Валы, оси, их опоры и соединения. Муфты для соединения валов Как соединить валы

Муфты приводов.

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

Механизм или машина	К p
Конвейеры:
ленточные	1,25-1,50
цепные, скребковые и винтовые (шнеки)	1,50-2,0
Воздуховки и вентиляторы центробежные	1,25-1,50
Насосы:
центробежные	1,50-2,0
поршневые компрессоры	2,0-3,0
Станки металлообрабатывающие:
с непрерывным движением	1,25-1,50
с возвратно-поступательным движением	1,50-2,50
Станки деревообделочные	1,50-2,0
Мельницы шаровые, дробилки, молоты, ножницы	2,0-3,0
Краны, подъемники, элеваторы	3,0-4,0

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

Степень ответственности передачи	К б
Поломка муфты вызывает остановку машины	1,0
Поломка муфты вызывает аварию машины	1,2
Поломка муфты вызывает аварию ряда машин	1,5
Поломка муфты может привести к человеческим жертвам	1,8
Условия работы машины	К р
Работа спокойная	10
Работа неравномерная	1,1-1,3
Тяжелая работа с ударами	1,3-1,5

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

Материал поверхностей трения	При смазывании		Всухую
	[р], МПа	f	[р], МПа	f
Закаленная сталь по закаленной стали	0,6-0,8	0,06	-	-
Ферродо по стали и чугуну	-	-	0,2-0,3	0,3
Порошковый материал по закаленной стали	0,8	0,12	0,3	0,3

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

d	D	L	Т , Н-м	d	D	L	Т , Н-м
20	35	60	70	(45)	70	140	710
(22)	35	65	90	50	80	150	850
25	40	75	125	(55)	90	160	1060
(28)	45	80	170	60	100	180	1500
30	45	90	210	(70)	ПО	200	2240
(35)	50	105	350	80	120	220	3150
40	60	120	450	(90)	130	240	4000= 80...90 МПа); - допускаемое напряжение смятия втулки (для резины = 2 МПа). Расчет сцепных муфт. Расчет наиболее распространенных в ма­шиностроении сцепных многодисковых фрикционных муфт производят на отсутствие проскальзывания полумуфт (дисков) и на износостойкость ра­бочих поверхностей дисков. Для передачи вращательного движения от по­лумуфты 1 к полумуфте 2 (см. рис.10) без относительного проскальзывания дисков момент сил трения должен быть не меньше вращающего мо­мента, создаваемого на ведущем валу. Фрикционные дисковые муфты выбирают по нормалям. Расчет самоуправляемых и предохранительных муфт. Самоуправ­ляемые роликовые муфты свободного хода выбирают по нормалям. На контактную прочность проверяют только ролики и рабочие поверхности полумуфт (см. рис.15): , (9) Где Т р - расчетный момент; Е пр - приведенный модуль упругости; d и l - диаметр и длина роликов; 7 0 - угол заклинивания роликов; D - диа­метр рабочей поверхности обоймы; z - число роликов; - допускаемое контактное напряжение (для стали ШХ15, 20Х и 40Х = 1500 МПа). Размеры центробежных муфт принимают конструктивно. Рабочие по­верхности трения грузов проверяют на износостойкость аналогично фрик­ционным муфтам. Массу груза подбирают по создаваемой им центробеж­ной силе. Фрикционные предохранительные муфты выбирают по стандарту. Их расчетная проверка аналогична расчету сцепных фрикционных муфт. Предохранительные муфты с разрушающимся элементом выбирают понормалям станкостроения, после чего штифт проверяют на срез (см. рис.17): , (10) Где T пред - предельный момент, при котором происходит разрушение штифтов; D 1 - диаметр расположения штифтов (см. рис.17); - пре­дел прочности на срез (для стали 45 = 420 МПа); Т р - расчетный мо­мент; d m - диаметр штифта; z = 1 ÷ 2 - число штифтов. Пример 1. Фланцевая муфта установлена в приводе металлорежущего ставка и соединяет концы двух валов диаметром d =80 мм каждый. Фланцы полумуфт стянуты шестью болтами М16, три из которых поставлены без зазора в отверстия из-под развертки (диаметр стержня болта d 4 = 17 мм); остальные три - в отверстия с зазором. Материал болтов сталь 30, класс прочности 5.6 (= 300 Н/мм 2). Проверить на срез болты, поставленные без зазора, в предположении, что весь вращающий момент T = 2500 Н·м передают только эти болты. Диаметр окружности, на которой расположены оси болтов, D 1 = 220 мм. Решение. 1. Допускаемое напряжение на срез стержня болта 0,25·300 = 75 Нмм 2 , 2. Коэффициент режима работы муфты K = 1,75. 3. Окружная сила, передаваемая одним болтом (при z = 3), Н 4. Расчетное напряжение среза в болте Н/мм 2 Условие прочности выполнено: = 58,4 Н/мм 2 = 75 Н/мм 2 .

Глухие муфты. Длинные валы по условиям изготовления, сборки и транспортировки иногда делают составными. В этом случае отдельные части вала соединяют глухими муфтами. В некоторых случаях эти муфты применяют для обеспечения соосности валов агрегатов.

Втулочная муфта (рис.10.1) представляет собой втулку, надеваемую с зазором на концы валов. Муфта отличается малыми габаритами по диаметру, но усложняет монтаж из-за необходимости больших осевых смещений соединяемых агрегатов. Материал втулок – конструкционная сталь (ст.5, ст.3). Втулочные муфты применяют для соединения валов диаметром до 70 мм.

