3. Упругие подвижные муфты.

Эти муфты характеризуются наличием упругого элемента, за счет деформации которого осуществляется взаимное перемещение деталей муфты, необходимое для компенсации смещения осей ведущего и ведомого валов.

Основные свойства.

Упругие подвижные муфты способны:

1) смягчать толчки и удары; при этом кинетическая энергия удара частично поглощается и переходит в теплоту, частично аккумулируется упру­гими эле­ментами, превращаясь в потенциальную энергию деформации;

2) служить средством защиты от резонансных крутильных колеба­ний, воз­никающих вследствие неравномерности вращения;

3) допускать сравнительно большие смещения осей соединяемых валов. При этом, благодаря деформации упругого элемента, валы и опоры на­гружаются

малыми силами и моментами.

Рис. 14 Линейная и нелинейная характеристики муфт.

Упругие муфты характеризуются:

1) жесткостью при кручении (или обратной величи­ной - податливостью), пред­ставляющей собой зависимость относитель­ного угла поворота полумуфты от величины крутящего момента М_кр (рис. 14);

2) демпфированием, т. е. способностью необратимо поглощать механическую энергию;

3) энергоемкостью, представляющей со­бой работу упругой де­формации муфты при действии некоторого крутящего момен­та. Энергоем­кость является сравнительной характеристикой муфт и не может быть использована при динамических расчетах машин с упругой муфтой.

Различают муфты постоянной (линейной) и переменной (нелинейной) жестко­сти. Жесткость нелинейной муфты С определяется как производная от кру­тя­щего момента по углу закручивания (С=dM_кр/dφ) и является переменной ве­ли­чиной. Характер этой зависимости определяется конструкцией муфт, а для муфт с неметаллическими упругими элементами - еще температурой и зако­ном изменения нагрузки во времени. Нелинейные муфты могут иметь жесткую или мягкую характеристику. В линейной муфте крутящий момент пропорцио­нален углу закручивания φ. Жесткость нелинейных муфт обычно растет с увеличением деформации, поэтому мягкие при небольших нагрузках нелинейные муфты с уве­личением нагрузки работают более жестко (муфты с жесткой характеристикой). Эта особенность нелинейных муфт является особенно полез­ной, когда нагрузка в машине растет пропорционально квадрату скорости. Ис­пользование в этом случае линейной муфты приводит к большому углу пово­рота полумуфт на высоких скоростях или излишней жесткости на низких. При зависимости момента сопротивления от частоты вращения вала и работе ма­шины в дорезонансном режиме отношение рабочей частоты вращения к кри­тичеcкой в агрегате с линей­ной муфтой резко увеличивается с ростом нагрузки, запас устойчивости падает. В нелинейной муфте с увеличением нагрузки растет жесткость и с той же тен­денцией меняется собственная частота системы. Кри­тическая частота вращения агрегата с ростом нагрузки существенно растет.

Нелинейные муфты имеют преимущество при разгоне машины и особенно во время выбега при ее остановке. При отсутствии нагрузки, что часто имеет ме­сто при выбеге, критическая частота вращения агрегата с нелинейной муфтой близка к нулю. В этой области вряд ли возможны колебания с большими ампли­тудами, так как при их возникновении соответственно изменяется крити­ческая частота вращения. В агрегате с линейной муфтой (сплошная линия на рис. 15)прохождение области резонанса при выбеге занимает гораздо больше времени, и колебания могут достичь значительной величины. Если после отключения дви­гателя нагрузка не сбрасывается, резонансные колебания в агрегате с нели­нейной муфтой (штриховая линия) будут меньше колебаний в агрегате с ли­нейной муф­той (рис. 15). На рисунке – отношение рабочей частоты враще­ния к крити­ческой; стрелками показан характер изменения амплитуды колеба­ний при выбеге. Жесткость упругих муфт зависит от многих факторов, в том числе и от ка­чества изготовления, и часто задается в виде графиков. При работе упругих муфт всегда имеют место потери энергии на трение (внутреннее и внешнее), со­провождающие деформацию се упругих элементов и их перемеще­ние относительно других элементов.

