Муфты для соединения валов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Муфты для соединения валов



1. Типы муфт

Муфтами в технике называются устройства, которые служат для соединения концов валов, стержней, труб, электрических проводов и пр. Здесь будем рассматривать только муфты для соединения концов валов. Эти же муфты используются и для соединения валов с установленными на них деталями: зубчатыми колесами, шкивами и т.д.

Различают муфты неуправляемые, управляемые и автоматические.

Неуправляемые муфты делятся на глухие, компенсирующие и предохранительные. Глухие муфты служат для жесткого соединения сцентрированных валов. Однако чаще приходится соединять валы не сцентрированные, то есть, такие валы, взаимное расположение которых отличается от заданного соосного в результате погрешностей изготовления и сборки механизмов, а также, в результате погрешностей монтажа механизмов при компоновке их в машине. Для соединения таких валов служат компенсирующие муфты, которые бывают жесткими или упругими. Упругие муфты являются также звеном малой жесткости в приводе, необходимым для возможности работы машины в зарезонансной области с целью ее виброзащиты и виброизоляции.

Предохранительные муфты применяются для защиты механизмов машины при перегрузках или аварийных режимах.

Управляемые муфты служат для соединения или разъединения валов друг с другом или валов с установленными на них деталями. Эти процессы могут происходить при неподвижных валах или во время вращения. В зависимости от типа управляющего элемента такие муфты могут быть механическими, электромагнитными, гидравлическими или пневматическими.

Автоматические муфты соединяют или разъединяют валы друг с другом или валы с установленными на них деталями в зависимости от режима работы - от скорости или направления вращения.

2. Глухие муфты

Глухие муфты образуют жесткое неподвижное соединение валов (глухое соединение), для чего требуют их точной центровки.

Простейшей конструкцией глухой муфты является втулочная муфта - на концы валов устанавливается втулка и скрепляется с ними при помощи штифтов (рис. 1а), шпонок (рис. 1б) или шлицев.

Рис. 1.

Такие муфты отличаются простотой конструкции и малыми габаритами, однако для своей установки требуют осевого смещения валов, поэтому используются в машинах и механизмах небольших габаритов при диаметрах соединяемых валов до 50 мм. Прочность муфты определяется в основном прочностью штифтового, шпоночного или шлицевого соединения, а также прочностью втулки.

Фланцевые муфты (рис. 2) состоят из двух полумуфт, которые могут быть установлены на соединяемые валы предварительно. Поэтому они более распространены в машиностроении, а диаметр валов практически не ограничен.

Рис. 2.

На рис. 2а показана конструкция фланцевой муфты, у которой полумуфты 1 и 2 скреплены болтами, установленными с зазором.

Крутящий момент передается силами трения, возникающими в стыке полумуфт от затяжки болтов. Соосность валов обеспечивается центрирующим выступом А на левой полумуфте, входящим в отверстие правой полумуфты. Для соблюдения правил техники безопасности выступающие части болтового соединения закрыты буртиками Б.

У фланцевой муфты, показанной на рис. 2б, полумуфты 1 и 2 скреплены болтами, установленными без зазора. Крутящий момент передается этими болтами, работающими на срез и смятие. Эти же болты выполняют функцию центровки валов. Безопасность муфты

обеспечивается общим ограждением 3. Расчет на прочность затянутого и незатянутого болтового соединения приведен в 15.2.



3. Муфты компенсирующие жесткие

В большинстве случаев взаимное расположение осей соединяемых валов не может быть очень точным в результате погрешностей изготовления и сборки механизмов, а также, в результате погрешностей их монтажа при компоновке в машине. Различают три вида отклонений от номинального расположения валов (рис. 3): продольное смещение а, радиальное смещение, или эксцентриситет r, угловое смещение, или перекос б. Чаще всего все указанные отклонения присутствуют вместе и называются общим термином «несоосность валов».

Рис. 3.

