Конструкции и использование муфт

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования РФ

Волгоградский государственный технический университет

(ВолгГТУ)

Реферат

по дисциплине

Детали машин

Тема:

«Муфты»

Выполнила: студентка

группы ЭУ-11во

Бусалаева О.Н.

Проверил: доцент

Кислов С.Ю.

Волгоград, 2011г.



Муфты: назначение, классификация

Это устройства для соединения валов и передачи между ними вращающего момента.

Муфты могут передавать вращающий момент и валам, и другим деталям (колёсам, шкивам и т.д.). Соединяют соосные и несоосные валы. Муфты существуют потому, что всегда есть некоторая несоосность, перекосы, взаимная подвижность валов. Конструкции муфт весьма разнообразны. 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 их физической природе.

и Муфты механического действия.

и Муфты электрического (электромагнитного) действия.

и Муфты гидравлического или пневматического действия.

Классы муфт различают по режиму соединения валов.

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

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

и Самодействующие - срабатывают автоматически при заданном режиме работы.

и Прочие.

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:

и прочности при циклических и ударных нагрузках,

и износостойкости,

и жёсткости.

На практике муфты подбираются из каталога по величине передаваемого момента M = MВалаK, где МВала - номинальный момент, определённый расчётом динамики механизма, К - коэффициент режима работы: К = 1 1,5 спокойная работа, лёгкие машины; К = 1,5 2 переменные нагрузки, машины среднего веса (поршневые компрессоры); К = 2 6 ударные нагрузки, большие массы (прессы, молоты). Для двигателей транспортных машин К завышают на 20 40 % в зависимости от числа цилиндров.



Размещено на http://www.allbest.ru/



1 Муфты глухие

Размещено на http://www.allbest.ru/

Втулочные муфты - это самые простые конструкции и обычно применяются в лёгких машинах на валах диаметром до 70 мм. Требуют точной соосности, затрудняют сборку-разборку, имеют малую жёсткость на изгиб. Их работоспособность определяется прочностью в местах крепления к валам. Они отличаются простотой конструкции и малыми габаритами. Применение втулочных муфт в тяжелых машинах затруднено тем, что при монтаже и демонтаже требуется смещать валы (агрегаты) в осевом направлении.

Скрепление втулки с валами выполняют с помощью штифтов (рисунок 3), шпонок (рисунок 4) или зубьев (шлицев). Прочность муфты

определяется прочностью штифтового, шпоночного или шлицевого соединения, а также прочностью втулки.



Муфта фланцевая. Эти муфты применяют чаще, так как они допускают легкую сборку-разборку.На рисунке 5 сверху и снизу от осевой линии изображены различные варианты конструкции фланцевой муфты; полумуфты 1, 2 соединяют болтами, поставленными с зазором (I вариант) или без зазора (II вариант). В первом случае вращающий момент передается силами трения, возникающими в стыке полумуфт от затяжки болтов, во втором случае -- непосредственно болтами, работающими на срез и смятие. Болты, поставленные без зазора, могут одновременно выполнять функцию центровки валов. При постановке болтов с зазором центровка производится выступом 5, который воспринимает также все поперечные нагрузки. Центрирующий выступ затрудняет монтаж и демонтаж соединения, так как при этом необходимо осевое смещение валов. В целях соблюдения правил техники безопасности выступающие части болтов закрывают бортиками 4 (I вариант). В тех случаях, когда муфта имеет общее ограждение, бортики не делают (II вариант).

Расчет на прочность выполняют для шпоночных или шлицевых соединений и болтов. Установка болтов без зазора позволяет получить муфты меньших габаритов и поэтому более распространена.

Фланцевые муфты широко распространены в машиностроении. Их применяют для соединения валов диаметром 12 250 мм и передачи моментов 0,8 4500 кГм. Достоинствами таких муфт являются простота конструкции и сравнительно небольшие габариты. В тяжёлых машинах фланцы приваривают к валам.



2 Муфты компенсирующие жесткие

Виды несоосности валов. Вследствие погрешностей изготовления и монтажа всегда имеется некоторая неточность взаимного расположения геометрических осей соединяемых валов. Различают три вида отклонений от номинального расположения валов (рисунок 6): продольное смещение Да (может быть вызвано также температурным удлинением валов); радиальное смещение Дr или эксцентриситет; угловое смещение Да или перекос. На практике чаще всего встречается комбинация указанных отклонений, которую в дальнейшем будем называть общим термином «несоосность валов».

При соединении глухими муфтами несоосные валы в месте установки муфты приводят к одной общей оси путем деформирования валов и опор. Опоры и валы дополнительно нагружаются. Поэтому при соединении глухими муфтами требуется высокая точность расположения валов. Для понижения этих требований и уменьшения вредных нагрузок на валы и опоры применяют компенсирующие муфты. Компенсация вредного влияния несоосности валов достигается: вследствие подвижности практически жестких деталей -- компенсирующие жесткие муфты; за счет деформации упругих деталей -- упругие муфты. Так как упругие муфты выполняют еще и другие функции, то их выделяют в особую группу.

