Муфты нерасцепляемые жесткие

Основная функция муфт – соединение валов с целью передачи крутящего момента, в компенсирующих муфтах дополнена возможностью качественного соединения валов, которые имеют осевые, радиальные, угловые и комбинированные смещение их осей (см. рис. 1.1). Муфты рассматриваемого типа являются одними из наиболее распространенных. В этом функциональном классе муфт в зависимости от конструктивных признаков выделяют муфты: зубчатые, цепные, кулачково-дисковые, дисковые и шарнирные

(см. рис. 1.2).

Муфты зубчатые (рис. 1.8) обладают наибольшей нагрузочной способностью и надежностью среди муфт жестких компенсирующих; они обеспечивают устойчивую работу при окружных скоростях в зацеплении до 25 м/с и частотах вращения (5400…1200) об/мин. Отечественные серийные муфты (ГОСТ 5006 – 96) выпускаются в диапазонах номинальных крутящих моментов (1000…63000) Н*м и диаметров посадочных отверстий (40…200) мм с удельной массой в указанном диапазоне (0,007 – 0,04) Н*м; они обладают высокими компенсирующими свойствами по всем видам несоосности. Значения допустимых радиальных и угловых смещений являются взаимозависимыми. В табл. 1.1, содержащей технические характеристики серийных отечественных зубчатых муфт, приведены средние величины Δr и Δα. Более подробно см. [1, с. 20] и приложение В (ГОСТ 5006 – 96). Указанным стандартом предусмотрены три типа муфт: с разъемной обоймой, с промежуточным валом и неразъемной обоймой. Кроме того, полумуфты подразделяются по двум исполнениям: с цилиндрическими (исполнение 1) и коническими (исполнение 2) отверстиями для коротких концевиков валов. Исполнение 1 предусмотрено для всех трех типов, а исполнение 2 – только в первом и третьем типах.

Простейшая зубчатая муфта (рис. 1.8) состоит из практически взаимозаменяемых ведущей 1 и ведомой 4 полумуфт с внешними зубьями, двух практически одинаковых зубчатых обойм 2 и 3 с внутренними зубьями, которые скрепляются друг с другом болтовым соединением 7. К зубчатым обоймам крепятся винтами 9 крышки 8 со встроенными в них манжетными уплотнениями 10. В одной из зубчатых обойм выполняется отверстие, закрываемое резьбовой пробкой, которое служит для заливки смазки в полость муфты. Зубчатые муфты имеют значительное количество конструктивных разновидностей. К примеру, указанный стандарт, кроме описанного типа, содержит также муфты с неразъемной зубчатой обоймой и с промежуточным валом.

Рис. 1.8. Конструкция муфты зубчатой

Описываемая муфта часто встречается в различных механизмах, в которых наружные зубья формируются непосредственно на валах, а зубчатая обойма с внутренними зубьями закрепляется на приводимый в движение элемент механизма. Принцип работы муфты очевиден из рис. 1.8. Передача момента между ведущей и ведомой полумуфтами и зубчатыми обоймами происходит за счет зацепления зубьев, а между обоймами – с помощью болтового соединения. Компенсирующие возможности обеспечиваются радиальными и осевыми зазорами зубчатого зацепления. Для повышения уровня компенсации углового перекоса зубьям придают бочкообразную форму.

Муфты цепные (рис. 1.9) менее требовательны по сравнению с зубчатыми к точности изготовления, что естественно сказывается на их быстроходности. Такие муфты применяются при частотах вращения (1500…660) об/мин в указанном ниже диапазоне диаметров соединяемых валов. Они обеспечивают монтаж соединяемых элементов машин без их осевых смещений, допускают значительные комбинированные смещения осей валов за счет зазоров между зубьями звездочек, зазоров в шарнирах цепи (в среднем допустимые радиальные зазоры не превышают 0,7 мм, а угловые – 1 градуса). Вместе с тем повышенные зазоры ограничивают использование муфт в реверсивных приводах и приводах с динамическими нагрузками.

