Тема 3.11. Муфти

 

План

1. Призначення та класифікація муфт. Застосування муфт

2. Конструкції муфт. Стислі відомості про вибір і розрахунок муфт

 

222

 

1. Призначення та класифікація муфт. Застосування муфт

 

Муфтами в деталях машин називають вироби, що з’єднують вали і передають крутний момент. Застосування муфт пов’язане з тим, що багато машин, зокрема і їх урухомники, компонують із окремих складанних одиниць, що мають вихідні та вхідні вали. Крім з’єднання валів і передавання крутних моментів муфти можуть виконувати і інші функції, такі як компенсування похибок взаємного розміщення валів (див. рис. 11.1), зменшення динамічних навантажень, з’єднання і роз’єднання валів без зупинення двигуна, автоматично керувати роботою машини, запобігати поломці деталей машин від перевантажень.

Изображение 002

Рис. 11.1. Схеми похибок взаємного розміщення валів

 

За функціями, які можуть виконувати муфти, їх можна поділити на п’ять класів: глухі, компенсаційні або рухомі, зчіпні, автоматичні або самокеровані та запобіжні. Існують й інші класифікації муфт.

 

2. Конструкція муфт. Стислі відомості про вибір і розрахунок муфт

У машинах і їх урухомниках використовують муфти різноманітних конструкцій. Найбільш широко використовують стандартизовані муфти. Стандартні муфти не розраховують, а вибирають за діаметром  з’єднуваних валів і розрахунковим крутним моментом .

                                      ,                                 (11.1)

де  – номінальний крутний момент на валах;  – коефіцієнт, що враховує короткочасні перевантаження або режим роботи муфти. Залежно від режимів роботи машин  і вибирається із довідкової літератури. Далі наведені конструкції муфт із різних класів і їх перевірні розрахунки.

Глухі муфти – призначені для жорсткого з’єднання валів і передавання крутного моменту. Інших функцій вони не виконують. Такі муфти є втулкові (рис. 11.2), фланцеві (рис. 11.3) і клемові (рис. 11.4).

Втулкова муфта – суцільна втулка, яка насаджується на кінці валів, які підлягають з’єднанню. З’єднання суцільної втулки з валами здійснюється за допомогою штифтів (рис. 11.2а), або шпонок (рис. 11.2б), або шліців.

 

mufta_vtulochnaja

 

Изображение 003

Рис. 11.2. Схема втулкової муфти

Втулкові муфти застосовують для діаметрів валів . Матеріал втулок – сталь 40, 45, а за великих розмірів – чавун СЧ18, СЧ20. Штифти виготовляють із сталей 45, 50. Міцність муфти оцінюється міцністю самої втулки і міцністю з’єднання її з валами.

Перевірний розрахунок втулки виконують за умовою міцності на кручення:

                            .                      (11.2)

Перевірний розрахунок штифтів  виконують за умовою міцності на зріз:

                                .                         (11.3)

Тут розрахункові розміри відповідають позначенням на рис. 11.2а. Допустимі напруження за розрахунків беруть , а . Перевірні розрахунки шпонкового або шліцевого з’єднання виконані у темі 14.

Фланцева муфта (рис. 11.3) складається з двох півмуфт, виконаних у вигляді фланців, які насаджені на кінці валів і з’єднані між собою болтами: із зазором (чорновими) – рис. 11.3, варіант 1; без зазору (чистовими) – рис. 11.3, варіант 2.

 

mufta_flancevaja

 

Изображение 004

Рис. 11.3. Схема фланцевої муфти

 

У варіанті 1 момент   передається за рахунок моменту сил тертя, що виникає у площині стику півмуфт від затягування болтів, а у варіанті 2 – безпосередньо болтами, які знаходяться під дією деформацій зрізу і зминання.

Фланцеві муфти стандартизовані (ГОСТ 20761-80) для валів . Півмуфти виготовляють із сталі 35, сталевого литва 35Л або з чавунного литва. Болти, що ставляться зі зазором виготовляють із сталі Ст.3, а болти, що ставляться без зазору – зі сталей 40, 45.

Роботоздатність фланцевої муфти оцінюють міцністю болтового з’єднання фланців. Перевірочні розрахунки таких болтових з’єднань показано у темі 13.

Клемова муфта (рис. 11.4) складається з двох півмуфт 1 і 2 з клемами, розділених по площині, яка проходить через поздовжні осі валів і з’єднані між собою болтами 3. У малих муфтах момент  передають за рахунок моменту сил тертя, що виникає у площині стику півмуфт з валом від затягування болтів. У великих муфтах для надійності роботи додатково ставлять призматичну шпонку.

