Муфты для соединения валов электрических машин. Муфтовые соединения Соединение 2 валов

К атегория:

Ремонтно-строительные машины

Валы, оси, их опоры и соединения

Валы и оси являются поддерживающими и вращающими частями элементов машин. Оси только поддерживают детали, а валы передают крутящий момент. Части валов и осей, передающие нагрузки на опоры, называются шейками, а если они находятся на концах валов - шипами или цапфами. Опорные части вертикальных валов и осей, передающие продольную нагрузку, называются пятами.

Валы бывают гладкие, ступенчатые, коленчатые, карданные, гибкие и др. (рис. 2.11). Гладкие и ступенчатые валы применяют в редукторах, открытых и закрытых передачах.

Коленчатые валы применяют в кривошипно-шатунных механизмах. Гибкие и кардан- ные валы используют для передачи движения при частых изменениях взаимного положения соединяемых узлов при относительно большом расстоянии между ними.

Рис. 2.11. Виды валов: а - гладкий; б - ступенчатый; в - коленчатый; г - гибкий

Рис. 2.12. Подшипники скольжения: а - неразъемный со втулкой; б - разъемный со вкладышами; 1 - втулка (вкладыш); 2 - самоуста- навливающаяся опора; 3 - корпус; 4 - отверстие для смазки

Подшипники скольжения могут воспринимать значительные нагрузки, удобны при монтаже валов большой массы, когда требуется разборка подшипников, надежны при работе в сильно загрязненных средах, относительно долговечны.

Подшипники качения (рис. 2.13) состоят из наружного и внутреннего колец с дорожками качения, изготовляют из легированной износостойкой хромистой стали. Между кольцами по дорожкам качения перемещаются шарики (у шарикоподшипников) или ролики (у роликоподшипников). Фиксирование положения тел качения производится с помощью сепараторов - стальных колец с отверстиями для шариков или роликов. Подшипники качения имеют меньшую в 5…10 раз силу трения по сравнению с подшипниками скольжения. Роликовые подшипники имеют грузоподъемность значительно большую, чем шариковые, но допустимая частота вращения для них примерно в два раза меньше.

Подшипники качения разделяются на шесть серий в зависимости от грузоподъемности (от сверхлегкой до сверхтяжелой) и на девять типов по своей конструкции.

Рис. 2.13. Подшипники качения: а - шариковый с сепаратором; 6 - шариковый в корпусе; в - шариковый упорный; г - шариковый двухрядный; д - роликовый; е - роликовый конический; ж -роликовый самоустанавливающийся; з - роликовый многорядный

Для уменьшения изнашивания подшипники качения набивают пластичной смазкой и применяют различные уплотнители (сальники) из фетра, кожи и т. п.

Муфты применяют для соединения валов, а также для передачи крутящего момента деталям и валам кинематической цепи машин. По назначению муфты разделяются на соединительные (упругие) и сцепные. Примером муфт первого типа являются втулочные (рис. 2.14, а) и фланцевые (рис. 2.14, б). Во втулочных муфтах элементом, соединяющим валы, является втулка со штифтом или шпилькой. Соединение этих муфт производится продольным перемещением валов, редукторов, барабанов и т. п.

Расчету подвергаются соединительные детали, штифты и шпонки. При использовании фланцевых муфт на концы соединяемых валов надеваются фланцы, которые затем соединяют между собой болтами.

Рис. 2.14. Соединительные муфты: а - втулочная; б - фланцевая

Сцепные муфты бывают кулачковые и фрикционные. Кулачковые муфты (рис. 2.15, а) состоят из двух полумуфт, одна из которых постоянно жестко связана с валом, а вторая - может перемещаться по валу на шпонке или шлицах. На торцах полумуфт имеются кулачки - выступы и впадины, которые при сближении полумуфт входят в зацепление. Кулачковыми муфтами их остановках или медленном можно включать механизмы при вращении.

При выполнении рабочего чертежа зубчатых колес встречаются различные формы посадочного отверстия в ступице колеса. Это зависит от вида соединения колеса с валом.

9.4.1. Соединение шпоночное

Основные элементы этого соединения изображены на рис. 9.7. При этом шпонка примерно на половину высоты входит в паз (канавку) вала и на половину в паз ступицы колеса. Боковые рабочие грани шпонки передают вращение от вала к колесу и обратно.

Рис. 9.6. Чертеж цилиндрического зубчатого колеса

Таблица 9.2

Размеры элементов шпоночных соединений

Рис. 9.8. Элементы шпоночного соединения: а) шпоночная канавка на ступице;

б) шпоночная канавка на валу; в) шпоночное соединение вала и ступицы

9.4.2. Соединение шлицевое

Шлицевое соединение ступицы колеса с валом осуществляется посредством нескольких выступов (шлицев), выполненных как одно целое с валом, и соответствующих им пазов, прорезанных в ступице (рис. 9.9).

Изготовляют шлицевые соединения различных профилей: прямобочного, трапецеидального, эвольвентного и треугольного. Прямобочный профиль наиболее распространен.

Правила выполнения на рабочих чертежах условных изображений шлицевых валов и ступиц колес установлены ГОСТ 2.409-74. Пример изображения приведен на рис. 9.10.

Рис. 9.10. Условные изображения элементов шлицевых вала и ступицы

Условное обозначение шлицев отверстия или вала указывают на полке линии-выноски или в технических требованиях. Пример условного обозначения для ступицы: 8 х 42 х 48 , где Z = 8 – число зубьев; d = 42 – внутренний диаметр; D = 48 – наружный диаметр. Ширина зуба “b ” проставляется на изображении.

