Муфты служат для соединения валов или валов с деталями, свободно вращающимися на них (зубчатыми колесами, шкивами и т.п.), с целью передачи вращения без изменения скорости. Известно, что большинство устройств, систем компонуют из отдельных узлов с входными и выходными валами. Такими узлами являются, например, привод в виде двигателя, передаточный и исполнительный механизмы. Кинематическая и силовая связь между этими узлами устройства осуществляется с помощью муфт (рис.1).

Рис. 1

Соединение валов является основным, но не единственным назначением муфт. Муфты применяют для включения и выключения исполнительного органа при непрерывно работающем двигателе, для предохранения рабочих органов от перегрузок и чрезмерно больших скоростей, для передачи движения между валами только в одном направлении, для остановки в качестве тормоза и других функций.

Глухие жесткие муфты используют при передаче движения между соосными валами, которые должны работать как единый вал. Компенсирующие подвижные муфты применяют при передаче движения между несоосными валами при наличии небольших радиальных, осевых, угловых или комбинированных смещений осей валов. Упругими муфтами пользуются для смягчения толчков, динамических нагрузок при передаче вращающегося момента между валами. Предохранительные муфты применяют во избежание поломок деталей механизма из-за перегрузок. Обгонные муфты используют для передачи движения только в одну сторону.

Муфты по управляемости передачей вращения между соединяемыми валами делят на три группы:

муфты постоянные, осуществляющие постоянное соединение валов, - глухие, компенсирующие, упругие;

муфты управляемые, обеспечивающие режим «включено-выключено» с помощью: дистанционного (электрического) управления - электромагнитные, магнитопорошковые (магнитожидкостные), пьезокристаллические; ручного (механического) управления - зубчатые, кулачковые, фрикционные;

муфты самоуправляемые, осуществляющие автоматическое разъединение или соединение валов: по величине передаваемого момента - предохранительные; по скорости вращения - центробежные; по направлению вращения - обгонные.

Стандартами предусмотрены размеры на некоторые типы муфт. Муфты подбирают по большему диаметру соединяемых валов и расчетному значению передаваемого момента Тр = kT, где Т - номинальный момент на валу; k - коэффициент режима работы муфты. В приводах от электродвигателя принимают: при спокойной нагрузке k = 1,15 … 1,4; при переменной нагрузке k = 1,5 … 2; при ударной нагрузке k = 2,5 … 4.

Часто муфты изготавливают индивидуально. При выборе конструкции муфты учитывают ее назначение, особенности конструкции механизма, условия эксплуатации, характер нагрузки. Выбранные муфты проверяют в кинематических передачах на точность, в силовых - на прочность.

Постоянные муфты

Эти муфты делятся на глухие и подвижные, или компенсирующие, которые допускают небольшие неточности сборки.

Глухая втулочная муфта (рис. 2) является наиболее простой и используется при высокой соосности соединяемых валов и отсутствии перекоса. Она состоит из втулки, соединенной с валами с помощью штифтов (рис. 2, а), шпонок (рис. 2, б), а при больших моментах - шлицами.

а б

Рис. 2

Втулки изготавливают из различных материалов, но чаще из тех же марок сталей, что и валы. Рекомендуют следующие соотношения между наружным D и внутренним d диаметрами D = 1,5d. Длина посадочной части втулки на каждом валу ?1 = (1 … 1,5)d; общая длина муфты ? = (2,25 … 3)d, диаметр штифта dш = (0,2 … 0,25)d.

Для соединения втулки с валом рекомендуют посадки с нулевым зазором типа H/h или переходные типа H/k.

Расчет таких муфт сводится к расчету штифтов (шпонок) на сдвиг.

Размеры втулочных муфт стандартизированы.

Поводковые муфты различных конструкций (рис. 3, .4) применяют при диаметрах валов 3 … 12 мм. Они допускают небольшие радиальные смещения осей валов. Муфты состоят из полумуфт 1 и 2, закрепленных на валах штифтами. На фланце одной из полумуфт закреплен палец (поводок) 3, входящий в паз второй полумуфты. Палец может быть цилиндрическим и сферическим, последний допускает и перекос осей. Муфта (см. рис. 3) проста по конструкции, но у нее всегда существует мертвый ход за счет зазора z между пальцем и пазом. При расстоянии r между осями вала и пальца величина мертвого хода в угловых минутах = 3438 z/r. Чтобы уменьшить в вале радиальную изгибающую нагрузку, рекомендуют применять муфты с двумя пальцами, расположенными симметрично относительно оси валов.

В точных передачах применяют поводковые муфты (рис. 4), мертвый ход в которых выбирают плоской 4 или винтовой пружиной.