Фланцевые муфты. Фланцевая муфта (рис.10.2) состоит из двух одинаковых полумуфт, выполненных в виде ступицы с фланцем. Фланцы соединяют болтами. Различают два конструктивных исполнения:

1. Половину болтов устанавливают во фланцах полумуфт без зазора. В этом случае центрирование полумуфт осуществляют эти болты. В результате завинчивания гаек фланцы прижимаются силами затяжки болтов, и на торцах фланцев возникает момент сил трения. Вращающий момент с одной полумуфты на другую передается стержнями болтов, поставленных без зазора, и силами трения на фланцах.

2. Все болты во фланцах полумуфт устанавливают с зазором. При этом не-

обходимо предусмотреть центрирование полумуфт. В этом случае весь вращающий момент с одной полумуфты на другую передается силами трения на фланцах.

Компенсирующие муфты.

По экономическим и технологическим соображениям машины обычно выполняют из отдельных узлов (агрегатов), которые соединяют муфтами. Однако точная установка валов таких агрегатов невозможна из-за: ошибок изготовления и монтажа; установки агрегатов на деформируемом (нежестком) основании; расцентровки валов в результате тепловых деформаций корпусов агрегатов при их работе, а также из-за упругих деформаций валов под нагрузкой.

Для соединения валов с несовпадающими осями применяют компенсирующие муфты. Благодаря своей конструкции эти муфты обеспечивают работоспособность машины даже при взаимных смещениях валов.

Зубчатые муфты. Сдвоенная зубчатая муфта (рис.10.3) состоит из двух одинаковых ступиц 1 (втулок), имеющих внешние зубчатые венцы и двух одинаковых обоим 2 с внутренними зубчатыми венцами. Обоймы стянуты болтами 3, равномерно расположенными по окружности. В крышках 4, закрывающих внутреннюю полость муфты, расположены специальные резиновые уплотнения, удерживающие жидкую смазку внутри муфты. Пробка 5 служит для заливки в муфту масла. Пояски 6 на втулках служат для контроля соосности валов, а резьбовые отверстия – для крепления стоек индикатора. Число зубьев и их размеры подобраны так, чтобы зубья венца втулки располагались с некоторым зазором между зубьями обоймы, образуя зубчатые соединения.

Для снижения интенсивности износа зубьев, заготовки втулок и обойм делают коваными или литыми (при больших размерах). Кованые заготовки делают из сталей марок 35ХМ, 40, 45, а литые из сталей марок 40Л, 45Л. Твердость поверхностей зубьев втулок и обойм должна быть 42 – 50 HRC э.

Шарнирные муфты. В шарнирных муфтах использован принцип действия шарнира Гука. Эти муфты служат для передачи вращающего момента между валами с большими углами перекоса до 40-45° , изменяющимися во время работы.

Муфта (рис. 10.4) состоит из двух одинаковых полумуфт в виде ступицы с вилкой (вилки полумуфт повернуты на 90°) и крестовины, соединяющей полумуфты. Крестовина соединена с вилками полумуфт шарнирами. Это обеспечивает свободу поворота каждой полумуфты относительно крестовины.

Упругие муфты.

Упругие муфты отличаются наличием упругого элемента и являются универсальными в том смысле, что, обладая некоторой крутильной податливостью, эти муфты также являются компенсирующими.

Упругие муфты способны:

· смягчать толчки и удары вращающего момента, вызванные технологическим процессом или выбором зазора при пусках и остановках машины. При этом кинетическая энергия удара аккумулируется муфтой во время деформации упругого элемента, превращаясь в потенциальную энергию деформации.

· защищать привод машины от вредных крутильных колебаний;

· соединять валы, имеющие взаимные смещения. В этом случае деформи-

руется упругий элемент муфты, и муфта функционирует как компенсирущая.

Муфты с неметаллическими (резиновыми) упругими элементами. Уп-

ругие муфты с резино-кордными и резиновыми упругими элементами получи-

ли весьма широкое распространение благодаря простоте конструкций, дешевизне изготовления, простоте эксплуатации (не требуют ухода), высокой податливости при кручении и хорошей демпфирующей способности. Два последних важных свойства определяются свойствами резины, из которой изготовлен упругий элемент муфты.

Упругая втулочно-пальцевая муфта показана на рис. 10.5.

Упругими элементами являются резино-кордовые втулки одетые на соединительные пальцы.

Упругая муфта с резиновой звездочкой показана на рис. 10.6

На рис. 10.7 изображена муфта с упругим элементом в виде внутреннего тора. Две одинаковые полумуфты 2 соединены тороидальным упругим элементом 1, края которого прижаты к полумуфтам нажимными кольцами 3 и винтами 4, равномерно расположенными по окружности.

Муфта с резиновой конической шайбой изображена на рис. 10.8. Резино -металлический упругий элемент 6 крепят к полумуфтам 1 и 2 винтами 5 равномерно расположенными по окружности. Современные способы привулканизации резины к металлу позволяют получить прочность соединения не ниже прочности самой резины. Муфта не обладает высокими компенсирующими свойствами. Однако ее с успехом применяют в приводах машин для гашения вредных крутильных колебаний. Меняя угол конуса можно получить необходимую крутильную жесткость муфты.

На рис. 10.9 изображена муфта с упругими элементами в виде стальных стержней, работающих на изгиб при действии вращающего момента.

Полумуфты 1 и 7 соединены цилиндрическими стальными стержнями (пружинами) 5, равномерно расположенными по окружност. Крышка 3 и кожух 4 удерживают стержни от выпадения и удерживают смазку в муфте благодаря уплотнениям 2 и 8. Для уменьшения износа пружин и их гнезд муфта заполняется маслом с антизадирными присадками через масленку 6.

Полумуфты изготавливают из сталей 45, 40Х, стержни – из высоколегированных пружинных сталей, крышки и кожухи – из чугуна Сч12.

