Учебный курс Детали машин и основы конструирования

СИЛЫ  И СВЯЗИ
Определить реакции в опорах вала
Статические испытания материалов
конструкционные материалы
РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ КРУГЛОГО
СПЛОШНОГО БРУСА
НОРМАЛЬНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ИЗГИБА
Методы изготовления резьбы
Теория винтовой пары
Расчет резьбовых соединений
Шпоночные соединения
Расчет шпоночных соединений
Механические передачи
цилиндрические передачи
Критерии работоспособности зубчатых колес
Расчет цилиндрических передач на прочность.
Конические зубчатые передачи
Червячная  передача
Силы в червячном зацеплении
Тепловой расчет и смазывание червячных передач
Плоскоременные передачи
Зубчато-ременные передачи
Цепная передача
валы и оси
Смазывание и расчет подшипников скольжения
Подшипники качения
Подбор подшипников качения
Конструирование подшипниковых узлов
Муфты
 

МУФТЫ

Общие сведения, назначение и классификация


Муфтами в технике называют устройства, которые служат для соединения концов валов, стержней, труб, электрических проводов и т. д. Рассмотрим только муфты для соединения валов. Потребность в соединении валов связана с тем, что большинство машин компонуют из ряда отдельных частей с входными и выходными валами, которые соединяют с помощью муфт (рис.6.1). Соединение валов является общим, но не единственным назначением муфт. Так, например, муфты используют для включения и выключения исполнительного механизма при непрерывно работающем двигателе (управляемые муфты); предохранения машины от перегрузки (предохранительные муфты); компенсации вредного влияния несоосности валов (компенсирующие муфты); уменьшения динамических нагрузок (упругие муфты) ит.д..

 В современном машиностроении применяют большое количество муфт, различающихся по принципу действия и управления, назначению и конструкции. Классификация муфт по этим признакам представлена ниже в виде схемы Рис.6.2.

 В электрических и гидравлических муфтах, указанных на этой схеме, используют принципы сцепления за счет электромагнитных и гидродинамических сил. Эти муфты изучают в специальных курсах. В курсе «Детали машин и ОК» изучают только механические муфты.

 Широко применяемые муфты стандартизованы. Основной паспортной характеристикой муфты является значение вращающего момента, на передачу которого она рассчитана.

 Ниже рассмотрены только наиболее распространенные в общем машиностроении типовые конструкции стандартных муфт, принцип действия

и расчет этих муфт.

Myфты (для соединения валов)

Муфты гидравлического действия (гидравлические)

Муфты электрического деистВия (электрические)

Муфты механического действия (механические)

My фты самоуправляемые автоматические

Муфты неуправляемые (постоянно действующие)

Муфты управляемые

My фты компенсирую-щие , жесткие

Муфты центробеж ные (самоуправляе-мые по частоте Вращения)

Муфты фрикцион-ные

Муфты глухие

Муфты предохрани тельные (самоуправ-ляемые по значе-нию момента)

Муфты

компенсирующие , упругие

Муфты кулачковые

Муфты свободного кода (самоуправляемые)

  Рис.6.2

 6.1. Муфты глухие

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


Муфта втулочная (Рис.6.3) — простейший представитель глухих муфт.

 Соединение втулки с валами выполняют с помощью штифтов (Исп.1) шпонок (Исп.2 и 3) или зубьев (шлицов) (Исп.4). Они отличаются простотой 

конструкции и малыми габаритами. Применение втулочных муфт в тяжелых машинах затруднено тем, что при монтаже и демонтаже требуется смещать валы (агрегаты) в осевом направлении. Прочность муфты определяется прочностью штифтового, шпоночного или шлицевого соединения,  а также прочностью самой втулки, работающей на кручение.

 Муфты стандартизованы по ГОСТ 24246 – 96 в диапазоне передаваемых моментов с 1 по 12500 Н. м и диаметров валов от 6 до 105 мм.