Рис. 3 Рис. 4

Упругие муфты применяют для амортизации ударных и динамических нагрузок при частых пусках и реверсах механизма.

Упругая поводковая муфта представлена на рис. 5. Она состоит из двух полумуфт 4, 5, закрепленных на валах. В каждой полумуфте закреплено симметрично относительно оси по два цилиндрических пальца (поводка) 1, 2. Между полумуфтами находится упругий элемент 3 из твердой резины, кожи с четырьмя расположенными равномерно по окружности отверстиями, в которые входят пальцы полумуфт. При работе муфты упругий элемент деформируется, амортизирует динамические нагрузки и компенсирует погрешности расположения осей валов. Недостатком муфты является наличие мертвого хода из-за деформации упругого элемента и зазора между пальцем и упругим элементом.

Упругая мембранная муфта (рис. 6) позволяет передавать вращение между валами, имеющими радиальное смещение и перекос осей соответственно до 0,7 мм и 230. Вращающийся момент передается с полумуфты 1 на полумуфту 2 с помощью тонкого упругого кольца и мембраны 3. Изготавливают мембраны из стали 65Г, фосфористой бронзы, текстолита и других материалов. Мертвый ход муфты не превышает 6 … 12.

Размеры упругих поводковых и мембранных муфт для валов с диаметром 4 … 5 мм нормализованы.

Рис. 5 Рис. 6

Управляемые муфты

С помощью управляемых, называемых также сцепными, муфт можно в процессе работы соединять и разъединять валы.

Муфты с ручным управлением в дистанционно управляемых системах, системах автоматики, различных приводах периферийных устройств ЭВМ практически не применяются. При этом используют муфты управляемые дистанционно с помощью электрических сигналов малой мощности.

Из управляемых сцепных муфт наиболее применимы электромагнитные фрикционные и порошковые, обладающие высоким быстродействием и возможностью регулирования передаваемого момента. Эти муфты используются дополнительно в качестве предохранительных и тормозных устройств.

Управление электромагнитом кулачковых (зубчатых) муфт связано с рядом трудностей, обусловленных плавным сцеплением и расцеплением полумуфт, что возможно только при равенстве их угловых скоростей. Наиболее широко используются фрикционные электромагнитные муфты. Они обеспечивают плавное сцепление и расцепление валов при любых скоростях. В этих муфтах для соединения валов используются силы трения между поверхностями полумуфт. Принципиальные схемы фрикционных муфт показаны на рис. 7. Левые полумуфты закреплены на валах неподвижно, а правые являются подвижными (шлицевое, шпоночное соединение) или имеют подвижные элементы. В зависимости от формы рабочих поверхностей различают фрикционные муфты: дисковые - однодисковые (рис. 7, а) и многодисковые (рис. 7, б); конусные (рис. 7, в).

Многодисковые муфты получили наибольшее распространение благодаря плавности включения, небольшим габаритам при передаче больших моментов. Оптимальное число дисков 6 … 10.

В конусных муфтах (см. рис. 7 в) угол не должен быть меньше угла трения для предотвращения заклинивания и облегчения расцепления, для металлических поверхностей 8 … 15.

Рис. 7

Необходимая сила прижатия дисков

Q = (T / Rcp)•f•n , (1)

где Т - передаваемый муфтой момент; Rcp - средний радиус поверхностей трения; n - число поверхностей трения; f - коэффициент трения, принимаемый для стали по металлокерамике f = 0,1 … 0,4, для стали по стали при наличии смазки f = 0,08.

Осевая сила включения конусной муфты

Q = (T•sin/Rcp)•f. (2)

Для повышения коэффициента трения рабочие диски изготавливают из фрикционных материалов на основе металлических порошков.

Сила прижатия дисков или конусов создается электромагнитом, встроенным в левую полумуфту, на обмотку которого подается напряжение через скользящие контакты - кольца и счетки.

Конструкции многодисковых фрикционных муфт нормализованы. Их используют при мощностях до 250 Вт и частотах вращения до 4000 об/мин, время срабатывания 28 … 200 мс. Однодисковые муфты проще по конструкции, но габариты их сравнительно велики.

Порошковые муфты отличаются малой инерционностью, быстродействием (время срабатывания 5 … 50 мс), возможностью управлять передаваемым моментом и независимостью величины передаваемого момента от скорости.

Муфта состоит (рис. 8) из трех основных частей: неподвижного корпуса 1 и двух полумуфт 2, 3. Полумуфты свободно вращаются внутри корпуса. Пространство между полумуфтами заполнено ферромагнитной массой 4 в жидком или порошкообразном виде (смесь из мелкодисперсных частиц карбонильного железа и наполнителя в виде талька или графита). Катушка 5 электромагнита располагается в одной из полумуфт или в корпусе.

