Автоматическая муфта

Муфты самоуправляемые (автоматического действия)

Самоуправляемые муфты предназначены для автоматического сцепления и расцепления валов при изменении заданного режима работы машины.

Самоуправляемые муфты бывают:

по направлению вращения — муфты свободного хода (обгонные);

по частоте вращения — центробежные;

по величине вращающего момента — предохранительные.

Муфты свободного хода служат для передачи вращающего момента только в одном направлении, допуская свободное относительное вращение в противоположном направлении; при этом валы автоматически разъединяются. Поэтому их также называют обгонными муфтами.

Термин «обгонные муфты» возник в связи с тем, что муфты допускают обгон ведущего вала ведомым, если тот получает более быстрое вращение.

По принципу действия муфты свободного хода бывают фрикционные и храповые.

Наибольшее распространение получила муфта свободного хода — фрикционная роликовая (рис. 30.20) — из-за бесшумности, малого «мертвого хода», возможности большого числа включений и способности работать при высоких окружных скоростях.

Муфта состоит из двух полумуфт, одна из которых (обойма) имеет форму кольца, другая — форму звездочки с вырезами для цилиндрических роликов. Ведущей может быть как звездочка, так и обойма. Если ведущей является звездочка, то муфта, изображенная на рис. 30.20, может передавать вращение по часовой стрелке, если ведущей является обойма — против часовой стрелки.

При передаче вращающего момента ролики, заклиниваясь между полумуфтами в суживающейся части полости, образуют их жесткое сцепление.

Если частота вращения ведомого вала превысит частоту вращения ведущего (при обгоне), ролики, расклиниваясь, выкатятся в расширенную часть полости — муфта автоматически выключится.

Рис. 30.20. Муфта свободного хода

При останове ведущего вала ведомый вал может продолжать вращение. Так, в велосипеде обгонная муфта позволяет колесу вращаться при неподвижных педалях.

Важнейшим параметром муфты является угол а заклинивания, обычно а = 6. 10°. Уменьшение угла а приводит к увеличению контактных напряжений.

В муфтах применяют стандартные ролики подшипников, изготовляемые из стали марки ШХ15 с термообработкой до твердости 58. 60 HRC.

Материал звездочки и обоймы — сталь марки 20Х с цементацией и закалкой до твердости 59. 60 HRC.

Ролики работают при смазывании маслом марки И-Г-А-32.

Муфты свободного хода роликовые применяют в вертолетах, станках, автомобилях (привод шестерни стартера) и т. п.

Критерием работоспособности роликовых муфт является контактная прочность рабочих поверхностей роликов и полумуфт.

Муфты выбирают по стандарту для диаметров валов d = 10. 90 мм с диапазоном вращающих моментов соответственно 2,4. 800 Н м и числом роликов 3 или 5.

Муфты центробежные (рис. 30.21) служат для соединения и разъединения валов при достижении ведущим валом заданной частоты вращения.

По устройству центробежные муфты представляют собой фрикционные муфты, у которых механизмом управления служат грузы — колодки 1, находящиеся под действием центробежных сил. При достижении ведущим валом заданной частоты вращения центробежные силы, перемещая колодки с фрикционными накладками по направляющим ведущей полумуфты в радиальном

Рис. 30.21. Муфта центробежная колодочная

направлении, плавно прижимают их к ведомой полу муфте — включают муфту.

Передача вращающего момента осуществляется силами трения, пропорциональными квадрату частоты вращения.

Центробежные муфты применяют в качестве пусковых, т. е. для разгона механизмов с большими маховыми массами (прокатные станы, вентиляторы, центрифуги, прессы и др.) при двигателе с малым пусковым моментом или для повышения плавности пуска.

Размеры муфт принимают конструктивно.

Рабочие поверхности трения колодок проверяют на износостойкость аналогично фрикционным муфтам.

Центробежные муфты изготовляют также с сыпучим наполнителем (роль груза выполняют стальная дробь или смесь стального и графитового порошка с маслом).

Муфты предохранительные предназначены для предохранения машин от разрушения при перегрузках.

Предохранительные муфты располагают как можно ближе к месту установки дорогих ответственных деталей, узлов.

Муфты работают при строгой соосности валов.

Во избежание случайных выключений эти муфты рассчитывают по предельному моменту Гпред:

где Гтах — наибольший момент, передаваемый при работе машины. 500

Рис. 30.22. Муфта пружинно-кулачковая предохранительная

По принципу работы предохранительные муфты делят на пружинно-кулачковые, фрикционные и с разрушающимся элементом.