Механические сцепные муфты

Муфты, с помощью которых можно легко разъединить валы (часто – во время работы), называют сцепными. К таким муфтам относятся муфты с геометрическим замыканием и муфты.

Сцепные муфты с геометрическим замыканием. Муфты с геометрическим замыканием классифицируются по форме зацепляющихся элементов.

Муфта с прямоугольными зубцами (рис. 10.10, а) может передавать крутящий момент в обе стороны. Ее левая часть жестко крепится (шпонкой) на валу. Правая часть крепится на другом валу скользящей шпонкой и сцепляется или расцепляется с левой частью перемещением рычага в пазе. Главный недостаток такой муфты – трудность сцепления. Зубчатая муфта, которая сцепляется легче, однако передает крутящий момент только в одном направлении, показана на рис.10.10, б.

Материал кулачковых муфт должен обеспечивать высокую твердость рабочих поверхностей кулачков. Используют стали марок: 20Х, 12ХН3А с цементацией и закалкой до твердости 54 – 60 НRс. При частых включениях используют стали: 40Х, 40ХН, 35ХГСА с закалкой рабочих поверхностей зубьев до твердости 40 – 45 НRс.

Муфты свободного хода

Эти муфты служат для передачи вращающего момента только в одном направлении, когда угловые скорости ведущей и ведомой полумуфт равны. Если угловая скорость ведомой полумуфты превысит угловую скорость ведущей полумуфты, муфта автоматически разъединит соединенные агрегаты.

Роликовая муфта свободного хода представлена на рис. 10.11. Муфта состоит из обоймы 1 и звездочки 2, являющиеся полумуфтами, роликов 3, расположенных равномерно по окружности, и прижимных устройств, состоящих из поршня и пружины 7. Ролики удерживают боковые крышки 4, которые фиксируют пружинные кольца. Обойму от поворота удерживает шпонка 5. Ведущим звеном муфты может быть как звездочка, так и обойма. Когда обойма начнет обгонять звездочку ролик силами трения о звездочку и обойму смещается в более широкую часть клинового зазора и полумуфты размыкаются.

Муфты предельного момента

На рис. 10.12 показана фрикционная муфта, применяемая в механизмах вращения кранов и на поворотных лебедках. Эта муфта одновременно является соединительной. Она соединяет вал электродвигателя с редуктором. Муфта снабжена тормозным шкивом, связь двигателя с механизмом осуществляется через диски. Часть дисков закреплена через шлицы на втулке, жестко соединенной с валом редуктора, другая часть дисков закреплена на диске. Жестко соединенном с электродвигателем. Диски прижаты друг к другу постоянной силой, развиваемой сжатыми пружинами, Величина сжатия пружин, определяющая величину крутящего момента передаваемого муфтой, регулируется резьбовым кольцом.

10.2. Подшипники

Подшипники это самые распространенные детали в машиностроении. Не-

возможно представить любой современный механизм без подшипника, функции которого заключаются с одной стороны, в значительном уменьшении трения между вращающейся и неподвижной деталями механизма, а с другой – в способности нести определенную нагрузку. Важную роль играет и уплотнение, которое защищает подшипник от внешних воздействий и удерживает в нем смазку.

Долговечность и надежность любого механизма, в значительной мере, зависит от правильности выбора и качества применяемых подшипников, уплотнений и смазок. Подшипники по виду используемых в них деталей и их взаимодействия в процессе работы подразделяют на подшипники качения и подшипники скольжения. Наиболее распространены подшипники качения, которые в свою очередь классифицируют по направлению воспринимаемой нагрузки относительно вала (радиальные, радиально-упорные, упорно-радиальные и упорные); форме тел качения: шариковые, роликовые; числу тел качения: однорядные, двухрядные и т.д. (см. табл. 10.1).

Таблица 10.1
Роликовые подшипники
Характеристика	Вид	Характеристика	Вид
Радиальный роликоподшипник однорядный		Радиальный сферический однорядный подшипник
Радиальный роликоподшипник двухрядный		Радиальный роликоподшипник сферический двухрядный
Радиально-упорный роликоподшипник		Упорный роликоподшипник сферический
Продолжение табл.10.1
Конический роликоподшипник		Упорно-радиальный роликоподшипник
Шариковые подшипники
Радиальный шарикоподшипник однорядный		Подшипник радиальный шариковый сферический двухрядный
Разъёмный радиальный шарикоподшипник		Подшипник шариковый упорный однорядный
Радиально-упорный шарикоподшипник		Подшипник шариковый упорный двойной
Радиально-упорный шарикоподшипник двухрядный		Упорно-радиальный шарикоподшипник
Игольчатые подшипники
Игольчатый подшипник с сепаратором без колец		Игольчатый подшипник двухрядный
Игольчатый подшипник с сепаратором без колец двухрядный		Игольчатый подшипник с штампованным наружным кольцом и открытым торцом
Игольчатый подшипник однорядный		Игольчатый подшипник с штампованным наружным кольцом и закрытым торцом
Окончание табл. 10.1
Комбинированные подшипники
Подшипник комбинированный (радиальный игольчатый и радиально-упорный шариковый)			Подшипник комбинированный (радиальный игольчатый
Корпусные подшипники

Крепежные соединения

В машиностроении применяют четыре основных вида резьбовых крепежных соединений: болтами с гайками (рис.10.13,a), ввертными болтами (винтами) (рис.10.13,б ), шпильками (рис.10.13, в ) промежуточное (рис. 10.13, г ).

1. Соединение болтами применимо только при возможности выполнения сквозных отверстий в сопрягаемых деталях.

2. Соединение ввертными болтами применяют при глухом нарезном отверстий (рис.10.13, д), когда невозможно применить болт с гайкой, или при сквозном нарезном отверстии, когда возможна установка болта только с одной стороны соединения.