Серийно цепные муфты (ГОСТ 20742 – 93) производят для соединения валов диаметром (20…180) мм и передачи моментов (63 … 16000) Н*м, удельная масса в этом диапазоне составляет (0,03…0,07) Н*м. Стандартом предусмотрены два типа цепных муфт: с однорядной и двухрядной цепями (см. рис. 1 а, в). Каждый из типов может изготовляться с полумуфтами четырех исполнений. Исполнения 1 и 2 предназначены для коротких концевиков валов цилиндрической и конической форм соответственно и шпоночных соединений. Исполнения 3 и 4 имеют цилиндрические отверстия с прямобочными шлицами средней серии (исполнение 3) и эвольвентными шлицами (исполнение 4). Применение двухрядной цепи обеспечивает повышенные компенсирующие возможности. Принцип действия муфт основан на передаче нагрузки с зуба ведущей звездочки на цепь и далее на зуб ведомой. Компенсирование несоосности валов при этом обеспечивается за счет радиальных, боковых и осевых зазоров между зубьями и элементами цепи, а также зазоров в самой цепи. Технические характеристики стандартных цепных муфт приведены в таблице 1.1.

Конструкция муфты, представленной на рисунке, состоит из двух практически одинаковых полумуфт 1 и 7, насаживаемых на ведущий и ведомый валы, которые соединяются при помощи замкнутой петли однорядной (рис. 1.9 а, б) или двухрядной (рис. 1.9 в) цепи 5. Объединенный силовой блок муфты закрывается разъемным кожухом, состоящим из двух практически одинаковых частей 11 и соединяемых с помощью крепежа, который включает болт 3 с гайкой 9 и шайбой 10. В одной из частей кожуха делается резьбовое отверстие для подачи смазки в полость кожуха, закрывающееся специальной пробкой 4. Для исключения вытекания смазки и предотвращения попадания абразивной пыли в узел трения в кожухе имеются пазы, в них устанавливаются уплотнительные кольца 8. С целью исключения проворачивания кожуха относительно полумуфт в одну из них вворачивается фиксирующий винт 6, который при сборке заводится в специальное углубление одного из полукожухов. Указанным стандартом предусматривается применение муфт без кожуха при номинальном крутящем моменте не более 1000 Н*м и частоте вращения не превышающей 600 об/мин.

Рис. 1.9. Конструкция муфты цепной: а, б – типа 1 с однорядной цепью;

в – типа 2 с 2-рядной цепью

Муфты кулачково-дисковые (рис. 1.10) являются наиболее простыми в изготовлении из группы жестких компенсирующих. Они могут передавать высокие нагрузки при значительных радиальных и угловых смещениях осей валов: радиальных Δr <0,05dm (dm – диаметр отверстия под вал) и угловых Δα – до 1°. Повышенное трение в муфте и интенсивный износ обусловливает ограничение максимальной скорости вращения до (240 … 100) об/мин. Быстрый износ трущихся поверхностей приводит к увеличению зазоров и ограничению использования подобных муфт в реверсивных приводах. Стандартом (ГОСТ 20720 – 93) предусматривается использование муфт для крутящих моментов (16…16000) Н*м и диаметрах соединяемых валов (16…150) мм. Удельная масса кулачково-дисковых муфт составляет (0,012…0,09) кг/Н*м. Стандартные полумуфты имеют четыре исполнения: с цилиндрическими отверстиями для длинных (исп.1) и коротких (исп.2) концевиков и с коническими отверстиями для длинных (исп.3) и коротких (исп.4)концевиков. Технические характеристики стандартных кулачково-дисковых муфт приведены в таблице 1.1.

Силовыми элементами муфты (рис. 1.10) являются одинаковые по конструкции полумуфты 13, имеющие радиальные пазы на торцевых поверхностях, и промежуточный диск 11 с взаимно перпендикулярными кулачками на противоположных его торцах. При сборке кулачки вводятся в пазы обеих полумуфт и за счет зацепления кулачков с поверхностями пазов передают крутящий момент. Наличие смещения осей валов при вращении полумуфт приводит к относительному перемещению рабочих поверхностей. Для снижения трения и износа трущихся поверхностей к последним подают смазку и защищают их от попадания абразивной пыли. Этой цели служит защитный кожух, выполняемый практически из одинаковых полукожухов 6 и 12, скрепляемых между собой винтами 7 с шайбами 8. Полукожухи фиксированы от осевых смещений винтами 3 с шайбами 4 на одной из полумуфт. Для герметичности полости с силовыми элементами в кожух устанавливается манжетное уплотнение 10, закрепляемое кольцом 9, и паранитовые прокладки по разъему полукожухов. Смазка в полукожухе подается через отверстие, закрываемое пробкой 5. От осевых смещений полумуфты удерживаются винтами 2 с пружинными кольцами 1. Недостаток данного типа муфт – непостоянство угловой скорости ведомого элемента в пределах одного его оборота.