 

 Рис.6.4. Фланцевая муфта

Фланцевые муфты. Их изготовляют по ГОСТ 20761—96 из чугуна и стали (Рис.6.4.). Предназначены они для соединения соосных цилиндрических валов и передачи вращающего момента: от 16 до 40000 Н.м, при окружной скорости на наружном диаметре муфты до 70 м/с — стальные муфты; от 8 до 20 000 Н • м при окружной скорости до 35 м/с — чугунные.

 Значения номинальных вращающих моментов приведены в ГОСТах. Для муфт, изготовленных из стали 40 (ГОСТ 1050—88) или 35Л (ГОСТ. 977-88) и чугуна СЧ20 (ГОСТ 1412—85).

Из общего количества болтов, стягивающих обе полумуфты  и, половину ставят в отверстия без зазора — в случае необходимости их надо проверять на срез и смятие; а болты, входящие в отверстия с зазором, вообще проверять не надо, так как момент от сил сцепления, возникающий при затяжке этих болтов, в расчет не принимается.

Полумуфты изготавливают в двух исполнениях: 1 — с цилиндрическими отверстиями для длинных концов валов; 2 — с цилиндрическими отверстиями для коротких концов валов.

Компенсирующие жесткие муфты. Они могут быть зубчатые, цепные, кулачковые, карданные и др.

Зубчатые муфты. Это универсальная разновидность компенсирующих жестких муфт. Зубчатая муфта


способна компенсировать любые погрешности в соосности валов в достаточно большом диапазоне и состоит из двух зубчатых полумуфт, жестко закрепленных на валах, и составного цилиндрического корпуса (рис.6.5).

 На зубчатых полумуфтах нарезаны наружные эвольвентные зубья, а внутри корпуса — внутренние, во впадины которых входят зубья внешнего зацепления полумуфт. Для придания наружным и внутренним зубьям равно-прочности применяют коррекцию. Чтобы увеличить угол смешения осей соединяемых валов, внешние зубья колес выполняют сферическими и бочкообразными.

  Все детали изготовляют из сталей 45. 40ХН, 45Л коваными, а при диаметрах более 150 мм — литыми. Зубья подвергают термической обработке — у быстроходных муфт (v > 6 м/с) до твердости HRC 45...50. У тихоходных муфт (v > 5 м/с) твердость зубьев пониженная (НВ 300). Для повышения долговечности и уменьшения потерь на трение зубчатое зацепление работает в масле, которое заливают в барабан через отверстие, закрываемое пробкой до нижней кромки уплотнений, установленных на торцах. Благодаря универсальной компенсирующей и высокой нагрузочной способности, а также сравнительно малым габаритам зубчатые муфты широко распространены.

 Основные параметры их стандартизированы ГОСТ 5005—80 для диаметров валов d = 40...560 мм и значений передаваемых вращающих моментов Т= 40... 104 H•м. Основные параметры зацепления показаны на рис.6.5.

Если необходимо компенсировать большое смещение осей валов (е>> 0,02d), то увеличивают расстояния между зубчатыми венцами. В этом случае используют зубчатую муфту с промежуточным валом.


Шарнирные муфты компенсируют неточность монтажа  узлов, деформации рамы и рессор в транспортных машинах, поэтому их можно отнести к подгруппе компенсирующих муфт.

Рис.6.6

Пространственное изображение одинарной, схематическое и конструктивное изображение сдвоенной шарнирной муфты представлены на рис.6.6.

Ведущий вал 1 заканчивается вилкой, соединенной с крестовиной 2; вторая перекладина крестовины соединена с вилкой ведомого вала одинарной муфты или со спаренной вилкой 3, если муфта сдвоенная.

У одинарной муфты при равномерном вращении ведущего вала ведомый вал будет вращаться неравномерно. Если муфта сдвоенная, а ведущий вал 1 и ведомый вал 5 параллельны (или образуют равные углы со спаренной вилкой 3), то при равномерном вращении ведущего вала ведомый вал тоже вращяется равномерно.

Детали шарнирной муфты изготавливаются из термообработанных сталей марок 20Х и 40Х.

