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»
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):
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):
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),
4. Расчетное напряжение среза в болте
Условие прочности выполнено: = 58,4 Н/мм 2 = 75 Н/мм 2 . |
, (9)
, (10)
Н
Н/мм 2 Муфты предназначаются для соединения валов или других вращающихся деталей, для передачи крутящего момента. Они используются для передачи вращения от двигателя к механизму, его включению и выключению, переключения скоростей и для выполнения других функций.
По назначению, конструкции и условиям работы муфты делятся на постоянные (соединительные) и сцепные (управляемые и самоуправляющиеся). В данной статье поговорим только о соединительных муфтах. При выборе конструкции муфты необходимо учитывать ее назначение, особенности компоновки и сборки, величину и характер действия нагрузки и условия эксплуатации. Соединительные муфты предназначаются для постоянного соединения вращающихся деталей. Делятся они на две группы: глухие, жестко соединяющие валы, и подвижные, допускающие некоторую неточность сборки. Для валов, передающих незначительные крутящие моменты, применяют глухую муфту, соединяемую коническими штифтами (рис. 1,а). Для передач значительных крутящих моментов применяют глухую со шпонками (рис. 1,6) или дисковую муфту (рис. 1,в). Штифты располагают под углом 90° друг к другу. Втулка может быть изготовлена из любых материалов. Ориентировочные размеры: L=(3...5) d; D=1,5d; dm=(0,25...0,3) d. Втулку рассчитывают на кручение, а соединения штифтами или шпонками - на срез и смятие.
Недостатком этих муфт является требование строгой соосности соединяемых валов. Смещение и перекос валов вызывает дополнительные деформации изгиба у них и повышает давление на опоры. Подвижные муфты разделяются на расширительные, допускающие осевое смещение вала; крестовые, допускающие радиальное смещение вала; поводковые; мембранные и упругие, допускающие осевое и радиальное смещение валов. На рис. 2,а показана торцевая расширительная муфта, на 2,6 - муфта с ведущим штифтом. Размеры муфт выбирают исходя из условий смятия соприкасающихся поверхностей. Обычно 1=d, 6=(0,25...0,3) d, dm =(0,25...0,3) dв. Расширительные муфты
применяют лишь при передаче небольших нагрузок и малых угловых скоростях ввиду интенсивного износа рабочих поверхностей. Крестовые муфты (рис.3) состоят из двух неподвижных фланцев с вырезами или выступами 1 и 2, закрепляемых на соединяемых валах. Между этими фланцами помещается подвижная часть 3 с выступами или вырезами. Перпендикулярное расположение пазов позволяет компенсировать несоосность валов за счет скольжения выступов креста в пазах полумуфт
. Для повышения КПД требуется смазка трущихся поверхностей и их точная приработка. Детали муфт изготовляются обычно из стали. Выступы креста и пазы полумуфт цементируются. Если валы должны быть электрически изолированы друг от друга, то крестовину делают из электроизоляционного материала. В табл.1 приведены основные размеры муфт.
Недостатком крестовых муфт
является увеличение мертвого хода по мере износа выступов. В тех случаях, когда мертвый ход (МРХ) недо¬пустим, применяют беззазорные конструкции крестовых муфт с прижимным устройством. Поводковые муфты (рис.4) состоят из двух дисков со ступицами, жестко укрепленными на концах валиков. На диске 1 одной полумуфты закреплен палец 2, который входит со скользящей посадкой в радиальный паз второй полумуфты 3.
Недостатком поводковых муфт является наличие МРХ за счет посадки пальца в пазу; величина МРХ увеличивается по мере износа трущихся поверхностей паза и пальца и определяется размером образующегося зазора. Для улучшения условий работы поводковой муфты предпочтительно применять поводки с двумя пальцами. В этом случае уменьшается износ трущихся частей муфты, а также устраняется радиальное давление на валик, наблюдаемое в однопальцевых поводках. Однако двупальцевые поводки сложнее в изготовлении и, кроме того, требуют полной соосности соединяемых валов, что затрудняет сборку механизма. В табл.2 приведены размеры однопальцевых поводковых муфт.
В школьные годы я занимался в судомодельном кружке, так вот там мы вал двигателя с гребным валом модели судна соединяли с помощью шарнира показанного на рисунке 5. Это соединение напоминает карданную передачу автомобиля. Я дума устройство этого соединения понятно из рисунка. Чем ближе друг к другу полумуфты, тем дольше хранится в них смазка, но при этом должна быть соответствующая соосность валов. На фото внизу показана одна из полумуфт, каким то чудом сохранившаяся у меня с тех времен, а это почти пятьдесят лет. Еще есть соединение с помощью пружинки, я его не нарисовал. Короче, если валы имеют одинаковые диаметры, а усилия минимальны, то на валы просто одевается подходящая пружинка. Ее можно закрепить просто пайкой или поверх пружинки одеть втулку с зажимным винтом.
Самодельная соединительная муфта
Хочу поведать еще об одном соединении валов. Первый раз я увидел это чудо в 1971 году, будучи в колхозе на уборке картошки. Мне оно так понравилось, что я сразу взял его « к себе на вооружение». Оно стояло на косилке КИР-1,5. Косилка - измельчитель, роторная КИР-1.5 предназначена для уборки однолетних и многолетних сеянных и естественных трав. Современные киры такого соединения не имеют. Соединение выдерживает приличный вращающий момент. Для его изготовления потребуется звездочка (фото 1)с коленвала двигателя от жигулевской классики, где распредвал имеет цепную передачу. Сама цепь – фото 3. И необходимо выточить полумуфты, на рисунке зеленого цвета. Звездочку разрезают пополам. На каждую полумуфту приваривают по половинке звездочки (Рис.1). Потом отделяют часть цепи с числом звеньев, равному числу зубьев на звездочке. Обворачивают получившиеся полумуфты этим куском цепи и новым штифтом соединяют звенья с помощью расклепки (Фото2). Для крепления полумуфт можно использовать болты, если усилия не большие, но лучше конечно применить шпоночное соединение. Ну вот вроде и все, если, что интересное вспомню, обязательно выложу. До свидания. К.В.Ю.