Наибольшее распространение в качестве компенсирующих жестких муфт получили кулачково-дисковая и зубчатая.

Муфта кулачково-дисковая. Кулачково-дисковая муфта (рисунок 7) состоит из двух полумуфт 1,2 и 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 располагаются в пазах полумуфт. Таким образом диск соединяет полумуфты.

Перпендикулярное расположение пазов позволяет муфте компенсировать эксцентриситет и перекос валов. При этом выступы скользят в пазах, а центр диска описывает окружность радиусом, равным эксцентриситету Дг. Зазоры д 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: Дr до 0,04d;Дa до 0°30'.

Скольжение выступов в пазах сопровождается их износом.

Интенсивность износа возрастает с увеличением несоосности и частоты вращения. Для уменьшения износа поверхности трения муфты периодически смазывают (отверстие 4 на рисунке 7, а) и не допускают на них больших напряжений смятия. Последнее является основным условием расчета всех жестких муфт со скользящими деталями.

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 муфты (рисунок 7, б); здесь эпюра напряжений смятия условно перенесена с боковых сторон паза на диаметр. Условия равновесия полумуфты можно записать в виде

(1)

Учитывая, что

(2)

после преобразования получаем

(3)

где К -- коэффициент динамичности режима нагрузки; h -- рабочая высота выступов (рис. 6, а). На практике принимают D/d2,5…3.

Обычно детали кулачково-дисковых муфт изготовляют из сталей Ст5 (поковка) или 25Л (литье). Для тяжелонагруженных муфт применяют легированные стали типа 15Х, 20Х с цементацией рабочих поверхностей. При этом допускают

[см] = 15...20 МПа.

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

или после преобразования с учетом формул (2) и (3)

(4)

В этой формуле отношение принято за радиус приложения некоторой фиктивной окружной силы муфты Ft=КТ/Rcp. Приближенно

Таким образом, применение компенсирующих муфт значительно уменьщает, но не устраняет полностью вредных нагрузок на валы и опоры, связанные с несоосностью.

Для определения потерь на трение в муфте воспользуемся рисунком 7, в. Нетрудно установить, что при повороте полумуфты на каждые 90° кулачки перемещаются в пазах на эксцентриситет Аг. 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 рисунок 7, а). Таким образом, в пазах каждой полумуфты силы трения совершают работу на пути, равном 4Дr, а в двух полумуфтах -- 8Дr за каждый оборот вала. Работа, потерянная на трение за один оборот, WТР = 8Дr/FМ. Полезная работа в то же время Wп=2рT, а коэффициент полезного действия муфты зM=1-(WTP/WП)

Принимая приближенно Fм = Т/[(D+d1)/4], получаем

Практически при расчетах приводов можно принимать з

Муфта зубчатая. Состоит из полумуфт 1 и 2 с наружными зубьями и разъемной обоймы 3 с двумя рядами внутренних зубьев (рисунок 8, а). Наиболее распространен эвольвентный профиль зубьев с а=20°, ha* = 0,8. Муфта компенсирует все виды несоосности валов. С этой целью выполняют радиальные зазоры с и увеличенные боковые зазоры в зацеплении (рисунок 8, б), а зубчатые венцы полумуфт обрабатывают по сферам радиусами г, 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'.

Рисунок 8

Компенсация несоосности валов при работе муфты сопровождается скольжением в местах соприкасания зубьев и их износом. Практикой эксплуатации зубчатых муфт установлено, что износ является основным критерием работоспособности. Для уменьшения износа в обойму заливают масло.

Определение истинных контактных напряжений в муфте усложняется неопределенностью условий контакта зубьев. Эта неопределенность обусловлена, с одной стороны, рассеиванием ошибок изготовления муфты, а с другой -- рассеиванием несоосности валов (ошибки монтажа). При несоосности нагрузка распределяется неравномерно 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 (рисунок 8, б, вид В). Приработка зубьев выравнивает распределение нагрузки и улучшает условия контакта.

Отмеченное выше позволяет предложить лишь условный метод расчета зубчатых муфт, неточности которого компенсируют выбором допускаемых напряжений на основе практики. В условном расчете допускают, что нагрузка распределяется равномерно между всеми зубьями, а зубья соприкасаются по всей длине и высоте. При этом получаем

где z -- число зубьев полумуфты; D0=zm -- делительный диаметр; т -- модуль зубьев; А=bh -- проекция рабочей поверхности зуба на его среднюю диаметральную плоскость; b -- длина зуба; h -- рабочая высота зуба.

Для наиболее распространенного в практике случая (рис. 17.7, б) можно принять И «1,8 /и. После подстановки в формулу (6) и преобразования найдем

Для стандартных муфт допускают [усм]= 12... 15 МПа.

Детали зубчатых муфт изготовляют из углеродистых сталей типа 45, 40Х, 45Л коваными или литыми. Для повышения износостойкости зубья полумуфт подвергают термической обработке до твердости не ниже 40 HRС, а зубья обойм -- не ниже 35 HRС. Тихоходные муфты (х<5 м/с) можно изготовлять с твердостью зубьев <35 ИКС.