Деталь с резьбовыми отверстием выполняются из стали, ковкого и высокопрочного чугуна, титанового сплава, бронзы. В деталях из мягких сплавов (алюминиевых, магниевых, цинковых и т.д.) требуется использование промежуточных нарезных втулок из более твердого металла.

3. Соединение шпильками применяют для деталей из мягких (алюминиевых и магниевых сплавов) или хрупких (серого чугуна) материалов, а также при глухих или сквозных нарезных отверстиях в случаях, нежелательности частых выкручиваний шпилек.

4. Кроме описанных основных видов соединений применяются и промежуточные. К ним относится, например, применяемое соединение, изображенное на рис.10.13, ж . Болт закрепляют с помощью гайки в гладком отверстии одной детали; другую деталь притягивают гайкой, навертываемой на свободный конец болта.

Крепежные детали общего назначения изготавливают чаще всего из стали 35, ответственные детали (шатунные болты, силовые шпильки и т.д.) - из хромистых сталей типа 40Х, хромансиля типа 30ХГС, жаропрочных сталей типа 30ХМ, 50ХФА, 25Х12М1Ф, из коррозионно-стойких сталей типа 30Х13, 40Х13.
В серийном и массовом производстве резьбу нарезают методами вихревого нарезания и фрезерования. Наиболее производительным и вместе с тем обеспечивающим наивысшую прочность резьбы является метод накатывания резьбы.

Отраслевые стандарты

Они составляются на изделия, применяемые только в определенной отрасли.

Каждый машиностроительный завод или группа заводов какой-либо отрасли промышленности имеет свои стандарты и нормали. Это технические документы, предписывающие применение только определенных профилей металла, размеров штампов, способов обработки. Они устанавливают и размеры крепежных деталей: гаек, болтов, шайб и т. д. И когда конструктор разрабатывает машину, он обязан придерживаться тех стандартов и нормалей, которые приняты на заводах-изготовителях. Чем больше будет в новой машине стандартных приборов, аппаратов и деталей, тем проще машина в изготовлении и надежнее в эксплуатации. Ведь такие детали выпускаются в большом количестве, и, следовательно, они дешевле, их можно легко случае повреждения заменить.

Государственные и отраслевые стандарты регламентируют технические данные изделий, обязательные виды и способы их испытания и проверки. Завод-изготовитель обязан все это строго соблюдать и не имеет права выпускать изделия с отступлением от ГОСТа или ОСТа.

На изделия, которые выпускаются в небольшом количестве, не разрабатывают стандартов. Вместо них заводы составляют технические условия, которые также определяют все показатели изделия и строго соблюдаются изготовителями.

В тех случаях, когда государственные стандарты охватывают сразу группу машин одного назначения, на каждый отдельный вид машины для уточнения стандарта также составляются отдельные технические условия.

Для соединения отдельных элементов устройства применяются специальные механизмы. В последнее время распространены именно соединительные муфты. Они могут обладать самыми различными свойствами, классификация проводится по области применения и другим критериям. Неправильный выбор муфты приводит к повышенному износу конструкции.

Как соединить валы механизмов?

Для передачи осевого вращения применяются валы, на котором могут крепится различные шестерни и звездочки. Соединение проводится при применении различных методов, к примеру, используются муфты для соединения валов. К их особенностям относятся нижеприведенные моменты:

1. Есть возможность выполнять демонтаж.
2. Существенно упрощается сбор и производство конечного изделия.
3. Многие типы изделий позволяют компенсировать различного рода смещения, которые могут возникать при работе устройства.
4. Устройство может выдерживать существенную нагрузку.

Сегодня детали соединяются между собой при применении технологи сварки крайне редко. Это связано с тем, что вибрация и другое воздействие может стать причиной появления трещин и других дефектов.

Неправильная фиксация может привести к поломке устройства. Изделие выбирается в зависимости от эксплуатационных условий. К примеру, валы могут смещаться в самых различных направлениях.

Для существенного снижения затрат рассматривается возможность использования самодельной конструкции. Среди особенностей выделим следующие моменты:

1. Для создания самодельной конструкции требуется звездочка, которая может быть снята с коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания.
2. Передача вращения осуществляется при помощи цепи. За счет применения стали при изготовлении этого изделия существенно повышается прочность.
3. Подключение осуществляется за счет двух полумуфт. При этом звездочка должна распиливаться пополам. На каждую полумуфту будет навариваться обрезанная часть звездочки.
4. Крепление полумуфты осуществляется при помощи болтов. Однако, подобный способ соединения не рекомендуется в случае, если оказываемая нагрузка существенная. Фиксация разъемных элементов обеспечвается за счет шпонки при передаче большого усилия.

Приведенная выше информация указывает на то, что подобное изделие может быть изготовлена при применении подручных материалов. При этом полученное устройство устанавливается для передачи высокого крутящего момента.

Классификация муфт

Выделяют много различных подобных изделий, при помощи которых проводится передача вращения. Классификация по предназначению выглядит следующим образом:

1. Постоянные или соединительные.
2. Сцепные и управляемые.

Приводные модели устанавливаются в самых различных конструкциях. Ни требуются для непосредственной передачи усилия.

Изделия соединительные для валов применяются для постоянной передачи вращения. Делятся они на несколько основных групп:

1. Жесткие.
2. Глухие.
3. Соединительные.
4. Подвижные или гибкие.

Самым простым вариантом исполнения можно назвать глухие муфты. При изготовлении втулок и других элементов могут применяться самые различные материалы, большая часть которых характеризуется высокой степенью защиты от воздействия окружающей среды.

Довольно большое распространение получили конусные переходные муфты, так как они просты в изготовлении и могут прослужить в течение длительного периода. Могут устанавливаться и шлицевые варианты исполнения, которые могут передавать большое усилие в случае эксплуатации.