Цепная муфта. Упрощенной  конструкцией зубчатых муфт являются цепные (рис.6.5), состоящие из двух полумуфт 1 и 2, замыкаемых бесконечной однорядной или двухрядной втулочно-роликовой цепью 3. Цепные муфты изготовляют по ГОСТ 20742—93 в диапазоне диаметров валов d = 20...100мм  с номинальным вращающим моментом от 63 до 16000 Н.М. При использовании других материалов номинальный вращающий момент определяется расчетным путем.

В таблице 6.1 даны значения номинального вращающего момента для полумуфт, изготовленных из сталей марки 45 (ГОСТ 1050-88*) или 45Л (ГОСТ 977—88), с твердостью рабочих поверхностей зубьев HRC40...45.

Рис.6.5. Цепная муфта (ГОСТ 20742-93)

 

 Таблица 6.1

 


Компенсирующие упругие муфты. Практически все машины с активными рабочими органами характеризуются переменными нагрузками, т.е. значение вращающего момента Т меняется с большой частотой и в широком диапазоне

 (6.1)

Частичное демпфирование пиковых значений момента возможно; при этом вводят в кинематическую схему упругие элементы — металлические или неметаллические. Упругие элементы входят в трансмиссию в виде самостоятельных или встроенных в муфту сборочных единиц. Для упругих муфт важное значение имеют характеристики упругих свойств: крутильная жесткость Скр или податливость λкр, а также демпфирующая способность φм.

Демпфирующая способность упругих муфт характеризуется величиной энергии, необратимо поглощаемой в процессе деформации упругих элементов и переходящей в конечном счете в теплоту.

Если при нагружении муфты зависимость между вращающим моментом Т и углом относительного смещения полумуфт φ изменяется по кривой Оаm (рис.6.7), а при разгрузке — по кривой mbО, то площадь Оаmφ1О определяет энергию, затраченную на деформацию упругих элементов муфты при нагружении, а площадь Оbmφ1О — энергию, возвращенную муфтой при разгрузке.

 Рис.6.7 Рис.6.8

 Разность указанных площадей, очерченная кривой, называется петлей гистерезиса, которая характеризует потерянную энергию, необратимо поглощенную муфтой за один цикл (нагружение — сжатие). Физически потери энергии за один цикл объясняются для неметаллических упругих элементов внутренним трением и соответственно тепловыделением. Потери энергии зависят от объема деформируемого упругого элемента. При металлических пружинах рассеивание энергии тоже определяется внутренним трением, а при наборных (типа рессор) — главным образом внешним трением пластин, но вместе с тем имеет место и внутреннее

трение, величина которого мала, так как толщина пластин небольшая. При небольших и средних нагрузках применяют преимущественно муфты с неметаллическими (чаще всего резиновыми) упругими элементами, работающими на сжатие, сдвиг или более сложную деформацию. Такие муфты относительно просты и характеризуются высокой демпфирующей способностью, но имеют меньшую нагрузочную способность по сравнению с пружинными муфтами, так как неметаллические упругие элементы недолговечны и с течением времени меняют свои механические характеристики.

 Упругие муфты со звездочкой — разновидность кулачковых муфт, у которых рабочие поверхности кулачков разделены резиновой звездочкой (рис. 6.8). Муфта имеет небольшие размеры и относительно малый маховой момент, но при соединении валов требуется достаточно высокая соосность (е < 0,01)d.

Работоспособность муфты обусловлена прочностью звездочки, которая оценивается напряжениями смятия

  (6.2)

где Tр — расчетный момент, Н.мм; z — число зубьев в звездочке; h — высота кулачков (ширина звездочки), мм;  Dcp —средний диаметр, мм; Dcp = (D + d)/2

; D — наружный диаметр, мм; d—диаметр отверстия, мм: [σсм] —допустимое значение

напряжений смятия для резиновой звездочки; [σсм ] = 200...250H/мм2 = 200...250 МПа.