Для проектного расчета формулу (7) можно преобразовать, обозначив ш = b/D0, тогда

Коэффициент ширины зубчатого венца в существующих конструкциях муфт находится в пределах ш = 0,12...0,16. Увеличение ширины зубчатого венца b затрудняет приработку зубьев и увеличивает неравномерность распределения нагрузки между ними.

По диаметру муфты, задавшись числом зубьев, определяют модуль и согласуют его с ГОСТ (см. табл. 8.1). Практически выполняют z = 30...80 (большие величины -- для тяжелонагруженных муфт). При этом обеспечивается достаточный запас прочности зубьев по напряжениям изгиба.

Зубчатые муфты обладают компактностью и хорошими компенсирующими свойствами. Их применяют для передачи больших вращающих моментов.

Аналитическое определение сил, действующих на валы, и потерь в зубчатой муфте при наличии несоосности значительно сложней, чем в описанном выше случае. На основе опытов приближенно принимают

где Ft определяют по диаметру D0.

3 Муфты упругие

Назначение и динамические свойства муфт. Конструкция одной из упругих муфт изображена на рисунке 9. Эту конструкцию можно рассматривать как принципиальную схему, общую для всех упругих муфт. Здесь полумуфты 1 и 2 связаны упругим элементом 3 (например, склеены или привулканизированы). Упругая связь полумуфт позволяет: компенсировать несоосность валов; изменить жесткость системы в целях устранения резонансных колебаний при периодически изменяющейся нагрузке; снизить ударные перегрузки.

Одной из основных характеристик упругой муфты является ее жесткость:

Сц=dТ/dц (9)

где Т -- вращающий момент, передаваемый муфтой; ц -- угол закручивания муфты моментом T. В зависимости от характеристики Сц (рисунок 10) различают упругие муфты постоянной 1 и переменной 2 жесткости. Для муфт постоянной жесткости

Сц=T/ц=const.

Переменной жесткостью обладают муфты с неметаллическими упругими элементами, материалы которых (резина, кожа и т. д.) не подчиняются закону Гука, а также муфты с металлическими упругими элементами, условия деформирования которых задаются конструкцией. От характеристики жесткости упругой муфты в значительной степени зависит способность машины переносить резкие изменения нагрузки (удары) и работать без резонанса колебаний. Например, допустим, что работа в точке А муфты с переменной жесткостью (рисунок10) соответствует условиям резонанса. При этом возрастает амплитуда колебаний, а максимальные величины Т и ц соответствуют точке В. Но в точке В муфта имеет другую жесткость, при которой резонанса нет. Система будет возвращаться к точке А и т. д. Следовательно, при муфте с переменной жесткостью не может быть резонанса в полном смысле этого понятия.

Важным свойством упругой муфты является ее демпфирующая способность, которая характеризуется энергией, необратимо поглощаемой муфтой за один цикл (рисунок 11): нагрузка (ОА1) и разгрузка (1ВС). Как известно, эта энергия измеряется площадью петли гистерезиса ОА1ВС. Энергия в муфтах расходуется на внутреннее и внешнее трение при деформировании упругих элементов.

Демпфирующая способность упругих муфт способствует снижению динамических нагрузок и затуханию колебаний.

Каждая машина -- это обычно сложная многомассовая система. Методы расчета колебаний таких систем изучают в специальных курсах. Для того чтобы выяснить, каким образом упругие муфты влияют на динамические свойства машины, рассмотрим простую модель, схема которой изображена на рисунке 12, и ограничим решение задачи дополнительными условиями, перечисленными ниже. На рисунке приняты обозначения: J1-- момент инерции масс привода (двигателя, передачи и т. п.), приведенный к валу 1; J2 -- момент инерции вращающихся масс исполнительного механизма, приведенный к валу 2; щ и Т -- угловые скорости и вращающие моменты на валах 1 и 2; Сц -- жесткость муфты.

Дополнительные условия: 1) муфта имеет линейную характеристику (Сц=const), а жесткость всех других деталей машины велика по сравнению с Сц. Поэтому в расчете колебаний учитываем только Сц,; 2) муфта обладает малой демпфирующей способностью, что позволяет не учитывать потери при составлении уравнений движения; 3) машина оборудована двигателем, способным изменять момент Т1 в широких пределах без существенного изменения угловой скорости. Поэтому в расчете щ1 принимаем постоянной. Практически последнее условие может быть применимо, например, для машин, оборудованных асинхронными электродвигателями. Частота вращения этих двигателей меняется незначительно при изменении момента в два раза и более. Условие щ1 = const равнозначно условию J1, т. е. приведению системы к одномассовой.

Перечисленные условия позволяют рассматривать систему, показанную на рисунке 12, как простейшую с одной степенью свободы. Размещая центр полярных координат на оси вала 1 и полагая, что эти оси координат вращаются с постоянной угловой скоростью щ1 можно описать движение системы с помощью только одной переменной -- угла закручивания муфты ц2.

