Самокеровані та комбіновані муфти

Самокеровані муфти автоматично з'єднують або роз'єднують вали, якщо параметри роботи машини недопустимі за тими чи іншими показ­никами. В разі потреби з'єднання валів залежно від швидкості обер­тання одного з них застосо–вують відцентрові муфти; із обмеженням напряму обертання і передавання навантаження використовують обгінні муфти, а із обмеженням робочого навантаження – запо­біжні муфти.

Відцентрові муфти автоматично з'єднують (роз'єдну­ють) вали з досягненням певної кутової швидкості. Такі муфти керуються відцентровою силою.

Відцентрові муфти для з'єд­нання валів при певній кутовій швидкості використовують: для автоматичного вмикання або ви­микання робочого органу маши­ни за допомогою регулювання кутової швидкості двигуна; для розгону машин із великими обер­товими масами при малому пус­ковому моменті двигуна; для підвищення плавності пуску машини в дію тощо. Муфти для роз'єднання валів при заданій кутовій швид­кості переважно використовують для обмеження високих швидкостей робочих органів машини, наприклад з метою запобігання їхньому руйнуванню.

За конструкцією відцентрові муфти дуже різноманітні. На рис. 37.13 зображена принципова схема відцентрової муфти, що застосо­вується для з'єднання валів при досягненні певної кутової швидкості. Муфта складається зі з'єднаної з ведучим валом півмуфти 1, у пазах якої розміщені колодки 2, що утримуються пружинами 3, і півмуфти 4 у вигляді барабана, закріпленої на веденому валу.

Під час обертання ведучого вала колодки знаходяться під дією відцентрової сили F_v та сили пружини Р_n. Якщо швидкість вала мала, то F_n > F_v і колодки не притиснуті до барабана, тобто муфта не пере­дає обертового моменту (ведений вал не обертається). Із збільшенням кутової швидкості ω₁ зростає і відцентрова сила F_v, а при F_v > F_n колодки стикаються з барабаном і за рахунок сил тертя між колодка­ми і барабаном передається обертовий момент до веденого вала (вал почне обертатись). Відповідно зі зменшенням кутової швидкості ве­дучого вала муфта розмикається.

Для передавання муфтою розрахункового обертового моменту T_р треба, щоб цей момент дорівнював моменту сил тертя T_s між колодками і барабаном:

T_P = Т_s = (F_v– F_n) fzD/2, (16)

де f – коефіцієнт тертя між колодками і барабаном; z – число коло­док у муфті.

Відцентрова сила, що діє на колодку під час роботи муфти у роз­рахунковому режимі (передається обертовий момент Т_р із кутовою швидкістю ω),

F_v = mω²r, (17)

де т – маса колодки; г – радіус розміщення центра ваги колодки.

Сила пружини, що утримує колодку, дорівнює відцентровій силі у момент вмикання муфти, тобто коли кутова швидкість ведучого вала має значення ω₀:

F_n = mω₀²r (18)

Після підстановки (17) і (18) в умову (16) дістанемо

T_р = 0,5mrfzD (ω² – )· (19)

Із рівності (19) можна визначити потрібну масу однієї колодки муфти з відомими розмірами D і г.

m = 2T_p/[Drfz (ω² – )]. (20)

У формулі (20) Т_р – обертовий момент, Η·м; D, г – діаметр і радіус, м;

ω, ω₀ – кутові швидкості, рад/с; m – маса колодки, кг.

Стійкість проти спрацювання колодок і барабана муфти забезпе­чується обмеженням тиску на поверхнях тертя (за аналогією фрик­ційних муфт):

p = (F_v – F_n)/A = mr (ω² – )/A ≤ [ρ], (21)

де А – площа стикання колодки із барабаном, мм²; ρ – тиск у кон­такті колодки з барабаном, МПа.