Отношение энергии, потерянной за один цикл нагружения муфты, к работе сил упругости за четверть периода назы­вается коэффициентом демпфирования ψ

Рис. 15 Колебания в агрегате с линейном муфтой.

где f - коэффициент, позволяющий при расчетах заменить действие демпфи­ру­ющего момента М_д действием эквивалент­ного демпфирующего момента, ве­личина которого зависит от скорости деформации; (M_Д = fφ); ω - частота колебаний. В каталогах обычно приводят значе­ния С и ψ. Поскольку в диффе­ренциальные уравнения агрегата входит величина f, то в случае решения урав­нений на моделирующей машине значения f находят из формулы выше. При этом величину ω рекомендуется брать равной собственной частоте системы.

А. Муфты с металлическими упругими элементами.

Эти муфты отличаются высокой несущей способностью и возможностью ра­боты в широком температурном интервале, однако они сложны по конструк­ции, дороги и обычно требуют постоянного контроля при эксплуатации.

1. Муфты с пакетами пластинчатых пружин.

Муфта с радиальными пакетами пружин показана на рис. 16. Полумуфты 1 и 5 соединены пакетами пружин (рессор) 8, работающих на изгиб при действии крутящего момента. С полумуфтой 5 пакеты пружин соединяются через кольцо 3, имеющее продольные пазы, с помощью болтов 4. Внутренние концы пакетов пружин входят в радиальные пазы полумуфты 1. Па­кеты пружин фиксируются на полумуфте 1 с помощью кольца 7 и трех винтов. Крышка 2 с уплотнением 6 закрывает внутреннюю полость муфты, заполнен­ную пластичной смазкой.

Рис. 16. Муфта с радиальными пакетами пружин.

2. Муфты со змеевидными пружинами.

Полумуфты соединяются упругим элементом, выполненным в виде змеевид­ной пружины, расположенной на цилиндрической поверхности (рис. 17).

Рис. 17. Муфта со змеевидными пружинами на цилиндрической поверхности.

На рис. 17 предста­влена муфта фирмы «Мальмеди» (ФРГ), со­стоящая из полумуфт 1 и 5, имеющих зубья специальной формы, между кото­рыми помещается змеевидная пружина 2. Для предохранения пружины от выпа­дания и удержания смазки (обычно пла­стичной) служит кожух 4, состоя­щий из двух половин, стянутых винтами 3.

Пружина является наиболее ответ­ственной деталью муфты. Она изготов­ляется из пружинной стали с пределом прочности 0_вр = 170 кгс/мм². В тяже­лых муфтах пружины устанавливаются в два-три ряда. Такие муфты отличаются высокой надежностью в работе и малыми габаритными размерами. Эти свойства и обу­словили довольно широкое распро­странение их главным образом в тяжелом машиностроении (прокатные станы, паро­вые турбины и т. п.), несмотря на сложность конструкции, нетехнологичность и необходимость контроля в эксплуата­ции. Муфты допускают смещение осей соединяемых валов: осевое - от 4 до 20 мм, радиаль­ное - от 0,5 до 3 мм, угловое - до 1° 15' (большие значения для больших муфт).

3. Муфты с винтовыми пружинами.

На рис. 18 представлена муфта «Карделис» фирмы «Гохройтер Баум» (ФРГ). Полумуфты 1 и 4 соединяются винтовыми пружинами сжатия 5, которые кара­ются на сегменты 2, посаженные на пальцы 3 с зазором. Пружины 5 ставятся с предварительным натяжением и при действии крутящего момента рабо­тают через одну. Сегменты изготовляются из износостойких пластмасс. Поверх­ность контакта сегмента с пальцем смазывается пластичной графитной смазкой.

Муфта допускает: радиальное смещение валов до 0,01D_A (рис. 18); угловое смещение до 2°; осевое смещение до 0,05Da

Рис. 18. Муфта «Карделис».

4. Муфты с упругими элементами в виде стержней.