Для возможности соединения несоосных валов используются компенсирующие муфты. Компенсация несоосности достигается при помощи подвижных жестких или деформируемых промежуточных элементов, соединяющих полумуфты. Жесткие промежуточные элементы применяются в муфтах жестких компенсирующих, а деформируемые промежуточные элементы - в упругих муфтах. Так как упругие муфты выполняют еще функцию звена малой жесткости в приводе машины, то они будут рассмотрены отдельно.

Широкое распространение в машиностроении имеют кулачково-дисковые муфты, которые еще называют крестово-кулисными. Конструкция такой муфты показана на рис. 4. Муфта состоит из двух полумуфт 1 и 2 и промежуточного диска 3.

Рис. 4.

На внутреннем торце каждой полумуфты образовано по одному диаметрально расположенному пазу. На обоих торцах промежуточного диска выполнено по одному выступу, которые расположены по взаимно перпендикулярным диаметрам. У собранной муфты выступы диска располагаются в пазах полумуфт.

Перпендикулярное расположение пазов и осевые зазоры между диском и полумуфтами (д на рис. 4) позволяют муфте компенсировать эксцентриситет, перекос и продольное смещение валов. При передаче вращения выступы промежуточного диска скользят в пазах полумуфт, что приводит к потери на трение примерно одного процента передаваемой мощности и требует смазки муфты. Обычно компенсируемая несоосность валов ограничена следующими величинами: эксцентриситет Дr 0,04d, перекос Дб 030.

При расчете на прочность крестово-кулисных муфт предполагают что выступы промежуточного диска соприкасаются с пазами полумуфт равномерно по всей поверхности. В этом случае деформации и напряжения в различных точках соприкосновения пропорциональны расстояниям этих точек от оси муфты. На рис. 4 эпюра напряжений смятия условно перенесена с боковых сторон паза на диаметр. Прочность определяется максимальным напряжением усм.

Условие равновесия промежуточного диска:

где: Т - передаваемый крутящий момент;

k - коэффициент динамичности режима нагрузки: при спокойной

работе равномерно нагруженных механизмов k = 1; при работе неравномерно нагруженных механизмов k = 1,1 1,3; при тяжелых условиях работы с ударами неравномерно нагруженных и реверсивных механизмов k = 1,3 1,5;

F - сила, действующая на выступ:

h - рабочая высота выступа (рис. 4);

l - длина выступа:

D - наружный диаметр муфты;

d - внутренний диаметр муфты (обычно равен диаметру вала);

уср - среднее значение напряжения смятия (рис. 4):

Так как справедлива пропорция усм/у'см = D/d, то у'см = усмd/D. Тогда:

Rср - средний радиус выступа (половина среднего диаметра):

z - количество выступов: z = 2.

Подставив это значение и выражения в первоначальное получим после преобразования условие равновесия:

Из этого условия получим рабочую формулу проверочного расчета крестово-кулисной муфты:



(1)

Детали крестово-кулисных муфт выполняются из конструкционной и легированной стали. При этом принимают [усм] = (15 20) МПа.

Значительной компенсирующей способностью ко всем видам несоосности валов обладают зубчатые муфты (рис. 5).

Рис. 5.

Такая муфта состоит из полумуфт 1 и 2 с наружными зубьями и разъемной обоймой 3 с двумя рядами внутренних зубьев. Зубья эвольвентные с уменьшенной высотой головки. Для возможности компенсации несоосности валов муфта имеет осевые зазоры и увеличенные радиальный и боковые зазоры в зацеплении (рис. 5). Кроме того, зубчатые венцы полумуфт выполняют не цилиндрическими, а сферическими, а зубья - бочкообразными.

Работа муфты при передаче момента между несоосными валами сопровождается скольжением зубьев. Для уменьшения их износа в обойму заливают жидкую смазку.