Муфта пружинно-кулачковая предохранительная (рис. 30.22) по конструкции аналогична сцепной кулачковой, только подвижную в осевом направлении полумуфту прижимают к неподвижной не механизмом управления, а постоянно действующей пружиной с регулируемой силой прижатия.

Трапецеидальные кулачки выполняют небольшой высоты с углом а профиля 30, 45 или 60°.

При перегрузке сумма осевых составляющих сил Fa на гранях кулачков превышает прижимную силу пружины и муфта срабатывает — отключает ведомый вал, многократно прощелкивая кулачками, тем самым подавая звуковой сигнал о перегрузке.

Повторные мгновенно-ударные включения кулачков при перегрузке отрицательно влияют на прочность деталей, поэтому эти муфты применяют для передачи небольших моментов при малых частотах вращения и при малых маховых массах.

Размеры муфт принимают конструктивно.

Кулачки имеют повышенную изнашиваемость, поэтому их проверяют на износостойкость и прочность аналогично сцепным кулачковым муфтам.

Пружины рассчитывают методами сопротивления материалов.

Муфты фрикционные предохранительные применяют при частых кратковременных перегрузках и больших частотах вращения.

Конструкция этих муфт (рис. 30.23) аналогична конструкции сцепных фрикционных муфт.

Силу прижатия создают пружиной, отрегулированной на передачу предельного вращающего момента Тпреа.

При перегрузке муфта, пробуксовывая, поглощает механическую энергию, преобразуя ее в тепловую.

Пружины периодически регулируют, так как по мере износа поверхностей трения диски сближаются, уменьшая силу сжатия пружин.

Рис. 30.23. Муфта многодисковая фрикционная предохранительная

Чаще других используют сухие многодисковые муфты, размеры которых подбирают по стандарту или принимают конструктивно, а затем проверяют расчетом аналогично сцепным фрикционным муфтам.

Муфта фланцевая со срезным штифтом (рис. 30.24) состоит из двух фланцевых полумуфт, соединенных цилиндрическим штифтом, расположенным во втулках. При перегрузке штифт срезается и муфта выключается.

Материал штифта — сталь марки 45, материал втулок — сталь марки 40Х с закалкой до твердости 50. 60 HRC.

Эти муфты просты по конструкции, имеют большую несущую способность при малых габаритах и высокую точность срабатывания.

Недостатком их является останов машины для замены срезанного штифта. Для замены штифта полумуфты поворачивают относительно друг друга.

Применяют в приводах, работающих с редкими случайными перегрузками.

Размеры муфты принимают по нормали станкостроения.

Условие срабатывания муфты:

где Гпред = 10 _3 “

L ‘cB — расчетный предельный (разрушающий

момент), Н • м; с1ш — диаметр штифта, мм; z — число штифтов; к — коэффициент неравномерности распределения нагрузки на штиф-

Р и с. 30.24. Муфта со срезным штифтом ты (к = 1 при z = 1; к = 1,2 при z = 2); R — радиус расположения осей штифтов, мм; тв — предел прочности при срезе для материала штифта, Н/мм 2 . Для гладких штифтов предохранительных муфт тв

(0,7. 0,8)ав, где ов — временное сопротивление при растяжении материала, Н/мм 2 .

Диаметр штифта вычисляют из условия его прочности на срез, мм:

Пример 30.3. В приводе подачи станка установлена предохранительная муфта со срезным штифтом. Наибольший вращающий момент, передаваемый муфтой при нормальной работе станка, 7^ = 172 Н • м. Определить диаметр штифта, если z = 1; R = 45 мм. Материал штифта — сталь марки 45.

Решение. Проектировочный расчет.

1. Предельный момент [формула (30.11)]:

  • 2. Предел прочности при срезе тв для материала штифта: по табл. 12.1 для стали марки 45 ов = 890 Н/мм 2 , тогда тв = 0,75 • 890 = 670 Н/мм 2 .
  • 3. Диаметр штифта при z = 1 и к = 1 [формула (30.13)]:

Рис. 30.25. Муфта комбинированная упругопредохранительная фрикционная, встроенная в шкив

Муфты комбинированные представляют собой сочетание различ ных муфт в одной конструкции. Применяют, когда ни одна отдель но взятая муфта не может обеспечить требуемых условий соедине ния валов. В машиностроении часто применяют комбинацию ком пенсирующих упругих муфт с предохранительными (рис. 30.25).

dustovod › Блог › Муфты полного привода. Устройство и принцип работы.