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.
Валы и оси
Вращающиеся детали машин устанавливаются на осях или валах. Валы всегда вращаются вместе с деталями и передают крутящий момент; оси же, вращаются ли они вместе с деталями или остаются неподвижны, момента не передают и только поддерживают детали. Поэтому оси нагружены только изгибающими усилиями, а валы, кроме них, и крутящими моментами.
Валы бывают прямые, коленчатые и гибкие (рисунок 3.8). Когда диаметр червяка или шестерни близок к диаметру вала, их изготовляют как одно целое, например, вал с червяком, вал с зубчатой шестерней.
Валы
а – прямые; б – коленчатые; в – гибкие.
Рисунок 3.8.
Валы и вращающиеся оси устанавливаются опорами (цапфами) в подшипниках. Цапфы, воспринимающие осевую нагрузку, называются пятами.
Подшипники
Валы и детали, вращающиеся вокруг них, поддерживаются на подшипниках. Различают подшипники скольжения и качения.
Подшипники скольжения (рисунок 3.9). В зависимости от величины и направления нагрузок, возникающих на валах, поддерживаемых подшипниками скольжения, различают подшипники радиальные, которые могут воспринимать нагрузки, направленные радиально, и упорные подшипники, которые могут воспринимать усилия как направленные вдоль оси, так и радиальные.
Поверхность цапфы в радиальных подшипниках скользит относительно его внутренней поверхности. Уменьшение сил трения между трущимися поверхностями создается слоем смазки. При работе цапфа занимает в подшипнике эксцентричное положение, и поэтому смазка между поверхностями подшипника и цапфы принимает форму клина Цапфа, вращаясь, увлекает смазку в узкий зазор, где создается масляная подушка, поддерживающая цапфу. Слой масла, разделяющий цапфу и подшипник, создается также, если в зазор подается масло при помощи масляного насоса.
Подшипники скольжения устанавливаются для валов большого веса, когда требуется разборка подшипника, либо когда последний работает в агрессивных средах или при большом загрязнении.
Подшипник скольжения с разъемным корпусом
1 – крышка; 2 – болты; 3 – вкладыши; 4 – корпус; 5 – масленка колпачковая.
Рисунок3.9.
Подшипник качения (рисунок 3.10) состоит из наружного и внутреннего колец с дорожками качения. Между кольцами в дорожках качения устанавливаются шарики или ролики, которые катятся по дорожкам. Чтобы ролики или шарики находились на одинаковом расстоянии один от другого, в подшипниках предусмотрены сепараторы, представляющие собой штампованные кольца с отверстиями для роликов или шариков.
Основные типы подшипников качения
Рисунок 3.10.
Широко используются роликовые подшипники (при малых диаметрах роликов они называются игольчатыми).
Подшипники качения можно разделить на три типа: радиальные, воспринимающие радиальные нагрузки и допускающие небольшие осевые нагрузки; радиально-упорные, воспринимающие как радиальные, так и осевые нагрузки, но величина последних не должна превышать 0,7 от разности между допустимой и действующей радиальными нагрузками; упорные, воспринимающие только осевые нагрузки.
Муфты
Для соединения валов, являющихся продолжением один другого, или расположенных под углом, а также для передачи крутящего момента между валом и сидящими на нем деталями применяют муфты.
По назначению они разделяются на муфты постоянного действия (неуправляемые) и муфты сцепные (управляемые).
Муфты, соединяющие валы жестко , различают следующих видов:
- Втулочные муфты просты по конструкции, малы по габариту (рисунок 3.11). Недостатком их является то, что для соединения валов последние необходимо раздвигать. Муфты применяют для диаметров валов, не превышающих 120 мм.
Втулочные муфты:
а – с призматическими шпонками; б – с сегментными шпонками; в – с штифтами; г – с шлицами.
Рисунок 3.11.
- 
Фланцевые муфты
(рисунок 3.12) обычно состоят из двух полумуфт и бывают двух типов. В одном типе муфт болты устанавливают без зазора при этом болты работают на срез. В другом типе муфт болты устанавливают с зазором. В этом случае крутящий момент передается под действием момента трения, создаваемого затяжкой болтов.
Муфты, соединяющие валы при некотором их взаимном смещении или перекосе в результате неточности изготовления, монтажа или деформации во времени работы, называются компенсирующими .
Имеется несколько типов компенсирующих муфт:
Наиболее простая муфта представляет собой две полумуфты, такие же, как у жестких муфт, только болт в одной из полумуфт упирается в резиновые прокладки, что позволяет компенсировать неточности в положении валов.
- Крестовые муфты применяются для соединения валов, когда могут быть большие смещения осей. Они состоят из двух полумуфт, на торцах которых имеются пазы. Между полумуфтами помещается, диск, на торцах которого предусмотрены выступы, перпендикулярно расположенные по отношению один к другому. Недостатком этих муфт является большой износ пазов, так как во время работы средний диск движется относительно полумуфт. Между диском и полумуфтами возникают силы трения, вызывающие радиальные усилия, которые передаются на вал.
- Шарнирные муфты (рисунок 3.13) применяют для передачи движения между валами, расположенными под углом. Возможность передачи вращения под углом до 45° обеспечивается тем, что муфта имеет два шарнира, расположенные взаимно перпендикулярно.
