Пути повышения надежности машин на стадии проектирования

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 45о,  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...20, угол закручивания  5...300.

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 = 2Mвр / (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.