Описываемый ниже тип включения полного привода настолько распространён, что перечень всех автомобилей, где он устанавливается будет достаточно обширным.
Renault Duster, Nissan Qashqai, Mitsubishi Outlander, Hyundai Tucson, Hyundai Creta (upd. в комментариях поправили, что на Creta стоит муфта другого типа), Ford Escape, Mazda CX-5 — это лишь некоторые из тех, что на слуху. В основном, конечно же, это так называемые “паркетники”, где установка полноценных раздаточных коробок невозможна из-за плотной компоновки. Так же малые габариты и простота управления позволяют устанавливать муфты этого типа и на совсем маленькие автомобили типа Mini Cooper. Однако и это далеко не вся область применения. Точно такие же муфты (правда, открытого типа и покрупневшие в размерах) можно обнаружить и в составе “взрослых” раздаточных коробок (например Borg Warner 4405 для Ford Explorer или Borg Warner 4406 для Ford Expedition/Lincoln Navigator).
Устройство муфты.

Конструктивно муфту можно разделить на три части:
— электромагнитная муфта для активации функции полного привода управляемая внешним электронным блоком;
— кулачковая муфта, предназначение которой — преобразование разницы крутящих моментов на входном и выходном валу в усилие сжатия фрикционного пакета;
— фрикционная муфта посредством которой и передаётся основной крутящий момент от входного вала к выходному.

На большинстве автомобилей все эти муфты (за исключением неподвижной катушки) заключены в герметичный корпус в который залита специальная трансмиссионная жидкость. Сделано это из-за слишком разных требований к маслам используемых в гипоидных зубчатых передачах (главная пара) и в передачах с использованием фрикционных материалов.
Для простоты представления процессов рассмотрим работу муфты на примере работы в режиме принудительного полного привода. В этом случае алгоритмы работы электроники управляющей включением электромагнитной муфты можно опустить.

При включении принудительного полного привода происходит подача напряжения на катушку электромагнитной муфты (6). Якорь (3) электромагнитной муфты притягивается к катушке и смещаясь по шлицам обоймы кулачковой муфты (2) входит в зацепление с корпусом муфты образуя жёсткую кинематическую связь обоймы (2) с входным валом. Вторая обойма (1) кулачковой муфты постоянно зацеплена с выходным валом посредством шлицов.

Пока вращение входного и выходного валов синхронно (езда по твёрдому покрытию с хорошим сцеплением) ничего не происходит. Но как только возникает пробуксовка передней оси, входной вал смещается вперёд относительно выходного. Это приводит к смещению шарика (5) кулачковой муфты в бороздках. А так как бороздки имеют переменную глубину (скосы) шарик начинает давить на обоймы обгонной муфты. Обойма (2) упирается в корпус. Обойма (1) имеющая нажимной диск начинает сжимать фрикционную муфту. Сила сжатия будет расти до того момента пока угловые скорости входного и выходного валов не выравняются. То есть конструкция муфты такова, что при её срабатывании никакой пробуксовки (больше чем это достаточно для срабатывания кулачковой муфты, т.е. считанные градусы) в муфте нет. Как только начинается пробуксовка, обоймы кулачковой муфты смещаются ещё больше и фрикционный пакет сжимается с бОльшей силой пока пробуксовка муфты не будет устранена.
Правда тут есть нюанс. На дорогих спортивных авто в конструкцию муфты вносят дополнительное усовершенствование. Между якорем (3) и корпусом муфты устанавливается ещё один “первичный” (primary) пакет фрикционов. Тогда за счёт модуляции сигнала на катушке (6) появляется возможность контролировать блокировку обоймы муфты (2) допуская её некоторое проскальзывание. Тем самым появляется возможность гибко перераспределять крутящий момент между передней и задней осью. Необходимо это для изменения поведения в повороте (баланс между избыточной и недостаточной поворачиваемостью) у машин претендующих на гордое звание раллийных или спорт-каров. К недорогим паркетникам это никоим образом не относится. Там муфта работает просто по принципу вкл/выкл. Однако, “дорогие технологии” постепенно становятся более доступными и есть основания надеяться, что вскоре можно будет заняться подобной тонкой настройкой и бюджетных авто.

