15.2. Муфты компенсирующие жесткие

Виды несоосности валов. Погрешности изготовления и монтажа приводят к неточностям взаимного расположения геометрических осей соединяемых валов. Различают три вида отклонений от номинального расположения валов (рис. 15.6): продольное смещение (может быть вызвано также температурным линейным удлинением валов); радиальное смещение , или эксцентриситет; угловое смещение , или перекос. На практике чаще всего встречается комбинация указанных отклонений, которую принято называть термином — несоосность валов.

Рис. 15.6. Виды несоосности валов

При соединении глухими муфтами несоосные валы в месте установки муфты приводят к одной общей оси путем деформирования валов и опор, которые нагружаются дополнительно. Поэтому при соединении глухими муфтами требуется высокая точность расположения валов. Для снижения этих требований и уменьшения вредных нагрузок на валы и опоры используют компенсирующие муфты. Компенсация получаемой несоосности валов достигается: вследствие подвижности практически жестких деталей — жесткие компенсирующие муфты; за счет деформации упругих деталей — упругие муфты.

Наибольшее распространение из групп жестких компенсирующих муфт получили кулачково-дисковая и зубчатая.

Муфта кулачково-дисковая. Эта муфта (рис. 15.7) состоит из двух полумуфт 1 и 2 промежуточного диска 3. На внутреннем торце каждой полумуфты образовано по одному диаметрально расположенному пазу. На обоих торцах диска выполнено по одному выступу, которые расположены по взаимно перпендикулярным диаметрам. У собранной муфты выступы диска входят в пазы полумуфт. Перпендикулярное расположение пазов позволяет муфте компенсировать эксцентриситет и перекос валов. При этом выступы скользят в пазах, а центр диска описывает окружность радиусом, равным эксцентриситету . Зазоры а между диском и полумуфтами позволяют компенсировать также и продольные смещения валов. Вследствие того, что перекос валов вызывает неблагоприятное распределение давления в пазах, кулачково-дисковую муфту рекомендуют применять в основном для компенсации эксцентриситета: до 0,04 d; до 0°30'.

Рис. 15.7. Муфта кулачково-дисковая

Скольжение выступов в пазах сопровождается их износом. Износ возрастает с увеличением несоосности и частоты вращения. Поэтому для уменьшения износа, трущиеся поверхности муфты периодически смазывают через отверстие 4 (рис. 15.7, а) и стараются не допускать на них больших напряжений смятия. При расчете кулачково-дисковых муфт полагают, что натяг и зазор посадки выступов в пазы равны нулю. В этом случае деформации и напряжения в различных точках поверхности соприкосновения выступов и впадин пропорциональны расстояниям этих точек до оси муфты (рис. 15.7, б); где эпюра напряжений смятия условно перенесена с боковых сторон паза на диаметр. Тогда условие равновесия полумуфты можно записать в виде

(15.1)

Учитывая, что

(15.2)

после преобразования получаем

(15.3)

где К – коэффициент динамичности режима нагрузки; h – рабочая высота выступов (рис. 15.7, а). При расчетах принимают D/d≈2,5...3.

Обычно полумуфты и промежуточный диск изготовляют из сталей Ст5 (поковка) или 25Л (литье). Для тяжелонагруженных муфт применяют легированные стали типа 15Х, 20Х с цементацией рабочих поверхностей. При этом принимают [ ]_см = 15...20МПа.

Работа муфты с эксцентриситетом сопровождается потерями на трение и дополнительной нагрузкой валов. Дополнительная нагрузка F_M на вал от муфты равна силе трения в пазах:

или после преобразования с учетом формул (15.2) и (15.3)

(15.4)

В этой формуле отношение принято за радиус приложения некоторой фиктивной окружной силы муфты

. Тогда приближенно

Применение компенсирующих муфт значительно уменьшает, но не устраняет полностью вредных нагрузок на валы и опоры, связанные с несоосностью.

