Муфты, их классификация и особенности применения
В технике муфты — это соединительные устройства для тех валов, концы которых подходят один к другому вплотную или же удалены на небольшое расстояние. Соединение валов муфтами обеспечивает передачу вращающего момента от одного вала к другому. Валы, как правило, расположены так, что геометрическая ось одного вала составляет продолжение геометрической оси другого вала. С помощью муфт можно также передать вращение с валов на зубчатые колеса, шкивы, свободно насаженные на эти валы.
Муфты не изменяют вращающего момента и направления вращения. Некоторые типы муфт поглощают вибрации и точки, предохраняют машину от аварий при перегрузках.
1.1. Назначение муфт
Муфты в машиностроении предназначены:
- соединять соосные валы отдельных узлов и механизмов, а также разнообразные детали (зубчатые колеса, звёздочки, шкивы и т.п.) с валами (в дальнейшем – просто валов) с целью передачи между ними крутящего момента;
- компенсировать несоосность соединяемых валов. Необходимость компенсирующих свойств муфт возникает в связи с тем, что при соединении валов сборочных единиц изделий имеет место смещение их осей вследствие неточности изготовления, монтажа, нагрузочных и тепловых деформаций валов. Различают смещения осевые ∆l, радиальные ∆r, угловые ∆α (рис. 1.1). На практике в большинстве случаев встречаются различные комбинации этих смещений. Несоосность осей валов усложняет монтаж муфт и условия их работы. По этой причине смещения осей ограничивают.
Рис.1.1. Отклонения от соосности соединяемых валов: а – соосное расположение валов;
Б, в, г, д – оси валов имеют смещения (осевое – ∆l, радиальное – ∆r, угловое – ∆𝛂 и комбинированное)
- снижать ударные динамические нагрузки, интенсивность вибрации, устранять опасность резонансных явлений. Потребность в снижении динамических нагрузок, интенсивности колебательных процессов возникает в быстроходных элементах машин при эксплуатации в нестационарных (неустановившихся) режимах работы. Обязательным компонентом муфт, применяющихся в подобных ситуациях, является упругий элемент, который способен аккумулировать кинетическую энергию динамических процессов, преобразовывать её в потенциальную энергию деформации и тепловую энергию работ сил трения. Кроме того, подобные муфты могут изменять собственную частоту колебаний за счет изменения жесткости упругих элементов с изменением их деформации и предотвращают явление резонанса.
- предохранять элементы машин от недопустимых кратковременных перегрузок в машинах ударного действия, обладающих значительной инерционностью отдельных звеньев и ведущих обработку сред неоднородной структуры, при эксплуатации в неустановившихся режимах работы, в которых перегрузки могут в 2…3 и более раз превышать номинальные. Такие кратковременные перегрузки вызывают статические (квазистатические) разрушения элементов машин. Для исключения подобных перегрузок используют специальные муфты, в которых при перегрузках происходит взаимное крутильное угловое смещение ведущих и ведомых элементов с фрикционной, расцепляющейся связью или разрушение специально предусмотренного легко заменяемого звена в силовой цепи. Последний тип муфт целесообразно использовать лишь при сравнительно редких значительных перегрузках.
- управлять работой машин. В некоторых случаях управлять отдельными машинными операциями рациональнее с помощью муфт. К примеру, в машинах, механизмах с частыми пусками и остановками исполнительного (рабочего) органа возникает необходимость кратковременного разобщения кинематической цепи, соединяющей работающий двигатель с исполнительным органом. Иногда требуется передача крутящего момента с двигателя на рабочий орган в одном направлении при равенстве угловых скоростей ведущего и ведомого элементов и разобщение их, если скорость ведомого превысит скорость ведущего (например, в велосипеде). В иных случаях требуется соединение ведущего и ведомого элементов в случае достижения ведущим определенной скорости. В описанных случаях управляющие функции рационально выполнять не специальными устройствами, а совместить их с основной задачей муфт.
- придать валам некоторой относительной подвижности во время работы (малые смещения и перекос геометрических осей валов);
- автоматически соединять и разъединять валы в зависимости от пройденного пути, направления передачи вращения, угловой скорости, т.е. выполнения функций автоматического управления;
- обеспечивать плавный разгон машины и облегчать условия работы двигателя (муфты скольжения);
- осуществлять электрическую изоляцию валов, что важно с точки зрения безопасности для муфт электродвигателей (упруго-демпфирующие муфты с неметаллическими элементами).
Основными конструктивными элементами муфт являются ведущая 1, ведомая 2 полумуфты и соединительный элемент (силовая цепь) 3 для их соединения (рис. 1.1). Каждая полумуфта выполняет функции передачи крутящего момента между ними и валами. Полумуфты нередко практически одинаковы и могут быть взаимозаменяемыми. Различия между ними часто касаются лишь формы или размеров посадочных отверстий, а также исполнения соединения «вал – ступица». Современные стандарты на муфты обычно предусматривают возможность варьирования формы и диаметров отверстий ведущей и ведомой полумуфт в пределах набора значений, предусмотренных для каждого типоразмера, а также типов указанных соединений. В силу взаимозаменяемости полумуфт в подобных случаях их не разделяют. Однако для понимания принципа действия, силового анализа муфт и оформления конструкторских документов такое разделение является целесообразным.
Разнообразие прямых и дополнительных функций муфт, многообразие средств их реализации определили широкий набор конструкций обсуждаемого узла и развёрнутую их классификацию. В качестве первичного признака классификации муфт можно принять принцип передачи крутящего момента между ведущим и ведомым элементами. По этим признакам выделяют муфты механические, гидравлические, пневматические и электромагнитные. В муфтах механического принципа действия передача движения осуществляется посредством контакта твёрдых тел. Такие муфты наиболее просты по конструкции, надежны в работе, имеют минимальные потери энергии, универсальны по возможности реализации перечисленных функций и потому в современном машиностроении наиболее распространены. Муфты механического принципа действия и приняты в настоящем разделе объектом изучения.