Контакт бочкообразных зубьев полумуфт с прямыми зубьями обоймы происходит в высшей кинематической паре, следовательно, расчет зубьев на прочность должен производиться по контактным напряжениям, как в зубчатых передачах. Однако, определение истинных контактных напряжений в муфте усложнено неопределенностью условий контакта зубьев при компенсации различных форм несоосности валов. Кроме того, после приработки площадка контакта зубьев значительно увеличивается. Поэтому для таких муфт используют условный метод расчета, в котором контактные напряжения заменяются напряжениями смятия, а неточность расчета компенсируется выбором допускаемых напряжений на основе практики эксплуатации. В этом случае условие прочности выглядит так:

где: Т - передаваемый крутящий момент;

k - коэффициент динамичности нагрузки (см. выше);

b - длина зуба (рис. 5);

h - рабочая высота зуба (рис. 5);

z - число зубьев;

D - делительный диаметр зубьев.

Учитывая, что D = mz и что рабочая высота зубьев в реальных конструкциях h = 1,8m из условия прочности получим рабочую формулу:

(2)

Детали зубчатых муфт изготавливают из конструкционной и легированной стали. При этом принимают [усм] = (12 15) МПа.

Кроме описанных компенсирующих муфт широкое распространение в технике имеют также крестово-шарнирные муфты, в основе конструкции которых находится карданный шарнир (шарнир Гука).

Рис. 6.

В отличие от муфт, компенсирующих ошибки монтажа, крестово-шарнирные муфты используют для соединения валов с большой угловой несоосностью - до (30 40), предусмотренной конструкцией машины. Крестово-шарнирные муфты используются в транспортных и технологических машинах, конструкции некоторых из них стандартизованы. Одна из возможных конструкций таких муфт показана на рис. 6. Крестовина 1 шарнирно связана с полумуфтами в перпендикулярных плоскостях. Для возможности сборки крестовины с полумуфтами последние выполнены из двух половин 2, 3 и 4, 5. Полумуфты закреплены на валах коническими штифтами.



4. Упругие муфты

муфта соединение вал конструкция

Если промежуточный элемент компенсирующей муфты выполнен упругим, то такие муфты называются упругими. Они могут компенсировать все виды несоосности валов.

Кроме того, упругие муфты являются также звеном малой жесткости в приводе, необходимым для возможности работы машины в зарезонансной области с целью ее виброзащиты и виброизоляции. Для этого упругий элемент муфты должен иметь вполне определенную жесткость, расчет которой дан в курсе «Теория механизмов и машин».

Конструкции упругих муфт довольно разнообразны. По материалу упругих элементов эти муфты делятся на две группы: с металлическими и неметаллическими упругими элементами.

На рис. 7 показана одна из конструкций упругой муфты с металлическими упругими элементами в виде витых цилиндрических пружин.

Рис. 7.

Муфта содержит ведущую 1 и ведомую 2 полумуфты, закрепленные на валу при помощи шпонок. (Заметим, что возможен и другой вариант, когда ведущей является полумуфта 2, а ведомой - полумуфта 1). Полумуфты выполнены таким образом, что между ними в специальных отверстиях располагаются четыре предварительно деформированных пружины сжатия 3. Первоначальное угловое расположение полумуфт определяется ограничителем 4, а их возможный относительный поворот при деформации пружин - ограничителем Б, выполненным на полумуфте 2. Снаружи муфта закрыта защитным кольцом 5.

Вследствие предварительного сжатия пружин силой F1 муфта работает как жесткая компенсирующая до нагрузки моментом Т1:

(3)

где: R - радиус расположения пружин;

z - число пружин.

Если передаваемый крутящий момент Т больше, чем Т1, то муфта работает как упругая с постоянной жесткостью. Витки пружины сжатия работают на кручение, причем скручивающий момент соответств4ует осевой силе пружины на плече, равном половине среднего диаметра пружины. Поэтому, условие прочности пружины:

(4)

где: F - осевая сила, сжимающая пружину:

(5)

здесь Тmax - передаваемый муфтой момент, соответствующий

упору полумуфты 1 в ограничитель Б на полу-

муфте 2;

D - средний диаметр пружины;

ф - напряжение кручения в витках пружины;

WP - полярный момент сопротивления поперечного сечения витка пружины:

(6)

здесь d - диаметр пружинной проволоки;

kВ - коэффициент, учитывающий влияние кривизны витков. Этот коэффициент находится из табл. 1.