 

din_115

 

Изображение 005

Рис. 11.4. Схема клемової муфти

 

Роботоздатність клемової муфти оцінюють міцністю клемового болтового з’єднання. Перевірні розрахунки таких болтових з’єднань розглянуті у темі 13.

Компенсувальні (рухомі) муфти можна розділити на два підкласи – жорсткі і пружні. Жорсткі компенсувальні муфти, крім з’єднання валів і передавання моментів, можуть компенсувати похибки взаємного розміщення валів (див. рис. 11.1). Для прикладу, тут розглянуті кулачково-дискова (рис. 11.5) і зубчаста (рис. 11.6) муфти. Пружні компенсувальні муфти, крім з’єднання валів і передавання моментів, можуть компенсувати похибки взаємного розміщення валів (див. рис. 11.1) та зменшувати динамічні навантаження. Для прикладу, тут розглянуті пружна втулково-пальцева (рис. 11.7) і пружна з металевою змієподібною пружиною (рис. 11.8) муфти.

Кулачково-дискова муфта (рис. 11.5) складається з двох півмуфт 1 і 3, що взаємодіють між собою через проміжний диск 2. На внутрішніх торцях півмуфт 1 і 3 виконані діаметрально розміщені пази, а проміжний диск 2 на обох торцях має взаємно перпендикулярні виступи – кулачки. Ці кулачки на проміжному диску 2 входять у пази півмуфт 1 і 3. Кулачково-дискова муфта забезпечує компенсацію похибок  ,  і  . Кулачково-дискові муфти стандартизовані (ГОСТ 20720-81) для валів .

Неспівосність валів призводить до ковзання проміжного диска відносно півмуфт і спрацювання кулачків. Інтенсивність спрацювання зростає зі збільшенням неспіввісності та кутової швидкості валів. Деталі кулачково-дискових муфт виготовляють із сталей Ст.5 або 45Л. Для важконавантажених муфт застосовують леговані сталі 15Х, 20Х із цементацією робочих поверхонь.

 

ocanimationsmall

 

Изображение 006

Рис. 11.5. Схема кулачково-дискової муфти

 

Роботоздатність кулачково-дискової муфти визначається стійкістю робочих поверхонь кулачків і пазів півмуфт проти спрацювання. Є два підходи оцінювання зносостійкості: коли забезпечується мащення поверхонь – обмежують питомий тиск ; коли не забезпечується мащення поверхонь – обмежують напруження зминання під час передавання муфтою моменту  .

                        ,             (11.4)

де  – зовнішній діаметр муфти; – діаметр вала; – висота кулачка. Допустимий тиск і допустимі напруження зминання приймають залежно від матеріалу, термообробки і умов роботи муфт  , а  .

Зубчаста муфта (рис. 11.6) складається з півмуфт 1 і 2, що мають зовнішні зубчасті вінці, і роз’ємної обойми 3 з двома внутрішніми зубчастими вінцями. Дві половини обойми 3 з’єднуються між собою за допомогою чистових болтів. Зуби півмуфт 1 і 2 та обойми 3 мають евольвентний профіль. Зубчаста муфта забезпечує компенсацію похибок  ,  і  , бо її зубчасте зачеплення виготовляють із гарантованим боковим зазором і з можливістю вільного осьового зміщення сполучених зубів, а самі зуби мають бочкоподібну форму зі сферичною зовнішньою поверхнею. Зубчасті муфти стандартизовані (ГОСТ 5006-83) для валів .

 

htmlconvd-6hhzwB_html_54956256

 

Деталі зубчастих муфт виготовляють із вуглецевих сталей марок 45, 50 або 40Х. Для підвищення зносостійкості зубів їх термообробляють до твердості . Тихохідні муфти можна виготовляти із твердістю зубів .

Компенсація неспівосності валів супроводжується неперервним ковзанням у контакті зубів і відповідним їх зносом. Для зменшення зносу зубів в обойму муфти заливають рідке мастило високої в’язкості.

Изображение 007

Рис. 13.6. Схема зубчастої муфти

 

Роботоздатність зубчастої муфти оцінюють стійкістю робочих поверхонь зубів проти прискореного спрацювання і визначають за умовою питомого тиску:

                            ,                    (11.5)

де – ширина зубчастого вінця; – модуль зубів; – число зубів;  – допустимий питомий тиск.

