Постоянно замкнутые муфты

Среди нерасцепляемых (постоянных) муфт в зависимости от типа связи соединяемых валов выделяют группы жёстких неподвижных муфт, жёстких компенсирующих и упругих компенсирующих муфт.

Неподвижные или глухие муфты применяют для соединения строго соосных валов. Валы, соединённые глухой муфтой, работают как одно целое, поэтому наряду с крутящим моментом муфта может воспринимать изгибающий момент, поперечные и осевые нагрузки. Наиболее распространёнными среди жёстких неподвижных муфт являются втулочные и фланцевые муфты.

Втулочная муфта относится к наиболее простым по конструкции и изготовлению типам. К недостаткам втулочных муфт можно отнести:

- невозможность разобщения соединяемых валов без демонтажа механизмов и низкую изгибную жёсткость;

- необходимость очень точного совмещения валов, так как эти муфты не допускают радиального или углового смещения осей валов;

- необходимость при монтаже или демонтаже раздвигать концы валов на полную длину муфты.

Втулочную муфту используют в механизмах с повышенными требованиями к ограничению радиальных габаритов, массы и моментов инерции при возможности обеспечения незначительных смещений осей валов в пределах допустимой соосности.

а) б)

в) г)

Рис. 168. Конструкция муфты втулочной и её типы:

а) - тип 1 со штифтом; б) - тип 2 со шпоночным пазом под призматическую шпонку; в) - тип 3 со шпоночным пазом под сегментную шпонку;

г) - тип 4 со шлицевым посадочным отверстием

Втулочная муфта представляет собой цельную втулку, надеваемую на концы валов и закрепляемую на них штифтами, шпонками или шлицами (рис. 168). Материал втулок - сталь 45 или чугун СЧ25 для муфт больших размеров. Прочность муфты определяется её соединения с валом - штифтового, шпоночного или шлицевого, основы расчёта которых были приведены в п. 10.2, 10.3 и 10.4.

В условном обозначении муфты указывают тип исполнения, номинальный крутящий момент и внутренний диаметр. Например, для муфты 2-го типа с передаваемым крутящим моментом T _кр = 250 Н·м, внутренним диаметром d = 35 мм, в климатическом исполнении У и категории 3:

Муфта втулочная 2 - 250 - 35 - У3 ГОСТ 24246 - 80

Рис. 169. Фланцевая муфта:

1, 2 - ведущая и ведомая полумуфта; 3 - стяжной болт

Фланцевая муфта является наиболее распространённой из глухих муфт. Она состоит из двух полумуфт 1 и 2, насаживаемых на концы валов и соединяемых между собой болтами 3 (рис. 169). Они удобны в монтаже и обеспечивают жёсткое соединение валов. Вращающий момент передаётся за счёт сил трения между стянутыми фланцами в том случае, если болты установлены с зазором. Если стяжные болты установлены без зазора, вращающий момент передаётся непосредственно болтами, которые работают на срез и смятие.

Достоинством фланцевых муфт является простота конструкции и лёгкость монтажа, недостатком - необходимость точного совмещения валов и точного соблюдения перпендикулярности соприкасающихся торцовых поверхностей полумуфт к оси вала.

При установке болтов с зазором масса муфты намного больше, чем в варианте без зазоров, а несущая способность при одинаковых размерах в пять - шесть раз меньше. Расчёт на прочность выполняют для шпоночных соединений и болтов, установленных с зазором или без зазора.

Пример условного обозначения для муфты при T _кр = 120 Н·м, внутренним диаметром d = 40 мм, исполнения 2 (исполнение 1 с цилиндрическим отверстием для длинных валов, исполнение 2 - то же для коротких валов), материал 2 (1 - сталь, 2 - чугун), в климатическом исполнении У и категории 3:

Муфта фланцевая 120 - 40 - 22 У3 ГОСТ 20761 - 80.

Жёсткие подвижные компенсирующие муфты предназначены для соединения валов с небольшими отклонениями от соосности, возникающие в результате погрешности изготовления и установки деталей механизма, температурных деформаций, радиальных зазоров в опорах и. п.

Компенсацию отклонений валов от соосности достигают за счёт:

- подвижности жёстких деталей в жёстких компенсирующих муфтах;

- деформации упругих деталей в упругих компенсирующих муфтах.

Среди жёстких компенсирующих муфт наибольшее распространение получили з убчатая, кулачково - дисковая и шарнирная муфты.

