Муфты управляемые

Управляемые муфты позволяют соединять или разъединять валы с помощью механизма управления. По принципу работы все эти муфты можно разделить на две группы: 1.муфты, основанные на зацеплении (кулачковые или зубчатые);

2. муфты, основанные на трении (фрикционные).

Муфты кулачковые. На торцах полумуфт 1 и 2 (см. рис.) имеются выступы (кулачки) 3. В рабочем положении выступы одной полумуфты входят во впадины другой. Для включения и выключения муфты одну из полумуфт 2 устанавливают на валу подвижно в осевом направлении. Подвижную полумуфту перемещают с помощью специального устройства - отводки. Вилку отводки располагают в пазу 4. Па чертеже штриховой линией показано выключенное положение полумуфты 2. Кольцо 5 служит для центровки валов. Несоосность валов резко снижает работоспособность кулачковых муфт. Чаще всего кулачковые и зубчатые сцепные муфты располагают на одном валу и используют для переключения скоростей.

Распространенные формы кулачков изображены на рис. (сечение цилиндрической поверхностью). Прямоугольный профиль (рис.,а) требует точного взаимного расположения полумуфт в момент включения. Кроме того, в таких муфтах неизбежны технологические боковые зазоры и связанные с этим удары при изменении направления вращения. Зазоры увеличиваются при износе кулачков. Трапецеидальный профиль (рис., б, в) не требует точного взаимного расположения полумуфт в момент включения, а боковые зазоры компенсируются изменением глубины посадки кулачков. Симметричные профили кулачков - реверсивные, несимметричные - нереверсивные. В муфтах с трапецеидальными кулачками возникают осевые силы. F_a (рис., б), которые стремятся раздвинуть полумуфты и затрудняют включение; в этом отношении муфты с прямоугольными кулачками обладают преимуществом. Значение угла α трапецеидального профиля выбирают таким (обычно 2...5°), чтобы обеспечивалось самоторможение или чтобы не создавать большой постоянной нагрузки на механизм отводки. Включение кулачковых муфт при относительном вращении валов всегда сопровождается ударами, которые могут вызвать разрушение кулачков. Поэтому такие муфты не рекомендуют применять для включения механизма под нагрузкой и при больших скоростях относительного вращения (υ ≥ l м/с).

Работоспособность кулачковых муфт определяется в основном износом кулачков, который зависит от напряжений смятия на поверхности соприкасания и напряжений изгиба у основания кулачка :

σ _см = 2KT / (zD₁bh) ≤ [σ _см ],

σ _и = 12·10³Tξb/ (D₁hа² ) ≤ [σ_и ],

где z - число кулачков полумуфты; ξ – коэфф., учитывающий неравномерность распределения нагрузки по кулачкам.

Для уменьшения износа поверхность кулачков должна быть твердой. Этого достигают с помощью объемной закалки или цементации. Применение цементации предпочтительней, так как при этом сохраняется вязкость сердцевины, что повышает сопротивление кулачка хрупким разрушениям от ударов. Муфты с цементированными кулачками изготовляют из сталей 15Х, 20Х, с объемной закалкой - из сталей 40Х, ЗОХН и т. п.

При этом допускают: [σ _см] = 90-120 МПа - включение без относительного вращения; [σ _см] = 50...70 МПа - включение на тихом ходу; [σ _см] = 35...45 МПа - включение на повышенных скоростях ; [σ _и] = (0,25...0,5)σ _т.

Муфты зубчатые сцепные.По устройству и методике расчета эта муфта (рис.) подобна зубчатой компенсирующей муфте с той разницей, что здесь обойма 2 изготовляется подвижной и управляется с помощью отводки. На рис. обойма расположена в положении "Включено". Диски 1 и 3 являются ограничителями, а втулка 4 центрирует валы и одновременно выполняет функцию подшипника при их относительном вращении (когда муфта выключена). Допускаемые напряжения смятия при расчетах прочности зубьев принимают такими же, как и для кулачковых муфт. Преимущества зубчатой муфты по сравнению с кулачковой - возможность изготовления на широко распространенном зуборезном оборудовании. При этом получают более высокую точность изготовления.