Рисунок 10 Рисунок 11 Рисунок 12

муфта вал вращающий момент

Конструкция и расчет упругих муфт

В машиностроении применяют большое количество разнообразных по конструкции упругих муфт. По материалу упругих элементов эти муфты делят на две группы: с металлическими и неметаллическими упругими элементами. В методике расчета муфт каждой из этих групп много общего, что позволяет ограничиться подробным изучением только некоторых типичных конструкций.

Металлические упругие элементы муфт. Основные типы металлических упругих элементов муфт изображены на рисунке 13: а -- витые цилиндрические пружины; б -- пакеты разрезных гильзовых пружин; в -- стержни, пластины или пакеты пластин, рас положенные по образующей или по радиусу муфты; г -- змеевидные пластинчатые пружины. Эти элементы работают на кручение (рисунок 13, а) или на изгиб (рисунок 13, б, в, г).

Рисунок 23

По сравнению с неметаллическими металлические упругие элементы более долговечны и позволяют изготовлять малогабаритные муфты с большой нагрузочной способностью. Поэтому их применяют преимущественно для передачи больших вращающих моментов. Пакетные упругие элементы вследствие трения между пластинами обладают высокой демпфирующей способностью.

Муфты с металлическими упругими элементами могут быть выполнены с постоянной или переменной жесткостью в зависимости от условий деформирования элемента.

Муфта с цилиндрическими пружинами (рисунок 14). Она состоит из обода 1 с ребром 2 и ступицы 4 с дисками 5. Ребро обода размещается между дисками так, что возможен относительный поворот этих деталей. Ребро и диски имеют одинаковые фасонные вырезы, в которые закладывают пружины 5 с ограничителями 6. С торцов муфты закрывают дисками 7, которые прикрепляют к ступице или ободу для предохранения пружины и ограничителей от выпадания и загрязнения.

В разгруженной муфте (рисунок 14, а) каждый из ограничителей соприкасается своей цилиндрической поверхностью и с дисками, и с ребром, а пружины предварительно сжаты. Под нагрузкой (рисунок 14, б) ребро перемещается между дисками, а пружины дополнительно сжимаются. При этом один из ограничителей соприкасается только с ребром, а другой -- только с дисками.

Рисунок 14 Рисунок 15

Такие муфты целесообразно применять как упругие звенья в системе соединения валов с зубчатыми колесами или звездочками цепных передач. В этом случае обод является зубчатым венцом, а муфта как бы встраивается в конструкцию зубчатого колеса. Для уменьшения износа деталей необходимо предусматривать смазку трущихся поверхностей муфты.

Муфты с цилиндрическими пружинами применяют также для соединения валов. В этом случае их конструкция несколько изменяется. Характеристика муфты с цилиндрическими пружинами изображена на рисунке 15. Вследствие предварительного сжатия пружин силой F1 муфта работает как жесткая до нагрузки моментом Т1. При этом

Т1 = F1 rz, (10)

где r -- радиус расположения пружин (см. рис. 14); z -- число пружин. При Т>Т1 муфта работает как упругая с постоянной жесткостью. Деформацию пружин л и напряжение ф в ее витках определяют по формулам

(11)

где F -- осевая сила, сжимающая пружину; D -- средний диаметр пружины; d-- диаметр проволоки; i -- число рабочих витков пружины; G -- модуль сдвига; кB -- коэффициент, учитывающий влияние кривизны витков. Угол закручивания муфты при Т> Т1

(12)

и жесткость муфты

(13)

Угол цmах на рис. 15 соответствует упору ограничителей, после чего муфта снова становится жесткой.

c=D/d………. 4 5 6 8 10 12

kв……….. ….1,37 1,29 1,24 1,17 1,14 1,11

Следует учитывать: чем больше с, тем больше податливость пружины при одном и том же числе витков. Упор ограничителей должен происходить до соприкасания витков пружины (минимальный зазор между витками около 0,1d).

Величины Сц , цтах и Т1 определяют при исследовании работы муфты в зависимости от ожидаемых изменений нагрузки . При этом угол закручивания при колебаниях должен находиться в пределах 0 <ц< цтах. Несоблюдение этого условия приводит к ударам ограничителей в обеих крайних точках или в одной из них.

Размеры пружины (D,d, i), соответствующие данной характеристике, определяют обычно методом подбора по формулам (10), (11) и (12) с учетом конструктивных размеров муфты.

Условие прочности пружины

(14)

где Ттах -- момент, соответствующий упору ограничителей. Для изготовления пружин применяют специальные пружинные стали.

Муфта зубчато-пружинная, или муфта со змеевидными пружинами. Полумуфты 1 и 2 (рис. 16) имеют зубья 3 специального профиля, между которыми размещается змеевидная пружина 4. Кожух 5 удерживает пружину в рабочем положении, защищает муфту от пыли и служит резервуаром для смазочного материала.