Рис. 8 Рис. 9

Если электромагнит не включен (при нулевой напряженности магнитного поля), то вязкость ферромагнитной массы 4 небольшая и полумуфты механически не связаны. При подаче сигнала управления на катушку электромагнита и прохождении магнитного потока через рабочие зазоры ферромагнитные частицы намагничиваются и располагаются вдоль силовых линий. Вязкость ферромагнитной массы увеличивается, механически связывая полумуфты. При увеличении интенсивности магнитного поля растут вязкость массы 4 и величина передаваемого момента. Жидкостные муфты работают плавнее, чем порошковые, но требуют более совершенных уплотнений.

Конструкции порошковых муфт нормализованы (серия БПМ) и подбираются по передаваемому моменту и частоте вращения вала.

Использование пьезокристаллических муфт позволяет увеличить быстродействие при соединении валов до 0,2 мс, что особенно важно в системах управления, обработки информации. Принцип их действия основан на изменении размеров пьезокристалла под действием постоянного тока (рис. 9). При подводе постоянного тока к кристаллам 1 происходит увеличение размеров полумуфты 2, выборка зазоров между ней и полумуфтой 3 и передача вращения за счет сил трения.

Зазор между полумуфтами ограничивается микронными изменениями размера кристаллов. Отсюда высокие требования к точности взаимного расположения осей соединяемых валов, к точности изготовления элементов муфты и наличие вследствие малых зазоров между полумуфтами тормозного момента при нулевом сигнале управления.

Самоуправляемые муфты

Самоуправляемые муфты служат для автоматического разъединения (соединения) валов в тех случаях, когда передаваемый валом момент или скорость превышает заданную условиями эксплуатации величину. Рассмотренные фрикционные сцепные муфты (см. рис. 7) могут быть использованы в качестве самоуправляемых по величине передаваемого момента. В этих муфтах при перегрузках будет происходить проскальзывание полумуфт с автоматическим разъединением валов.

Центробежная муфта прямого действия (рис. 10, а) применяется для автоматического сцепления валов, а центробежная муфта обратного действия (рис. 10, б) - для автоматического расцепления валов. Полумуфты 1 и 2 соединяются с помощью колодок 3, которые могут поступательно перемещаться в полумуфте 1.

Рис. 0

В муфтах прямого действия колодки удерживаются силами упругости Fпр пружин растяжения в полумуфте 1. При вращении вала с полумуфтой 1 со скоростью на колодки действуют центробежные силы инерции Fn = mr2, где m - масса колодки, r - расстояние от центра масс колодки до оси вращения полумуфты 1. При увеличении скорости вращения сила инерции преодолевает силу упругости пружины и прижимает колодку к полумуфте 2 с силой N = Fn - Fпр, создающей трение между полумуфтами. При моменте трения Мтр = Fтр? r = (Fn - Fпр)r, превышающем момент сопротивления, происходят передача вращательного движения от полумуфты 1 к полумуфте 2 и соединение валов.

В муфтах обратного действия (см. рис. 10, б) расцепление валов происходит при скорости, когда сила инерции (Fn) колодки ставится равной силе упругости пружины (Fпр) и отжимает колодку от полумуфты 2.

Обгонная муфта (рис. 11) передает движение только в одном направлении. Она состоит из ведущей 1 и ведомой 2 полумуфт, шариков (роликов) 4.

Принцип работы обгонных муфт состоит в следующем. Полумуфта 1 жестко закреплена на ведущем валу. При его вращении по часовой стрелке шарики 4 под действием сил пружин 3 и сил трения вкатываются в узкую часть клинового зазора полумуфт и, заклиниваясь, передают вращательный момент от полумуфты 1 к полумуфте 2, свободно сидящей на валу и являющейся зубчатым колесом.

Рис. 11

При вращении полумуфты 1 против часовой стрелки шарики выходят в широкую часть клиновых зазоров и полумуфты разъединяются, т.е. вращение от вала к зубчатому колесу не передается.

Такие муфты нормализованы. Они обеспечивают бесшумную работу и обладают высокой нагрузочной способностью.

ЛИТЕРАТУРА

Красковский Е.Я., Дружинин Ю.А., Филатова Е.М. Расчет и конструирование механизмов приборов и вычислительных систем: Учебное пособие. М.: - Высш. шк., 2001. - 480 с.

Сурин В.М. Техническая механика: Учебное пособие. - Мн.: БГУИР, 2004. - 292 с.

Ванторин В.Д. Механизмы приборных и вычислительных систем: Учебное пособие. - М.: Высш. шк., 1999. - 415 с.