На рис. 19 представлены два варианта испол­не­ния муфты «Форст» фирмы «Рейншталь Вангейм» (ФРГ). В варианте по рис. 19,а полумуфты 3 и 5 соединены цилиндрическими пружинами 6 рас­поло­женными по окружности с диаметром D_o; боковые крышки 1 и 7 удерживают пружины от выпадания и препятствуют вытеканию смазки благодаря уплотне­ниям 2; кожух 4 с уплотнением 2 специальной формы препятствуют вытеканию смазки из муфты при взаимном смещении полумуфт. Для уменьшения износа пружин и их гнезд в полумуфтах муфта через масленку 8 заполняется либо пластичной, либо жидкой смазкой с антизадирными присадками. Возможно исполнение с тормозным шкивом.

Рис. 19. Муфта «Форст»

Б Муфты не с металлическими упругими элементами.

Муфты с неметаллическими, преимущественно резиновыми, упругими эле­мен­тами получили весьма широкое распространение в современном машиностроении благодаря сравнительной простоте конструкции и дешевизне изготовления, отсутствию требований к уходу при эксплуатации, высоким компенса­ционным свойствам и хорошей демпфирующей способности. Они обладают также электроизолирующей способностью и т. д. Из-за низкой прочности резин и пласт­масс по сравнению с металлами эти муфты обычно применяются для передача малых и средних крутящих моментов.

Долговечность резиновых элементов ниже, чем стальных. Резина постепенно теряет свои упругие свойства - стареет.

5. Муфты со звездочкой.

Муфта с резиновой звездочкой по ГОСТ 14084 - 76 (рис.20) состоит из одинаковых полумуфт 1 и 2, имеющих на фланцах торцовые ку­лачки, и упругого элемента 3, выполненного в форме звездочки. Выступы звез­дочки рас­полагаются между кулачками полумуфт и работают на сжатие через один при действии крутящего момента.

Рис. 20. Муфта со звездочкой.

Материал полумуфт: сталь 35. Материал звездочки резина с пределом проч­но­сти при разрыве не менее 160 кгс/см², относительным удлинением при разрыве не менее 600%, относительным остаточным удлинением не более 32%; твердо­стью 45 - 50 по прибору ТИР (ГОСТ 7761 – 75). Резина должна быть работо­способна в диапазоне температур от - 40° С до +50° С.

Муфта фирмы «Пуль» (Франция) состоит из одинаковых полумуфт 1 и 3, имеющих торцовые кулачки, и резинового упругого элемента 4, выполненного в форме звездочки. Винты 2 фиксируют полумуфты на валах. Лучи звездочки располагаются между кулачками полумуфт и работают на сжатие при действии крутящего момента. Для улучшения компенсационной способности муфты звездочка центрируется по внутренней части кулачков на одной полу­муфте и не касается той же части кулачков другой полумуфты.

Упругий элемент муфты выпускается двух типов: 1) поверхность луча зве­з­дочки, соприкасающаяся с кулачками, очерчена по сфере (первоначальный кон­такт звездочки с кулачками в точке); 2) поверхность луча звездочки, соприкаса­ющаяся кулачками, очерчена по цилиндру (первоначальный контакт звездочки с кулачками по линии).

Со звездочкой первого типа муфта допускает угловое смещение валов до 1б^;. нагрев упругого элемента до 90° С. Со звездочкой второго типа муфта допус­кает угловое смещение валов до 10°, нагрев упругого элемента до 80° С.

Муфта со звездочкой первого типа обладает лучшей компенсационной способ­ностью, но передает меньшие нагрузки. При малых окружных скоростях полу­муфты изготовляются из серого чугуна, при больших - из стали.

6. Муфты пальцевые с упругим диском.

Муфты пальцев с упругим диском отличаются высокой крутильной податли­во­стью и демпфированием, хорошо компенсируют угловые смещения валов. Эти муфты не требуют ухода в процессе эксплуатации, допускают простую замену упругого элемента. Они могут быть использованы для соединения двигателя с пе­редаточным механизмом, т. е. при установке на быстроходной ступени.

Рис. 21 Примеры армирования дисков.

Для увеличения нагрузочной способности и долговечности муфт, работа­ющих при смещенных валах, применяют армирование отверстий под пальцы (рис. 21). Нагрузочная способность дисков значительно увеличивается в слу­чае привулканизации армирующих деталей.