Таблица 1.

D/d	4	5	6	8	10	12
kВ	1,37	1,29	1,24	1,17	1,14	1,11

Подставив (5) и (6) в (4) и решив относительно ф после сокращения получим рабочую формулу проверочного расчета пружин для муфты с числом пружин z:

(7)

Для изготовления пружин применяют специальные пружинные стали (например, сталь 65Г), для которых в зависимости от марки допускаемое напряжение [ф] = (500 900) МПа.

Среди упругих муфт с неметаллическими упругими элементами наиболее употребительна муфта упругая втулочно-пальцевая (рис. 8). Благодаря простоте изготовления и замены резиновых элементов эта муфта получила широкое распространение, особенно в приводах от электродвигателей с малыми и средними крутящими моментами. Муфты стандартизованы для диаметров валов до 150 мм и передаваемых моментов до 15000 Нм.

Рис. 8.

В полумуфте 2 (рис. 8) жестко закреплены пальцы 3 с резиновыми кольцами трапецеидального сечения 4. Эти кольца входят в отверстия полумуфты 1. Такие муфты служат звеном малой жесткости в приводах и используются для компенсации несоосности валов в следующих пределах: осевое смещение Да = (1 5) мм, эксцентриситет Дr = (0,3 0,6) мм, перекос Дб 1.

Для проверки прочности рассчитывают резиновые кольца по напряжениям смятия на поверхности соприкосновения втулок с пальцами. При этом полагают, что все пальцы нагружены одинаково, а напряжения смятия распределены равномерно по длине втулки. Рабочая формула имеет вид:

(8)

где: Т - передаваемый крутящий момент;

k - коэффициент динамичности режима нагрузки (см. выше);

D - диаметр расположения пальцев (рис. 16.8);

z - количество пальцев;

d - диаметр пальцев (рис. 8);

l - длина пальцев (рис. 8).

Допускаемое напряжение для резины рекомендуют принимать следующим: [усм] = (1,8 2) МПа.

5. Предохранительные муфты

Предохранительные муфты предназначены для автоматического разъединения валов в аварийных ситуациях, следствием которых является значительная перегрузка. То есть, эти муфты служат для защиты кинематических цепей машин от перегрузки. Такие муфты делятся на две группы: предохранительные муфты с разрушающимся элементом и предохранительные муфты без разрушающегося элемента. Предохранительные муфты могут располагаться только на соосных валах, то есть, валы перед установкой этих муфт, или с помощью этих муфт должны быть сцентрированы.

На рис. 9а показана одна из конструкций муфты с разрушающимся элементом. Крутящий момент между полумуфтами 1 и 2 передается через штифт 3, который срезается при перегрузке. Для восстановления работы муфты после ликвидации аварийной ситуации штифт заменяется. Закаленные втулки 4 облегчают замену штифтов.

Условие прочности штифта:

(9)

где: Т - передаваемый момент;

k - коэффициент динамичности режима нагрузки (см. выше);

z - число штифтов; практически z принимают равным 1 или 2;

KZ - коэффициент неравномерности распределения нагрузки по штифтам; KZ = 1 при z = 1; KZ = 1,2 при z = 2;

D - диаметр расположения штифтов (рис. 17.1а);

d - диаметр штифта (рис. 17.1а);

ф - напряжение среза штифта.

Рис. 9.

Заменив в формуле (9) передаваемый момент Т на предельный момент Тmax, при котором штифт еще не разрушается, и напряжение среза на допускаемое напряжение, получим рабочую формулу для определения диаметра штифта:

(10)

Допускаемое напряжение [ф] принимают равным пределу прочности материала штифта на срез. Для штифтов из нормализованной конструкционной стали [ф] = (300 400) МПа.

