9
Муфты управления
9.1 Муфты включения
Муфты управления подразделяются на следующие типы: включения, свободного хода, предохранительные и др.
Муфты включения, называемые также сцепными, осуществляют передачу движения от ведущего вала к ведомому по команде управляющего органа и работают в режиме «включено – выключено»; подразделяются на электромагнитные, зубчатые и кулачковые, фрикционные. Некоторые типы электромагнитных муфт могут выполнять и более сложные команды: изменение частоты вращения ведомого вала и реверс.
9.1.1 Электромагнитные муфты
Электромагнитные муфты – разновидность управляемых муфт, широко используемых в системах автоматики и различных приводах.
Главные достоинства этих муфт – возможность дистанционного управления сигналами малой мощности; управление по специальной программе или непосредственно от ЭВМ; высокое быстродействие, в результате чего можно получать значительное ускорение (до 50000рад/сек2.)
Существующие конструкции электромагнитных муфт по виду связи между ведущим и ведомым элементами подразделяются на муфты с механической связью, электромеханической связью и со связью через электромагнитное поле.
В муфтах с механической связью передача энергии осуществляется посредством сил фрикционного сцепления.
Схема однодисковой электромагнитной муфты с механической связью показана на рис. 9.1, а. На вал 1 неподвижно посажена полумуфта 2 с электромагнитом 3, полумуфта 4 вращается вместе с валом 5 ,но может перемещаться в осевом направлении. При прохождении тока через катушки электромагнита возникает магнитное поле, притягивающее полумуфту 4 к полумуфте 2. В результате между фрикционными дисками создается момент сцепления М+.. Если крутящий момент Т<М+, то муфта работает без проскальзывания.
Недостатком такой схемы является необходимость подвода тока к вращающейся катушке электромагнита. Этого можно избежать, используя конструкцию с неподвижным электромагнитом (рис. 9.1, б). Ведущая полумуфта 3 с фрикционным кольцом вращается с валом 2. При включении электромагнита 1 полумуфта 5 сцепляется с фрикционным кольцом 4.
Однодисковые муфты просты и надёжны, но размеры их относительно велики. Более эффективны многодисковые муфты: оптимальное число дисков 6…10.Электромагнитные муфты широко применяются при мощностях до 250 Вт и частоте вращения до 10000 об/мин (многодисковые до 4000 об/мин), время их срабатывания – 9….260 мс(однодисковые), многодисковые – 28…200 мс.
Рисунок 9.1 – Электромагнитная муфта с механической связью
При прерывистой нагрузке, требующей быстрой фиксации в отдельных позициях, фрикционные дисковые муфты обеспечивают наивысшую скорость реакции и лучшие механические характеристики. Они особенно эффективны, когда нерабочие периоды относительно велики, т.к. имеют небольшой тормозной момент и не выделяют теплоты на холостом ходу.
Механическую часть электромагнитных муфт рассчитывают по той же методике, что и обычных фрикционных муфт.
Повышение быстродействия возможно при использовании фрикционных электромагнитных муфт с магнитоэлектрическим управлением. В этой системе ток подводится к катушке, находящейся в поле постоянного магнита. В результате взаимодействия магнитных полей катушка смещается в осевом направлении, включая муфту. Быстродействие составляет примерно 0,5 мс. Увеличение быстродействия (до 0,2 мс) позволяют получить пьезоэлектрические муфты (рис. 9.2). Их действие основано на изменении размеров кристалла под действием постоянного тока.
При подводе тока к кристаллам 1 полумуфты 2 происходит увеличение диаметра D2, что приводит к фрикционному сцеплению полумуфт 2 и 3.
Недостаток этих муфт – большой тормозной момент при нулевом сигнале управления.
К муфтам с электромеханической связью относятся магнитопорошковые и магнитожидкостные муфты [2]. Принцип работы основан на зависимости вязкости магнитных частиц от интенсивности магнитного поля.
