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: муфты с металлическими и неметаллическими упругими элементами.

1) Металлические упругие элементы муфт.

Основные типы металлических упругих элементов муфт изображены на рисунке 1: а – витые цилиндрические пружины; б – стержни, пластины, или пакеты пластин, расположенные по образующей или по радиусу муфты; в – пакеты разрезных гильзовых пружин; г – змеевидные пластинчатые пружины. Эти элементы работают на кручение (рис 1, а) или на изгиб (рис 1, б, в, г).

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 крутящих 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.

Такие муфты целесообразно применять как упругие звенья в системе валов с зубчатыми колесами или цепными звездочками.

Муфты с цилиндрическими пружинами применяют также для соединения валов. Характеристика муфты с цилиндрическими пружинами изображена на рис 2

Вследствие предварительного сжатия пружин силой F1 муфта работает как жесткая до нагрузки Т1. При этом:

,

где r – радиус расположения пружин; z – число пружин.

При Т>Т1 муфта работает как упругая с постоянной жесткостью. Деформацию пружин λ и напряжение τ в ее витках определяют по формулам:

,

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

и жесткость муфты

.

Угол φmax на рис 2 соответствует упору ограничителей, после чего муфта снова становится жесткой. Упор ограничителей должен происходить до соприкасания витков пружины (минимальный зазор между витками около 0,1d).

Условие прочности пружины:

,

где Тmax – момент, соответствующий упору ограничителей.

Для изготовления пружин применяют специальные пружинные стали.

Муфта зубчато-пружинная, или муфта со змеевидными пружинами.

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

Число зубьев обычно принимают в пределах 50…100.

Муфты могут компенсировать несоосность валов.

2) Неметаллические упругие элементы муфт.

Основным материалом неметаллических упругих элементов является резина. Она обладает следующими положительными качествами:

Высокой эластичностью;

Высокой демпфирующей способностью вследствие внутреннего трения.

Недостатки:

Меньшая долговечность, чем стальных;

Меньшая прочность, которая приводит к увеличению габаритов муфт.

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

Основные типы резиновых упругих элементов муфт и схемы их нагружения изображены на рис 3. 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 3, ж, з, и.

Муфта с резиновой звездочкой.

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 стандартизирована и широко применяется для соединения быстроходных валов. Муфта компактна и надежна в эксплуатации.

Недостатки – при разработке 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 [σсм] = 2…2,5, МПа.

Муфта упругая втулочно-пальцевая (МУВП).

Благодаря легкости изготовления и замены резиновых элементов эта муфта получила распространение, особенно в приводах от электродвигателей с малыми и средними крутящими моментами. Из-за сравнительно небольшой толщины втулок муфты обладают малой податливостью и применяются в основном для компенсации несоосности валов в небольших пределах.

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:

,

где z – число пальцев. Рекомендуют принимать [σсм] = 1,8…2 МПа.

Муфта с упругой оболочкой.

Упругий элемент муфты, напоминающей автомобильную шину, работает на кручение. Это придает муфте большую энергоемкость, высокие упругие и компенсирующие свойства. Муфта стандартизована и получила широкое распространение.

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):

.

По экспериментальным данным [τ] 0,4 МПа.