Известны также муфты с составным резино-металлическим диском (рис. III.31): резиновые 2 и металлические / секторы соединяют вулканизацией. Нагрузочная способность таких муфт выше благодаря более равномерному рас­пределению напряжений в резиновых элементах.

Находят применение и резино-кордные диски, отличающиеся от чисто рези­но­вых более высокими эксплуатационными качествами.. Предполагая применимость закона Гука к резине, максимальное напряжение растяжения в неармированном диске, имеющем шесть пальцев, можно выразить следующим образом:

Рис. 22. Муфты пальцевые с упругими дисками, конструкции Калинина.

7. Муфты с торообразным упругим элементом.

Упругим элементом муфты является резиновая или резино-кордная оболочка. Резино-кордная оболочка сложнее в изготовлении, чем резиновая, однако срок ее службы в несколько раз больше резиновой. Эти муфты отличаются высокие компенсационными свойствами, способностью уменьшать динамические на­грузки благодаря малой крутильной жесткости и высокой демпфирующей спо­собности. К недостаткам муфт относят их большие размеры по диаметру и по­явление осевых нагрузок на опоры валов вызываемых центробежными силами, действующим на упругий элемент.

На рис. 23 представлена муфта с торообразной оболочкой по ГОСТ 20884 – 75. Предусмотрено два исполнения: для соединения цилиндри­ческих концов валов и для соединения конических концов валов. Одинаковые полумуфты 5 соединены упругим элементом 1 в виде торообразной оболочки, изготовленной из резины или резины, армированной нитями корда. Нажимное кольцо состоит из полуколец 2, притянутых винтами 6 к кольцу 3. С помощью винтов 4 борт упругого элемента зажимают между фланцем полумуфты и на­жим­ным кольцом, создавая силы трения между резиной и металлом. Ширину кольца 3 выбирают такой, чтобы при контакте металлических частей в резуль­тате затяжки винтов 4 резина сжималась на заданную величину. Такая конст­рукция позволяет производить замену упругого элемента в муфте без осевого смещения полумуфт.

Рис. 23 Муфта с торообразной оболочкой.

12. Муфты со сферическими и цилиндрическими вкладышами.

На рис. 24 представлена муфта фирмы «Пуль» (Франция). По­лумуф­та 1 имеет два диаметрально расположенных полых кулач­ка 5. Полу­муфта 4 также снаб­жена двумя полыми кулачка­ми 6. Кожух 2 крепится к по­лу­муфте 4 винтами 3 и удер­живает резиновые упругие элементы 7 от выпадания. Упру­гие элементы изготовляют из резины в форме шаров или ци­линдров. Муфта с шарами до­пускает угол закручивания валов а = 16°, разогрев упру­гого элемента до 90° С. Муфта с цилиндрами допускает угловое смещение валов у — 10°, разо­грев упругих элементов до 80°С. При действии крутящего мо­мента на муфту упругие эле­менты через один работают на сжатие.

При малых окружных ско­ростях полумуфты изготовляют из серого чугуна, при больших - из стали. Замена упругих элементов осуществляется без осе­вого смещения полумуфт.

На рис. 25 представлена муфта фирмы «Пуль» для передачи значительных крутящих моментов. Полумуфта 1 имеет радиальные ребра 3 и со­единяется с другой полумуфтой через упругие элементы 7.

Рис. 24 Муфта фирмы «Пуль» с вкладышами.

Вторая полумуфта состоит из ступицы с фланцем 4 и цилиндрической детали 5 с внутренними ку­лачками. Детали 4 и 5 соединяют винтами 6. Крышка 2 удерживает упругие элементы - выпадания. Упругие элементы изготовляют из резины в форме ша­ров или цилиндров.

Компенсационные свойства, схемы работы упругих элементов и материалы полумуфт те же, что и для легких муфт этого типа (см. выше). Конструкция муфт позволяет заменять упругие элементы без осевого смещения агрегатов.

Рис. 25 Муфта для передачи больших крутящих моментов.