Рисунок 9.2 – Пьезоэлектрические муфты
Пространство между полумуфтами заполнено магнитными частицами в жидком или порошкообразном состоянии. При нулевой напряженности магнитного поля электромагнита вязкость заполнителя небольшая и полумуфты механически не связаны. При подаче сигнала управления на электромагнит частицы образуют массу большей вязкости, механически связывая полумуфты. При увеличении интенсивности магнитного поля вязкость увеличивается, благодаря чему увеличивается значение передаваемого крутящего момента. Увеличение температуры практически не влияет на работу муфты, быстродействие составляет до 3 мс, частота вращения может достичь 12000 об/мин. Жидкостные муфты работают более плавно, но требуют более сложной конструкции уплотнений.
К муфтам со связью через электромагнитное поле относятся гистерезисные, индукционные (асинхронные и синхронные), а также конденсаторные. Эти муфты обладают высокой надежностью и долговечностью; вращение ведомого звена плавное, остаточное торможение невелико. Однако КПД таких муфт относительно мал.
9.1.2 Зубчатые и кулачковые муфты
Зубчатые и кулачковые муфты обеспечивают надежное соединение и высокую частоту включения (до 1000 циклов в час), имеют небольшие размеры, но требуют точной соосности соединяемых валов. Включение и выключение этих муфт производится во время остановки валов или при небольшой частоте вращения (до 100 об/мин).
Конструкция зубчатой муфты (рис. 9.3, а) состоит из полумуфты 1 с внутренними полумуфтами 2 с внешними эвольвентными зубьями. При перемещении полумуфты 2 в осевом направлении по стрелке А муфта выключается, так как зубья полумуфт выходят из зацепления; при обратном движении муфта включается. Чаще всего зубчатые муфты применяют для соединения валов со свободно насаженными на них зубчатыми колесами и другими деталями.
Кулачковые муфты имеют зубья на торцах полумуфт и обеспечивают безлюфтовое соединение. При осевом смещении полумуфты 1 (рис. 9.3, б) по стрелке А зубья (кулачки) полумуфт входят в зацепление, чем достигается включение муфты. Наименьшее число зубьев 2…3, наибольшее – около 60; с увеличением передаваемой нагрузки и уменьшением времени включения число зубьев должно увеличиваться. Материалом для зубчатых и кулачковых муфт служат термически обработанные стали, обычно легированные, 20Х или 20ХН2, зубья цементируют на глубину 0,3…0,5 мм и закаливают до твердости 54…60 HRC. Расчет муфт рассматриваемого типа включает проверку прочности зубьев на смятие и изгиб.
Рисунок 9.3 – Муфты: зубчатая (а) и кулачковая (б)
9.1.3 Фрикционные муфты включения
Данные муфты широко распространены благодаря простоте конструкции; они предназначены для плавного включения на ходу и обладают предохранительными свойствами, ограничивая нагрузки на ведомые звенья. Полумуфта 1 однодисковой фрикционной муфты (рис. 9.4, а) неподвижно закреплена на валу 2, а полумуфта 3 имеет возможность смещаться в осевом направлении (по стрелке А) относительно вала 4.
Задача расчета Фрикционной муфты – определить наибольший крутящий момент, который она может передать, и необходимую силу прижатия F. Момент сил трения Mf (момент сцепления), возникающий между дисками 1 и 3 под действием силы F, рассчитывают по формуле
Mf = (1/3)Ff(D3 d3)/(D2 – d2),
где f– коэффициент трения скольжения между дисками муфты;
D и d – размеры (см. рис. 9.4, а).
Для нормальной работы муфты необходимо, чтобы передаваемый крутящий момент Т был меньше Мf, или Мf T ( = 1,15…1,25 – коэффициент запаса сцепления). Из приведенной формулы при принятом значении Т находят силу прижатия F = 3T(D2 – d2)/(D3 – d3).
Рисунок 9.4 – Фрикционные муфты включения: однодисковая (а), многодисковая (б), коническая (в)
Нагрузочная способность муфты определяется допускаемым значением удельного давления
p = F/(D2 – d2)/4 = 12-1Т/(D3 – d3) p.
При необходимости увеличить нагрузочную способность применяют многодисковые (рис. 9.4, б) и конические (рис. 9.4, в) фрикционные муфты, в которых при том же значении силы прижатия передаваемый крутящий момент Т значительно возрастает. Угол конуса выбирают больше угла трения, чтобы обеспечить надежное размыкание конусов при выключении муфты; обычно 8...12. При расчетах конических фрикционных муфт в формулы вместо параметра подставляют приведенный коэффициент трения sin-1 0,5.