Читайте также:  Автосервиc устранение перекоса и ремонт кузова

Но тогда возникает закономерный вопрос: как же тогда возникает перегрев муфты? А возникает он по совокупности факторов.
1. Трение во фрикционном пакете при включении муфты хоть и минимально по времени, но всё есть. Учитывая передаваемый момент и цикличность включений-выключений муфты (на некоторых режимах езды и неправильной буксовки, о чём ниже) выделение тепла может достигать значительных величин.
2. Нагрев электромагнитной катушки. Он достаточно мал, чтобы вызвать перегрев даже будучи включённой значительное время, но всё же тоже вносит вклад.
3. Нагрев в результате проскальзывания якоря (3) по корпусу муфты. Это не является штатным функционированием, но может возникать при резком включении муфты. Например, при езде на высоких скоростях по нестабильным покрытиям в режиме 4WD AUTO. При этом время включения фрикционной муфты (то есть время проскальзывания в ней) увеличивается, а значит и увеличивается тепловыделение в ней.
Интересен так же способ, которым контроллер определяет температуру муфты. Датчиков температуры муфты на большинство указанных авто не устанавливается, тем не менее контроллер как-то определяет температуру. А определяет он её по изменению сопротивления катушки, то есть по изменению тока протекающего через неё. Сопротивление меди увеличивается с ростом температуры. Изменение составляет около 25% при увеличении температуры на 60°C. Электроника просто измеряет изменение силы тока при приложенном напряжении и высчитывает сопротивление. По изменению сопротивления можно вычислить температуру. Измерения не являются абсолютно точными (измерения калиброванным датчиком будут заведомо точнее), но более чем достаточными для выявления перегрева.
При выключении муфты обесточивается катушка (6), под действием пружинного диска якорь муфты “отлипает” от корпуса муфты. Тем самым пропадает кинематическая связь между входным валом и обоймой кулачковой муфты (2), она получает возможность свободного вращения относительно корпуса на игольчатом подшипнике (4). Шарик (5) кулачковой муфты под действием сил реакции сжатого фрикционного пакета стремится занять устойчивое положение в углублении обойм (1) и (2), а так как препятствующих ему это сделать сил нет (обойма (2) свободно вращается), он “распускает” кулачковую муфту, а та в свою очередь — фрикционный пакет. Муфта разблокирована.
Теперь ещё один нюанс. Так как механическая блокировка приводится в действие от разницы в частотах вращения хвостовиков переднего и заднего мостов учитывается не пробуксовка какого-то конкретного колеса на оси, а средняя арифметическая скорость вращения левого и правого колёс осей. То есть, например, при диагональном вывешивании при активной работе газом за счёт инерции вывешенных колёс скорости вращения входного и выходного валов муфты будут периодически выравниваться и меняться местами вызывая смещение шарика (5) кулачковой муфты и разблокировку фрикционной муфты. аналогичные процессы будут происходить и при “дрифтинге” и, само собой разумеется, при смене направления движения.
Из этого следует, что дифференциал заднего моста с блокировкой сильно облегчил бы жизнь муфте полного привода. Количество ненужных включений-выключений сильно бы сократилось.
Теперь обсудим, что будет происходить в муфте при износе её компонентов.
Кулачковая муфта — практически вечная. Ей как и подшипникам грозит только контактная усталость и выкрашивание пятна контакта шарика с канавками, но даже и с такими дефектами она будет работать ещё достаточно долго вплоть до полного разрушения, так как относительные скорости шарика и обойм ничтожно низкие.
Износ якоря (либо фрикционных дисков первичного пакета, неравномерный, либо с задирами) и его контактной поверхности на внутреннем корпусе муфты приведёт к пробуксовке обоймы кулачковой муфты (2) и неполному сжатию фрикционного пакета. Как правило сопровождается это заметными рывками в трансмиссии под большой нагрузкой. Однако такой вид износа достаточно редок (помним, что относительные скорости входного и выходного валов невысоки, а при штатной “мягкой” эксплуатации и вообще около нуля).
Износ фрикционного пакета муфты до какого-то момента компенсируется кулачковой муфтой. Просто увеличиваются ходы её обойм до блокировки муфты. Но когда предел будет достигнут кулачковая муфта превратится в подшипник. При этом будут слышны достаточно громкие щелчки всякий раз, когда шарики будут проскакивать углубления в обоймах. При этом так же возможны рывки в трансмиссии но гораздо более вялые нежели в предыдущем случае.
Подведём итог. В достоинства муфты занесём простоту конструкции, минимум движущихся частей (а те, что есть, движутся с невысокими относительными скоростями), простоту управления без применения дорогих сервоприводов, герметичность конструкции (никаких выходящих наружу тяг и валов управления), плавность включения, опция управления передаваемым на задние колёса моментом. Недостаток по сути один — отсутствие возможности постоянного жёсткого подключения полного привода.
P.S. А вот видео с конструкцией муфты полного привода ранних Дастеров:



Муфты: классификация, виды, назначение

Муфта – устройство, предназначенное для соединения концов валов или для соединения валов с расположенными на них деталями.

Основное назначение: передача вращающего момента без изменения его модуля и направления.
Функции, выполняемые муфтами: предохранение механизма от перегрузок, компенсирование несоосности валов, разъединение или соединение валов во время работы и др.

Классификация муфт

В зависимости от конструкции муфты различаются по функциональному назначению и принципу действу. Различают следующие виды муфт: механические, гидравлические, электрические и др. Широко применяемые муфты стандартизованы.
Основная паспортная характеристика муфты – значение вращающего момента, на передачу которого она рассчитана. Ниже рассматриваются только наиболее распространенные в машиностроении механические муфты.

По характеру соединения валов муфты подразделяют на неуправляемые (постоянные), управляемые и самоуправляемые (автоматические).

Виды муфт

Муфта глухая образует жесткое и неподвижное соединение валов. Они не компенсируют ошибки изготовления и монтажа, требуют точной центровки валов. Применяются обычно глухие муфты для тихоходных валов.

Втулочная муфта – самая простая из глухих муфт, состоит из соединительной втулки со штифтами (рис. 7.1, а) или шпонками (рис. 7.1, б). Основное их достоинство – простота конструкции. Применяют их при относительно небольших нагрузках на валах диаметрами до 60…70 мм.

а) б)
Рuс. 7.1. Втулочные муфты со:
а – штифтами; б – шпонками

Муфта фланцевая – наиболее распространенная (рис. 7.2), состоит из двух полумуфт 2, соединенных болтами 1. Болты ставят через один: с зазором (вариант I) и без зазора под развертку (вариант II). Центрирование полумуфт в этом случае осуществляют болтами, установленными без зазора, которые рассчитывают на срез. Установка болтов без зазора позволяет получить муфты меньших габаритов и поэтому более распространена.


Рис. 7.2. Фланцевая муфтa

Фланцевые муфты применяют для соединения валов диаметром до 200 мм и более. Достоинствами таких муфт являются простота конструкции и сравнительно небольшие габариты.

Жесткая компенсирующая муфта. За счет подвижности деталей такие муфты компенсируют радиальные, угловые и осевые смещения валов, вызванные неточностями их изготовления, монтажа и упругими деформациями. Это позволяет уменьшить нагрузки на валы и подшипники.

Недостаток жестких компенсирующих муфт – отсутствие упругодемпфирующих элементов, смягчающих толчки и удары. Наибольшее распространение получили кулачково-дисковая и зубчатая.

Кулачково-дисковая муфта (рис. 7.3) состоит из двух полумуфт 1 и 3, соединенных промежуточным диском 2. При работе диск перемещается по пазам полyмуфт, и тем самым компенсируются несоосность соединяемых валов (радиальные смещения – до 0,04d, угловые – до 30′).

Скольжение выступов в пазах сопровождается их износом. Интенсивность износа возрастает с увеличением несоосности и частоты вращения. Для уменьшения износа поверхности трения муфты периодически смазывают и не допускают на них больших напряжений смятия.


Рис. 7.3. Кулачково-дисковая муфтa

Из условия износостойкости кулачково-дисковых мyфт рассчитывают давление на боковых поверхностях выступов и пазов:
, (7.1)
где Тр – расчетный вращающий момент;
h – рабочая высота выступа;
D, d – соответственно наружный и внутренний диаметры;
[p] – допускаемое давление: при термически необработанных, хорошо смазываемых поверхностях или при закаленных поверхностях трения [p] = 15…30 МПа.

Детали кулачково-дисковых муфт изготовляют из сталей Ст5 (поковка) или 25Л (литье). Для тяжелонагруженных муфт применяют легированные стали типа 15Х, 20Х с цементацией рабочих поверхностей.