Классификация гибких вариантов исполнения также проводится по большому количеству различных признаков. Большое распространение получили следующие:

1. Расширительные. Они характеризуются тем, что могут компенсировать осевое смещение деталей относительно друг друга.
2. Крестовые. Подобные механизмы устанавливаются в случае, когда есть вероятность радиального смещения.
3. Мембранные и поводковые, которые рассчитаны на радиальное и осевое смещение. Поводковые имеют специальный элемент, который обеспечивает фиксацию положения обоих элементов.

Выбор наиболее подходящего соединительного элемента проводится по диаметральным размерам. Полумуфты компенсируют смещение оси, однако для повышения показателя КПД проводится добавление масла. В большинстве случаев при изготовлении применяется сталь, которая характеризуется повышенной устойчивостью к износу. При необходимости защиты механизма от воздействия электричества применяются специальные материалы, обладающие определенными свойствами.

Не стоит забывать о том, что крестовые изделия характеризуются существенным недостатком – увеличение мертвого хода из-за сильного износа выступов.

В некоторых случаях применяется поводковый вариант исполнения, который также характеризуется определенными достоинствами и недостатками.

Применяется довольно большое количество различных способов соединения валов, все они характеризуются определенными качествами. Жесткий метод подключения используется тогда, когда соединение проводится с учетом отсутствия вероятности смещения узлов относительно друг друга на момент эксплуатации. Классический способ соединения характеризуется следующими особенностями:

1. В большинстве случаев соединение проводится при помощи фланцев, которые являются частью различных механизмов. Также проводится монтаж жестких муфт, их насаживание проводится методом прессования.
2. Довольно большое распространение получил одноопорный вариант исполнения вала. В этом случае в качестве второй опоры применяется само соединение.
3. Также для фиксации могут применяться болты. При этом они должны плотно входить в отверстие, так как в противном случае могут возникнуть серьезные проблемы.
4. В рассматриваемом случае часто применяется зубчатая или поперечно-свернутая муфта.

Поперечно-свернутый вариант исполнения применяется для соединения различных деталей, которые устанавливаются в электрических машинах и других различных агрегатах. Подобная конструкция состоит з следующих элементов:

1. Две полумуфты. Они насаживаются на концы валов, которые соединяются в одну систему.
2. Обе части рассматриваемой конструкции имеют центрирующие выступы и специальную выточку, соединение обеспечивается за счет прочных болтов.
3. Предохранительные муфты не могут проворачиваться за счет специального шпоночного отверстия.
4. Осевое смещение исключается за счет стопорных винтов, которые вворачиваются на торцах.

Более сложным вариантом исполнения можно назвать зубчатую муфту, которая также состоит из двух отдельных частей. Внешняя поверхность представлена зубьями, которые входят в зацепление для обеспечения надежного соединения. Осевое смещение исключается за счет применения болтов.

Определенными особенностями характеризуется полужесткий тип соединения. Примером можно назвать случай соединения вала турбогенератора с паровой турбиной. В большинстве случаев на вал электродвигателя надевается полужесткая зубчато-пружинная муфта.

Рассматриваемый вариант исполнения соединительного элемента характеризуется следующими особенностями:

1. Конструкция состоит из двух полумуфт, которые фиксируются на обоих деталях. Подобным образом проводится монтаж устройства.
2. Фиксация одного элемента относительно другого проводится за счет упругой волнообразной ленточной пружины, который зачастую называется компенсатором.

Для обеспечения требуемого уровня защиты используется кожух, который изготавливается из самых различных материалов, устойчивых к воздействию окружающей среды. Несущественное изменение положения двух соединяемых элементов компенсируется за счет специального элемента.

На момент эксплуатации устройства есть вероятность смещения двух элементов относительно друг друга. Решить подобную проблему можно за счет применения специальных элементов. Эластичные устройства могут устанавливаться в самых различных случаях, они характеризуются следующими особенностями:

1. Установка возможна в случае бокового или углового смещения валов в месте сопряжения.
2. Довольно большое распространение получили втулочно-пальцевые детали.

Классическое устройство представлено двумя полумуфтами, которые соединяются за счет специальных пальцев-болтов.

На поверхность надеваются специальные кожаные шайбы и манжеты, фиксация которых проводится за счет резиновых манжет.

Монтаж фрикционной муфты на быстроходный вал

При необходимости провести монтаж фрикционной муфты можно самостоятельно при наличии небольшого комплекта инструмента. Для получения качественного результата нужно соблюдать распространенные рекомендации:

1. Перед началом проведения работы следует удостовериться, что конструкция не имеет существенных дефектов. Даже незначительные дефекты становятся причиной снижения прочности соединения.
2. Довольно большое распространение получили упругие муфты. Их особенность заключается в наличии специального элемента, за счет которого происходит компенсация смещений. На момент монтажа нужно быть осторожным, так как слишком большое усилие может стать причиной повреждения активного элемента. Это же следует учитывать, когда устанавливаются предохранительные муфты.
3. В большинстве случаев фиксация проводится за счет запресовывания механизма. Исключить вероятность прокручивания устройства можно за счет применения шпонки.

На момент установки не рекомендуется применять кустарный метод фиксации, так как это может стать причиной повреждения конструкции. Примером можно назвать изменение формы и появление вмятин, трещин, снижение прочности и многие другие моменты.

Монтаж фрикционных и шариковых предохранительных муфт на тихоходный вал

Предохранительные устройства позволяют исключить вероятность повреждения основных элементов в случае перегрузки. В этом случае процесс монтажа практически ничем не отличается:

1. Фиксация проводится за счет шпонки. Подобный способ характеризуется весьма высокой надежностью.
2. Насадка полумуфт выполняется в натяг. Это исключает вероятность появления люфта и других проблем.
3. При насадке нельзя прикладывать большое усилие, так как может возникнуть серьезный дефект.