Предохранительные муфты без разрушающегося элемента не требуют затрат времени на восстановление своей работоспособности после аварийной ситуации, они всегда готовы к работе. На рис. 9б показана конструкция кулачковой предохранительной муфты.

Полумуфты 1 и 2 снабжены кулачками трапецеидальной формы. Полумуфта 1 жестко закреплена на валу, а полумуфта 2 может перемещаться по валу в осевом направлении, благодаря подвижному шпоночному соединению. Зацепление кулачков полумуфт обеспечивается пружиной 3, сила которой может регулироваться гайкой 4. Перемещение полумуфты 2 влево ограничено стопорным кольцом 5, это ограничение требуется для предварительного монтажа полумуфты на валу. Соосность валов обеспечивается центрирующей втулкой 6.

При передаче крутящего момента в зацеплении кулачков возникает осевая сила, которая стремится раздвинуть полумуфты и вывести их из зацепления. Этому противодействует сила пружины и сила трения на поверхностях кулачков и в подвижном шпоночном соединении. Для инженерных расчетов силы трения можно не учитывать, так как они ослабляются вибрациями. Тогда условие равновесия подпружиненной полумуфты можно записать так:

(11)

где: F - сила пружины;

Т - передаваемый крутящий момент;

k - коэффициент динамичности режима нагрузки (см. выше);

D - средний диаметр кулачков (рис. 9б);

б - угол заострения кулачков (рис. 9б).

Условие (11) служит для подбора пружины в соответствии с величиной предельного передаваемого момента. При использовании кулачковых предохранительных муфт следует учитывать, что срабатывание муфты при перегрузках сопровождается ударами кулачков и их интенсивным износом, поэтому конструкции с подобными муфтами должны дополняться устройствами для отключения приводного двигателя.

Фрикционные предохранительные муфты (дисковые или конические) срабатывают бесшумно, но для предотвращения их чрезмерного износа также необходимо отключение двигателя. Расчет дисковых предохранительных муфт аналогичен расчету сцепных дисковых муфт, приведенному ниже.

6. Муфты управляемые или сцепные

Управляемые муфты позволяют соединять или разъединять валы с помощью механизма управления. По принципу работы эти муфты делятся на две группы: муфты, основанные на зацеплении - кулачковые (зубчатые); муфты, основанные на трении - фрикционные.

В кулачковой муфте (рис. 10а) на торцах полумуфт 1 и 2 выполнены выступы (кулачки) А. В рабочем положении кулачки одной полумуфты входят во впадины другой. Для возможности включения и выключения муфты полумуфта 2 установлена на валу подвижно в осевом направлении, например, на скользящей шпонке, как показано на рис. 10а. Подвижную полумуфту перемещают с помощью специального устройства, рабочий элемент которого входит в паз Б. На рисунке штриховыми линиями показано отведенное положение полумуфты. Втулка 3 служит для центровки валов.

Включение и выключение кулачковых муфт может происходить в статическом состоянии или во время вращения. Для предотвращения больших динамических нагрузок частоты вращения при включении ограничены довольно низкими окружными скоростями кулачков: v 1 м/с.

Рис. 10.

На рис. 10б, в, г, д показаны различные формы кулачков. Прямоугольный профиль (рис. 10б) требует точного взаимного расположения полумуфт в момент включения в статическом состоянии. В таких муфтах неизбежны боковые зазоры (вследствие технологии изготовления или для возможности включения во время вращения валов) и связанные с этим удары при изменении направления вращения, что надо учитывать при проектировании механизмов с такими муфтами.

Трапецеидальный профиль симметричный (рис. 10в) и несимметричный (рис. 10г) не требует точного взаимного положения полумуфт при включении, а боковые зазоры отсутствуют. Симметричный профиль используется для реверсивных муфт, несимметричный - для нереверсивных. В муфтах с трапецеидальными кулачками при передаче момента возникает осевая сила, стремящаяся раздвинуть полумуфты, поэтому, во избежание самовыключения таких муфт значение угла заострения кулачков б (рис. 10в, г) выбирают таким, чтобы обеспечивалось самоторможение: б = (3 5).

