Сцепные управляемые муфты

Сцепные управляемые муфты предназначены для соединения и разъединения валов или других вращающихся деталей на ходу или при остановке с помощью специальных механизмов управления. Такие муфты применяют в транспортных машинах с приводом от двигателя внутреннего сгорания, в прессах, станках с коробкой перемены скоростей вращения вала, прокатных станах и во многих других машинах. Сцепные муфты применяют при строгой соосности валов.

Сцепные муфты подразделяют на кулачковые, зубчатые и фрикционные. Они состоят из двух основных частей - подвижной и неподвижной полумуфт.

а) б)

Рис. 181. Сцепная кулачковая муфта:

а) - в сборе; б) - схема трёхступенчатой коробки передач: 1 - ведущий вал; 2 - ведущая шестерня; 3 - кулачковая муфта; 4 - промежуточный вал;

5 - колесо выходного вала; 6 - выходной вал

Кулачковые сцепные муфты просты в изготовлении и малогабаритны (рис. 181). Муфты применяют в механизмах, где должно быть обеспечено постоянное передаточное число (например, в металлорежущих станках), а также для передачи больших крутящих моментов, в которых переключения производят достаточно редко. На рис. 181, б, показано применение кулачковой муфты в трёхступенчатой коробке перемены передач станка. В выключенном состоянии муфты передача крутящего момента происходит через промежуточный вал при соответствующем зацеплении зубчатого колеса выходного вала. При включении муфты передача крутящего момента будет происходить напрямую от ведущего вала (так называемая прямая передача).

Недостаток кулачковых муфт - невозможность включения при быстром вращении валов.

Наиболее распространёнными формами кулачков муфты являются прямоугольная, трапециевидная симметричная и трапециевидная несимметричная, треугольная.

Муфты с прямоугольными кулачками реверсивные, кулачок одной полумуфты входит во впадину другой. Трапециевидная симметричная форма кулачка обеспечивает более лёгкое включение, чем муфты с прямоугольным профилем, применяется для передачи значительных моментов при больших скоростях вращения вала. Муфты с несимметричными кулачками применяют при нереверсивной передаче малых крутящих моментов. Муфты с треугольным профилем кулачка отличаются лёгкостью и быстротой включения и выключения, но применимы при небольших нагрузках и скоростях, так как требуют приложения значительного осевого усилия в рабочем состоянии. Как правило, треугольный профиль кулачков применяют в предохранительных муфтах.

Размеры муфт принимают конструктивно, затем проверяют расчётом:

- на износостойкость по среднему давлению на рабочих поверхностях в предположении равномерной работы всех кулачков

, (16.6)

где k _и - коэффициент неравномерности расположения кулачков, зависящий от точности их изготовления;

F - сила, действующая в средней точке кулачка;

z - число кулачков;

S _к - площадь бокового сечения одного кулачка по его высоте;

- на прочность по напряжению изгиба у основания кулачков (силу прикладывают к вершине кулачка)

, , (16.7)

h - высота кулачка.

Полумуфты обычно изготавливают из сталей типа 20Х с последующей цементацией и закалкой, а в ответственных случаях при частых включениях и выключениях - из сталей типа 40Х, 40ХН с последующей закалкой.

Рис. 182. Функционирование и варианты компоновки зубчатых муфт

Зубчатые сцепные муфты (рис. 182) обеспечивают сцепление валов с помощью двух полумуфт, одна из которых имеет внутренние, а другая внешние зубья эвольвентного профиля с одинаковым количеством зубьев. При этом одна из полумуфт жёстко крепится на валу, другая с помощью поводка перемещается вдоль оси вала, обеспечивая сцепление или расцепление валов. Торцы зубьев закруглены для облегчения сцепления.

При необходимости частых включений и выключений зубчатых муфт (например, в ступенчатых коробках перемены передач автомобилей) для безударного включения передачи применяют синхронизаторы (рис. 183). Простейший синхронизатор представляет собой сочетание зубчатой полумуфты 1 и небольшой конусной фрикционной муфты 2, предназначенной для выравнивания угловых скоростей вала и зубчатого колеса 3, которое установлено на игольчатом подшипнике. Элементами трения являются внутренняя поверхность конусного кольца 2 и конусный выступ на зубчатом колесе.