Для устранения ударов при включении в зубчатых муфтах широко применяют синхронизаторы (например, в коробках скоростей автомобилей). Синхронизаторы выравнивают скорости валов перед их соединением. Принцип работы синхронизатора поясним с помощью рис. Конструкция зубчатой муфты, предназначенной для переключения скоростей в коробке передач, здесь дополнена двусторонней конической фрикционной муфтой 1, которая и является синхронизатором. При перемещении обоймы 2 с внутренними зубьями вправо или влево она через шарик передает осевую силу конусной полумуфте синхронизатора и сцепляет ее с конусной полумуфтой одной из шестерен (рис. 17.29, а). Проскальзывание, которое наблюдается при включении фрикционных муфт, позволяет плавно разгонять ведомые элементы. Также и здесь при включении синхронизатора происходит выравнивание угловых скоростей ведущего вала и ведомой шестерни. Дальнейшим перемещением обоймы включается зубчатая муфта (рис. 17.29, б). Разгон ведомых элементов производят, как правило, на холостом ходу. Поэтому фрикционные муфты синхронизаторов рассчитывают на передачу момента, необходимого для преодоления инерционных нагрузок, возникающих при разгоне.

Муфты сцепные самоуправляемые. К ним относятся:

1. Муфты свободного хода,

2. Центробежные фрикционные;

3. Предохранительные муфты.

Муфты свободного хода,или обгонные муфты, передают вращающий момент только в одном направлении. Их применяют в станках, автомобилях, мотоциклах, велосипедах и т. д. В велосипедах, например, они передают крутящий момент от педалей на колесо и в то же время позволяют колесу свободно катиться при неподвижных педалях. Наибольшее распространение в машиностроении получили роликовые муфты (см. рис.). Внутреннюю деталь такой муфты называют звездочкой, а внешнюю - обоймой. Как та, так и другая могут быть ведущей частью муфты. Для правильной работы муфты важно, чтобы обойма была концентрична звездочке. Для этого обойму с установленной на ней деталью базируют по валу или по другим деталям на том же валу. На рис. а, б приведены возможные схемы базирования обойм в случае применения муфт по ОСТ 27-60-721-84. Муфта на рисунке изображена в виде контура, а деталь, связанная с обоймой, условно показана в виде зубчатого колеса (вместо зубчатого колеса может быть любая деталь). Исполнение по рис. не единственное и дано в качестве одного из возможных конструктивных решений.

Муфты центробежные. Эти муфты автоматические соединяют валы только тогда, когда угловая скорость превысит некоторое заданное значение. Таким образом, эти муфты являются самоуправляемыми по угловой скорости. Центробежные муфты используют для автоматического включения и выключения исполнительного механизма с помощью регулировки угловой скорости двигателя; разгона машин с большими маховыми массами при двигателе с малым пусковым моментом; повышения плавности пуска; выключения при перегрузках (бензопила), когда бензодвигатель сбавляет обороты и может заглохнуть, и т. п.

Схема одной из центробежных муфт изображена на рис.. Центробежная силаF_ц прижимает колодку 3 к барабану полумуфты 2. Этому препятствует сила F, возникающая от прогиба пружины 4. Величину силы F регулируют винтом 5. Соприкасание между колодкой и барабаном возможно при условии:

F ≤ F _ц = mrω² ,где

m - масса колодки; r - расстояние центра тяжести колодки от оси вращения; ω - угловая скорость полумуфты 1. Формула позволяет определить необходимую силу пружины по заданной угловой скорости ω₀, до которой полумуфта 1 вращается свободно. Угловая скорость ω₁ , которая необходима для передачи крутящего момента определяют по условию

KT ≤ 0,5(F_ц - F) f z D = 0,5mrD z f (ω²₁ - ω²₀), где z - число колодок; f - коэффициент трения.

В диапазоне между ω₁ и ω₀ муфта пробуксовывает и постепенно разгоняет ведомый вал. Сила пружины в данном случае (рис)

F = 48EJy / l³, где у - стрела прогиба; J=bh³ /12 - осевой момент инерции площади поперечного сечения; b - ширина, h - толщина пружины.

Проверка работоспособности колодок рассчитывается по ….. давлению [ p] на поверхности трения так же, как и в других фрикционных муфтах.