 Упругая втулочно-пальцевая муфта (рис.6.9) широко распространена в приводах с электродвигателем. Полумуфты не имеют непосредственного металлического контакта. Вращающий момент передается пальцами, жестко закрепленными на одной полумуфте; на пальцы надеты резиновые втулки (или набор колец). Такие муфты допускают значительную осевую погрешность  (до Δ = 15 мм), но относительно небольшое радиальное смещение (е = 0,3...0,5 мм) и угол перекоса валов (α < 1о). При больших монтажных погрешностях и наличии вибраций резиновые втулки быстро изнашиваются, поэтому втулочно-пальцевые муфты применяют в приводах, смонтированных на жестких литых или сварных рамах.

  Поверхности площадок рамы, на которые установлены электродвигатель и редуктор, обрабатывают на строгальных или фрезерных станках. Обработке подлежат специально предусмотренные на точках крепления бобышки (на литой раме) или платики (на сварных рамах). Если механическую обработку рамы не проводят, то точность монтажа достигается прокладками.

На втулочно-пальцевые муфты распространяется ГОСТ 21424—93. Такие муфты можно использовать при значениях вращающего момента от 6,3 до

16 000 Н.м диаметрах соединяемых валов 9... 150 мм и при окружной скорости v ≤ 30 м/с.

 Стандартом предусмотрено два исполнения: тип 1 — с цилиндрической расточкой отверстий, тип II —с конической.

 В стандарте приведены значения передаваемого момента для полумуфт, изготовленных из чугуна СЧ-20. Материал пальцев — сталь 45. Упругие элементы изготовлены из резины со следующими механическими свойствами: предел прочности при разрыве —не менее 8 МПа; твердость (ГОСТ 263-93) 60...75 условных единиц.

 Рис.6.9

Размеры элементов муфт, указанные в стандарте, определены при достаточно большом запасе прочности, поэтому проверочный расчет обычно выполняют в случае необходимости только для пальцев и втулок.

Размеры элементов муфт, указанные в стандарте, определены при достаточно большом запасе прочности, поэтому проверочный расчет обычно выполняют в случае необходимости только для пальцев и втулок.

Пальцы втулочно-пальцевой муфты проверяют на изгиб:

 σи =  [σи], (6.3)

 

где Mи - изгибающий момент, действующий на консольно закрепленный палец; Н• мм; W— момент сопротивления, мм3; [σи] —допустимые напряжения изгиба для материала, из которого изготовлены пальцы, Н/мм2.

Втулки проверяют по удельному давлению (МПа)

 p=  [p] (6.4)

где Ft — окружная сила, действующая на диаметр D расположения осей пальцев; D =(2,5...3)d. Здесь d — диаметр отверстия; dn — диаметр пальца; dn = (0,3...0,5)d; lп — длина втулки, численно равная длине пальца: lп = (0,8...0,85)l2.

 Упругие муфты с торообразной оболочкой (рис.6.7) характеризуются большей компенсирующей способностью: осевым разбегом Δ < 4мм, радиальным смещением е ≤ 2 мм и угловым смещением α ≤ 3°. Как видно из рис.6.7., муфты допускают два исполнения — с наружным (рис. 6.7, а) и внутренним (рис.6.7, б) исполнением частей тора. Муфта с внутренним исполнением части тора имеет меньшие габариты и маховой момент, в результате чего уменьшаются центробежные силы. Это позволяет применять муфту при большей окружной скорости. Муфты данного типа применяют в конструкциях, где трудно обеспечить соосность соединяемых валов при наличии переменных нагрузок. Радиальную нагрузку, действующую на вал, определяют из выражения:

 Fr = 0,45T/D. (6.5)

 Рис.6.7

 Упругие муфты с металлическими пружинами характеризуются повышенной нагрузочной способностью. Стальные пружины (витые или пластинчатые) сохраняют свои упругие свойства более длительное время по сравнению с неметаллическими упругими элементами и могут иметь постоянную или переменную жесткость.

 Постоянную жесткость обеспечивают витые пружины, работающие на растяжение и сжатие, или пластинчатые пружины, работающие на изгиб, или стержневые пружины (торсионы), работающие на кручение.

Механические передачи Детали машин