4.2.1 Чтение сборочного чертежа. Прочитать сборочный чертеж означает определить устройство, принцип работы, назначение изображенного на нем изделия, представить взаимодействие деталей, их форму и способы соединения между собой. Последовательность чтения сборочного чертежа: − ознакомление с изделием. По основной надписи определить наименование изделия, обозначение чертежа, масштаб изображения, массу сборочной единицы; − чтение изображения. Определить главный вид, дополнительные и местные виды, разрезы и сечения, назначение каждого из них; − изучение составных частей изделия. Определить по спецификации количество и наименование входящих в сборочную единицу деталей, а по чертежу определить их форму, взаимное расположение и назначение. Изображение детали найти сначала на том виде, на котором указан номер позиции, а затем на остальных. При этом необходимо помнить, что одна и та же деталь на любом разрезе (сечении) штрихуется в одну и ту же сторону с одинаковым шагом; − изучение функционального назначения изделия и его конструктивного решения. Установить способ соединения отдельных деталей между собой, взаимодействие составных частей в процессе работы, внешнюю взаимосвязь с другими сборочными единицами и изделиями. Для разъемных соединений выявить все крепежные детали. Определить сопрягаемые поверхности и размеры, по которым осуществляется сопряжение деталей; − изучение конструкции изделия. Установить характер соединения деталей, их функциональное взаимодействие в процессе работы, соединение и взаимодействие с другими сборочными единицами. Для подвижных деталей установить процесс их перемещения при работе механизма, определить трущиеся поверхности и способы осуществления смазки; − определение порядка сборки и разборки изделия – завершающая стадия чтения чертежа.

Последовательность и основные приемы чтения чертежей

Прочитать сборочный чертеж - это значит представить форму и конструкцию изделия, понять его назначение, принцип работы, порядок сборки, а также выявить форму каждой детали в данной сборочной единице. При чтении чертежа общего вида следует: 1. Выяснить назначение и принцип работы изделия. Необходимые сведения о назначении и принципе работы изделия содержатся в основной надписи и описании изделия. 2. Определить состав изделия. Основным документом для определения состава изделия является спецификация, в которой составные части изделия классифицированы по разделам. Для определения на чертеже положения конкретной составной части изделия нужно по ее наименованию определить номер позиции в спецификации, а затем найти на чертеже соответствующую линию-выноску. Спецификация также позволяет определить количество изделий каждого наименования. 3. Определить назначение и конфигурацию составных частей изделия. Назначение и конфигурация изделия определяется функциональными особенностями изделия в целом и его составных частей. Конфигурация составных частей обусловлена их назначением и взаимодействием в процессе работы. При определении конфигурации составных частей следует обращать внимание на способ их соединения. 4. Выявить способы соединения составных частей изделия между собой. Способы соединения деталей обусловлены особенностями взаимодействия элементов изделия в процессе его эксплуатации. Способы соединения могут быть выявлены по чертежу общего вида и классифицированы как разъемные или неразъемные. 5. Определить последовательность сборки и разборки изделия. Одним из основных требований к конструкции изделия является возможность его сборки и разборки в процессе эксплуатации и ремонта. Рациональной может считаться лишь такая конструкция, которая позволяет осуществлять сборку (разборку) с использованием минимального числа операций. Рекомендуется следующая последовательность чтения чертежа: 1. По основной надписи установить наименование изделия, номер, масштаб чертежа, масса изделия, организацию, выпустившую чертеж. 2. Выяснить содержание и особенности чертежа (определить все изображения, составляющие чертеж). 3. По спецификации установить наименование каждой части изделия, найти ее изображение на всех изображениях, уяснить ее геометрические формы. Поскольку на чертежах, как правило, имеется не одно, а несколько изображений, форму каждой детали можно выявить однозначно, прочитав все изображения, на которых данная деталь имеется. Начинать следует с наиболее простых по форме деталей (стержни, кольца, втулки и т.п.). Найдя с помощью позиционного обозначения деталь на одном (обычно на главном) изображении и, зная конструктивное назначение детали, представить себе ее геометрическую форму. Если это одно изображение однозначно определяет форму и размеры детали, то перейти поочередно к выявлению форм других деталей; если же одно изображение не выявляет форму или размеры хотя бы одного элемента детали, то следует отыскать эту деталь на других изображениях сборочного чертежа и восполнить недостаточность одного изображения. Выяснению формы детали способствует то, что на всех разрезах и сечениях одна и та же деталь заштрихована с одинаковым наклоном и расстоянием между линиями штриховки. При этом пользуются знаниями основ проекционного черчения (проекционная связь точек, линий и поверхностей) и условностей, установленных стандартами ЕСКД. 4. Ознакомиться с описанием изделия. Если описание отсутствует следует, по возможности, ознакомиться с описанием аналогичной конструкции. 5. Установить характер соединения составных частей изделия между собой. Для неразъемных соединений определить каждый элемент соединения. Для разъемных соединений выявить все крепежные детали, входящие в соединение. Для подвижных деталей установить возможность их перемещения в процессе работы механизма. 6. Установить, какие детали смазываются, и как осуществляется смазка. 7. Выяснить порядок сборки и разборки изделия. При этом следует иметь в виду, что в спецификации и на сборочном чертеже порядок записи и обозначения составных частей не связаны с последовательностью сборки. Рекомендуется фиксировать порядок сборки и разборки изделия на бумаге в виде схемы или в форме записи последовательности операций. Конечной целью чтения чертежа, как правило, является выяснение устройства изделия, принципа работы и установление его назначения. В учебном процессе центральное место в чтении чертежа занимает изучение форм отдельных деталей, как главного средства к выяснению всех других вопросов, связанных с чтением чертежа.