Полумуфты с треугольными (мышиными) торцевыми зубьями (рис. 10д) используют при передаче небольших крутящий моментов, когда есть возможность обеспечить постоянное усилие, удерживающее полумуфты во включенном состоянии, например, при помощи пружины.

Расчет на прочность кулачков муфты проводится по напряжениям смятия. Расчет ведется приближенно в предположении, что нагрузка распределяется равномерно между всеми кулачками. Рабочая формула проверочного расчета выглядит так:

(12)

где: D - средний диаметр кулачков;

z - число кулачков полумуфты;

b - длина кулачка;

h - рабочая высота кулачка.

Для уменьшения износа поверхность кулачков должна быть твердой, для чего полумуфты изготавливаются из сталей 45 или 40Х с объемной закалкой или из сталей 15Х, 20Х с цементацией и поверхностной закалкой. При этом допускают следующие значения допускаемых напряжений смятия:

[усм] = (90 120) МПа - при включении в состоянии покоя;

[усм] = (50 70) МПа - при включении на малой скорости;

[усм] = (35 45) МПа - при включении на средней скорости.

В качестве управляемых муфт широко используются фрикционные муфты, в которых момент передается силами трения. При включении этих муфт крутящий момент возрастает постепенно по мере увеличения силы сжатия трущихся поверхностей. Это позволяет соединять валы под нагрузкой и с большими относительными скоростями полумуфт. В процессе включения муфта пробуксовывает и разгон ведомого вала происходит плавно. Отрегулированная на передачу предельного крутящего момента, безопасного для прочности машины, фрикционная сцепная муфта выполняет также функции предохранительной муфты.

Все фрикционные муфты в зависимости от формы трущихся поверхностей подразделяются на три группы: муфты дисковые (плоские поверхности), муфты конические (конические поверхности) и муфты колодочные и ленточные (цилиндрические поверхности).

На рис. 11 показана конструкция электромагнитной дисковой муфты. Это управляемая фрикционная дисковая муфта, устройством управления которой является электромагнит. Эта муфта служит не для соединения друг с другом вращающихся валов, а для соединения зубчатого колеса с валом. Зубчатое колесо 1 может свободно вращаться на валу на шарикоподшипниках. С этим колесом связаны два ведущих диска 2 при помощи наружных выступов, входящих в специальные пазы на колесе. Два ведомых диска 3 связаны с валом при помощи внутренних выступов, входящих во впадины между шлицами вала. Эти две пары дисков и образуют собственно фрикционную муфту. Управление муфтой производится кольцевым электромагнитом, состоящим из ярма 4 и якоря 5. Ярмо жестко закреплено на шлицевой части вала при помощи стопорного кольца 6. При включении электромагнита ведущие и ведомые диски оказываются сжатыми между ярмом и якорем и вращение передается от зубчатого колеса на вал.

Рис. 11.

Сила сжатия дисков, по которой должен быть рассчитан кольцевой электромагнит, определяется так:

(13)

где: rср - средний радиус рабочих поверхностей дисков:

здесь D и d внешний и внутренний диаметры рабочих поверхностей дисков (рис. 11);

f - коэффициент трения на трущихся поверхностях дисков;

z - число пар трущихся поверхностей; z = n - 1; n - число дисков (для муфты на рис. 11 n = 4).

Из формулы (13) видно, что увеличение числа дисков в муфте позволяет передавать больший крутящий момент, сохраняя силу сжатия и диаметры дисков.