Пружна втулково-пальцева муфта (рис. 11.7) складається з двох півмуфт 1 і 2, гумових втулок 3 і пальців 4. На пальцях 4 розміщені гумові втулки 3. Пальці 4 нерухомо закріплені у півмуфті 1, а гумові втулки 3 взаємодіють з півмуфтою 2. Пружність муфти забезпечується деформацією гумових втулок 3 під час передавання моменту . Пружна втулково-пальцева муфта забезпечує компенсацію похибок  ,  і  . Пружні втулково-пальцеві  муфти стандартизовані (ГОСТ 21424-75) для валів .

 

МУВП

 

Півмуфти виготовляють із чавуну СЧ20, сталі 30 або 35Л. Матеріал пальців – сталь 45, а втулок – гума з границею міцності під час розтягування не менш ніж 8 МПа.

Роботоздатність пружних втулково-пальцевих муфт оцінюють міцністю на згин пальців та на зминання гумових втулок.

Изображение 008

Рис. 11.7. Схема пружної втулково-пальцевої муфти

 

Умова міцності на згин пальців:

                                 .                    (13.6)

Умова міцності на зминання втулок:

                             .                      (13.7)

Тут, у цих формулах:  – діаметр кола розміщення пальців;  – число пальців;  – діаметр пальця;  – довжина пальця; – довжина втулки. Допустимі напруження на згин пальців , а допустимі напруження на зминання втулок .

Муфта із змієподібною пружиною (рис. 11.8) складається з двох півмуфт 1 і 2, із зубами 3 спеціального профілю, між якими розміщена змієподібна пружина 4. Кожух 5 утримує пружину в робочому положенні, захищає муфту від пилу і служить ємкістю для мастила. Пружність муфти забезпечується деформацією змієподібної пружини 4 під час передавання моменту . Муфта зі змієподібною пружиною забезпечує компенсацію похибок  ,  і  .

 

p_acoplamentos-mecanicos-4

 

Роботоздатність муфт зі змієподібною пружиною оцінюється міцністю пружини і вібростійкістю. Викладення розрахунків таких муфт громіздка  і тому тут не наведена. З нею можна ознайомитися у підручниках з деталей машин.

Изображение 009

Рис. 11.8. Схема муфти зі змієподібною пружиною

Зчіпні муфти належать до тих, за допомогою яких з’єднують і роз’єднують вали під час зупинення і роботи урухомника. Ці муфти поділяють на кулачкові та фрикційні.

Кулачкова муфта (рис. 11.9) у найпростішому вигляді складається із двох півмуфт 1 і 2, на торцях яких розміщено кулачки. Півмуфту 1 закріпляють на валу нерухомо, а півмуфта 2, що знаходиться на другому валу, може переміщатися уздовж нього. Рухому півмуфту 2 переміщають за допомогою спеціального пристрою – механізму керування муфтою. Із введенням у зачеплення кулачків двох півмуфт момент передається від одного вала до другого. Кулачкова муфта вимагає достатньо високої точності центрування валів тому, що перекоси різко зменшують надійність її роботи.

 

agfc82s-960

 

Вмикання кулачкових муфт під час обертання валів супроводжуються ударами. Такі муфти не рекомендують використовувати для вмикання урухомників під навантаженням.

Конструктивно кулачкові муфти відрізняються формою кулачків – прямокутні або трапецієподібні. У муфтах з трапецієподібним профілем кулачків виникають осьові сили. Тому кут   трапецієподібного профілю вибирається у межах .

Півмуфти кулачкових муфт виготовляють із сталей, що підлягають цементації, 15, 20, 15Х, 20Х, а за великих розмірів – із сталей 45, 40Х, 40ХН. Твердість кулачків має бути .

Изображение 011

Рис. 11.9. Схема кулачкової муфти

 

Роботоздатність кулачкових муфт оцінюється міцністю робочої поверхні кулачків, яка залежить від напружень зминання. За рівномірного розподілу навантаження між усіма кулачками

                                  .                            (11.8)

Тут розрахункові розміри відповідають позначенням на рис. 11.9, а  – число кулачків. Допустиме напруження зминання  рекомендують брати: вмикання за зупиненого урухомника ; вмикання муфти під час обертання валів .

Фрикційні муфти передають момент за рахунок тертя на робочих поверхнях їхніх деталей. Під час вмикання фрикційних муфт момент  зростає поступово-пропорційно збільшенню сили притискання поверхонь тертя.

Фрикційні муфти за формою поверхонь тертя є таких видів: дискові (рис 11.10), конусні (рис. 11.11), барабанного типу (циліндричні) (рис. 11.12).