Рис. 170. Зубчатая муфта:

1, 4 - ведущая и ведомая полумуфта; 3, 4 - зубчатая обойма

Зубчатая муфта состоит из двух полумуфт 1 и 4 с внешними зубьями, и двух практически одинаковых зубчатых обойм 2 и 3 с внутренними зубьями, которые скрепляются болтовым соединением (рис. 170). Передача момента между ведущей и ведомой полумуфтами и зубчатыми обоймами происходит за счёт сцепления зубьев, а между обоймами - за счёт болтового соединения. Компенсирующие возможности обеспечиваются радиальными и осевыми зазорами зубчатого зацепления. Для повышения уровня компенсации углового перекоса зубьям придают бочкообразную форму. Для повышения износостойкости зубья подвергают термообработке, а в муфту заливают смазку.

Зубчатые муфты надёжны в работе, имеют малые габаритные размеры, обусловленные передачей нагрузки большим числом одновременно работающих зубьев, технологичны при изготовлении. Муфты могут передавать значительный крутящий момент в практически неограниченных диапазонах угловых скоростей. Материал полумуфт и обойм - сталь 40 или 45Л.

Муфты выбирают по величине передаваемого крутящего момента, и по наибольшему диаметру концов соединяемых валов. Проверочный расчёт проводят по формуле:

, (16.2)

где k ₁ - коэффициент, учитывающий степень ответственности передачи;

k ₂ - коэффициент, учитывающий условия работы (спокойная или тяжёлая);

k ₃ - коэффициент, учитывающий угловое смещение валов.

Пример обозначения зубчатой муфты типа 1, передаваемый момент T _кр = 4000Н·м, диаметр d = 65 мм, исполнение 1, климатическое исполнение У и категория размещения 3:

Муфта 1 - 4000 - 65 - 1 У3 ГОСТ Р 50895 - 96.

Рис. 171. Кулачково - дисковая муфта:

1, 3 - ведущая и ведомая полумуфта; 2 - промежуточный диск;

4, 5 - элементы кожуха

Кулачково - дисковая муфта является наиболее простой в изготовлении из группы подвижных компенсирующих муфт (рис. 171). Силовыми элементами являются одинаковые по конструкции полумуфты 1 и 3, имеющие радиальные пазы на торцевых поверхностях, и промежуточный диск 2 с взаимно перпендикулярными кулачками на противоположных его торцах. При сборке кулачки вводятся в пазы обеих полумуфт и за счёт сцепления кулачков с поверхностями пазов передают крутящий момент. Кожух, состоящий из двух одинаковых элементов 4 и 5, скрепляемых болтами, служит для подачи смазки и предохранения от попадания абразивных частиц к силовым элементам. В процессе работы диск скользит по пазам, компенсируя несоосность валов.

Особенностями работы муфт являются:

- передача высоких нагрузок при значительных радиальных и угловых смещениях осей валов;

- повышенное трение в муфте и интенсивный износ обуславливают ограничение максимальной скорости вращения;

- ограничение использования муфт в реверсивных приводах по причине быстрого износа трущихся поверхностей, что приводит к увеличению зазора.

Муфты изготавливают из сталей 40Х, 40ХН с последующей закалкой.

Шарнирные муфты применяют при необходимости значительного (до 40 … 45°) углового смещения осей валов. Идея муфты впервые была предложена Джироламо Кардано в 1570 году и доведена до инженерного решения Робертом Гуком в 1770 году. Поэтому иногда их называют карданными шарнирами, иногда - шарнирами Гука.

Стандартом предусмотрено два типа муфт: одинарные (тип 1) и сдвоенные с промежуточной вилкой (тип 2).

а)

б) в)

Рис. 172. Шарнирная муфта:

а), б) - сдвоенная; в) - одинарная; 1, 7 - ведущая и ведомая полумуфта;

2 - штифт; 3 - сухарь; 4 - палец; 5 - втулка; 6 - промежуточная вилка

Сдвоенная шарнирная муфта состоит из взаимозаменяемых ведущей 1 и ведомой 7 полумуфт, и промежуточной спаренной вилки 6 (рис. 172, а, б). Оси вилок полумуфт и промежуточной вилки устанавливаются относительно друг друга под углом 90° и соединяются между собой крестовинами, состоящими из сухарей 5, пальца 4, втулки 5 и штифта 2. У одинарной муфты (рис. 172, б) из конструкции удалена промежуточная вилка. Соединение полумуфт с валами в обоих типах осуществляется с помощью штифтов. Сухарь в сборе с пальцем, втулкой и штифтом образует крестовину.