В продаже встречаются специальные инструменты, которые существенно упрощают работу по монтажу.

Монтаж фрикцонных муфт на тихоходный вал выходного редуктора

Часто установка изделия проводится на редуктор для его соединения с электрическим двигателем. Это можно связать с тем, что редуктор может заклинивать, это приводит к перегреву двигателя. Фрикционная муфта исключает вероятность возникновения подобной проблемы. Среди особенностей монтажа отметим:

1. Нельзя прикладывать ударную нагрузку, так как она может повредить само изделие.
2. Для упрощения захода обоймы может применяться смазка.
3. Нарушение правил монтажа может стать причиной повреждения основной части.

Самостоятельный монтаж должен проводиться исключительно с учетом рекомендаций, так как даже несущественный дефект становится причиной уменьшения эксплуатационного срока.

В продаже встречается просто огромное количество различных деталей, за счет чего не возникает существенных проблем при выборе. Основными критериями можно назвать тип применяемого материала при изготовлении, а также диаметральный размер. При выборе уделяется внимание тому, каким образом может проходить смещение соединяемых элементов.

Общие сведения. Муфтами приводов называют устройства, соединяющие валы совместно работающих агрегатов и передающие вращающий момент. Потребность в соединении валов связано с тем, что большинство машин компонуют из ряда отдельных частей с входными и выходными валами. Такими частями являются двигатель М , редуктор Р и рабочая машина РМ (рис. 23.1).

Основное назначение муфт – соединение валов и передача вращающего момента. Муфты могут выполнять еще ряд важных дополнительных функций. По этому признаку и классифицируют муфты.

Существует класс постоянных (нерасцепляемых) муфт, обеспечивающих постоянное, в течение всего времени эксплуатации машины, соединение валов.

В некоторых машинах применяют муфты сцепления, обеспечивающие соединение агрегатов или их разъединение во время работы машины. В свою очередь муфты сцепления подразделяют на управляемые и самоуправляемые .

Управляемые муфты соединяют агрегаты машин по некоторой команде. Самоуправляемые муфты включаются автоматически, соединяя или разъединяя валы в зависимости от условий режима работы машины и принципа действия муфты.

Основной характеристикой нагрузки муфты является вращающий момент Т .

Обычно расчетный вращающий момент Т на муфте приближенно определяют в зависимости от динамических свойств машины, характеризуемых степенью неравномерности вращения и величиной разгоняемых масс, т.е. величиной динамической составляющей вращающего момента на муфте:

Т = Т н + Т д = Т н (1+Т д / Т н) = Т н,

где Т н – номинальный момент обычно приближенно определяют по потребляемой мощности двигателя и по частоте вращения;

Т д – динамический момент;

Коэффициент динамичности.

Глухие муфты. Длинные валы по условиям изготовления, сборки и транспортировки иногда делают составными. В этом случае отдельные части вала соединяют глухими муфтами. В некоторых случаях эти муфты применяют и для соединения строго соосных валов агрегатов. К глухим муфтам относятся втулочные муфты, представляющие собой втулку, надеваемую с зазором на концы валов, и фланцевые муфты (рис. 23.2), состоящие из двух одинаковых полумуфт, выполненных в виде ступицы с фланцем. Фланцы между собой соединяют болтами.

Компенсирующие муфты. По экономическим и технологическим соображениям машины обычно выполняют из отдельных агрегатов, которые соединяют муфтами. Однако точная установка валов таких агрегатов невозможна из-за ошибок изготовления и монтажа; установки агрегатов на деформируемом основании; а также из-за упругих деформаций валов под нагрузкой.

Возможные виды смещений валов (осевое , радиальное и угловое ) и возникающие вследствие этого дополнительные нагрузки на концах валов представлены на рис. 23.3.

Для соединения валов с несовпадающими осями применяют компенсирующие муфты. Благодаря своей конструкции эти муфты обеспечивают работоспособность машины даже при взаимных смещениях валов. Валы и опоры при этом дополнительно нагружаются осевыми , радиальными силами и изгибающими моментами , зависящими от величины и вида несоосности валов.

Следует подчеркнуть, что с ростом смещений валов работоспособность муфты уменьшается.

К компенсирующим муфтам относятся зубчатые (рис. 23.4), цепные кулачково-дисковые и др. муфты.

Зубчатая муфта состоит из двух втулок 1 и 4 с внешними зубьями и двух обойм 2 и 3 с внутренними зубьями. Обоймы жестко соединены с помощью болтов.

Упругие соединительные муфты. Упругие муфты отличаются наличием упругого элемента и являются универсальными в том смысле, что, обладая некоторой крутильной податливостью, эти муфты также являются компенсирующими.Упругие муфты способны:

1) Смягчать толчки и удары вращающего момента, вызванные технологическим процессом или выбором зазора при пусках и остановках машины. При этом кинетическая энергия удара аккумулируется муфтой во время деформации упругого элемента, превращаясь в потенциальную энергию деформации;

2) Защищать привод машины от вредных крутильных колебаний;

3) Соединять валы, имеющие взаимные смещения. В этом случае деформируется упругий элемент муфты, и муфта функционирует как компенсирующая.

По материалу упругих элементов эти муфты подразделяются на муфты с неметаллическими упругими элементами и муфты с металлическими упругими элементами.

Наибольшее применение в машиностроении получила упругая втулочно-пальцевая муфта (рис. 23.5). Она состоит из двух полумуфт 1 и 5. В полумуфте 1 имеются конические отверстия, а в полумуфте 5 – цилиндрические. В эти отверстия вставляются пальцы 4, на которые надеваются упругие элементы 3. Завинчивания гайки 2, пальцы 4 входят в конические отверстия, в результате чего происходит соединения полумуфт 1 и 5. Вращающий момент передается через упругие элементы 3.