На практике используют две формы сечения зуба по образующему цилиндру (рис. 17 , а, б). Первую форму зуба применяют в муфтах с постоянной жесткостью. Здесь расстояние 2а между точками упора зубьев в пружину постоянно и не зависит от нагрузки муфты. Вторую форму зуба (круговую) применяют в муфтах с переменной жесткостью. В этих муфтах при увеличении нагрузки пружина, изгибаясь, вступает в контакт с зубом на все возрастающей длине. При этом уменьшается длина активной части пружины 2х, а ее жесткость увеличивается (рис. 17, б).



Рисунок 17

Основная область применения зубчато-пружинн ых муфт -- тяжелое машиностроение (прокатные станы, турбины, поршневые двигатели и т. п.).

Число зубьев обычно принимают в пределах 50... 100.

Муфты могут компенсировать несоосность валов. В зависимости от размеров муфты допускают Да до 4...20 мм, Дr до 0,5...3 мм, Да до 1°15'

Неметаллические упругие элементы муфт. Основным материалом неметаллических упругих элементов является резина. Она обладает следующими положительными качествами: 1) высокой эластичностью; в пределах упругости резина допускает относительные деформации в е0,7... ...0,8, а сталь -- только е0,001...0,002; при таких деформациях единица массы резины может аккумулировать большое количество энергии (в 10 раз больше, чем сталь); 2) высокой демпфирующей способностью вследствие внутреннего трения; относительное рассеяние энергии в муфтах с резиновыми элементами достигает 0,3...0,5; 3) электроизоляционной способностью. Муфты с резиновыми упругими элементами проще и дешевле, чем со стальными.

Недостатки резиновых элементов: 1) меньшая долговечность, чем стальных; вследствие структурных изменений, ускоряемых внешними воздействиями и нагреванием при переменных деформациях, резина постепенно теряет свою прочность и упругие свойства; 2) меньшая прочность, которая приводит к увеличению габаритов муфт; для передачи больших крутящих моментов такие муфты становятся нерациональными.

Муфты с резиновыми упругими элементами широко распространены во всех областях машиностроения для передачи малых и средних вращающих моментов.

Рисунок 18

Основные типы резиновых упругих элементов муфт и схемы их нагружения изображены на рис. 18, а -- и. При выборе типа упругого элемента учитывают следующее: упругие элементы с равномерным напряженным состоянием по объему обладают большей энергоемкостью; кручение и сдвиг дают большую энергоемкость, чем изгиб и сжатие; выгодно, чтобы упругий элемент занимал большую долю объема муфты. Этим условиям в большей степени удовлетворяют типы упругих элементов, показанные на рис. 18, ж, з, и.

Типичные конструкции муфт рассмотрены ниже.

Муфта с резиновой звездочкой (рис. 19). Состоит из двух полумуфт с торцовыми выступами и резиновой звездочки, зубья которой расположены между выступами. Зубья звездочки работают на сжатие. При передаче момента в каждую сторону работает половина зубьев. Муфта стандартизована и широко применяется для соединения быстроходных валов (п до 3000...6000 мин-1 при Тдо 3...120 Н? м и диаметрах валов d до 12...45 мм соответственно). Муфта компактна и надежна в эксплуатации, допускает радиальное смещение осей (Дr?0,2 мм); перекос осей Дб<1°30'. Соотношение основных размеров: D?2,5d; d1?(0,55...0,5)D; h?(0,3...0,22)D; L=3d. Недостатки -- при разборке и сборке необходимо смещение валов в осевом направлении.

Работоспособность резиновой звездочки определяется напряжением смятия и может быть рассчитана по формуле

где z -- число зубьев звездочки. Принимают [усм] = = 2...2,5 МПа.

Муфта упругая втулочно-пальцевая (МУВП). Благодаря легкости изготовления и замены резиновых элементов эта муфта (рис. 20) получила распространение, особенно в приводах от электродвигателей с малыми и средними вращающими моментами. Муфты стандартизованы для диаметров валов до 150 мм и соответственно вращающих моментов до 15000 Н * м.

Упругими элементами здесь служат гофрированные резиновые втулки (I вариант) или кольца трапецеидального сечения (II вариант). Из-за сравнительно небольшой толщины втулок муфты обладают малой податливостью и применяются в основном для компенсации несоосности валов в небольших пределах (Дa1...5 мм; Дr0,3...0,6 мм; Дa до 1°).

Для проверки прочности рассчитывают пальцы на изгиб, а резину -- по напряжениям смятия на поверхности соприкасания втулок с пальцами. При этом полагают, что все пальцы нагружены одинаково, а напряжения смятия распределены равномерно по длине втулки:

(15)

где z -- число пальцев. Рекомендуют принимать [усм] = 1,8...2 МПа.

Муфта с упругой оболочкой. Упругий элемент муфты (рис. 21), напоминающий автомобильную шину, работает на кручение. Это придает муфте большую энергоемкость, высокие упругие и компенсирующие свойства (Дr2...6 мм, Дб 2...6°, угол закручивания до 5...30°). Муфта стандартизована и получила широкое распространение.