Дисковые полужесткие муфты (рис. 1.11) просты в конструктивном исполнении, обладают высокой нагрузочной способностью, надежностью и быстроходностью, не требуют ухода в эксплуатации. Они могут компенсировать незначительные осевые до 0,5 мм и угловые до (0,5 … 1)° смещения осей валов, но не допускают смещений радиальных. Для отечественных серийных муфт (ГОСТ 26455 – 97) диапазон передаваемых моментов составляет (40…6300) Н*м с диаметром валов (11…130) мм; удельная масса при этом изменяется в пределах от 0,013 до 0,008 кг/Н*м.

Рис. 1.10. Конструкция муфты кулачково-дисковой

Указанным стандартом на этот тип муфт предусмотрен выпуск муфт трех типов: одинарных (тип 1), показанных на рис. 1.11, сдвоенных с промежуточной втулкой (тип 2) и с промежуточным валом (тип 3). Муфты второго и третьего типа допускают удвоенное угловое и осевое смещения, а также радиальное смещение Δr = L0*sinΔα. В этой формуле L0 – расстояние между пакетами дисков, а Δα – допускаемое угловое смещение. Одинарная муфта состоит из практически одинаковых полумуфт 1 и 7, которые для крутящих моментов до 100 Н*м выполняются двухлепестковыми, а для больших значений – трехлепестковыми. Соединение полумуфт осуществляется пакетами дисков 3 и болтами 2. Пакеты составляются из нескольких (на рисунке из 9) отдельных дисков, толщиной 0,3 – 0,5 мм и отделяются друг от друга насадками 8, конструкция которых очевидна из рис. 1.11. Болты попеременно вставляются в полумуфты и диски и закрепляются гайками 6 с шайбами 5 и 4. Количество дисков в пакете, их толщина определяются величиной передаваемого момента. С целью обеспечения сборки пакеты дисков обрабатываются в комплекте за одну установку. Осевое смещение валов обеспечивается возможностью перемещения полумуфт по посадочным концевикам валов, а угловое – осевым деформированием пакетов дисков в пределах зазоров между ними.

Шарнирные муфты (рис. 1.12) применяются при необходимости значительного (до 40-45)° углового смещения осей валов. При этом они могут использоваться в случае изменения угла смещения в процессе эксплуатации, например в карданных валах автомобилей. Стандартом (ГОСТ 5147 – 97) предусматривается производство муфт для номинальных моментов (12,5 … 30000) Н*м диаметром отверстий полумуфт (8 … 45) мм; при этом удельная масса m_уд =(0,005 … 0,004) кг/Н*м. Серийные муфты рекомендуют использовать при частотах вращения до 1000 об/мин. Этим стандартом предусмотрены два типа муфт: одинарные (тип 1) и сдвоенные с промежуточной вилкой (тип 2), каждый из которых имеет исполнения на длинные (исполнение 1) и короткие (исполнение 2) концевики.

Простейшая сдвоенная шарнирная муфта (рис. 1.12 а, б) состоит из взаимозаменяемых ведущей 1 и ведомой 7 полумуфт и промежуточной спаренной вилки 6. Оси вилок полумуфт и спаренной вилки устанавливаются относительно друг друга под углом 90° и соединяются между собой крестовинами, состоящими из сухарей 3, пальца 5, втулок 4 и штифта 2. При соединении вилок полумуфт с крестовиной сначала сухарь вставляется в одну из них и закрепляется штифтом 2 со сквозным (в среднем по его длине) отверстием. Затем на сухарь заводится вилка второй полумуфты (промежуточные вилки во втором типе) и через отверстие в вилке, сухаре и шифте заводится палец 5. На палец с двух сторон вилки надеваются втулки 4, после чего развальцовывается отверстие на обоих торцах пальца. Развальцовывание пальца делает муфту неразборной. У одинарной муфты (рис. 1.12 в) из конструкции удалена спаренная вилка. Соединение полумуфт с валами осуществляется с помощью штифтов.

