И особенности их применения

Многообразие механических муфт и возможность сложного их комбинирования затрудняет строгую типизацию подобных устройств. Упрощенный вариант классификации, распространенный в технической литературе [1; 2], показан на рис. 1.2. Отличие предлагаемой классификации от приведенной в источниках заключается в том, что она построена в иерархической последовательности, обеспечивающей формализацию этапа подбора типа и типоразмера изучаемых устройств в интерактивном диалоге, суть которого изложена во втором разделе пособия.

Рассматриваемые по первичному классификационному функциональному признаку муфты подразделяются по классам на нерасцепляемые, расцепляемые самодействующие (автоматические), расцепляемые управляемые (сцепные). Муфты первого класса не допускают разобщения валов без их разборки или демонтажа одного из соединяемых элементов. Расцепляемые муфты обеспечивают разобщение валов без остановки двигателя. При этом в муфтах второго типа разобщение происходит автоматически при достижении установленного значения параметра (T, n и т.д.). В соответствии с перечисленными характерными свойствами каждого из указанных типов муфт можно определить и особенности применения каждого из них.

Нерасцепляемые муфты применяют в машинах и механизмах, в которых при их эксплуатации не требуется разобщение соединяемых элементов либо подобные разобщения производятся на остановленных технических объектах с целью проведения профилактических, ремонтных и других плановых работ и при аварийных ситуациях. В функциональном плане среди нерасцепляемых принято выделять муфты: жесткие неподвижные, жесткие компенсирующие и упругие компенсирующие в зависимости от типа связи соединяемых валов (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Классификация муфт

Жесткие неподвижные муфты образуют жесткое соединение валов, к соосности которых предъявляются повышенные требования. Допустимое радиальное смещение осей валов не должно превышать (3 … 5) мкм. Отечественные серийные муфты данного типа производятся для передачи крутящих моментов Т = =(1,0 …40000)Н*м при соединении валов диаметром от 6 до 250 мм. Они могут работать в диапазоне частот вращения от 100000 до 250 об/мин и ниже.

Жесткие компенсирующие муфты также осуществляют жесткое соединение валов, но при этом обеспечивают возможность их сопряжениия при определенном уровне осевых, радиальных, угловых и комбинированных смещений осей валов. Жесткие компенсирующие муфты отечественными стандартами регламентируются в диапазоне диаметров соединяемых валов от 8 до 200 мм и номинальных крутящих моментах от 11 до 12000 Н*м. Подобные муфты обладают высокой нагрузочной способностью, сравнительно малыми габаритами и могут применяться при частотах вращения, не превышающих 12000 об/мин.

Муфты упругие компенсирующие наряду с непосредственным соединением валов выполняют функции снижения динамических нагрузок, устранения опасности резонанса крутильных колебаний и компенсации несоосности валов. Компенсирующие возможности упругих муфт, также как и чисто компенсирующих, характеризуют комплексом смещений соединяемых валов (осевого, радиального и углового). Отечественные серийные муфты данного типа регламентируются для передачи крутящих моментов Т = (2.5 …40000)Н*м при соединении валов диаметром от 6 до 240 мм. Они могут работать в диапазоне частот вращения, не превышающих 5500 об/мин.

Для параметрической оценки возможности снижения динамических нагрузок и устранения опасности резонансных явлений вводят понятия жёсткость и демпфирующая способность.

Жесткостью называют способность технического объекта сопротивляться деформациям при нагружении, для количественной оценки которой используют зависимость между величиной нагрузки и деформацией. Применительно к муфтам, нагружаемым крутящим моментом Т, это зависимость угла относительного поворота полумуфт φ = f(T). Если на ободах ненагруженной муфты нанести совпадающие риски, то при её нагружении за счет деформаций риски полумуфт повернутся относительно друг друга на угол φ (рис. 1.3 а). Функцию φ = f(T) называют упругой характеристикой муфты, а параметр Cφ =dT/dφ крутильной жесткостью. Эта функция для муфт линейна при постоянной (Cφ =T/φ) и нелинейна при переменной жесткости (рис. 1.3 б), муфты нелинейной жесткости могут иметь жесткую (нижняя кривая) или мягкую (верхняя кривая) характеристики.