Муфты предохранительные. Эти муфты служат для защиты машин от перегрузки. В качестве предохранительных муфт в машиностроении применяют: 1. муфты с разрушающимся элементом, 2. кулачковые, шариковые (разновидность кулачковых) 3. фрикционные. Последние три типа муфт стандартизованы (ГОСТ 15620-93, 50893-96 и 15622-77). Предохранительные муфты независимо от типа могут работать только при строгой соосности валов. Поскольку все звенья кинематической цепи испытывают перегрузку различной степени,….. предохранительные муфты следует располагать как можно ближе к месту возникновения перегрузки.

Муфты с разрушающимся элементом.Муфты этого типа отличает компактность и высокая точность срабатывания. Их применяют в тех случаях, когда по роду работы машины перегрузки могут возникнуть лишь случайно. Конструктивные схемы муфт приведены на рис.В качестве разрушающегося элемента обычно используют штифты, выполняемые из стали (45, У8А) или из хрупких материалов (серый чугун, бронза, силумин и др.). Применяют муфты с одним и с несколькими срезающимися штифтами. В момент срабатывания (при перегрузке) штифт разрушается и предохранительная муфта разъединяет кинематическую цепь. Для восстановления работы муфты штифт заменяют. Штифты размещают в закаленных до высокой твердости (50...60 HRC) втулках, изготовляемых обычно из стали марки 40Х. Закаленные втулки 2 облегчают замену штифтов, предотвращают смятие более слабого материала полумуфт штифтом и тем самым приближают действительные условия среза штифта к расчетным:

КТ= z D₁ π d²[τ] / 8K_z где

z - число штифтов; K_z - коэффициент неравномерности распределения нагрузки по штифтам.

Практически z принимают равным 1 или 2; K_z = 1 при z = 1; K_z = 1,2 при z =2. Допускаемое напряжение [τ] принимают равным пределу прочности материала на срез. Например, для закаленных штифтов из стали Ст5 допускают [τ] = 420 МПа.

Жесткое соединение полумуфт штифтом не может компенсировать вредного влияния их несоосности на штифт, условия работы которого становятся неопределенными. Поэтому необходима строгая центровка полумуфт.

Кулачковые предохранительные муфтыпо конструкции аналогичны сцепным кулачковым. Отличие в том, что подвижная в осевом направлении полумуфта поджата пружиной к неподвижной, а рабочие грани кулачков имеют большой угол наклона (β = 30 - 60°). Работа кулачковых муфт сопровождается изнашиванием кулачков, поэтому последние должны иметь высокую твердость (> 56 HRC). На рис., а, б показаны конструктивные схемы двух кулачковых муфт в момент их срабатывания (кулачки вышли из зацепления). Для повышения точности срабатывания муфты высоту кулачков следует делать по возможности небольшой и применять пружины малой жесткости. Необходимо предусмотреть также регулирование силы нажатия пружины, замыкающей кулачковую предохранительную муфту. В муфтах (рис.а,б) регулирование осуществляют гайкой, которую затем стопорят контргайкой.

От действия окружной силыF_t в зацеплении возникает осевая сила

F_a=F_t tg α,

которая стремится раздвинуть полумуфты и вывести их из зацепления. Этому противодействуют сила пружины F и сила трения на кулачках и в шлицевом (шпоночном) соединении. С учетом этих сил условия равновесия полумуфты 2 можно записать в виде

где α - угол заострения кулачка; ρ - угол трения в зацеплении кулачков (6...8°); f₂ - коэффициент трения в шлицевом соединении (0,15).

В соответствии с силой F подбирают пружину. Прочность кулачков рассчитывают так же, как и в обычных кулачковых муфтах (см. выше). Недостатком предохранительных кулачковых муфт являются удары кулачков при перегрузках, сопровождающиеся большим шумом. Поэтому такие муфты не рекомендуют применять при высокой частоте вращения.

Фрикционные предохранительные муфты применяют при частых кратковременных перегрузках, главным образом ударного действия. Наибольшее распространение получили многодисковые фрикционные предохранительные муфты. Их конструируют по схемам рис.

На рис., а фрикционные диски сжимает одна центральная пружина сжатия, на рис., б - несколько расположенных по окружности пружин, на рис. , в - тарельчатые пружины. Если тарельчатые пружины расположить так, как показано на рис., г, то жесткость комплекта пружин будет меньше, что повысит точность срабатывания муфты.

Основные размеры фрикционных предохранительных муфт в зависимости от передаваемого момента принимают по ГОСТ 15622-96.(Размеры в мм)