Муфты с резиновой звездочкой (рис. 1.13) наиболее просты по конструкции, обладают сравнительно большой нагрузочной способностью и соответственно имеют меньшие размеры и материалоёмкость по сравнению с другими муфтами рассматриваемого типа, но при монтажных работах требуют осевого перемещения соединяемых валов на величину толщины звездочки и обладают повышенной радиальной и угловой крутильной и изгибной жёсткостью. Допустимое смещение осей соединяемых валов в радиальном направлении не превышает 0,4 мм, а в угловом – 1°30'. Диапазон изменения основных параметров стандартных муфт (ГОСТ 14084 – 93) приведен в таблице 1.2. Указанным нормативом предусмотрены муфты для передачи номинальных крутящих моментов от 2,5 до 400 Н*м с диаметром посадочных отверстий от 6 до 48 мм, имеющих удельную массу (0,07…0,03)кг/Н*м. Стандартные муфты производятся только с цилиндрическими отверстиями и предусматривают исполнение 1 для длинных и исполнение 2 для коротких концевиков валов.

Муфта с резиновой звёздочкой состоит из практически одинаковых ведущей 3 и ведомой 5 (или наоборот) полумуфт с торцевыми кулачками, между лучами которых устанавливается резиновая звёздочка 4. Для номинальных крутящих моментов до 6,3 Нм звёздочки выполняются с четырьмя лучами (лепестками) (рис. 1.13 в), а в более нагруженных муфтах количество лучей увеличивают до 6. В серийных муфтах лучи звёздочек работают на сжатие через один. При изменении направления вращения рабочие лучи становятся недеформируемыми. По длине концевиков валов стандартом предусмотрено два исполнения: исполнение 1 для длинных и 2 – для коротких концевиков в соответствии с ГОСТ 12080-83. Стандартом не регламентирована осевая фиксация полумуфт на валах. На рис. 1.13 для этой цели использованы стопорные винты 1 с пружинными кольцами 2.

Основные направления совершенствования муфт данного типа связаны с профилированием кулачков и звездочек, обеспечивающим их линейный или точечный контакт, снижение контактной жесткости и повышение компенсирующих свойств. В муфтах с профилированными кулачками и звездочками, к примеру, допустимые радиальные смещения возрастают до 1…2 мм при углах перекоса осей валов 2…3 градуса. Среди таких разработок можно выделить муфты французской «Пуль» и итальянской «Сага» фирм [1, с. 113-119]. Основные параметры этих муфт также включены в табл. 1.2.

Муфты упругие с промежуточным диском (рис. 1.14) по сравнению с предыдущим типом обладают меньшей нагрузочной способностью и соответственно имеют большие габариты и большую материалоёмкость.

При монтажных и демонтажных операциях и замене упругого диска не требуется осевого смещения соединяемых валов. Такие муфты обладают высокой податливостью, это позволяет компенсировать значительные смещения валов, особенно угловых. Из-за невысокой нагрузочной способности их целесообразно применять в соединениях быстроходных валов. Серийно данные муфты выпускаются для валов диаметром (6…38) мм с номинальным моментом (4…200) Н*м и имеют удельную массу (0,1…0,03) кг/Н*м (табл. 1.2). В пределах указанных параметров эти муфты используются при частотах вращения соответственно (6000…3000) об/мин.

Муфты с промежуточным упругим диском (рис. 1.14) состоят из одинаковых (обычно трёхлепестковых) ведущей 3 и ведомой 4 полумуфт, промежуточного резинового (резинокордного) упругого элемента 5 и пальцев 1, закрепляемых попеременно в полумуфтах с помощью гаек с пружинными шайбами [1, рис. 3.39]. На рис. 1.14 использовано резьбовое закрепление пальца, выполненного в виде болта. Для осевой фиксации полумуфт применены стопорные винты 2 с пружинными кольцами 6. Отечественным стандартом (ГОСТ 25021 – 93) предусматриваются четыре исполнения муфт: первые два имеют цилиндрические отверстия на длинные и короткие концевики валов, третье и четвертое – конические соответственно на длинные и короткие концевики.