Муфты сцепные управляемые. Сцепные муфты соединяют и разъединяют неподвижные или вращающиеся валы по управляющей команде. Эти муфты делят на муфты с профильным замыканием (кулачковые) и на фрикционные. Последние широко используют при необходимости изменения режима работы машины без остановки двигателя.

Сцепные кулачковые муфты применяются для передачи больших вращающих моментов при нечастых включениях. Они имеют значительно меньшие габаритные размеры и массу, чем фрикционные муфты сцепления. Однако они соединяют валы, угловые скорости которых равны или незначительно различаются. При этом требуется точная соосность соединения полумуфт.

б

На рис. 23.6 изображены сцепные муфты с торцевыми конусными кулачками (рис. 23.6,а) и с прямоугольными (рис. 23.6,б). Выбор формы кулачков определяется в основном условиями включения муфты.

Муфты сцепные фрикционные. Эти муфты допускают включение на ходу и передают вращающий момент за счет сил трения на рабочих поверхностях, создаваемых плавным прижатием рабочих поверхностей. Меняя силу прижатия, можно регулировать момент сил трения. За время включения фрикционной муфты рабочие поверхности проскальзывают. После завершения включения муфты скольжение отсутствует.

Конструкция этих муфт может быть выполнена с одним или несколькими дисками, с цилиндрическими или коническими поверхностями трения, с механическим, пневматическим, гидравлическим или электромагнитным управлением. Группу муфт с силовым замыканием электромеханической связью составляют муфты с жидкой или порошкообразной ферромагнитной смесью, в которых при прохождении электрического тока в катушке возбуждения возникает магнитный поток, в результате ферромагнитная смесь, заполняющая зазор между полумуфтами, намагничивается, что обеспечивает сцепление смеси с поверхностями полумуфт.

На рабочие поверхности дисков наносят фрикционный слой или крепят накладки из фрикционного материала, повышающего силу трения.

В зависимости от условий эксплуатации, фрикционные муфты разделяют: на муфты без смазывания трущихся поверхностей и на муфты со смазыванием трущихся поверхностей. Последние передают меньший вращающий момент, однако они более долговечны, так как интенсивность изнашивания рабочих поверхностей меньше, чем у сухих муфт.

Самоуправляемыеили автоматические муфты включаются и выключаются в зависимости от изменения режима работы машины. К ним относятся: обгонные муфты или муфта свободного хода, передающие момент только при одном направлении вращения ведущей полумуфты относительно ведомой и проворачивающиеся при обратном направлении вращения, центробежные муфты, включающиеся и выключающиеся в зависимости от скорости вращения ведущей полумуфты, муфты предельного момента, отключающие машину при опасном увеличении вращающего момента.

Предохранительные муфты. Предохранительная муфта служит разъединения валов или вала с сидящей на нём деталью при перегрузке или недопустимой скорости вращения, т. е. предохраняющая машину от поломки в случае нарушения нормального режима работы. Муфты предохранительные с разрушающимся элементом отличаются малыми габаритами и высокой точностью срабатывания. При перегрузке предохранительный элемент срезается, и полумуфты размыкаются. Для восстановления работоспособности машины, ее необходимо остановить и заменить предохранительный элемент.

Кулачковые предохранительные муфты удерживаются во включенном состоянии пружинами, до тех пор, пока возрастающий момент не создаёт силы, способной преодолеть усилие пружины.

Фрикционные предохранительные муфты автоматически восстанавливают работоспособность машины после прекращения действия перегрузки, однако, точность срабатывания их не высока из-за непостоянства коэффициента трения на трущихся поверхностях дисков.

Литература

1. Прикладная механика: Учеб. пособие / А.Т. Скойбеда, А.А. Миклашевич, Е.Н. Левковский и др.; Под общ. ред. А.Т. Скойбеды.- Мн.: Выш. шк., 1997. – 552 с.

2. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов.- М.: Машиностроение,1979.-560 с.

3. Любощиц М.И., Ицкович Г.М. Справочник по сопротивлению материалов.- Мн.: Выш. шк., 1969.- 464 с.

4. Аркуша А.И. Техническая механика: Теоретическая механика и сопротивление материалов: Учеб. для машиностр. спец. Техникумов.- 2-е изд., доп. – М.: Высш. шк., 1989. – 352 с.

Похожая информация.

Возможные способы соединения двигателя и цилиндрического, коническо-цилиндрического, а также червячного редукторов представлены на рис. 2.1, где а , д , и – соединения «вал в вал», б , е , к – соединения компенсирующей муфтой, в , ж , л – соединения шестерней, г , з , м – соединение клиноременной передачей.

Соединение «вал в вал» используют: при стремлении к уменьшению габаритных размеров и массы; при необходимости жесткого соединения для получения точного позиционирования и точной скорости перемещений; при стремлении к уменьшению приведенного момента инерции

привода. Это соединение компактно, но чрезвычайно чувствительно к погрешностям изготовления и сборки привода. С увеличением этих погрешностей возрастают силы в опорах соединяемых валов двигателя и редуктора, а также возникает возможность возникновения фреттинга в соединении. Как известно, фреттинг неподвижных соединений

– это разновидность повреждений, которые возникают, когда две поверхности, соприкасающиеся и номинально неподвижные по отношению друг к другу, испытывают локальные небольшие периодические относительные смещения.

При соединении валов двигателя и редуктора с использованием компенсирующей муфты удается скомпенсировать достаточно большие погрешности сборки привода. При этом несколько увеличивается размер привода по длине. Консольная радиальная нагрузка на соединяемые валы приближенно составляет 0,2 от окружной силы на муфте.