Зубчатая муфта (рис. 7.4, а) состоит из двух полумуфт 1 и 3 с наружными зубьями эвольвентного профиля и разъемной обоймы 2 с внутренними зубьями. Передача вращающего момента осуществляется большим числом одновременно работающих зубьев, что обеспечивает высокую нагрузочную способность и малые габариты муфты.


Рuс. 7.4. Зубчатая муфта

Для компенсации смещений деталей предусматривают торцевой зазор δ. Для ослабления вредного влияния кромочного контакта применяют зубья бочкообразной формы (рис. 7.4, б), а соединение выполнено с увеличенными зазорами. Зубчатые муфты допускают угловое смещение валов (рис. 7.4, в) Δα max = 1,5°, радиальное Δr = 0,2…0,6 мм, осевое (на рисунке не показано) – 1…8 мм.

Детали зубчатых муфт изготовляют из углеродистых сталей типа 45, 40Х, 45Л коваными или литыми. Для повышения износостойкости зубья полумуфт подвергают термической обработке до твердости не ниже 40НRC, а зубья обойм – не ниже 35HRC.

Упругие компенсирующие муфты применяются не только для компенсации смещения валов, но и для снижения динамичности нагрузок и амортизации колебаний, возникающих при работе передач машин.

Муфта упругая втулочно-пальцевая (рис. 7.5) состоит из двух полумуфт 1, соединенных пальцами 2, на которые для смягчения ударов надеты гофрированные резиновые втулки. Такие муфты в силу простоты конструкции получили широкое применение в приводах от электродвигателей для валов диаметрами 9…160 мм при вращающих моментах 6,3…16000 Нм.


Рuс. 7.5. Упругая втулочно-пальцевая муфтa

Толщина резиновых втулок невелика, и поэтому амортизирующая способность муфты незначительна. Они допускают радиальное смещение валов до 0,6 мм, продольное – до 5 мм, угловое – до 1°.
Для ограничения износа среднее контактное давление пальца на втулку находят по формуле:
, (7.2)
где z = 6 – число пальцев;
Dm – диаметр окружности расположения осей пальцев;
dп – диаметр пальцев;
l – длина упругого элемента;
[p] ≈ 2 МПа – допускаемое давление для резиновых втулок.

Муфта со змеевидными пружинами (рис. 7.6) состоит из двух полyмуфт 1 с зубьями специальной формы, между которыми свободно расположены секции змеевидной пружины 3 прямоугольного сечения. Кожух 2, состоящий из двух половин, служит резервуаром для пластичного смазочного материала и предохраняет пружину от выпадения.


Рuс. 7.6. Муфтa со змеевидными пружинами

Муфта используется для передачи больших вращающих моментов, обладает хорошими эксплуатационными качествами, имеет небольшие габариты, но сравнительно дорогостоящая.
В зависимости от размеров муфты могут компенсировать радиальные смещения валов 0,5…3 мм, осевые – 4…20 мм и угловые до 1°15′.
Материалы полумуфт – сталь 45, стальное литье 45Л; пружин – пружинные стали 65Г, 60С2.
Расчет муфты предусматривает проверку прочности пружины при изгибе методами сопротивления материалов.

Управляемые (сцепные) муфты
Позволяют соединять и разъединять валы без остановки двигателя. По конструкции управляемые муфты можно разделить на кулачковые, зубчатые, основанные на зацеплении, и фрикционные, основанные на трении.
Кулачковые и зубчатые муфты имеют весьма небольшие габариты и массу, не допускают проскальзывания. Однако их включение на ходу сопровождается ударами. Фрикционные муфты позволяют плавно соединять ведущий и ведомые валы под нагрузкой при любой скорости их вращения, предохраняют механизмы от внезапных перегрузок.
Управляемые муфты требуют точной соосности соединяемых вaлов.

Читайте также:  Акриловые грунты предназначенные для кузовных работ

Кулачковая муфта (рис. 7.7) состоит из двух полумуфт 1 и 2, имеющих на сцепляемых торцах выступы – кулачки. При включении муфты кулачки одной полумуфты входят во впадины другой, создавая жесткое соединение.