Отже, при конструюванні відцентрової муфти треба мати розра­хунковий обертовий момент Т_р, робочу кутову швидкість валів ω і кутову швидкість ω₀, при якій відбувається вмикання муфти (переваж­но беруть ω₀ = (0,7...0,8)ω). Розміри муфти назначаються конструк­тивно, потрібну масу колодок знаходять за формулою (20), а стій­кість проти спрацювання колодок і барабана перевіряють за умовою (21). Розрахована таким чином муфта в діапазоні кутових швид­костей ведучого вала

0 < ω₁ ≤ ω₀ не передає обертового моменту, при ω₀ < ω₁ < ω муфта пробуксовує і поступово розганяє ведений вал, а при ω₁ ≥ ω муфта передає обертовий момент Т_р без буксування.

Обгінні муфти передають обертовий момент тільки в од­ному напрямі. Якщо кутова швидкість веденого вала більша, ніж ве­дучого, то відбувається автоматичне розмикання кінематичного лан­цюга привода. Такі муфти широко застосовують у різних верстатах, автомобілях, мотоциклах, велосипедах та інших машинах.

Обгінні муфти за способом з'єднання півмуфт поділяють на храпо­ві і фрикційні. Переважне використання мають фрикційні обгінні муфти з роликами, оскільки у них майже повністю відсутній вільний хід і вони працюють безшумно.

Роликова обгінна муфта (рис. 37.14, а) складається з зірочки 1, зовнішньої обойми 2, роликів 3 і притискних пристроїв 4, які забезпе­чують мінімальний вільний хід і сприяють рівномірному розподілу навантажень на ролики. Зірочки переважно розміщують на валу, а обойма може бути з'єднана із зубчастим колесом, шківом або іншою деталлю. В деяких випадках обойма розміщується на іншому валу привода. В муфті на рис. 37.14, а зірочка може бути ведучою ланкою під час її обертання за годинниковою стрілкою, а обойма – під час обертання проти годинникової стрілки. Під час роботи муфти ролики силами тертя затягуються в бік звуження зазора між обоймою та зі­рочкою і заклинюються. Притискні пристрої у муфті утримують ро­лики у постійному стиканні з обоймою та зірочкою.

В обгінних муфтах переважно використовують стандартні ролики із роликопідшипників, а обойму і зірочку виготовляють із сталей ШХ15, 20Х (твердість Η ≈ 60 HRC після цементації та гартування ро­бочих поверхонь).

При передаванні обертового моменту Т_р на ролик (рис. 37.14, б) з боку зірочки та обойми діють нормальні сили N і сили тертя F_s. Сили N намагаються виштовхнути ролик із клинового зазора, а сили тертя перешкоджають цьому.

Щоб ролик не висковзнув із клинового зазора, треба виконати умову

2F_s cos α/2 ≥ 2Ν sin α/2. (22)

Враховуючи, що F_s = Nf, із виразу (22) дістанемо

f ≥ tg α/2 або α/2 ≤ arctg f. (23)

Тут f – коефіцієнт тертя ковзання у парі ролик – обойма і ро­лик – зірочка. Кут α переважно беруть 5–7°.

Із геометричних співвідношень розмірів муфти можна записати (р.14, б):

cos α = (Ь + d/2)/(D/2 – d/2) = (2b + d)/(D – d). (24)

За співвідношеннями (23) і (24) можна визначити діаметр ролика d для вибраних значень а, b і D.

За умовою рівноваги обойми запишемо (при числі роликів z):

Т_р = F_s z D/2 = 0,5N D z f – 0,5NDz tg α/2. (25)

Із рівності (37.25) визначаємо нормальну силу на ролик під час передавання муфтою розрахункового обертового моменту Т_р, вибрав­ши для малих кутів

tg α/2 ≈ α/2:

Ν = 4T_p/(Dzα). (26)

Міцність ролика і робочих поверхонь обойми та зірочки розрахо­вують за поверхневими контактними напруженнями. Більші контакт­ні напруження виникають у контакті ролика і зірочки, оскільки тут зведена кривина контактуючих поверхонь більша (див. 4.1):

σ_H = Z_M √4T_p/(Dzdl_pα) ≤ [σ]_Η. (27)

Умова (27) дозволяє визначити потрібну довжину роликів l _Р. Для вказаних вище матеріалів деталей муфти допустимі контактні напруження рекомендують брати [σ]_H = (1200... 1500) МПа.

Запобіжні муфти використовують для захисту окремих органів машини від перевантажень. Вони бувають із неруйнованими елементами та з руйнованими елементами.