Деталирование чертежа

Деталированием называется выполнение рабочих чертежей детали по чертежу общего вида. Деталирование – это не простое копирование изображения деталей, а сложная творческая работа, включающая индивидуальную оценку сложности форм каждой детали и принятие наилучшего для нее графического решения: выбор главного изображения, количества и содержания изображений. Размеры деталей измеряют на чертеже с учетом масштаба, указанного основной надписи. Исключение составляют размеры, нанесенные на сборочном чертеже. Размеры стандартных элементов (резьб, конусностей, «под ключ» и др.) уточняются по соответствующим стандартам. Процесс деталирования целесообразно разделить на три этапа: чтение чертежа общего вида, подробное выявление геометрических форм деталей и выполнение рабочих чертежей деталей. 1. Чтение чертежа общего вида. Результатом чтения чертежа общего вида должно быть уяснение состава деталей, входящих в сборку, их взаимного расположения и способов соединения, взаимодействия, конструктивного назначения каждой детали в отдельности и изделия в целом. 2. Подробное выявление геометрических форм деталей , подлежащих вычерчиванию, с целью правильного выбора главного изображения, количества и содержания других изображений на рабочих чертежах. По мере выявления форм деталей следует решать вопрос о выборе главного изображения и необходимости выполнения других изображений для каждой детали, выбрать масштаб изображения, формат. 3. Выполнение рабочих чертежей деталей. произвести компоновку чертежа, т.е. наметить размещение всех изображений детали на выбранном формате. в тонких линиях вычертить необходимые виды, разрезы, сечения и выносные элементы. провести выносные и размерные линии. Определить истинные размеры элементов детали и проставить их на чертеже. Особое внимание обратить на то, чтобы размеры сопряженных деталей не имели расхождений. Определить необходимые конструктивные и технологические элементы (фаски, проточки, уклоны и пр.), которые на чертежах общего вида не изображаются. Размеры выявленных конструктивных элементов определять не по чертежу общего вида, а по соответствующим стандартам на эти элементы. проставить шероховатость, исходя из технологии изготовления детали или ее назначения. обвести чертеж и выполнить штриховку разрезов и сечений. проверить чертеж и, если необходимо, внести исправления. заполнить основную надпись, записать технические требования.

Муфты предназначаются для соединения валов или других вращающихся деталей, для передачи крутящего момента. Они используются для передачи вращения от двигателя к механизму, его включению и выключению, переключения скоростей и для выполнения других функций.

По назначению, конструкции и условиям работы муфты делятся на постоянные (соединительные) и сцепные (управляемые и самоуправляющиеся). В данной статье поговорим только о соединительных муфтах. При выборе конструкции муфты необходимо учитывать ее назначение, особенности компоновки и сборки, величину и характер действия нагрузки и условия эксплуатации. Соединительные муфты предназначаются для постоянного соединения вращающихся деталей. Делятся они на две группы: глухие, жестко соединяющие валы, и подвижные, допускающие некоторую неточность сборки. Для валов, передающих незначительные крутящие моменты, применяют глухую муфту, соединяемую коническими штифтами (рис. 1,а). Для передач значительных крутящих моментов применяют глухую со шпонками (рис. 1,6) или дисковую муфту (рис. 1,в). Штифты располагают под углом 90° друг к другу. Втулка может быть изготовлена из любых материалов. Ориентировочные размеры: L=(3...5) d; D=1,5d; dm=(0,25...0,3) d. Втулку рассчитывают на кручение, а соединения штифтами или шпонками - на срез и смятие.

Недостатком этих муфт является требование строгой соосности соединяемых валов. Смещение и перекос валов вызывает дополнительные деформации изгиба у них и повышает давление на опоры. Подвижные муфты разделяются на расширительные, допускающие осевое смещение вала; крестовые, допускающие радиальное смещение вала; поводковые; мембранные и упругие, допускающие осевое и радиальное смещение валов. На рис. 2,а показана торцевая расширительная муфта, на 2,6 - муфта с ведущим штифтом. Размеры муфт выбирают исходя из условий смятия соприкасающихся поверхностей. Обычно 1=d, 6=(0,25...0,3) d, dm =(0,25...0,3) dв. Расширительные муфты применяют лишь при передаче небольших нагрузок и малых угловых скоростях ввиду интенсивного износа рабочих поверхностей. Крестовые муфты (рис.3) состоят из двух неподвижных фланцев с вырезами или выступами 1 и 2, закрепляемых на соединяемых валах. Между этими фланцами помещается подвижная часть 3 с выступами или вырезами. Перпендикулярное расположение пазов позволяет компенсировать несоосность валов за счет скольжения выступов креста в пазах полумуфт . Для повышения КПД требуется смазка трущихся поверхностей и их точная приработка. Детали муфт изготовляются обычно из стали. Выступы креста и пазы полумуфт цементируются. Если валы должны быть электрически изолированы друг от друга, то крестовину делают из электроизоляционного материала. В табл.1 приведены основные размеры муфт.
Недостатком крестовых муфт является увеличение мертвого хода по мере износа выступов. В тех случаях, когда мертвый ход (МРХ) недо¬пустим, применяют беззазорные конструкции крестовых муфт с прижимным устройством. Поводковые муфты (рис.4) состоят из двух дисков со ступицами, жестко укрепленными на концах валиков. На диске 1 одной полумуфты закреплен палец 2, который входит со скользящей посадкой в радиальный паз второй полумуфты 3.
Недостатком поводковых муфт является наличие МРХ за счет посадки пальца в пазу; величина МРХ увеличивается по мере износа трущихся поверхностей паза и пальца и определяется размером образующегося зазора. Для улучшения условий работы поводковой муфты предпочтительно применять поводки с двумя пальцами. В этом случае уменьшается износ трущихся частей муфты, а также устраняется радиальное давление на валик, наблюдаемое в однопальцевых поводках. Однако двупальцевые поводки сложнее в изготовлении и, кроме того, требуют полной соосности соединяемых валов, что затрудняет сборку механизма. В табл.2 приведены размеры однопальцевых поводковых муфт.