Рис. 173. Схема карданной передачи:

1, 4, 5 - карданный шарнир; 2 - вал; 3 - опора

Шарнирная муфта наиболее широко применяется в системах транспортных машин - в системах рулевого управления и карданных передачах (рис. 173). Карданные шарниры допускают передачу вращения между валами до 15 … 20°. Основным недостатком шарнира является неравенство угловых скоростей ведущего и ведомого вала. Шарниры ведущего вала вращаются в плоскости , тогда как шарниры ведомого вала - в плоскости (рис 176). Очевидно, что шарниры ведомого вала при вращении от точки через точку к точке будут вращаться быстрее, чем шарниры ведущего вала от точки через точку к точке . И наоборот, при вращении шарниров ведомого вала от точки к точке через точку будут вращаться медленнее, чем шарниры ведущего вала в своей плоскости вращения. В точках и угловые скорости ведущего и ведомого вала будут равны (ω ₁ = ω ₂).

Рис. 174. Кинематика карданного шарнира с крестовиной

При постоянной угловой скорости ведущего вала угловая скорость ведомого вала будет находиться в интервале:

. (16.3)

Неравномерность вращения валов зависит от угла γ между ними. Степень неравномерности вращения ведомого вала оценивается коэффициентом неравномерности:

. (16.4)

Для устранения или уменьшения этой неравномерности используют схему с двумя последовательно расположенными карданными шарнирами и промежуточным валом (рис. 173). Если при этом углы смещения в обоих шарнирах будут одинаковы , то угловые скорости ведущего и ведомого вала становятся равными.

Прочность шарнирной муфты ограничена прочностью крестовины, в особенности мест крепления пальцев крестовины в отверстиях вилок. Шипы крестовины рассчитывают на изгиб и срез под действием условно сосредоточенной силы, приложенной в середине шипа (рис. 175, а).

а) б)

Рис. 175. Расчётная схема деталей карданного шарнира

неравных угловых скоростей:

а) - крестовины; б) - вилки

Шипы крестовины рассчитывают на изгиб и срез под действием условно сосредоточенной силы, приложенной в середине шипа, по сечению А - А в основании шипа (рис. 175, а):

- действующее напряжение на изгиб

, ;

- действующее напряжение на срез

.

Вилку карданного шарнира испытывают на изгиб и кручение в наиболее опасном сечении В - В (рис. 175, б):

- действующее напряжение на изгиб

;

- действующее напряжение на кручение

.

Крестовины изготавливают из сталей 18ХГТ и 20Х с последующей цементацией и закалкой. Вики шарнира изготавливают из сталей 35, 40 и 45 с последующей закалкой.

Для выполнения равенства угловых скоростей ведущего и ведомого вала применяют шарниры равных угловых скоростей (ШРУС) различной конструкции, где вращение периферийных точек шарнира происходит в одной плоскости.

Упругие компенсирующие муфты передают вращающий момент через упругий элемент - неметаллический (резиновый, резинокордный, полиуритановый) или стальной. Упругая связь позволяет компенсировать смещение валов, снизить ударные нагрузки, предотвратить появление резонансных колебаний за счёт изменения жёсткости механической системы.

В дополнение к общим характеристикам подвижных компенсирующих муфт (передавать крутящий момент и компенсировать погрешности соосности соединяемых валов) упругие муфты характеризуются крутильной жёсткостью и демпфирующей способностью.

Крутильная жёсткость - это отношение приращения крутящего момента dT _кр к относительному углу поворота полумуфт dφ:

. (16.5)

Зависимость может быть линейной или нелинейной. В случае линейной зависимости говорят о постоянной жёсткости муфты, в случае нелинейной зависимости - о переменной жёсткости. Достоинством муфт с переменной жёсткостью является предотвращение резонанса крутильных колебаний при периодически изменяющихся нагрузках, передаваемых муфтой. В связи с этим в конструкциях, опасных в отношении возникновения крутильных колебаний (например, при передаче вращения от поршневых двигателей), используют упругие муфты с переменной жёсткостью.

Демпфирующая способность - это способность упругих муфт поглощать энергию толчков и ударов в процессе деформации упругих элементов, переходящую в тепло.

Муфты с неметаллическим упругим элементом имеют меньшую нагрузочную способность и менее долговечны по причине малой прочности упругих элементов. Они имеют большие размеры и не могут эксплуатироваться при высоких температурах. Наиболее широко применяют муфты с резиновой звёздочкой, втулочно - пальцевые и муфты с торообразной оболочкой.