Исследования показали, что нагрузочная способность муфты ограничивается потерей устойчивости и усталостью резиновой оболочки. В первом приближении можно рекомендовать расчет прочности оболочки по напряжениям сдвига в сечении около зажима (по D1):

(16)

По экспериментальным данным, [ф]0,4 МПа.

4 Муфты управляемые, или сцепные

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

Муфты кулачковые. На торцах полумуфт 1 и 2 (рис. 22) 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. На 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 (рис. 24 и 25) сцепные муфты располагают на одном валу и используют для переключения скоростей (рис. 25).



Рисунок 22

Распространенные формы кулачков изображены на рис. 23 (сечение цилиндрической поверхностью). Прямоугольный профиль (рис. 23, 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. 23, б, в) не требует точного взаимного расположения полумуфт в момент включения, а боковые зазоры компенсируются изменением глубины посадки кулачков. Симметричные профили кулачков - реверсивные, нереверсивные - несимметричные. В муфтах с трапецеидальными кулачками возникают осевые силы Fа (рис. 23, б), которые стремятся раздвинуть полумуфты и затрудняют включение; в этом отношении муфты с прямоугольными кулачками обладают преимуществом. Угол б 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 (1м/с).

Работоспособность кулачковых муфт определяется в основном износом кулачков, который зависит от напряжений смятия на поверхности соприкасания. Эти напряжения рассчитывают приближенно в предположении, что нагрузка распределяется равномерно между всеми кулачками (см. рис. 22):

(17)

где z -- число кулачков полумуфты.

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:

[усм] = 90…120 МПа -- включение без относительного вращения;

[усм] = 50...70 МПа -- включение на тихом ходу;

[усм] = 35...45 МПа -- включение на повышенных скоростях.

Муфты зубчатые сцепные. По устройству и методике расчета эта муфта (рис. 24) подобна зубчатой компенсирующей муфте с той разницей, что здесь обойма 2 изготовляется подвижной и управляется с помощью отводки. На рис. 24 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).

Применяют также зубчатые муфты без обоймы 2, у которых одна полумуфта имеет внутренние, а другая -- внешние зубья.

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. 25. Конструкция зубчатой муфты, предназначенной для переключения скоростей в коробке передач, здесь дополнена двусторонней конической фрикционной муфтой 7, 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. 25, а). Ниже (см. фрикционные муфты) показано, что 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. 25, 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. Эти нагрузки обычно значительно меньше рабочих. Для того чтобы скорости успели выравняться в процессе непрерывного перемещения обоймы, это перемещение следует производить медленно.

Муфты фрикционные. При включении фрикционных муфт вращающий момент возрастает постепенно по мере увеличения силы нажатия на поверхности трения. Это позволяет соединять валы под нагрузкой и с большой разностью начальных угловых скоростей. В процессе включения муфта пробуксовывает, а разгон ведомого вала происходит плавно, без удара. Отрегулированная на передачу предельного вращающего момента, безопасного для прочности машины, фрикционная муфта выполняет одновременно функции предохранительного устройства.

Все фрикционные муфты в зависимости от формы рабочей поверхности можно разделить на три группы: муфты дисковые (плоская поверхность); муфты конические (коническая поверхность); муфты колодочные, ленточные и др. (цилиндрическая поверхность).

Муфты фрикционные, так же как и кулачковые, не допускают несоосности. Соосность полумуфт достигается расположением их на одном валу (рис. 25) или с помощью специальных центрирующих колец (см. рис. 24). На рис. 26, 27, 28 приводятся схемы фрикционных муфт без указания способа центровки.

Муфты дисковые. Схема простейшей дисковой муфты с одной парой поверхностей трения изображена на рис. 26. Здесь полумуфта 1 укреплена на валу неподвижно, а полумуфта 3 подвижна в осевом направлении, 2 -- фрикционная накладка. Для соединения валов к подвижной полумуфте прикладывают силу Fа. Момент трения ТT определяют по формуле

KT= ТT =Fafrср , (18)

где rср=(D1+D2)/4 - средний радиус рабочих поверхностей, который приближенно принимают за приведенный радиус сил трения на этих поверхностях.

Чтобы ограничить условия неравномерного износа, обычно принимают D1/D2= 1,5...2.

Для уменьшения силы Fа и габаритов муфты применяют конструкции не с одной, а со многими парами поверхностей трения - многодисковые муфты (рис. 27). В этих муфтах есть две группы дисков: наружные 3 и внутренние 2.

Наружные диски соединены с полумуфтой 1, а внутренние -- с полумуфтой

7 с помощью подвижного шлицевого соединения. Правый крайний внутренний диск опирается на регулировочные гайки 4, на левый крайний диск действуют силы нажатия Fа от механизма управления. При этом сила нажатия передается на все поверхности трения, а формула (18) принимает вид

KT= Fafrср z, (19)

где z-- число пар трущихся поверхностей; z=п -- 1; п -- число дисков (для муфты, изображенной на рис. 27, n=9, а для муфты на рис. 26 n=2).