В школьные годы я занимался в судомодельном кружке, так вот там мы вал двигателя с гребным валом модели судна соединяли с помощью шарнира показанного на рисунке 5. Это соединение напоминает карданную передачу автомобиля. Я дума устройство этого соединения понятно из рисунка. Чем ближе друг к другу полумуфты, тем дольше хранится в них смазка, но при этом должна быть соответствующая соосность валов. На фото внизу показана одна из полумуфт, каким то чудом сохранившаяся у меня с тех времен, а это почти пятьдесят лет. Еще есть соединение с помощью пружинки, я его не нарисовал. Короче, если валы имеют одинаковые диаметры, а усилия минимальны, то на валы просто одевается подходящая пружинка. Ее можно закрепить просто пайкой или поверх пружинки одеть втулку с зажимным винтом.

Самодельная соединительная муфта

Хочу поведать еще об одном соединении валов. Первый раз я увидел это чудо в 1971 году, будучи в колхозе на уборке картошки. Мне оно так понравилось, что я сразу взял его « к себе на вооружение». Оно стояло на косилке КИР-1,5. Косилка - измельчитель, роторная КИР-1.5 предназначена для уборки однолетних и многолетних сеянных и естественных трав. Современные киры такого соединения не имеют. Соединение выдерживает приличный вращающий момент. Для его изготовления потребуется звездочка (фото 1)с коленвала двигателя от жигулевской классики, где распредвал имеет цепную передачу. Сама цепь – фото 3. И необходимо выточить полумуфты, на рисунке зеленого цвета. Звездочку разрезают пополам. На каждую полумуфту приваривают по половинке звездочки (Рис.1). Потом отделяют часть цепи с числом звеньев, равному числу зубьев на звездочке. Обворачивают получившиеся полумуфты этим куском цепи и новым штифтом соединяют звенья с помощью расклепки (Фото2). Для крепления полумуфт можно использовать болты, если усилия не большие, но лучше конечно применить шпоночное соединение. Ну вот вроде и все, если, что интересное вспомню, обязательно выложу. До свидания. К.В.Ю.

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. С помощью муфт можно также передать вращение с валов на зубчатые колеса, шкивы, свободно насаженные на эти валы.

Муфты не изменяют вращающего момента и направления вращения. Не­которые типы муфт поглощают вибрации и точки, предохраняют машину от аварий при перегрузках.

Применение муфт в машиностроении вызвано необходимостью:

Получения длинных валов, изготовляемых из отдельных частей, ком­пенсации небольших неточностей монтажа в относительном распо­ложении соединяемых валов;

Придания валам некоторой относительной подвижности во время ра­боты (малые смещения и перекос геометрических осей валов);

Включения и выключения отдельных узлов;

Автоматического соединения и разъединения валов в зависимости от пройденного пути, направления передачи вращения, угловой скоро­сти, т. е. выполнения функций автоматического управления;

Уменьшение динамических нагрузок.

Современные машины состоят из ряда отдельных частей с входными и выходными концами валов, которые соединяют с помощью муфт (рис.1).

Рис. 1. Принципиальная схема машины

Классификация муфт.

Многообразие конструкций муфт усложняет их классификацию. 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 характеру соединения валов.

Муфты механического действия:

А) жесткие (глухие) - практически не допускающие компенсации ради­альных, осевых и угловых смещений валов;

Б) компенсирующие - допускающие некоторую компенсацию радиаль­ных, осевых и угловых смещений валов благодаря наличию упругих элементов (резиновых втулок, пружин и др.);

В) фрикционные - допускающие кратковременное проскальзывание при перегрузках.

Муфты электрического (электромагнитного) действия.

Муфты гидравлического или пневматического действия.

В электрических и гидравлических муфтах, 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.

Классы муфт различают по режиму соединения валов.

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

Управляемые (сцепные) – соединяют и разъединяют валы в процессе работы, например, широко известная автомобильная муфта сцепления.

Самодействующие (самоуправляемые, автоматические) – срабатывают автоматически при заданном режиме работы (обгонные, центробежные, предохранительные).

Предохранительные муфты, разъединяющие валы при нарушении нормальных эксплуатационных условий работы.

Прочие.