Рис. 176. Упругая муфта с резиновой звёздочкой:

1, 3 - ведущая и ведомая полумуфта; 2 - резиновая звёздочка

Муфты с резиновой звёздочкой (рис. 176) наиболее просты по конструкции, обладают сравнительно большой нагрузочной способностью, имеют малые габаритные размеры и материалоёмкость по сравнению с другими муфтами рассматриваемого типа, но при установке требуют осевого перемещения соединяемых валов на величину толщины звёздочки и достаточно точного монтажа.

Основными элементами муфты являются ведущая 1 и ведомая 3 полумуфты с торцевыми кулачками, между которых устанавливается резиновая звёздочка 2. При передаче момента в каждую сторону работает половина зубьев, что является некоторым недостатком муфты. Зубья резиновой звёздочки работают на сжатие, поэтому изначально им придают выпуклую форму.

Рис. 177. Упругая втулочно - пальцевая муфта:

1, 4 - ведущая и ведомая полумуфта; 2 - резиновая втулка; 3 - палец

Втулочно - пальцевая муфта (рис. 177) получила широкое распространение в приводах от электродвигателя. Основными элементами муфты являются ведущая 1 и ведомая 4 полумуфты, которые соединяются с помощью жёстко закреплённых пальцев 3, на которые надеваются упругие резиновые втулки 2. При передаче крутящего момента резиновые втулки подвергаются сжатию, а пальцы подвержены изгибному моменту. Наличие смещения осей сопряжённых валов приводит к быстрому износу резиновых втулок.

Широкое использование муфт обеспечено простотой конструкции, быстрой замене резиновых втулок, высокой быстроходности и надёжностью в работе.

Муфта с торообразной оболочкой (рис. 178) обладает следующими достоинствами:

- способность компенсировать значительные неточности при установке соединяемых валов;

- обладает повышенной податливостью, что обусловливает существенное улучшение динамических характеристик (снижение ударных нагрузок, повышение демпфирующей способности);

- лёгкость монтажа и замены упругого элемента.

Рис. 178. Упругая муфта с торообразной выпуклой оболочкой:

1, 6 - ведущая и ведомая полумуфта; 2 - соединительный диск;

3 - крепёжные полудиски; 4 - резиновая оболочка; 5 - диск в сборе

Практически одинаковые полумуфты 1 и 6 соединены упругими резиновыми или резинокордными оболочками 4, имеющей форму автомобильной шины. Армирование резиновой оболочки кордом в 6 … 7 раз увеличивает срок её службы. Для возможности введения крепёжных дисков внутрь оболочки их выполняют в виде двух полудисков 3, соединяемых диском 2 с помощью винтов. Полученный таким образом единый диск 5, собираемый внутри упругой оболочки, прижимает оболочку с помощью болтов к фланцам полумуфт и обеспечивает передачу нагрузки с ведущей полумуфты на оболочку и далее на ведомую полумуфту.

Привлекательность муфт с упругими оболочками по динамическим и компенсирующим качествам обусловила их широкое разнообразие. Существуют муфты с упругим вогнутым элементом, с двумя упругими симметричными элементами.

Рис. 179. Упругая муфта с вогнутой резиновой оболочкой

Муфты с металлическими упругими элементами обладают повышенной нагрузочной способностью и долговечностью, длительно сохраняют свои упругие и демпфирующие свойства. В отличие от муфт с неметаллическими упругими элементами, они более сложны конструктивно и технологически, имеют большую металлоёмкость и меньший коэффициент демпфирования. Такие муфты применяют для передачи больших крутящих моментов. В качестве упругого элемента муфты применяют:

- пластинчатые пружины, работающие на изгиб;

- витые пружины, работающие на сжатие, растяжение или скручивание;

- стержневые пружины (торсионы), работающие на скручивание.

Рис. 180. Упругая муфта с зигзагообразными пружинами:

1, 5 - полукожухи; 2, 4 - ведущая и ведомая полумуфты;

3 - змеевидная пружина

Упругая муфта с зигзагообразными пружинами (рис. 180) является наиболее совершенной из муфт с металлическими упругими элементами. Муфта состоит из взаимозаменяемых ведущей 2 и ведомой 4 полумуфт, снабжённых зубьями, между которых укладывается змеевидная пружина 4. Осевую и радиальную фиксацию пружин обеспечивают полукожухи 1 и 5.

Муфта обладает хорошими компенсирующими свойствами и допускает радиальные смещения до 3 мм, долговечна и надёжна в работе при любых скоростях вращения. Имеет малые габаритные размеры и массу в сравнении с другими типами упругих муфт.

К недостаткам муфты относят сложность изготовления пружины. С целью снижения трудоёмкости этой операции такую пружину заменяют на отдельные кольцевые упругие элементы.