Критерием работоспособности фрикционных муфт является их износ, поэтому сила сжатия дисков ограничена допускаемым удельным давлением [p]. Формула проверочного расчета имеет вид:

(14)

Кроме описанной известны и другие конструкции дисковых муфт - с гидравлическим, пневматическим или механическим управлением. Они могут работать без смазки и при смазке. Диски могут быть изготовлены из стали, чугуна, а также, быть с накладками из металлокерамики или из неметаллических фрикционных материалов. Значения коэффициента трения и допускаемого удельного давления приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Материал	f	[p], МПа
При смазке
Закаленная сталь по закаленной стали Металлокерамика по закаленной стали Текстолит по стали	0,06 0,1 0,12	0,6 - 0,8 0,8 0,4 - 0,6
Без смазки
Чугун по чугуну или по закаленной стали Асбест или ферродо по закаленной стали Металлокерамика по закаленной стали	0,15 0,3 0,4	0,2 - 0,3 0,2 - 0,3 0,3

Большое влияние на работоспособность муфт оказывает ее тепловой режим. Нагрев муфт связан со скольжением при включениях. За короткий промежуток времени включения поверхности трения могут нагреваться до высокой температуры. Теплота нагревает детали муфты и уходит в окружающую среду. При большом количестве переключений в час рекомендуется работа муфт трения при смазке.

7. Муфты свободного хода или обгонные

Муфты свободного хода или обгонные относятся к автоматическим. Напомним, что автоматические муфты соединяют или разъединяют валы друг с другом или валы с установленными на них деталями в зависимости от режима работы - от скорости или направления вращения.

Эти муфты передают крутящий момент только в одном заданном направлении. Их используют в технологических и транспортных машинах. Широко известно применение обгонных муфт в велосипедах, где они передают крутящий момент от педалей на колесо и в то же время позволяют колесу свободно катиться при неподвижных педалях. Известны различные конструкции обгонных муфт - храповые, роликовые, пружинные, колодочные и пр., однако наиболее употребительны в машинах роликовые обгонные муфты.

Одна из возможных конструкций роликовой муфты свободного хода показана на рис. 12. Полумуфта Б называется обоймой. В данном случае обойма является частью зубчатого колеса 1, свободно вращающегося на валу 4 на шарикоподшипниках. Полумуфта 3 жестко закреплена на валу. Между полумуфтами в пазах находятся ролики 2, которые постоянно контактируют с ними под действием пружин 5.

Щека 6 закрывает полумуфту с торца.

Рис. 12.

Если зубчатое колесо вращается против часовой стрелки, как показано на рис. 12, то ролики закатываются в узкую часть пазов и заклиниваются между обоймой и полумуфтой на валу. Образуется жесткое соединение зубчатого колеса с валом и крутящий момент передается с колеса на вал. При вращении колеса в противоположном направлении ролики выходят в широкую часть пазов, колесо оказывается разъединенным с валом и вращается свободно.

При передаче крутящего момента Т на ролик действуют нормальные силы Fn и силы трения F (рис. 13). По условию симметрии силы трения и нормальные силы, приложенные в точках контакта ролика с обоймой и полумуфтой на валу, попарно равны между собой.

Нормальные силы Fn стремятся вытолкнуть ролик из паза в направлении биссектрисы угла б. Этому препятствуют силы трения F = Fnf (f - коэффициент трения). Для того чтобы ролик не выскакивал из паза, проекция силы трения на биссектрису угла б должна быть больше соответствующей проекции нормальной силы:

Учитывая, что F = Fnf, после сокращения и преобразования получим:

где - угол трения.

Таким образом, чтобы ролик заклинивал в пазу надо, чтобы угол б муфты был меньше двойного угла трения, то есть:

(15)

Практически для закаленной стали б = (7 8).

Прочность ролика и рабочих поверхностей обоймы и полумуфты на валу рассчитывается по контактным напряжениям. Чтобы вывести рабочую формулу этого расчета, запишем условие равновесия обоймы:

(16)

где: D - внутренний диаметр обоймы (рис. 13);

z - число роликов.