По степени снижения динамических нагрузок муфты бывают:

Жесткие, не сглаживающие при передаче вращающего момента вибрации, толчки и удары;

Упругие, сглаживающие вибрации, толчки и удары благодаря наличию упругих элементов - пружин, резиновых втулок и др.

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:

Прочности при циклических и ударных нагрузках,

Износостойкости,

Жёсткости.

На практике муфты подбираются из каталога по величине передаваемого вращающего момента Т = Т Вала K , где Т Вала – номинальный момент, определённый расчётом динамики механизма (наибольший из длительно действующих), К – коэффициент режима работы.

В приводах от электродвигателя принимают:

При спокойной работе и небольших разгоняемых массах (приводы конвейеров, испытательных установок и др.) К = 1,15...1,4;

При переменной нагрузке и средних разгоняемых массах (металлоре­жущие станки, поршневые компрессоры и др.) К = 1,5...2;

При ударной нагрузке и больших разгоняемых массах (прокатные станы, молоты и др.) К = 2,5...3.

Диаметры посадочных отверстий муфты согласуют с диаметрами концов соединяемых валов, которые могут быть различными при одном и том же вращающем моменте вследствие применения разных материалов и различной нагруженности изгибающими моментами.

Основные типы муфт регламентированы стандартом для некоторо­го диапазона диаметров валов и рассчитаны на передачу определенного момента.

Наиболее слабые звенья выбранной муфты проверяют расчетом на прочность по расчетному моменту Т р .

Работа муфт сопровождается потерями. По опытным данным при расчетах КПД муфт обычно принимают η = 0,985...0,995.

Многообразие узловых конструкций машин способствует широ­кому распространению муфт в машиностроении.

Жёсткие (глухие) муфты

С помощью этих муфт осуществляется жесткое соединение валов. Могут быть втулочными или фланцевыми.

Втулочная муфта является простейшей из жестких муфт. Она представляет собой втулку 3 (рис.2), посаженную с помощью шпонок, штифтов или шлицев на выходные концы валов 1 и 2.

Рис.2. Втулочная муфта: а - крепление на шпонке; б - крепление штифтом

Втулочные муфты находят применение в тихоходных и неответствен­ных конструкциях машин при диаметрах валов d 70 мм.

Достоинство таких муфт - простота конструкции и малые габаритные размеры; недостатки - необходимость при монтаже и демонтаже раздви­гать концы валов на полную длину муфты либо сдвигать втулку вдоль вала не менее чем на половину ее длины; необходимость очень точного совме­щения валов, так как эти муфты не допускают радиального или углового смещения осей валов (рис.3).

Материал для изготовления втулки - сталь 45; для муфт больших раз­меров - чугун СЧ25.

Рис.3. Возможные смещения валов

Фланцевая муфта состоит из двух полумуфт 1 и 2 (рис.4), со­единенных болтами 4. Для передачи вращающего момента используют шпоночные или шлицевые соединения. Вращающий момент передаётся за счёт сил трения между фланцами, а когда болты вставлены без зазора, то также и болтами. Фланцевые муфты стандартизованы в диапазоне диаметров 12...250 мм и передают моменты 8...45000 Нм. В тяжёлых машинах полумуфты приваривают к валам.

Эти муфты называют иногда поперечно-свертными. Для лучшего цен­трования фланцев на одной полумуфте делают круговой выступ, на дру­гой - выточку того же диаметра (рис.4, а) или предусматривают цен­трующее кольцо 3 (рис.4, б).

Рис.4. Фланцевые муфты: а - центровка за счет выступа; б - центровка кольцом

Фланцевые муфты могут передавать значительные вращающие момен­ты; имеют широкое распространение в машиностроении. Употребляются для валов диаметром d 350 мм. Достоинство этих муфт - простота конст­рукции и легкость монтажа; недостаток - необходимость точного совме­щения валов и точного соблюдения перпендикулярности соприкасающих­ся торцовых поверхностей полумуфт к оси вала.

Материал фланцевых полумуфт - сталь 40, 35Л, чугун СЧЗО (для муфт больших размеров).

Болты, поставленные без зазора, могут обеспечивать центровку валов. При постановке болтов с зазором центровка обеспечивается выступом, 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 . В тех случаях, когда муфта имеет общее ограждение, буртики не делают. 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.

Наибольшее распространение из этой группы муфт получила зубчатая муфта (рис.4.1). Она состоит из полумуфт 1 и 2 с наружными зубьями и разъемной обоймы 3 с двумя рядами внутренних зубьев эвольвентного профиля (рис. 16.3). Муфта компенсирует радиальные, осевые и угловые смещения валов за счет боковых зазоров в зацеплении и обточки зубьев по сфере. Компенсация несоосности валов сопровождается скольжением зубьев. Для повышения износостойкости зубья подвергают термообработке, а в муфту заливают смазку.

Компенсирующие муфты

Конструкции этих муфт несколько сложнее, но они допускают некоторые радиальные и угловые смещения осей валов. Основное назначение этих муфт состоит в том, чтобы компенсиро­вать вредное влияние неправильного относи­тельного положения соединяемых валов. Однако эти муфты чувствительны к перекосам. Кроме того, при перекосах валов вследствие трения в зубьях муфта нагружает валы изгибающим моментом примерно 10% от вращающего. Ком­пенсирующие муфты делятся на жесткие под­вижные и упругие (деформируемые).