Простота конструкции и монтажных операций, высокие компенсирующие возможности обусловили широкий набор разнообразных конструкций рассматриваемых муфт в мировой инженерной практике. Здесь можно назвать муфты французской фирмы «Польстра» с диском «Строфлекс», немецкой фирмы «Монинхофф» и другие, технические характеристики которых также приведены в табл. 1.2. В связи с широким использованием элементов этих муфт в курсовом проектировании их конструкции включены в Приложение (соответственно рис. П.1 и П.2). Отличительной особенностью муфт с диском фирмы «Строфлекс» (рис.П1.3) является шестигранная форма упругого элемента, зоны отверстий в котором армированы высокопрочным кордом, а в отверстия завулканизированы втулки, повышающие нагрузочную способность диска. Аналогична по конструкции муфта фирмы «Монинхофф» (рис.П1.2). В отличие от предыдущей конструкции её полумуфты изготавливают из треугольного профиля с частично срезанными углами, в которых располагаются отверстия и силовые пальцы в виде болтов. Армирование диска и применение завулканизированных втулок обеспечивает расширение диапазона номинального передаваемого момента до 6000 Н*м в муфтах с диском «Строфлекс» и до 2700 Н*м в муфтах фирмы «Монинхофф» против 200 Н*м в стандартных отечественных муфтах (подробнее см. [1, с. 119… 123].

Муфты с торообразной оболочкой (рис. 1.15 – 1.16) обладают повышенной податливостью, что обусловливает существенное улучшение динамических характеристик (снижение ударных нагрузок, повышение демпфирующей способности). Высокая податливость упругого элемента также обеспечивает повышенные возможности в компенсации всех видов смещения валов. Среди недостатков муфты выделяют малую нагрузочную способность, большие радиальные габариты и повышенную материалоёмкость. Кроме того, смещение осей валов и центробежные силы, действующие на оболочку, приводят к значительным радиальным и осевым нагрузкам валов и опор.

Таблица 1.2. Основные параметры серийных упругих компенсирующих муфт

Примечания:

1. – изменение удельной массы приведено в указанном диапазоне варьирования преимущественно на короткие концевики валов.

2. [n]** – диапазон применения максимально допустимой частоты вращения соответствует указанным границам варьирования .

3. *** – значение номинального момента и допустимой частоты вращения [n] указаны для группы полумуфт.

Рис. 1.13. Конструкция муфты с упругой звездочкой:

а,б – шестилепестковой; в –четырехлепестковой

Рис 1.14. Конструкция муфты с упругим промежуточным диском

Стандартные муфты с торообразной оболочкой (ГОСТ 20884-96) выпускаются двух типов: с выпуклой (рис. 1.15) и вогнутой (рис. 1.16) оболочками. В обоих типах практически одинаковые ведущая 1 и ведомая 3 полумуфты соединены упругими резиновыми или резинокордными оболочками 2. Армирование оболочки кордом до (6…7) раз увеличивает срок их службы. В обсуждаемых муфтах с выпуклой оболочкой последняя выполняется цельной, а для возможности введения крепежных дисков внутрь оболочки их выполняют в виде двух полудисков 8, соединяемых диском 9 и винтами 10. Полученный таким образом единый диск (на рис. 1.15 в собранном виде он показан у полумуфты справа), собираемый внутри упругой оболочки, прижимает оболочку винтами 6 к фланцам полумуфт и обеспечивает создание трения для передачи нагрузки с ведущей полумуфты на оболочку и далее на ведомую полумуфту. Стандартные муфты с оболочкой выпуклого профиля выпускаются промышленностью для передачи номинальных моментов с 20 до 40000 Н*м и соединения валов диаметром от 14 до 240 мм с удельной массой (0,07…0,02)кг/Н*м. Допустимые частоты вращения в указанном диапазоне диаметров посадочных отверстий полумуфт составляют (3000…720) об/мин.