Рис. 183. Синхронизатор:

1 - передвижная зубчатая полумуфта; 2 - конусное кольцо; 3 - зубчатое колесо; 4 - палец

Момент трения синхронизатора зависит от осевой силы на зубчатой полумуфте Q, от значения среднего радиуса R поверхности трения синхронизатора и угла γ конуса кольца:

, (16.8)

где μ - коэффициент трения.

Необходимая ширина кольца по образующей конуса:

, (16.9)

где p_N - условное допустимое давление, отнесённое ко всей поверхности трения.

Основной задачей при расчёте синхронизатора является определение его размеров исходя из удельной работы трения синхронизатора, времени синхронизации и прочности зубьев.

Фрикционные сцепные муфты (рис. 184) служат для плавного сцепления валов под нагрузкой на ходу при любых скоростях вращения. Особенностями работы фрикционных муфт является:

- передача крутящего момента осуществляется силами трения между рабочими поверхностями деталей муфты;

- начало вращения ведомого вала происходит плавно (без удара) за счёт проскальзывания фрикционных поверхностей;

- при перегрузке механизмов происходит проскальзывание фрикционных поверхностей, что предохраняет машину от поломок.

По форме поверхностей трения различают муфты дисковые, конусные и цилиндрические.

а) б) в)

Рис. 184. Фрикционные муфты:

а) - однодисковая; б) - многодисковая: 1, 2 - фрикционные диски

ведомой и ведущей полумуфты; в) - конусная

Осевое усилие F_a, необходимое для замыкания муфты, при котором соединяемые валы будут вращаться с одинаковой скоростью, определяют по уравнению:

- для дисковой муфты , (16.10)

- для конусной муфты , (16.11)

где T _р - расчётный крутящий момент;

R _ср - средний радиус контакта;

f - коэффициент трения;

k _сц - коэффициент запаса сцепления;

z - число пар поверхностей трения;

γ - угол наклона конуса фрикционной поверхности.

Число пар поверхностей трения определяют, исходя из рабочего крутящего момента и допускаемого давления [ р ].

Допускаемое давление для фрикционных дисков - это давление, при котором обеспечивается износостойкость рабочих поверхностей. Значения давления в зависимости от материалов рабочих дисков составляют табличные данные в зависимости от ресурса фрикционной накладки.

Крутящий момент, передаваемый многодисковой муфтой, согласно (16.10) будет равен:

. (16.12)

Так как максимальная осевая сила F_a определяет допускаемое давление [ р ] на рабочей поверхности площадью :

. (16.13)

Подставив в формулу (16.12) выражение для осевой силы F_a, получим:

,

откуда минимальное число пар поверхностей трения

. (16.14)

Фрикционные муфты благодаря своей простоте получили широкое распространение в агрегатах автомобиля, например, фрикционное сцепление для передачи крутящего момента от двигателя к коробке передач автомобиля. В автоматических коробках передач применяют многодисковые фрикционные муфты и цилиндрические фрикционные муфты.

Рис. 185. Многодисковая фрикционная муфта:

1 - поршень; 2 - уплотнение; 3 - кожух; 4 - фрикционные диски

без накладок; 5 - фрикционные диски с накладками;

6 - ступица; 7 - возвратная пружина

Многодисковая фрикционная муфта (рис. 185) автоматической коробки передач имеет гидравлический привод сжатия фрикционных дисков 4 и 5. Возвратная пружина 7 обеспечивает расцепление дисков при отсутствии давления и перемещение поршня в исходное положение. Вместо n -го количества возвратных пружин может быть установлена одна центральная цилиндрическая пружина или одна центральная тарельчатая пружина.

В цилиндрических муфтах необходимая сила трения, посредством которой осуществляется сцепление полумуфт, обеспечивается при помощи лент, колодок или других деталей, откуда и происходит соответствующее наименование муфты.

Помимо непосредственного механического управления включения фрикционных муфт широкое распространение получило следующее дистанционное управление:

- пневматическое (сцепление автомобиля);

- гидравлическое (сцепление автомобиля, многодисковая муфта АКПП);

- электромагнитное (привод вращения компрессора кондиционера автомобиля).

Для увеличения трения между сцепляющимися дисками полумуфт диски одной из них покрывают фрикционными накладками, материал которых в паре со сталью и чугуном имеет высокий коэффициент трения. В качестве накладок может служить текстолит, металлокерамика или прессованный материал на основе асбеста. В автоматических коробках передач наибольшее распространение получили бумажные и металлокерамические накладки.