Кулачково-дисковая муфта (рис.5) состоит из двух полумуфт 1 и 2 с диаметраль­ными пазами на торцах и промежуточного пла­вающего диска 3 (рис.5, а) с взаимно пер­пендикулярными выступами. В собранной муфте выступы диска располагаются в пазах полумуфт (рис.5, б). Трущиеся поверхности периодически смазывают пластичной смазкой (один раз в смену). Кулачково-дисковая муфта применяется для соединения тихоходных валов (до 250 об/мин). Допустимые радиальные сме­щения валов - до 0,04 мм, угловое - до 30". Не­достаток этих муфт - повышенная чувстви­тельность к перекосам валов. Эти муфты пред­назначены главным образом для компенсации относительно параллельного смещения осей валов. Теоретически, при любом смещении пе­редаточное отношение между валами постоян­ное. При вращении ведущего вала без угловых ускорений ведомый вал также будет вращаться равномерно. Полумуфты и диски рекомендует­ся изготовлять из стали 45Л.

Рис.5. Кулачково-дисковая муфта: а - элементы муфты; б - в собранном виде

Зубчатая муфта (рис.6) состо­ит из четырех основных деталей: двух полу­муфт 1 и 2 с наружными зубьями и двух обойм 3 и 4 с внутренними зубьями. Обой­мы муфты соединены болтами 5. Через от­верстие 6 заливается масло (один раз в три месяца). Зубчатые муфты компенсируют ра­диальные, угловые и комбинированные смеще­ния валов (углы между полумуфтами и обоймами не должны превышать 0,5°; d 560 мм); находят широкое применение в машиностроении. Эти муфты надежны в работе, имеют малые габаритные размеры. Материал полумуфт и обойм - сталь 40 или 45Л.

Рис.6. Зубчатая муфта: 1, 2 - полумуфты с наружными зубьями;

3, 4 - обоймы; 5 - болты; 6 - от­верстие для подвода смазки

Упругая втулочно-пальцевая муфта (рис.7) по конструкции ана­логична фланцевой муфте, вместо соединительных болтов у упругой муфты имеются стальные пальцы 1 на которые установлены эластичные (резино­вые, кожаные и т. п.) втулки 2. Эластичные элементы позволяют компен­сировать незначительные осевые (для малых муфт 1-5 мм; для больших муфт 2-15 мм), радиальные (0,2-0,6 мм) и угловые (до 30") смещения валов. Упругие втулочно-пальцевые муфты обладают хорошей эластично­стью, высокой демпфирующей и электроизоляционной способностью, просты в изготовлении, надежны в работе. Находят широкое применение, особенно для соединения электродвигателей с исполнительными механиз­мами (машинами) при d 150 мм. Материал полумуфт - сталь 35, 35Л или чугун СЧ25; пальцы изготовляют из стали 45.

Рис. 7. Муфта упругая втулочно-пальце­вая: 1 - пальцы; 2 - эластичные втулки

Несущая способность муфт резко падает с ростом перекоса валов.

Размеры муфт подбирают по таблицам в зависимости от вращающего момента, который находят по наибольшему длительно действующему моменту на ведущем валу.

Подвижные муфты

Допускают соединение валов с повышенным взаимным смещением осей как вызванными неточностями, так и специально заданными конструктором.

Ярким представителем этого семейства являются шарнирные муфты. Идея муфты впервые предложена Джироламо Кардано в 1570 г. и доведена до инженерного решения Робертом Гуком в 1770 г. (рис.8). Поэтому иногда в литературе они называются карданными муфтами, а иногда – шарнирами Гука.

Рис.8. Шарнир Гука по идее Кардано

Шарнирные муфты соединяют валы под углом до 45 о, позволяют создавать цепные валы с передачей вращения в самые недоступные места. Всё это возможно потому, что крестовина является не одним шарниром, а сразу двумя с перпендикулярными осями.

Прочность карданной муфты ограничена прочностью крестовины, в особенности мест крепления пальцев крестовины в отверстиях вилок. Поломка крестовины – весьма частый дефект, известный, практически, каждому владельцу заднеприводного автомобиля.

Муфты выбираются по каталогу. Проверочный расчёт ведётся для рабочих поверхностей шарниров на смятие, проверяется прочность вилок и крестовины.

Малогабаритные шарнирные муфты (рис.9) стандартизованы в диапазоне диаметров 8...40 мм и моментов 12,5...1300 Нм. Крестовина выполнена в виде параллелепипеда. Шарнир образуется с помощью вставных осей, одна из которых длинная, а другая состоит их двух коротких втулок, стянутых заклёпкой. Конструкция весьма технологична.

Рис.9. Малогабаритная карданная муфта

Упругие муфты

Предназначены главным образом для смягчения (амортизации) ударов, толчков и вибрации. Кроме того, допускают некоторую компенсацию смещений валов.

Главная особенность таких муфт – наличие металлического или неметаллического упругого элемента . Используются различные упругие элементы (рис.10) а – звёздочки, б – шайбы, в – упругие оболочки, г – винтовые пружины, д – змеевидные пружины, е – сильфоны и т.п. Способность упругих муфт противостоять ударам и вибрации значительно повышает долговечность машин.

Рис. 10. Конструкции упругих муфт

Муфта с упругой торообразной оболочкой может, фактически, рассматриваться, как упругий шарнир Гука. Она способна компенсировать значительные неточности монтажа валов.

Лёгок монтаж, демонтаж и замена упругого элемента. Допускаются радиальные смещения 1...5 мм, осевые 2...6 мм, угловые 1,5...2 0 , угол закручивания 5...30 0 .

