрузок

4) создание дополнительной опоры для длинных валов

- По назначению механические муфты подразделяют на…

1) постоянные, управляемые, самоуправляемые

2) фланцевые, цепные, центробежные

3) втулочные, кулачковые, обгонные

4) предохранительные, зубчатые, фрикционные

- По назначению постоянные муфты подразделяют на…

1) некомпенсирующие (глухие), жесткие компенсирующие, упругие компенсирующие

2) втулочные, поперечно-свертные, продольно-свертные

3) фрикционные, зубчатые, цепные

- Изображенная муфта предназначена для…

1) соединения валов с радиальным смещением

2) соединения валов с осевым смещением

3) соединения валов с угловым смещением

4) соединения жестких валов без смещения

- Жесткие компенсирующие муфты служат для…

1) постоянного соединения строго соосных валов

2) автоматического разъединения валов при опасных перегрузках

3) соединения или разъединения валов при их вращении или в покое

4) компенсации неточности взаимного расположения соединяемых тихоходных валов

- Упругие компенсирующие муфты служат для…

1) постоянного соединения строго соосных валов

2) автоматического разъединения валов при опасных перегрузках

3) смягчения динамических нагрузок, компенсации неточности взаимного расположения соединяемых валов, демпфирования колебаний

4) соединения или разъединения валов при их вращении или в покое

- Стандартные и нормализованные муфты подбирают по…

1) номинальному моменту

2) расчетному моменту

3) номинальному моменту и частоте вращения вала

4) расчетному моменту и диаметрам концов валов

- Для соединения валов, оси которых расположены под углом друг к другу более 3⁰, следует использовать… муфту

1) упругую втулочно-пальцевую

2) зубчатую компенсирующую

3) шарнирную

4) дисковую фрикционную

- Для соединения быстроходных валов, подвергающихся динамическим нагрузкам, следует применять… муфту

1) жесткую компенсирующую

2) упругую компенсирующую

3) сцепную управляемую

4) предохранительную

- К жестким (глухим) муфтам относится…

1) зубчатая

2) фрикционная

3) втулочная

4) втулочно-пальцевая

- К упругим компенсирующим муфтам относится…

1) зубчатая

2) фрикционная

3) втулочная

4) упругая втулочно-пальцевая

- Управляемые муфты предназначены для…

1) соединения или разъединения валов при их вращении или в покое

2) автоматического разъединения валов при опасных перегрузках

3) смягчения динамических нагрузок, компенсации неточности взаимного расположения соединяемых валов

4) передачи вращения только в одном направлении

- Управляемые муфты по конструкции разделяют на…

1) кулачковые, зубчатые, фрикционные

2) цепные, втулочные, кулачковые

3) фланцевые, предохранительные, центробежные

- Из управляемых муфт плавное соединение валов обеспечивают… муфты

1) кулачковые

2) зубчатые

3) фрикционные

- С увеличением количества дисков трения в фрикционных муфтах при прочих равных условиях передаваемый момент…

1) увеличивается

2) уменьшается

3) не изменяется

- Из управляемых муфт…могут предохранять механизмы от внезапных перегрузок

1) фрикционные

2) зубчатые

3) кулачковые с прямоугольным профилем

- Изображенная на рисунке муфта относится к…муфтам

1) фрикционными

2) зубчатым

3) кулачковым

- Изображенная на рисунке муфта относится к … муфтам

1) фрикционными

2) зубчатым

3) кулачковым

- Изображенная на рисунке муфта относится к … муфтам

1) фрикционными

2) зубчатым

3) кулачковым

- В кулачковой муфте расчет кулачков производят по напряжениям…

1) смятия и изгиба

2) смятия и растяжения

3) сжатия и изгиба

- Кулачковые и зубчатые управляемые муфты применяют при необходимости осуществления…

1) жесткой кинематической связи

2) плавного соединения и разъединения валов

3) соединения и разъединения особо быстроходных валов

- Наименьшей нагрузочной способностью при одинаковых габаритах обладают… муфты

1) кулачковые

2) зубчатые

3) фрикционные однодисковые

- Самоуправляемые муфты предназначены для …

1) автоматического соединения или разъединения валов при определенных условиях

2)соединения или разъединения валов при их вращении или в покое

3) смягчения динамических нагрузок, компенсации неточности взаимного расположения соединенных валов, демпфирования колебаний

- К самоуправляемым муфтам относятся …

1) предохранительная, обгонная, центробежная

2) поперечно-свертная (фланцевая), зубчатая, кулачковая

3) с разрушающимся элементом, втулочная, цепная

- Для автоматического включения механизма при определенной угловой скорости следует использовать … муфту

1) управляемую

2) центробежную

3) упругую компенсирующую

4) предохранительную

- Предохранительные муфты используют для …

1) включения исполнительного механизма

2) защиты машины от перегрузки

3) передачи вращения только в одном направлении

4) компенсации вредного влияния несоосности валов

- Муфта, обеспечивающая передачу момента в одном направлении и свободное относительное вращение в противоположном, называется …

1) обгонной

2) предохранительной

3) центробежной

- Муфты, используемые для автоматического соединения и разъединения валов при определенных частотах вращения, называют …

1) центробежными

2) предохранительными

3) обгонными

- Для повышения плавности пуска и разгона механизмов, имеющих значительные маховые моменты, применяют … муфты

1) центробежные

2) предохранительные

3) обгонные

- Изображенная муфта относится к … муфтам

1) центробежным

2) предохранительным

3) обгонным

4) упругим компенсирующим

- Изображенная муфта относится к … муфтам

1) центробежным

2) предохранительным

3) обгонным

4) упругим компенсирующим

- Изображенная муфта относится к … муфтам

1) центробежным

2) предохранительным

3) обгонным

4) упругим компенсирующим

- Деталь 1 представленной на рисунке муфты является …

1) срезным штифтом, разрушающимся при перегрузе

2) штифтом, являющимся центрирующим элементом

3) элементом, служащим для балансировки муфты

- По каким параметрам производят подбор стандартных муфт

1) По режиму работы

2) d_B

3) T_v

4)

5)

- По какому моменту выбирают стандартные зубчатые муфты?

1) T_пред=Т_р

2) Т

3) К_рТ

4) К_бК_рТ

- Какая фрикционная муфта требует большей прижимной силы F_r?

1) Коническая

2) Однодисковая

3) Многодисковая

- Многодисковая фрикционная муф­та получила преимущественное применение, это объясняется в первую очередь...

1) уменьшением силы нажатия и увеличением пе­редаваемого вращающего момента

2) устранением пробуксовки при установившемся режиме работы

3) предохранением машин от перегрузок обеспечением плавности сцепления валов под нагрузкой на ходу