Дискові фрикційні муфти є із однією парою поверхонь тертя (рис. 11.10а)

 

111

 

 і з багатьма парами поверхонь тертя (рис. 11.10б).

 

mufta-v-razreze

 

 

 

У першому випадку муфта складається з двох півмуфт 1 і 2, притиснутих одна до іншої своїми торцевими площинами. Керування муфтою здійснюється за рахунок осьового зміщення на валу півмуфти 2 спеціальним механізмом. У другому випадку муфта складається з двох півмуфт 1 і 2, групи дисків – зовнішніх 3 і внутрішніх 4, натискного диска 5, який переміщається в осьовому напрямку. Зовнішні диски 3 з’єднані за допомогою шліців з півмуфтою 1, а внутрішні диски 4 з’єднані за допомогою шліців з півмуфтою 2. Вмикання та вимикання муфти здійснюється натискним диском за допомогою механізму керування.

Потрібна сила притискання дисків:

                                     ,                             (11.9)

де  – коефіцієнт тертя ковзання на торцевих поверхнях дисків;  – число пар поверхонь тертя.

 

Изображение 013

Рис. 11.10. Схеми фрикційних дискових муфт

 

Як матеріали дисків застосовують загартовані сталі, чавуни, обкладки із азбесту або спеченого матеріалу.

Основним критерієм роботоздатності таких муфт є зносостійкість поверхонь тертя, яку оцінюють питомим тиском:

 

                               .                         (11.10)

 

Допускається тиск для дисків  і залежить від пари матеріалів поверхонь тертя дисків.

Конусна фрикційна муфта (рис. 11.11) має дві півмуфти 1 і 2, які стикуються між собою на конічних поверхнях.

 

112

 

Вмикання і вимикання муфти здійснюється осьовим переміщенням на валу півмуфти 2. Потрібна сила притискання півмуфт 1 і 2

                                   .                               (11.11)

 

Изображение 014

 

Рис. 11.11. Схема конусної фрикційної муфти

 

Як матеріали півмуфт застосовують сталі, чавуни, обкладки із азбесту або спеченого матеріалу.

Основним критерієм роботоздатності таких муфт є зносостійкість поверхонь тертя, яку оцінюють питомим тиском:

 

                                       .                   (11.12)

 

Про допустимий питомий тиск, який залежить від пари матеріалів поверхонь тертя сказано вище.

Фрикційна муфта барабанного типу (циліндрична) (рис. 11.12) розглянута на прикладі шинопневматичної муфти. Між півмуфтами 1 і 2 розміщено гумову шину 4 і прикріплено до півмуфти 1. Гумова шина 4 на внутрішній поверхні покрита набором колодок 3 з антифрикційного матеріалу. За допомогою штуцера 5 внутрішня камера шини сполучена з повітряною магістраллю керування. Під час подання повітря у камеру шини 4 колодки 3 притискаються до півмуфти 2 зі силою необхідною для передавання крутного моменту.

Основним критерієм роботоздатності таких муфт є зносостійкість циліндричних поверхонь тертя, яку оцінюють питомим тиском:

 

                                               .                         (11.13)

Про допустимий питомий тиск, який залежить від пари матеріалів поверхонь тертя сказано вище.

 

Изображение 015

Рис. 11.12. Схема фрикційної муфти барабанного типу

 

Автоматичні муфти автоматично з’єднують або роз’єднують вали, якщо параметри роботи машини недопустимі за тими чи іншими показниками. До них відносять відцентрові та обгінні муфти.

Відцентрові муфти за конструкцією дуже різноманітні. Їми керує відцентрова сила.

 

scepleie

 

На рис. 11.13 зображено принципову схему відцентрової муфти, яка складається з півмуфти 1, у пазах якої розміщені колодки 2, що утримуються пружинами 3, і півмуфти 4 у вигляді барабана.

Під час обертання півмуфти 1 колодки 2 знаходяться під дією відцентрової сили  та сили пружини . Якщо швидкість вала мала, то  – муфта не передає крутного моменту, тому що колодки 2 не притискаються до півмуфти 4. Із збільшенням кутової швидкості   зростає відцентрова сила , а за  колодки 2 притискаються до барабана 4 і за рахунок сил тертя передається крутний момент. Зі зменшенням кутової швидкості   муфта розмикається.

Для передавання муфтою розрахункового крутного моменту  має виконуватися рівність:

                                               ,                             (11.14)

де  – коефіцієнт тертя між колодками і барабаном; – число колодок у муфті.

Відцентрова сила, що діє на колодку під час роботи муфти у розрахунковому режимі:

                                                       ,                                 (11.15)

де   – маса колодки.