Несущая способность (и прочность) муфт зависит от крепления оболочки к фланцам. Стандартизованы муфты с неразрезной упругой оболочкой в диапазоне моментов 20...25000 Нм.

Широкое применение находит упругая втулочно-пальцевая муфта "МУВП" (рис.11).

Здесь нет необходимости крепить резину к металлу, легко заменять упругие элементы при износе.

В этих муфтах момент передаётся через пальцы и насаженные на них упругие элементы в форме колец или гофрированных втулок. Такие муфты легки в изготовлении, просты в конструкции, удобны в эксплуатации и поэтому получили широкое применение, особенно для передачи вращения от электродвигателя.

Рис.11. Упругая втулочно-пальцевая муфта

Муфты нормализованы в диапазонах 16...150 мм и 32...15000 Нм.

К сожалению, радиальные и угловые смещения существенно снижают срок службы упругих элементов и повышают нагрузки на валы и опоры.

Муфты рассчитывают по допускаемым давлениям между пальцами и упругими втулками

P = 2M вр / (Z ∙D ∙d ∙l ) £ [P ],

Где Z – число пальцев, d – диаметр пальца, l – длина упругого элемента, D – диаметр расположения осей пальцев. Допускаемое давление обычно 30 МПа.

Пальцы муфты рассчитывают на изгиб.

Сцепные муфты

Эти муфты предназначены для соединения и разъединения валов. Некото­рые типы сцепных муфт позволяют это делать на ходу, без остановки элек­тродвигателя. Сцепные муфты иногда называют управляемыми. По принци­пу работы различают кулачковые и фрикционные сцепные муфты.

Кулачковые муфты (см. рис.12) состоят из двух полумуфт 1 и 2, имеющих кулачки на торцовых поверхностях. Включение муфты осуществ­ляется за счет полумуфты 2, которая может передвигаться вдоль вала по направляющей шпонке или по шлицам.

Во избежание повреждений кулачков включение муфты на ходу допуска­ется без нагрузки при весьма малой разности угловых скоростей валов. Вы­ключение допускается на ходу. Достоинство кулачковых муфт - простота конструкции и малые габаритные размеры; недостаток - невозможность, как правило, включения на ходу. Рекомендуемый материал кулачковых по­лумуфт - легированная сталь 20Х или 20ХН (с цементацией и закалкой).

Рис.12. Кулачковая муфта: 1,2 -полумуфты

Фрикционные муфты (рис.13) в отличие от кулачковых, допус­кают включение на ходу под нагрузкой. Фрикционные муфты передают вра­щающий момент за счет сил трения. Фрикционные муфты допускают плавное сцепление при любой скорости, что успешно используется, например, в конструкции автомобильного сцепления. Кроме того, фрикционная муфта не может передать через себя момент больший, чем момент сил трения , поскольку начинается проскальзывание контактирующих фрикционных элементов, поэтому фрикционные муфты являются эффективными неразрушающимися предохранителями для защиты машины от динамических перегрузок.

По конструкции фрикционные муфты делят на: дисковые , в которых трение происходит по торцевым поверхностям дисков (одно- и многодисковые) (см. рис.13, а); конусные , в которых рабочие поверхности имеют коническую форму (рис.13.10, б); цилиндрические имеющие цилиндрическую поверхность контакта (колодочные, ленточные и т.д.) (рис.13.10, в). Наибольшее распространение получили дисковые муфты.

Фрикционные муфты работают без смазочного материала (сухие муф­ты) и со смазочным материалом (масляные муфты). Последние применяют в ответственных конструкциях машин при передаче больших моментов. Смазывание уменьшает изнашивание рабочих поверхностей, но усложняет конструкцию муфты.

Материал для фрикционных муфт - конструкционные стали, чугун СЧ30. Фрикционные материалы (прессованную асбесто-проволочную ткань - ферродо, фрикционную пластмассу, порошковые материалы и др.) применяют в виде накладок.

Рис. 13. Фрикционные муфты: а - дисковая; б - конусная; в - цилиндрическая

Главной особенностью работы фрикционных муфт является сжатие поверхностей трения. Отсюда ясно, что такие муфты рассчитываются на прочность по контактному давлению (аналогично напряжениям смятия). Для каждой конструкции необходимо вычислить сжимающую силу и разделить её на площадь контакта. Расчётное контактное давление не должно быть больше допускаемого для данного материала.

Самоуправляемые муфты

Эти муфты предназначены для автоматического разъединения валов в зависимости от изменения одного из следующих параметров: вращающего момента - предохранительные муфты, направления вращения - обгонные , и скорости вращения - центробежные.

Муфты свободного хода (обгонные) (рис.14) предназначены для передачи вращающего момента в одном направлении (например, для вращения втулки заднего колеса велосипеда). Ролики 3 муфты свободного хода за счет сил трения заклиниваются между поверхностями полумуфт 1 и 2

Рис. 14. Роликовая муфта свободного хода

При уменьшении скорости вращения полумуфты 1 вследствие обгона роли­ки выкатываются в широкие участки вырезов, и муфта автоматически раз­мыкается.

Муфты свободного хода работают бесшумно, допускают большую час­тоту включений.

В качестве материалов для муфт свободного хода рекомендуют приме­нять стали ШХ15, 20Х, а также высокоуглеродистые инструментальные стали.

