Муфты

15. Муфты

Общие сведения. В технике муфты — это соединительные устройства для тех валов, концы которых подходят один к другому вплотную или же удалены на небольшое расстояние. Соединение валов муфтами обеспечивает передачу вращающего момента от одного вала к другому. Валы, как правило, расположены так, что геометрическая ось одного вала составляет продолжение геометрической оси другого вала.

Применение муфт вызвана различными обстоятельствами, в том числе: получение длинных валов, изготавливаемых из отдельных частей; компенсация вредного влияния несоосности валов, связанной с неточностью изготовления или монтажа; придание одному из валов некоторой подвижности; уменьшение динамических нагрузок; включение и выключение одного из валов при постоянном вращении другого вала и некоторыми другими. Современные машины состоят из ряда отдельных частей с входными и выходными концами валов, которые соединяют с помощью муфт (рис. 15.1).

Применяемые в современном машиностроении муфты приводов по назначению, принципу действия и конструкции чрезвычайно многочисленны и разнообразны. Классификация муфт по этим признакам представлена на рис. 15.2.

Рис. 15.1. Схема соединения валов с помощью муфт

В электрических и гидравлических муфтах, указанных на этой схеме, используют принципы сцепления за счет электромагнитных и гидравлических сил. Эти муфты изучают в специальных курсах. Далее анализируются только механические муфты. Большинство применяемых муфт стандартизованы. Основной характеристикой при подборе муфт по каталогу или справочнику является передаваемый момент, учитывающий наиболее тяжелое условие ее нагружения.

Рис 15.2. Классификация муфт.

Рекомендуемые материалы

15.1. Муфты глухие

Глухие муфты образуют жесткое и неподвижное соединение валов. Они не компенсируют ошибки изготовления и монтажа, требуют точной центровки валов.

Муфта втулочная. Соединение втулки с валами выполняют с помощью цилиндрических штифтов (рис. 15.3), сегментных шпонок (рис. 15.4) или шлицевого соединения. Втулочные муфты применяют в легких машинах при диаметрах валов до 60... 70 мм. Они характеризуются простотой конструкции и малыми габаритами. Прочность муфты определяется прочностью штифтового, шпоночного или шлицевого соединения, а также прочностью втулки. Методика соответствующих расчетов изложена в 4.3 и 5.1.

Муфта фланцевая. На рис. 15.5 показаны конструкции двух вариантов фланцевой муфты; полумуфты 1, 2 соединяют болтами, поставленными с зазором (I вариант) или без зазора (II вариант).

Рис. 15.3. Муфта втулочная. Соединение втулки с валом осуществляется штифтами

Рис. 15.4. Муфта втулочная. Соединение втулки с валом обеспечивается сегментными шпонками

В конструкции, выполненной по первому варианту, крутящий момент передается силами трения, возникающими в стыке полумуфт от затяжки болтов, во втором варианте непосредственно болтами, работающими на срез и смятие.

Рис. 15.5. Муфта фланцевая

Болты, поставленные без зазора, могут обеспечивать центровку валов. При постановке болтов с зазором центровка обеспечивается выступом 3, который воспринимает также все поперечные нагрузки. Центрирующий выступ усложняет монтаж и демонтаж соединения, так как при этом необходимо осевое смещение валов. Для обеспечения техники безопасности выступающие части болтов закрывают буртиками 4 (I вариант). В тех случаях, когда муфта имеет общее ограждение, буртики не делают (II вариант). Расчет на прочность выполняют для шпоночных соединений и болтов (см. расчет призматических шпонок и расчет болтовых соединений нагруженных в плоскости стыка для болтов поставленных с зазором и без зазора). Установка болтов без зазора позволяет получить муфты меньших габаритов и поэтому применяется чаще. Фланцевые муфты применяют для соединения валов диаметром до 200 мм. Достоинствами таких муфт является простота конструкции и сравнительно небольшие габариты.

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.

15.3. Муфты упругие

Общие сведения. Конструкции двух упругих муфт показаны на рис. 15.9 и на рис. 15.10. Упругая связь полумуфт 1 и 2 с помощью резиновых элементов позволяет: компенсировать несоосность валов; изменить жесткость системы в целях устранения резонансных колебаний при периодически изменяющейся нагрузке; снизить ударные перегрузки. Важным свойством упругой муфты является ее демпфирующая способность. Энергия в муфтах расходуется на внутреннее и внешнее трение при деформировании упругих элементов.

Муфта упругая втулочно-пальцевая (МУВП). Конструкция этой муфты показана на рис. 15.9. Здесь полумуфты 1 и 2 связаны с помощью стальных пальцев, на которые одеты резиновые элементы в виде втулок. Благодаря легкости изготовления и замены резиновых элементов эта муфта получила широкое распространение в приводах от электродвигателей с малыми и средними крутящими моментами. Муфты стандартизованы для диаметров валов до 150 мм и соответственно крутящих моментов до 15000 Нм.

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

Для проверки прочности рассчитывают пальцы муфты 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:

                                       (15.9)

и проверочный расчет пальцев на изгиб

                                      (15.10)

где z – число пальцев; D₁ – диаметр окружности расположения пальцев;

d₁ – диаметр пальцев под резиновыми кольцами или втулкой;

 – длина резиновой втулки;

 – расчетное напряжение смятия между пальцами и втулкой;

[]_см – 2...4 МПа – допускаемое напряжение смятия для резины;

_и – расчетное напряжение изгиба в пальцах; []_см = 50...70 МПа — допускаемое напряжение на изгиб для пальцев.

Рис. 15.9. Муфта упругая втулочно-пальцевая

Бесплатная лекция: "15 Начало новой династии и царствование Михаила Федоровича" также доступна.

Муфта с упругой оболочкой. Конструкция этой муфты показана на рис. 15.10. Она состоит из двух полумуфт 1 и 2, упругого элемента 3 (оболочки), по форме напоминающей автомобильную шину, и двух колец 4, которые при помощи винтов 5 закрепляют оболочку на полумуфтах. Упругий элемент работает на кручение. Оболочка придает муфте большую энергоемкость, высокие упругие и компенсирующие свойства (_r = 2...6 мм; _α = 2...6°, угол закручивания до 5...30°). Муфта стандартизована и имеет широкое применение.

Рис. 15.10. Муфта с упругой оболочкой

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

.                                            (15.11)

где  – толщина резиновой оболочки;  – расчетное напряжение сдвига; [] ≈ 0,4 МПа – допускаемое напряжение сдвига.