Изображение 016

 

Рис. 11.13. Схема відцентрової муфти

 

Сила пружини, що утримує колодку, дорівнює відцентровій силі у момент вмикання муфти, тобто, коли кутова швидкість півмуфти 1 має значення  . Тоді:

                                              ,                                          (11.16)

                                             .                     (11  .17)

Основним критерієм роботоздатності таких муфт є зносостійкість колодок і барабана, яка оцінюється питомим тиском

                                       ,                                  (11.18)

де  – площа контакту колодки з барабаном.

Про допустимий питомий тиск , який залежить від пари матеріалів поверхонь тертя сказано вище.

Обгінні муфти (рис. 11.14) передають крутний момент в одному напрямі.

 

obgonnaja-mufta-generatora-princip-raboty-zamena-3

 

Вони складаються із півмуфти 1 у вигляді зірочки, півмуфти 2 у вигляді обойми, кульок або роликів 3 і притискних пристроїв 4. Під час роботи муфти кульки або ролики 3 силами тертя затягуються в бік звуження зазору між обоймою 2 та зірочкою 1 і заклинюються. Притискні пристрої 4 у муфті утримують ролики 3 у постійному контакті з обоймою 2 і зірочкою 1.

В обгінних муфтах використовують стандартні ролики із ролико-вальниць, а обойму і зірочку виготовляють із сталей ШХ 15, 20Х.

Изображение 017

 

Рис. 11.14. Схема обгінної муфти

Основним критерієм роботоздатності таких муфт є міцність ролика і робочих поверхонь зірочки і обойми, яку оцінюють поверхневими контактними напруженнями:

 

                                      ,                    (11.19)

де   – коефіцієнт, що враховує механічні властивості матеріалів спряжених деталей;  – число роликів;  – діаметр ролика;  – довжина ролика;  – кут заклинювання ролика;  – допустимі контактні напруження.

Запобіжні муфти використовують для захисту окремих деталей машин від перевантажень. Вони є із неруйнованими та з руйнованими елементами. До муфт із неруйнованими елементами можна віднести описані раніше кулачкові та фрикційні муфти.

Запобіжні кулачкові муфти подібні до зчіпних муфт, але вони не мають механізму примусового керування. Тут півмуфти замикає сила стиснутих пружин. Для осьового зміщення рухомої півмуфти кут профілю кулачків . У разі перевантаження муфта спрацьовує – кулачки виходять із зачеплення, що супроводжується тріском, двигун зупиняється. Запобіжні кулачкові муфти стандартизовані (ГОСТ 15620-77).

 

large

 

 

 

Подібні до запобіжних кулачкових муфт є запобіжні кулькові муфти. Вони стандартизовані за  ГОСТ 15621-77.

 

333

Запобіжні фрикційні муфти відрізняються від зчіпних фрикційних муфт відсутністю механізму керування. Ці муфти замикаються силою стиснутих пружин. Запобіжні фрикційні муфти стандартизовані (ГОСТ 15622-77).

У режимі запобіжних муфт із неруйнівним елементом із обмеженням робочого навантаження можуть працювати і автоматичні муфти – відцентрова та обгінна.

До муфт з руйнованими елементами відносять муфти із зрізним штифтом.

Муфта із зрізним штифтом (рис. 11.15) складається з двох півмуфт 1 і 2, сполучених між собою штифтами 3. Число штифтів у муфті , рідше . Матеріал штифтів – середньовуглецева сталь.

Изображение 018

 

Рис. 11.15. Схема муфти із зрізним штифтом

 

Максимальний крутний момент, за якого відбувається зріз штифтів

                                               .                         (11.20)

Якщо для муфти відомий максимальний крутний момент  , тоді потрібний діаметр штифта можна визначити за формулою

                                                     .                           (11.21)

Границю міцності на зріз   можна наближено визначити залежно від границі міцності на розтяг   матеріалу штифта .

В урухомниках машин застосовуються і комбіновані муфти.

 

м287

 

Запитання для самоконтролю

1.        Які вироби називають муфтами?

2.        Яке призначення муфт?

3.        На які класи ділять муфти за їх функціями?

4.        Для чого призначені глухі муфти і які вони є?

5.        Яке призначення компенсаційних муфт, які вони є?

6.        Для чого призначені зчіпні муфти і які вони є?

7.        Яке призначення автоматичних, самокерованих муфт?

8.        Які функції виконують запобіжні муфти?

 

 

 

Попередня тема                                     Теоретичні відомості                                     Наступна тема