Муфты с оболочкой вогнутого профиля (рис. 1.16) состоят также из практически взаимозаменяемых полумуфт 6 и упругой оболочки 5. Для соединения оболочки с полумуфтами используются прижимные кольца 4 с винтами 1 и шайбами 2. Кольца имеют Г-образное сечение, обеспечивающее их повышенную изгибную жёсткость и центрирование по наружному пояску полумуфт. По причине меньшего влияния местных напряжений в зоне зажима борта вогнутых оболочек в отличие от выпуклых их разрушение начинается в области сечений с минимальным диаметром оболочки. Высокая податливость упругой оболочки обеспечивает возможность деформации её борта при сборке и введения в отверстие оболочки неразъёмного прижимного кольца 4.

Муфты с вогнутой оболочкой по сравнению с первым типом благодаря упрощению прижимного устройства имеют меньшую стоимость. Вогнутая оболочка также не требует осевого смещения соединяемых агрегатов при её замене. Уменьшение внешнего радиуса оболочки приводит к снижению центробежных сил и осевых нагрузок на валы и опоры и обеспечивает увеличение на (20-60)% предельной частоты вращения. Однако в подобных муфтах уменьшение размеров слабого элемента приводит к большему ограничению передаваемого крутящего момента. Стандартные муфты с оболочкой вогнутого профиля применяются при номинальных моментах от 25 до 16000 Н*м; диаметрах соединяемых валов от 14 до 180 мм и имеют в этом диапазоне удельную массу (0,08…0,017) кг/Н*м. Муфты рассматриваемой конструктивной разновидности успешно работают при частотах вращения (5520…1100)об/мин. Муфты с вогнутой оболочкой также выпускаются фирмой «Фальк» (США), типоразмерный ряд которых рассчитан на передачу моментов до 14300 Н*м. Конструктивным отличием муфт этой фирмы является упрощенная форма оболочек, которая не имеет утолщения в зоне борта [1 , с. 151 – 153].

Рис. 1.15. Конструкция муфты с торообразной выпуклой оболочкой

Рис. 1.16. Конструкция муфты с торообразной вогнутой оболочкой

Привлекательность муфт с упругими оболочками по динамическим и компенсирующим качествам обусловила широкое разнообразие их конструктивных разновидностей. На рис. П.3 представлена конструкция обсуждаемого узла фирмы «Перифлекс» с разрезной выпуклой оболочкой. Разрезная оболочка упрощает конструкцию муфты и ее сборку за счет исключения разрезных нажимных дисков и деталей для его сборки. Однако разрез оболочки снижает нагрузочную способность муфты и ограничивает угловую скорость, при которых подобные оболочки целесообразно использовать. Обычно их применяют при частотах вращения, не превышающих 1500 об/мин, окружных скоростях на внешнем диаметре оболочки не более 30 м/с. Фирма производит муфты для номинальных моментов в диапазоне (5…35000) Н*м и диаметров соединяемых валов (10…300) мм с удельной массой (0,16…0,046) кг/Н*м. Технические данные по этой муфте включены в табл. 1.2 (подробнее см. [1, с.146– 149]).

На рис. 1.17 показана ещё одна конструкция оболочковой муфты немецкой фирмы «Вулкан», отличительной особенностью которой является составная упругая оболочка, выполненная из двух симметричных упругих элементов 3 и 6. Сдвоенная форма оболочки позволили выполнить каждый из её элементов с переменной увеличивающейся в направлении к оси вращения толщиной и в значительной мере равнопрочной по всему объёму. Фирма выпускает рассматриваемую конструкцию двух типов. В первой из них предусматривается устройство для ограничения угла относительного поворота полумуфт при значительных перегрузках, что исключает потерю оболочкой крутильной устойчивости и ее разрушение. Во втором конструктивном типе подобное устройство не предусмотрено. Фирма «Вулкан» производит муфты для передачи номинальных моментов (500…1300000), а максимальных кратковременно действующих – (1500…3900000) Н*м. Диапазон диаметров соединяемых валов составляет (20…330) мм, а допустимые частоты вращения в этом диапазоне (5870…830) об/мин.

Конструкцию первого типа иллюстрирует рис. 1.17. Передача движения от ведущей (ведомой) 1 к ведомой (ведущей) 10 полумуфтам осуществляется посредством упругих полуоболочек 3 и 6. В борта полуоболочек завулканизированы металлические кольца, обеспечивающие прочное соединение их с полумуфтой 1 и диском 2 полумуфты 10. В передаче м