Центробежные муфты (рис.15) служат для автоматического включения (выключения) валов при заданных угловых скоростях.

Центробежная муфта состоит из ведущей и ведомой полумуфт 1 и 2, в пазы которых устанавливают фрикционные грузы - колодки 3.

Рис. 15. Центробежная колодочная муфта: 1,2- полумуфты; 3 - колодки

При достижении ведущей полумуфтой заданной угловой скорости ко­лодки 3, за счет центробежных сил, прижимаются к ведомой полумуфте, и муфта включается. В показанной на рис.15 конструкции любая из полу­муфт (1 или 2) может быть ведущей. Передача вращающего момента осуще­ствляется силами трения, значение которых пропорционально квадрату уг­ловой скорости. Центробежная муфта допускает частые включения, обес­печивает плавное включение и имеет сравнительно небольшие габаритные размеры.

Предохранительные муфты

Эти муфты допускают ограничение передаваемого вращающего мо­мента, что предохраняет машины от поломок при перегрузках.

Наибольшее распространение получили предохранительные кулачко­вые, шариковые и фрикционные муфты (рис.16).

Рис.16. Предохранительные муфты

От сцепных и других муфт они отличаются отсутствием механизма включения. Предохранительные кулачковые и шариковые (рис.16, а) муфты постоянно замкнуты, а при перегрузках кулачки или шарики полумуфты 1 выдавливаются из впадин полумуфты 2, и муфта размыкается. Иначе работает предохранительная фрикционная муфта (рис.16, б). При перегрузке за счет проскальзывания происходит пробуксовывание этой муфты (останавливается ведомый вал).

Рассмотренные на рис.16 предохранительные муфты применяют причастых перегрузках.

При маловероятных перегрузках применяют предохранительные муфты с разрушающимся элементом, например со срезным штифтом (рис. 17). Такая муфта состоит из дисковых полумуфт 1 и 2 , соединяемых металлическим штифтом 3 , вставленным в термически обработанную втулку 4 . При возникновении перегрузки штифт срезается, и муфта разъединяет валы. Они просты по конструкции и малогабаритны.

Рис. 17. Муфта предохранительная со срезным штифтом:

1,2- полумуфты; 3 - срезной штифт; 4 - закаленные втулки

Для изготовления деталей предохранительных муфт в зависимости от типа муфты применяют конструкционные стали, чугун СЧЗО, фрикцион­ные материалы, сталь ШХ12 и др. Штифты для муфт с разрушающимся элементом изготовляют из стали 45, втулки - из стали 40Х с закалкой.

Краткие сведения о выборе и расчете муфт

Применяемые в машиностроении муфты стандартизованы. Муфты каж­дого типоразмера выполняют для некоторого диапазона диаметров вала. Основным критерием при выборе стандартных муфт является передаваемый вращающий момент.

При проектировании новых муфт конструктивные размеры элементов муфты определяют расчетом. Стандартизованные или нормализованные муфты не рассчитывают. Их, как правило, выбирают, как и подшипник ка­чения, по таблицам справочников.

Выбор стандартных муфт. Основной характеристикой при выбо­ре муфт является передаваемый расчетный момент

, (1)

Где К р - коэффициент режима работы (табл.1); T - номинальный вра­щающий момент при установившемся режиме работы.

Таблица 1. Значение коэффициента режима работы К p

Муфты выбирают по соответствующим таблицам (табл. 2 и 3) по К р в зависимости от диаметра вала d (учитывают также максимальную угло­вую скорость ). Отдельные детали выбранной муфты проверяют на прочность.

Таблица 2. Коэффициенты безопасности К б и режима работы К р

Таблица 3. Значения [р ] и f для фрикционных муфт

Расчет на прочность жестких (глухих) муфт.

Втулочные, фланцевые и продольно-свертные муфты выбирают по норма­лям .

Прочность втулки проверяют по основному условию прочности на кру­чение

Где - допускаемое напряжение на кручение (для стали 45: = 22 ÷ 25 МПа);

, (3)

Расчетное напряжение на кручение; Т р - расчетный момент; d и D - размеры муфты (см. рис.2).

Шпоночные или шлицевые (зубчатые) соединения вала с жесткой муф­той проверяют по формулам (9.1)-(9.3), болтовые соединения на растяже­ние и срез. Болты и стенки полумуфт на смятие прове­ряют по формуле

, (4)

Где F t - сила, срезающая один болт; А см - площадь смятия; d б - диаметр болта; К- толщина фланца полумуфты (см. рис.4, а); - допускае­мое напряжение на смятие материала болтов или полумуфт.

Расчет на прочность компенсирующих муфт. Эти муфты выбира­ют по нормалям или стандартам (см. рис. 5).

Проверочный расчет на прочность (износостойкость) кулачково-дисковых муфт производят по формуле

, (5)

Где р - максимальное давление, возникающее на рабочей поверхности со­пряженных деталей муфты; D , d , h - размеры муфты (см. рис.5); [р] - допускаемое давление (для муфт с закаленными поверхностями трения [р] = 15 ÷ 30 МПа).

Проверочный расчет зубчатых муфт не производят. Их выбирают по стандарту. Для зубчатых муфт расчетный момент

Т р =К б К р Т, (6)

Где К б и К р - коэффициенты безопасности и режима работы; Т - номинальный вращающий момент (табл.12.4).

Таблица 4. Муфты втулочные со шпонками (см. рис. 2, а), размеры, мм