Таким образом, применение многодисковых муфт позволяет увеличить передаваемый вращающий момент в z раз по сравнению с двухдисковой муфтой (см. рис. 26), сохраняя при этом силу нажатия Fа и диаметры дисков.

Из формул (18) и (19) нетрудно установить, что ТT можно увеличить, кроме того, путем увеличения Fа, f и диаметров дисков (среднего радиуса трения). Увеличение диаметров приводит к повышению габаритов муфты и поэтому на практике используется в последнюю очередь. Увеличение Fа ограничено допускаемым средним удельным давлением [р] на трущихся поверхностях:

(20)

Коэффициент трения f можно увеличить, снабжая диски накладками 2 (см. рис. 26) из специальных материалов. При этом следует учитывать, что применение накладок увеличивает осевой габарит муфты при одном и том же числе дисков, а [р], как правило, уменьшается.

Механизмы управления фрикционными муфтами, применяемые на практике, весьма разнообразны не только по конструкции, но и по принципу действия. В зависимости от последнего различают муфты с электромагнитным, гидравлическим, пневматическим и механическим управлением.

В качестве примера на рис. 27 изображена основная часть одного из простейших механизмов управления. Устройство и работа механизма ясны из чертежа.

Максимальную величину осевой силы Fа1, которую необходимо приложить к кольцу отводки 5, при включении муфты определяют по формуле

(21)

где б -- угол конуса кольца; р -- угол трения.

Рисунок 27

При выборе формы (а также при расчете) нажимного рычага 6 следует учитывать его упругие деформации. Желательно, чтобы рычаг обладал пружинящей способностью. В этом случае износ дисков не вызовет резкое снижение силы нажатия Fа. Срок очередной регулировки муфты увеличится. Регулировку выполняют с помощью гаек 4.

Муфты конические. Схема простейшей конической муфты изображена на рис. 28. От действия силы Fа на конической поверхности соприкасания полумуфт возникают удельное давление р и удельные силы трения рf. Силы трения, направленные по касательной к окружности конуса, используются для передачи вращающего момента. Рассматривая равновесие правой полумуфты, получаем

Fа=рbрDсpsinб, (22)

КТ= ТT =рfbрD 2сp/2. (23)

Решая эти уравнения совместно, находим

(24)

где f' = f/sinб -- приведенный коэффициент трения.

Нетрудно установить, что величина f' непрерывно возрастает с уменьшением а. Увеличение f' позволяет во столько же раз уменьшить силу Fа. В этом и заключается положительная особенность конических муфт по сравнению с простыми дисковыми (в многодисковых муфтах Fа может быть меньше, чем в конических). Однако применять очень малые углы б на практике не рекомендуют, так как при этом происходит самозаклинивание полумуфт, затрудняющее их расцепление. Для устранения самозаклинивания необходимо иметь б>с=arctg f.

Обычно выполняют б15°.

Условие износостойкости рабочих поверхностей

(25)

Конические муфты в сравнении с многодисковыми имеют большие габариты. Они сложнее в изготовлении и повышают требования к точности центровки валов. По этим причинам конические муфты применяют реже, чем дисковые.

5 Муфты автоматические, или самоуправляемые

Эти муфты предназначаются для автоматического разъединения валов в тех случаях, когда параметры работы машины становятся недопустимыми по тем или иным показателям.

Муфты предохранительные. Эти муфты служат для защиты машин от перегрузки. Любая фрикционная муфта, отрегулированная на передачу предельного момента, выполняет функции предохранительной. Специальные предохранительные фрикционные муфты не имеют механизма управления, а силы нажатия в них обычно обеспечиваются постоянно действующими пружинами. Расчет таких муфт аналогичен расчету фрикционных управляемых муфт.

Другим представителем предохранительных муфт является муфта со специальным разрушающимся элементом. Схема одного из многочисленных вариантов конструкции таких муфт изображена на рис. 29. Здесь вращающий момент между полумуфтами 1 и 4 передается через штифт 3, который срезается при перегрузке. Для восстановления работы муфты штифт заменяют. Закаленные втулки 2 облегчают замену штифтов, предотвращают смятие более слабого материала полумуфт штифтом и тем самым приближают действительные условия среза штифта к расчетным:

(26)

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

Практически z принимают равным 1 или 2; Кz= 1 при z=1; Кz= 1,2 при z=2.

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

Допускаемое напряжение [ф] принимают равным пределу прочности материала на срез. Например, для закаленных штифтов из стали Ст5 [ф]=420 МПа.

На рис. 30 изображена кулачковая предохранительная муфта. Здесь полумуфты 1 и 3 зацепляются кулачками 2, имеющими трапецеидальный профиль с углом б.



Рисунок 40

От действия окружной силы Ft в зацеплении возникает осевая сила Fа=Fttgб, 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

(27)

где б -- угол заострения кулачка; с -- 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.

