Классификация и характеристики муфт

Классификация муфт

Широко применяемые в машиностроении муфты стандартизированы. 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.

Многообразие механических муфт и возможность сложного их комбинирования затрудняет строгую типизацию подобных устройств. Упрощенный вариант классификации показан на рис. 1.2. Отметим также, что приведенная классификация сокращена по сравнению с ГОСТ 50371-92.

Рис.1.2. Классификация муфт

 

Цилиндрические шинно-пневматические муфты.

В этих муфтах трение создается между колодками резинового баллона, связанного с одной полумуфтой и цилиндрическим ободом второй полумуфты. Для включения такой муфты в камеру баллона подается сжатый воздух, прижимающий колодки к цилиндрическому барабану.

Шинно-пневматические муфты обладают рядом достоинств:

1) удобство управления;

2) возможность регулирования предельного момента и скорости включения;

3) компенсация осевых, радиальных и угловых смещений (на практике наблюдаются радиальные смещения 2–3 мм);

4) самокомпенсация износа и отсутствие необходимости периодической регулировки;

5) хорошая демифирующая способность (смягчение толчков, гашение крутильных колебаний).

К недостаткам муфты относят высокую стоимость баллона, старение резины, чувствительность муфты к попаданию на резину масла, кислот и щелочей.

Шинно-пневматические муфты принимают в основном в тяжелом машиностроении: в буровых лебедках, в экскаваторах и т.д.

Конусные муфты имеют меньшее усилие сжатия фрикционных элементов и хорошо расцепляются (выключаются).

Включение и выключение конусной муфты осуществляется осевым перемещением одной из полумуфт. Конические поверхности трения позволяют реализовать значительные нормальные давления на поверхности трения, что снижает потребное усилие включения.

Для облегчения расцепления муфты угол наклона образующей конуса α назначается меньше угла трения покоя и составляет 10…15°.

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.

Давление на трущихся деталях создается с помощью механизмов включения различного вида. Наибольшее распространение получили пружинно-рычажные механизмы; для дистанционного управления муфтой удобны гидравлические, пневматические или электромагнитные устройства.

Основными критериями работоспособности фрикционные муфт являются надежность сцепления, высокая износостойкость и теплостойкость трущихся деталей.

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. 1.27. Фрикционные муфты: а — дисковая; б — конусная; в — цилиндрическая

Рис.1.28. Схема дисковой фрикционной муфты

 

Схему простейшей дисковой муфты можно представить так: одна полумуфта укреплена на валу неподвижно, а другая полумуфта - подвижно в осевом направлении, на торцевой поверхности каждой полумуфты укреплена фрикционная прокладка (рис.1.28).

Для соединения валов к подвижной полумуфте прикладывают осевую силу F_a. При этом момент трения Т_тр определяют по формуле

k∙T=T_тр=F_a∙f∙R_ср,

где k – коэффициент запаса; T– крутящий момент; f - коэффициент трения; R_ср - средний радиус рабочих поверхностей:

R_ср=(D₁+D₂)/4.

Для уменьшения силы F_a и, как следствие, габаритов муфты применяют конструкции не с одной, а со многими парами поверхностей трения – многодисковые муфты.

Увеличение F_a ограничено допускаемым давлением [p] на трущихся поверхностях:

Схема простейшей конической фрикционной муфты отличается от дисковой тем, что фрикционные прокладки имеют коническую поверхность. От действия силы F_a на конической поверхности возникает удельное давление pи удельные силы трения f∙p. Для передачи крутящего момента T необходимо выполнение условия

Из формулы видно, что с уменьшением α увеличивается передаваемый крутящий момент. В этом заключается основная положительная особенность конических муфт по сравнению с дисковыми. Однако применять очень малые углы α на практике не рекомендуется, так как при этом происходит самозаклинивание полумуфт. Для устранения самозаклинивания необходимо, чтобы

α>arctgf

Рассматривая равновесие полумуфты получаем

Решая эти уравнения совместно, находим

Условие износостойкости рабочих поверхностей полумуфт записывается так:

Пример обозначения предохранительной фрикционной муфты с Т_ном = 63 Нм, d = 25 мм, исполнения 1, климатического исполнения У категории 3:

Муфта 63 – 25 – У3 ГОСТ 15622-77.