Запобіжні муфти із неруйнованими елементами поділяють на ку­лачкові, кулькові та фрикційні. Такі муфти спрацьовують, коли обертовий момент перевищує деяке наперед задане зна­чення.

Кулачкові запобіжні муфти (рис. 37.15, а) подібні до керованих кулачкових муфт, але вони не мають механізму примусового керу­вання.

Тут півмуфти замикаються зусиллям стиснутих пружин. Кут профілю кулачків α у цих муфтах вибирають великим (α ≥ 40°). При перевантаженнях (T_p > Т_max) зачеплення кулачків порушується через осьове зміщення рухомої півмуфти. Кулачкові запобіжні муфти стан­дартизовані для діаметрів валів 8–48 мм і оберто­вих моментів 4–400 Η·м.

Кулькові запобіжні муфти (рис. 37.15, б) за принципом дії схожі до кулачкових. При перевантаженнях під дією осьових зусиль, обу­мовлених формою впадин в одній із півмуфт, кульки зміщаються в осьовому напрямі і відбувається розмикання муфт. За ГОСТ 15621–77 для діаметрів валів 8–48 мм такі муфти допускають обертові моменти 4–400 Η·м.

Фрикційні запобіжні муфти (рис. 37.15, в) відрізняються від фрик­ційних керованих муфт відсутністю механізму керування. Ці муф­ти замикаються постійним зусиллям стиснутих пружин. Згідно з ГОСТ 15622–77 передбачають фрикційні запобіжні муфти для діа­метрів валів 9–48 мм і обертових моментів 6,3–400 Η·м.

У всіх розглянутих запобіжних муфтах регулювання обертового моменту Т_max, при якому відбувається розмикання муфти, здійснюєть­ся відповідним стисканням пружин за допомогою гайок.

Запобіжні муфти із руйнованим елементом застосовують при від­носно рідких перевантаженнях привода машини. Недоліком цих муфт є потреба заміни зруйнованих елементів.

На рис. 37.16, а зображена муфта із запобіжним штифтом. Тут обертовий момент від однієї півмуфти до іншої передається через штифт, який зрізається при перевантаженні. Для відновлення роботи муфти штифт заміняють.

Загартовані втулки, в яких знаходиться штифт,запобігають зминанню більш м'якого матеріалу півмуфт штифтом і тим самим наближають дійсні умови зрізу штифта до розрахункових. Переважно число штифтів у муфті z = 1, рідше z = 2. Матеріал штифтів – середньовуглецева сталь.

Максимальний обертовий момент Т_max, при якому відбувається руй­нування (зріз) штифта, визначається за умовою рівності розрахунково­го напруження зрізу границі міцності матеріалу штифта на зріз τ_В:

τ_3Р = 8Т_max /(Dzπd²_Ш) = τ_В;

Т_max = Dzπd²_Ш τ_В /8. (28)

Якщо для муфти відомий максимальний обертовий момент Т_max, то потрібний діаметр штифта можна визначити за формулою

d_ш = √8 Т_max /(Dzπ τ_В). (29)

У записаних виразах D – діаметр кола, на якому розміщені штиф­ти. Границю міцності на зріз τ_В можна наближено визначити залежно від границі міцності на розтяг σ_Β матеріалу штифта за співвідношен­ням τ_Β ≈ 0,8σ_Β.

Комбіновані муфти застосовують у тих випадках, коли жодна з розглянутих вище муфт не може повністю задовольнити усі вимоги, що ставляться до з'єднання валів приводного механізму.

На практиці використовують комбінації пружних муфт із запобіжними або керованими муфтами. На рис. 37.16, б зображена пружна запобіжна муфта – комбінація пружної втулково–пальцевої муфти та запобіжної муфти зі зрізним штифтом. Така муфта об'єднує переваги МПВП (зменшення динамічних навантажень, деяка компен­сація неспіввісності валів) і одночасно захищає привод від переван­тажень.

Розрахунок елементів муфти (рис. 37.16, б) виконують згідно з вка­зівками, наведеними вище для МПВП і запобіжної муфти зі зрізним штифтом.

 

 

ЛЕКЦІЯ 33 – 35

ЗВАРНІ З'ЄДНАННЯ