Недостатком предохранительных кулачковых муфт являются удары кулачков при перегрузках, сопровождающиеся большим шумом. Поэтому такие муфты не рекомендуют применять при высокой частоте вращения.

Муфты центробежные. Эти муфты автоматически соединяют валы только тогда, когда угловая скорость превысит некоторую заданную величину. 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. 31. Центробежная сила Fц прижимает колодку 3 к барабану полумуфты 2. Этому препятствует сила F, возникающая от прогиба пружины 4. Величину силы урегулируют винтом 5. Соприкасание между колодкой и барабаном возможно при условии

(28)

где т -- масса колодки; r -- расстояние центра тяжести колодки от оси вращения; щ -- угловая скорость полумуфты 7. Формула (28) позволяет определить необходимую силу пружины по заданной угловой скорости щ0, до которой полумуфта 1 вращается свободно.

Рисунок 31

Для передачи вращающего момента необходима угловая скорость щ1 которую определяют по условию

(29)

где r -- число колодок; f-- коэффициент трения.

В диапазоне между щ1 и щ0 муфта пробуксовывает и постепенно разгоняет ведомый вал. Сила пружины в данном случае (рис. 31)

F=48EJу/l2, (30)

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

Работоспособность колодок рассчитывают по давлению [р] на поверхности трения так же, как и в других фрикционных муфтах.

Муфты свободного хода. Эти муфты передают вращающий момент только в одном заданном направлении. Их применяют в станках, автомобилях, мотоциклах, велосипедах и т. д. В велосипедах, например, они передают вращающий момент от педалей на колесо и в то же время позволяют колесу свободно катиться при неподвижных педалях.

Простейшим представителем муфт свободного хода является устройство с храповиком. Вследствие шума на холостом ходу и резкого ударного включения муфты с храповиком применяют сравнительно мало и только при низких скоростях.

Бесшумную работу обеспечивают фрикционные роликовые или шариковые муфты. Схема одной из таких муфт, встроенных в соединение шестерни с валом, изображена на рис. 32. Если шестерня 1 вращается по часовой стрелке, то ролик 5 закатывается в узкую часть паза и здесь заклинивается. Образуется жесткое соединение шестерни с валом через ролик 5 и обойму 2. При вращении шестерни в противоположном направлении ролик выходит в широкую часть паза и шестерня оказывается разъединенной с валом. В этом направлении она может вращаться свободно. Толкатель 4, имеющий слабую пружину 3, выполняет вспомогательную роль. Он удерживает ролик в постоянном соприкасании с обоймой.



Рисунок 32

При передаче вращающего момента Т на ролик действуют нормальные силы Fп и силы трения F (по условию симметрии, F1 = F2=Р и Fп1=Fп2=Fп). Силы Fп стремятся вытолкнуть ролик из паза в направлении биссектрисы угла б. Этому препятствуют силы трения F=Fnf. Для того чтобы ролик не выскакивал из паза, должно быть

2Fсоs (б/2) 2Fп sin (б/2) или 2Fn f соs (б/2) 2Fп sin (б/2).

После преобразования получим

(31)

Геометрически

(32)

По уравнениям (31) и (32) рассчитывают диаметр ролика d. По условиям равновесия обоймы 2,

(33)

где z -- число роликов; коэффициент трения выражен через tg(б/2).

Прочность ролика и рабочих поверхностей деталей 1 и 2 рассчитывают по контактным напряжениям (при м=0,3):

где l -- длина ролика.

Для деталей, изготовленных из материалов с одинаковым модулем упругости, Еnр=Е. В случае плоской поверхности детали 1 сnp=d/2

При этом, учитывая равенство (33) и принимая по малости угла tg(б/2)б/2, получаем

(34)

В муфтах обычно применяют стандартные ролики роликоподшипников (45...50 НКС), а рабочие поверхности деталей цементируют (60 НКС, стали типа ШХ15, ШХ12). При этом допускают [уH] = 1200...1500 МПа.

Формула (34) позволяет отметить, что уменьшение угла б приводит к увеличению напряжений уH. Это следует учитывать при выполнении условия (31).

На практике установлено, что определение угла б при с, вычисленном по обычным величинам коэффициента трения, приводит к завышенным результатам. Это можно объяснить тем, что в условиях эксплуатации муфты всегда возможны удары и вибрации, понижающие фактический коэффициент трения. Для указанных материалов практически принимают б 7...8°.

6 Муфты комбинированные

Эти муфты применяются в тех случаях, когда ни одна из рассмотренных выше муфт не может полностью удовлетворить всем требованиям, предъявляемым к соединению валов. На практике чаще всего используют комбинацию упругих муфт с предохранительными или управляемыми.



Список использованных источников и литературы

1. И в а н о в М.Н. Детали машин. М., 2000 .

2. К у к л и н Н.Г., К у к л и н а Г.С., Ж и т к о в В . К . Детали машин. М., 1999.

3. Р е ш е т о в Д.Н. Детали машин. М., 1989.

Размещено на Allbest.ru