Рис. 1.3. К характеристике жестких упругих муфт:

а – угол относительного поворота полумуфт при нагружении;

б – упругие характеристики муфт постоянной и переменной жесткости

В нелинейных муфтах с жесткой характеристикой жесткость растет с увеличением угла закручивания (сравните жёсткость в точках 1 и 2 – Сφ1 и Сφ2). Такое свойство выгодно использовать в машинах, у которых нагрузка растет пропорционально квадрату скорости. Постоянную жесткость имеют муфты с использованием в силовой цепи материалов с упругими характеристиками, соответствующими закону Гука (металлических деформируемых элементов, к примеру). Переменная жесткость характерна для муфт, использующих неметаллические упругие элементы, физико-механические свойства которых не регламентируется законом Гука. Переменная жесткость также может иметь место и в муфтах с металлическими упругими элементами при помощи специальных конструктивных приемов (см. подраздел 1.3.1, 1.3.2.). Муфты постоянной жесткости лишь позволяют снизить уровень динамической нагрузки, в то время как при переменной жесткости появляется дополнительная возможность исключить явления резонанса и значительно снизить интенсивность колебательных процессов. Как известно, резонанс наступает при совпадении частот собственных колебаний системы fc и внешних возмущающих воздействий f_воз. В случае применения муфт переменной жесткости при приближении f_c к границе резонанса наблюдается рост амплитуды колебаний, вызывающей изменения и собственной частоты. Например, для простейшей двухмассовой системы

.

Очевидно, что изменения Сφ и соответственно fc приводят к выводу упругой системы из обозначенной зоны. В этом выражении I₁ и I₂ – приведенные к ведущей и ведомой полумуфте моменты инерции.

Демпфирующая способность характеризует величину кинетической энергии удара, необратимо поглощаемой муфтой за счет ее преобразования в потенциальную и тепловую энергию. Подобные преобразования связаны с деформированием упругого элемента и внешним и внутренним трением, сопровождающим этот процесс. Известно, что поглощаемая энергия пропорциональна площади петли гистерезиса, образующейся между ветвями упругой характеристики при нагружении и разгрузке деформируемого элемента, как это показано на рис. 1.3 б применительно к муфте постоянной жесткости (заштрихованная площадка). Для количественной оценки демпфирующих свойств упругих элементов используют коэффициент демпфирования

,

где – площадь петли гистерезиса; а – полная площадь под упругой характеристикой муфты при ее нагружении (площадь треугольника ОАВ).

Расцепляемые самодействующие муфты применяются в машинах и механизмах, требующих разобщения мотора и исполнительного устройства при параметрах работы, которые не отвечают установленным границам. В качестве примера целесообразности применения расцепляемых самоуправляемых муфт могут служить разнообразные рассматриваемые устройства, которые автоматически разобщают силовую цепь машины при повышении нагрузки в ней в связи с непредусмотренным увеличением сопротивления на рабочем органе, аварийным заклиниванием элементов машин, механизмов и т.п. Отечественные серийные муфты данного типа регламентируются для передачи крутящих моментов Т = (4,0 …400)Н*м при диаметрах отверстий от 8 до 48 мм. Они могут работать в диапазоне частот вращения, не превышающих 3000 об/мин.

Расцепляемые самодействующие муфты в функциональном плане дополнительно классифицируют по типу связи в зависимости от вида управляющего параметра для соединения ведущего и ведомого элементов на предохранительные, обгонные и центробежные (рис. 1.2). Муфты предохранительные жестко соединяют (или разобщают) валы при значении крутящего момента, не превышающем (или превышающем) установленной предельно-допустимой нагрузки. В обгонных муфтах, или муфтах свободного хода, соединение валов происходит при передаче движения в одном направлении вращения ведомого вала с частотой, не превышающей частоты ведущего. Наконец центробежные муфты предназначены для соединения или разобщения валов при определённом уровне скорости ведущего звена.

Расцепляемые управляемые муфтыприменяются для соединения элементов машин и механизмов, в которых при их работе необходимы частые кратковременные разобщения энергоисточника и исполнительного органа без остановки двигателя на основе действий оператора или автоматического устройства, управляющих работой машины. К примеру, в случае необходимости останова сборочных конвейеров для проведения технологических операций сборки, при необходимости отключения отдельных исполнительных механизмов в случае привода от одного двигателя нескольких параллельно работающих устройств. Характерным примером расцепляемых управляемых муфт являются муфты сцепления в автомобилях. В качестве дополнительного функционального признака, классифицирующего тип связи и способ разобщения валов, в расцепляемых управляемых муфтах механического принципа действия принимают именно способы разобщения валов с применением механических, гидравлических и электромагнитных переключателей. В конструктивном плане рассматриваемые муфты устроены так же, как и расцепляемые самодействующие. При этом заметим, что в практике курсового проектирования по дисциплине «Детали машин и основы конструирования» подобные муфты используются сравнительно редко. В связи с указанными обстоятельствами и ограниченным объемом пособия отмеченные муфты в дальнейшем не рассматриваются.