То же, исполнения 2:

Муфта 63 – 6х21х25 – У3 ГОСТ 15622-77.

То же. исполнения 3:

Муфта 63 – Эв.25х1,5х16 – У3 ГОСТ 15622-77.

Центробежные муфты (рис.1.33) служат для автоматического включения (выключения) валов при заданных угловых скоростях. Таким образом, эти муфты являются самоуправляемыми по угловой скорости. Их применяют в качестве пусковых для приводов с большими инерционными массами (грузоподъемные машины, прокатные станы, прессы и др.) при двигателе с малым пусковым моментом. Центробежные муфты позволяют электродвигателю легко (без нагрузки) разогнаться и, по достижении им определенной частоты вращения, начать плавный разгон привода без больших инерционных нагрузок деталей. Пусковые муфты одновременно являются и предохранительными.

Центробежные муфты подразделяют на муфты с грузами (с колодками) (рис. 1.33, а) и муфты с наполнителем (стальными шариками, дробью, смесью стального и графитового порошка с маслом) (рис. 1.33, б).

а) б)

Рис. 1.33. Центробежные муфты: а) с грузами; б) с наполнителем

 

На рис. 1.33, а приведена центробежная муфта с грузами, которая представляет собой фрикционную муфту. При достижении ведущим валом и полумуфтой 1 заданной частоты вращения центробежные силы, перемещая грузы 3 с фрикционными накладками в радиальном направлении по направляющим ведущей полумуфты 1, плавно прижимают их к ведомой полумуфте 2 – включают муфту. При снижении частоты вращения ведущей полумуфты грузы возвращаются в исходное положение пружинами 4.

В показанной на рис.1.33 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.

Условие передачи муфтой расчетного момента Т _р:

T_f ≥ Т _р,

где T_f – момент сил трения, Н·м:

T_f = 0,5∙10^-3 F _ц∙ f∙D∙z,

где F _ц = 10³ mv ² / r – центробежная сила, Н;

m – масса груза, кг;

𝜔 – угловая скорость, c^-1;

r – расстояние от оси вращения до центра масс груза, мм;

f – коэффициент трения;

D – диаметр ведомой полумуфты, мм;

z – число грузов.

Износостойкость рабочих поверхностей трения грузов проверяют по величине давления p, МПа:

p = F _ц / (ab) ≤ [ p ],

где ab – площадь проекции опорной поверхности груза, мм².

Методы определения допустимого крутящего момента для подбора серийных муфт

Как отмечалось выше, при подборе серийных муфт учитывают значительное количество факторов, среди которых важнейшим является требование T_p≤[T_ном]. Записанное условие является требованием обеспечения работоспособности муфт в целом. В большинстве случаев она определяется слабым элементом узла, поскольку условие равнопрочности не всегда достижимо. Выявление слабого элемента применительно к муфтам с теоретических позиций может быть установлено путем сравнения допускаемых моментов, вычисленных по всем критериям работоспособности силовых элементов обсуждаемого узла. Естественно, что слабым звеном будет элемент, имеющий минимальное значением [Т_ном] по какому-либо из выделенных критериев работоспособности.

Применительно к фланцевой муфте с установкой болтов без зазора значение допустимого момента следует определять из условий (2.1), (2.6) и (2.7). Выполним эту операцию, к примеру, для условия (2.1). Выражение (2.1) при получении проектной зависимости было приведено к виду (2.21), которое несложно решить относительно момента T_p для установленных типоразмеров серийных фланцевых муфт. При этом в случае равенства τ_кр=[τ]_кррасчетный момент приобретет значение допустимого.

Таким образом,

Формулу для определения допустимого момента из условия прочности болтов на срез (2.6) получим с учетом его преобразованной формы (2.24), а из условия прочности на смятие (2.7) – с учетом (2.25):

Заключительной операцией определения допустимого момента для серийной фланцевой муфты с установкой болтов без зазора будет сравнение полученных значений и определение минимального из них:

Минимальные значения [T_ном] вычисляются для каждого типоразмера серийных муфт, именно их помещают в техническую характеристику обсуждаемого изделия, и его сравнивают с расчетным моментом, естественно, обеспечивая работоспособность менее слабых силовых элементов муфты.