Для определения потерь на трение в муфте воспользуемся рис. 15.7, в. При повороте полумуфты на каждые 90° кулачки перемещаются в пазах на величину эксцентриситета . Например, после поворота на первые 90° центры полумуфты и диска совмещаются, так как паз полумуфты 1 займет горизонтальное положение, а полумуфты 2 – вертикальное (см. также рис. 15.7, а). Таким образом, в пазах каждой полумуфты силы трения совершают работу на пути, равном 4 , а в двух полу муфтах – 8 за каждый оборот вала. Работа, потерянная на трение за один оборот, W_Tp = 8 _rF_M. При этом полезная работа

, а коэффициент полезного действия муфты

Принимая приближенно , получаем

(15.5)

При расчетах можно принимать

Муфта зубчатая. Состоит из полумуфт 1 и 2 с наружными зубьями и разъемной обоймы 3 с двумя рядами внутренних зубьев (рис. 15.8, а) находящихся в зацеплении с зубьями полумуфт. Наиболее распространен эвольвентный профиль зубьев. Муфта компенсирует все виды несоосности валов. Для этого предусматривают радиальные зазоры с и увеличенные боковые зазоры в зацеплении (рис. 15.8, б), а зубчатые венцы полумуфт обрабатывают по сферам радиусами , центры которых располагают на осях валов. Допускаемые зубчатой муфтой смещения валов (радиальные, угловые или их комбинация) определяют из условия, чтобы углы между осью обоймы и осью одного или другого вала были не больше 0°30'.

Компенсация несоосности валов при работе муфты сопровождается скольжением в местах соприкосновения зубьев и их износом. Практикой эксплуатации зубчатых муфт установлено, что износ является основным видом повреждения (основной критерий работоспособности). Для уменьшения износа в обойму заливают жидкую смазку.

Определение истинных контактных напряжений в муфте усложняется неопределенностью условий контакта зубьев. При несоосности наблюдается неравномерное распределение нагрузки между зубьями, а поверхности соприкасания отдельных пар зубьев различны.

Так, например, зубья обоймы и полумуфты, расположенные в плоскости перекоса валов, параллельны и имеют более благоприятные условия соприкасания, а зубья, расположенные в перпендикулярной плоскости, наклонены друг к другу под углом, равным углу перекоса, и соприкасаются только кромкой. Остальные зубья также располагаются под углом, но угол их наклона меньше.

Для ослабления вредного влияния кромочного контакта применяют зубья бочкообразной формы (рис. 15.8, б, вид В). Приработка зубьев выравнивает распределение нагрузки и улучшает условия контакта. Поэтому в условном расчете зубчатых муфт допускают, что нагрузка распределяется равномерно между всеми зубьями, а зубья соприкасаются по всей длине и высоте. При этом получаем

(15.6)

где z – число зубьев полумуфты; D₀ = zm – делительный диаметр зубчатого зацепления; m – модуль зацепления; A = bh-проекция рабочей поверхности зуба на его среднюю плоскость; b – длина зуба; h – рабочая высота зуба.

Для наиболее распространенного на практике зацепления (рис. 15.8, б) можно принять h ≈ 1,8m. После подстановки и h = 1,8m в формулу (15.6) и преобразования получим следующее условие

(15.7)

Для стандартных муфт принимают [ ]_см = 12... 15 МПа.

Детали зубчатых муфт изготавливают из углеродистых сталей типа 45, 40Х, 45Л коваными или литыми. Для повышения износостойкости зубья полумуфт подвергают термической обработке до твердости не ниже 40HRC, а зубья обойм — не ниже 35HRC.

Рис. 15.8. Муфта зубчатая

Для проектного расчета формулу (15.7) преобразовывают,

Обозначив ,тогда

(15.8)

где К – коэффициент динамичности режима нагрузки (задаются по рекомендациям из справочников); Т – передаваемый крутящий момент. Значения коэффициента ширины зубчатого венца в конструкциях муфт находятся в пределах = = 0,12...0,16. Увеличение ширины зубчатого венца b затрудняет приработку зубьев и увеличивает неравномерность распределения нагрузки между ними.

По диаметру делительной окружности муфты D₀, задавшись числом зубьев, можно определить модуль т, который округляют до стандартного значения. Рекомендуемый интервал чисел зубьев z=30...80 (большие значения – для тяжело нагруженных муфт). При этом обеспечивается достаточный запас прочности зубьев по напряжениям изгиба.

Зубчатые муфты имеют малые габариты и обладают хорошими компенсирующими свойствами. Их применяют для передачи больших крутящих моментов. На основании опыта эксплуатации приближенно принимают

_м = 0,985...0,995; F_M= (0,15...0,2)F_t,

где _м – КПД муфты; F_M – сила действующая на валы; F_t – окружная сила, которую определяют по диаметру D₀.