Исходной формулой для расчета контактных напряжений является формула Герца в приведенном виде, то есть, с учетом того, что детали обгонной муфты выполнены из конструкционной стали. Это формула (2.4) из 2.5:

Напомним, что q - это удельная нагрузка в контакте, а спр - приведенный радиус кривизны контактирующих тел.

Рис. 13

В нашем случае удельная нагрузка:

где l - длина ролика.

Величина приведенного радиуса кривизны различна при рассмотрении контакта ролика с обоймой или с полумуфтой на валу. В первом случае ролик контактирует с вогнутой поверхностью, а во втором - с плоскостью. Второй случая является более опасным, так как площадка контакта ролика с плоскостью меньше, чем с вогнутой поверхностью обоймы. При этом:

где d - диаметр ролика.

Учитывая равенство (16) и допуская из-за малости угла

получим рабочую формулу:

(17)

В обгонных муфтах обычно применяют стандартные ролики подшипников качения с твердостью поверхности (45 50) HRC, а детали муфты изготавливают из стали ШХ15 с цементацией и закалкой поверхности до твердости 60 HRC. При этом можно принимать [уH] = (1200 1500) МПа.

8. Пример расчета

Спроектировать и рассчитать многодисковую фрикционную муфту со стальными дисками, работающими при смазке в реверсивном режиме, установленную на валу диаметром d = 40 мм и предназначенную для передачи крутящего момента Т = 100 Нм.

Проектирование и расчет предполагают определение внешнего диаметра дисков D (внутренний равен диаметру вала) и их количества, расчет силы сжатия дисков и проверочный расчет по допускаемому удельному давлению.

Сила сжатия дисков определяется по формуле (13):

здесь: k - коэффициент динамичности режима нагрузки: при реверсивном режиме k = 1,3 1,5 (стр. 177); принимаем k = 1,4;

f - коэффициент трения на трущихся поверхностях дисков;

f = 0,06 (таблица 2);

n = количество дисков.

Из формулы проверочного расчета по допускаемому давлению (14) найдем допустимую силу сжатия дисков:

здесь [p] - допускаемое удельное давление в дисках; для стальных дисков [p] = 0,7 МПа (таблица 2).

Вместо F в последнее неравенство подставим правую часть предыдущего выражения:

В полученном неравенстве два неизвестных: внешний диаметр дисков D и количество дисков n. На основе изучения прототипов подобных муфт в технической литературе принимаем D = 120 мм. Тогда количество дисков:

Принимаем количество дисков n = 10.

Определяем требуемую силу сжатия дисков:

Н

Удельное давление в дисках (14):

Мпа

Проверка удовлетворительна, так как р < [p] = 0,7 МПа.



Литература

1. Авиационные зубчатые передачи и редукторы. Справочник. Под редакцией Булгакова Э.Б. Москва, «Машиностроение», 1981.

2. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В трех томах. Москва, «Машиностроение», 1982.

3. Детали машин. Атлас конструкций. Под ред. Решетова Д.Н. Москва, «Машиностроение», 1989.

4. Детали машин. Сборник материалов по расчету и конструи¬рованию в двух книгах. Под редакцией Ачеркана Н.С. Москва, Маш¬гиз, 1953.

5. Дунаев П.Ф. Конструирование узлов и деталей машин. Москва, 1978.

6. Иванов М.Н. Детали машин. Москва, «Высшая школа», 1991.

7. Конструирование машин. Справочно-методическое пособие в двух томах. Под редакцией Фролова К.В. Москва, «Машинострое¬ние», 1994.

8. Кудрявцев В.Н. и др. Курсовое проектирование деталей ма-

шин. Ленинград, 1984.

9. Основы расчета и конструирования деталей летательных ап-

паратов. Под ред. Кестельмана В.Н. Москва, 1989.

10. Справочник машиностроителя, том 4, книги I и II. Под редак¬цией Ачеркана Н.С. Москва, Машгиз, 1963.

11. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. Под редакцией Крагельского И.В. и Алисина В.В. Москва, «Машиностроение», 1978.

Размещено на Allbest.ru