Если валы двигателя и редуктора соединить шестерней, то габаритный размер червячного или коническоцилиндрического мотор-редуктора незначительно увеличивается по длине. В этом случае мотор-редуктор становится соответственно цилиндро-червячным или цилиндро-коническо-цилиндрическим. Соединяемые валы нагружаются силами, действующими на зубья шестерни.

Соединение с использованием клиноременной передачи увеличивает габаритный размер мотор-редуктора по высоте. Нагрузка на соединяемые валы определяется консольной радиальной силой предварительного натяжения ремней.

Сравнительный анализ (рис. 2.2 ) степени распространенности различных соединений валов двигателя и

Иванов А.С., Муркин С.В. « Конструирование современных мотор-редукторов»

редуктора в мотор-редукторах общепромышленного применения 72 фирм 17 стран показал, что три вида соединений: «вал в вал» (белая заливка), компенсирующей муфтой (черная заливка), с использованием зубчатой передачи (серая заливка) – достаточно распространены в современных мотор-редукторах, изготавливаемых как в странах Запада, так и в России. Соединения ременной передачей в этот анализ не вошли, поскольку они находят применение только у некоторых фирм-изготовителей мотор-редукторов.

Соединение «вал в вал» использует фирма Bockwoldt (Германия) в цилиндро-коническо-цилиндрическом моторредукторе. Фирмы Rotor (Нидерланды), Renold (Великобритания), Innovari (Италия) применяет такое соединение в одно-, двух- и трехступенчатых цилиндричеких зубчатых мотор-редукторах. Соединение муфтой характерно

Иванов А.С., Муркин С.В. « Конструирование современных мотор-редукторов»

для мотор-редукторов фирм Stöber, Bauer (Германия) и др. Его выполняют с использованием зубчатой муфты, муфты со звездочкой, МУВП и др. Соединение шестерней распространено в Германии (фирмы SEW, Bauer, Nord), Великобритании (фирма Renold), США (фирма Baldor Dodge), Италии (фирмы Innovari, Rossi) и др. странах.

2.1 Соединение «вал в вал»

В мотор-редукторах применяют три вида соединения «вал в вал»: 1) как вал двигателя так и вал редуктора установлены на двух опорах, вращающий момент передает шпоночное соединение; 2) как вал двигателя так и вал редуктора установлены на двух опорах, вращающий момент передают короткие шлицы; 3) вал двигателя установлен на двух опорах, а входной вал редуктора – на одной, вращающий момент передается соединением с натягом, создающимся затяжкой винтов клеммового соединения.

На рис. 2.3 представлены эти виды соединений применительно к цилиндро-коническо-цилиндрическому мотор-редуктору: первый (а ) – мотор-редуктор фирмы Pujol Muntala (Испания); второй (б ) – мотор-редуктор фирмы ZAE (Германия); третий (в ) – мотор-редуктор фирмы Bauer (Германия). Первый вид соединения также применяют фирмы

GFC и Bockwoldt (Германия), Renold (Великобритания), Rossi

(Италия), ООО «Можга-редуктор», ОАО «Редуктор» г. Барыш, ОАО «Редуктор» г. Ижевск (Россия) и др. Соединение второго вида, кроме того, распространено среди фирм Swedrive (Швеция), Bonfiglioli (Италия) и др. Третий вид соединения также используют фирмы KEB (Великобритания) и др.

Иванов А.С., Муркин С.В. « Конструирование современных мотор-редукторов»

Иванов А.С., Муркин С.В. « Конструирование современных мотор-редукторов»

Пример соединения третьего вида применительно к планетарному мотор-редуктору фирмы ZF (Германия) приведен на рис. 2.4 (двигатель на рисунке не показан).

Как известно, стержень, закрепленный в одной опоре (рис. 2.5, а ), образует механизм. Чтобы стержень зафиксировать в пространстве, достаточно его установить на двух опорах (рис. 2.5, б ). Если число опор увеличить, то система становится статически неопределимой и для определения реакций в опорах необходимо кроме уравнений равновесия, составлять условия совместности перемещений. Когда валы несоосны или имеется их перекос, опоры, расположенные вблизи соединения, оказываются нагруженными силами, которые могут превосходить реакции в опорах от рабочего процесса. Четырехопорный вал без шарнира (рис. 2.5, в ) – это расчетная схема соединения «вал в вал» первого вида, четырехопорный вал с шарниром

Иванов А.С., Муркин С.В. « Конструирование современных мотор-редукторов»

(рис. 2.5, г ) – расчетная схема соединения «вал в вал» второго вида, трехопорный вал (рис. 2.5, д ) – расчетная схема соединения «вал в вал» третьего вида.

Так как соединение «вал в вал» образует статически неопределимую расчетную схему соединяемых валов, то погрешности изготовления и сборки могут привести к возникновению значительных сил в опорах. Чтобы ограничить величины этих сил, необходимо учесть взаимосвязь реакций в опорах с погрешностями расположения поверхностей деталей, изгибной жесткостью валов, контактной жесткостью подшипников, радиальными зазорами в подшипниках и назначать допуски расположения из расчета рассматриваемой статически неопределимой системы.

Кроме увеличения реакций в опорах, снижающего ресурс подшипников, в соединении «вал в вал» возможно возникновение фреттинга в сопряжении контактирующих поверхностей выходного конца вала двигателя и отверстия в вале редуктора. Чтобы исключить появление фреттинга, фирма SEW (Германия) рекомендует при сборке наносить на контактирующие поверхности противозадирную пасту NOCO, итальянские фирмы – пасту «Klűberpaste-46MR401», фирма

Иванов А.С., Муркин С.В. « Конструирование современных мотор-редукторов»