Рис. 7.7. Кулачковая муфтa

Включение кулачковой муфты во избежание ударов производят при остановленном двигателе или с малыми скоростями (до 1 м/с).
Полумуфты чаще всего располагают на одном валу, что обеспечивает хорошую их соосность. При выключенной муфте зубчатое колесо свободно вращается на подшипнике скольжения 3. Если муфта включена, вращающий момент от зубчатого колеса передается через кулачки и шлицы на вал.
Для устранения ударов и шума при включении муфты применяют специальные соединительные устройства – синхронизаторы.
Кулачковые муфты изготовляют из сталей 20, 15Х, 20Х с последующей цементацией или сталей 40Х, 30ХН с последующей объемной закалкой. Размеры муфт принимают конструктивно, а затем выполняют проверочный расчет кулачков на износостойкость и прочность.

Фрикционные сцепные муфты передают вращающий момент между полумуфтами за счет сил трения на рабочих поверхностях (рис. 7.8).


Рuс. 7.8. Фрикционные муфты:
а – однодисковая; б – многодисковая; в – конусная

В начальный период касания полумуфт происходит относительное проскальзывание их рабочих поверхностей (смазанных или сухих), и тем самым обеспечивается плавность включения муфты. При установившемся движении проскальзывание не происходит, а при перегрузке муфта пробуксовывает, что предохраняет машину от поломок.
Фрикционные муфты должны обладать надежностью сцепления, высокой износостойкостью и теплостойкостью контактирующих поверхностей. Материал трущихся деталей (накладок) выбирается в зависимости от среднего контактного напряжения (давления):
, (7.3)
где Fa – осевая сила;
Т – вращающий момент;
k = 1,3…1,5 – коэффициент запаса сцепления;
Dm – средний диаметр контакта;
f – коэффициент сцепления (трения покоя);
z – число пар поверхностей трения;
А = πDmb – площадь поверхности трения;
b – ширина поверхности трения;
[p] – допускаемое контактное напряжение.
По формуле (7.3) может быть рассчитан вращающий момент, который может передавать фрикционная муфта. Для увеличения передаваемого вращающего момента можно увеличить число пар поверхностей трения.
Многодисковые фрикционные муфты имеют небольшие габариты и не требуют большого усилия для их включения.

Самоуправляемые автоматические муфты выполняют автоматически одну из следующих функций: ограничение передаваемой нагрузки – предохранительные муфты; передачу нагрузки (момента) только в одном направлении – муфта обгона; включение и выключение при заданной скорости – центробежные муфты.

Предохранительную муфту срабатывают, когда вращающий момент превышает некоторую установленную величину. При достижении вращающим моментом предельной величины под действием осевых усилий, обусловленных формой впадин полумуфты, шарики смещаются в осевом направлении (преодолевая сопротивление пружины) и размыкают муфту с последующим прощелкиванием.

Муфта обгона (мyфты свободного хода) предназначены для передачи вращающего момента только в одном направлении. Наибольшее распространение получили фрикционные обгонные мyфты, передающие вращающий момент за счет заклинивания между полумуфтами промежуточных тел (в основном роликов). Такие муфты бесшумны, компактны, могут работать при высокой частоте вращения. Их изготовляют для вaлов диаметром 10…90 мм и передачи момента до 750…800 Нм.
Обгонные роликовые муфты (рис. 7.9) применяют в приводах агрегатов двигателя самолета (например, в приводах стартер-генераторов) и в приводах несущих винтов вертолетов; при отказе одного двигателя движение винта не тормозится, так как обгонная муфта позволяет зубчатым колесам вращаться. При отказе обоих двигателей обгонные муфты не препятствуют вращению несущего винта в режиме авторотации.


Рис. 7.9. Обгонная муфтa

Пусковую (центробежную) муфту используют для плавного пуска приводов грузоподъемных машин конвейеров и т.п. Они позволяют электродвигателю легко разогнаться и по достижении им определенной скорости начать плавный разгон рабочего органа. Одновременно пусковые мyфты выполняют и предохранительные функции.
Распространены колодочные и дисковые центробежные фрикционные муфты. Центробежную муфту устанавливают на вал электродвигателя. При наличии ременной передачи от электродвигателя к рабочему органу наружную ведомую часть муфты конструируют в виде шкива.

Муфты автоматические, или самоуправляемые

Предназначены для автоматического разъединения валов в тех случаях, когда параметры работы машины становятся недопустимыми по тем или иным показателям.

Муфты предохранительные. Эти муфты служат для защиты машин от перегрузки. Кулачковая предохранительная муфта имеет полумуфты 1 и 3, снабженные кулачками 2 с трапецеидальным профилем.

От действия окружной силы Ft в зацеплении возникает осевая сила Fa , которая стремится раздвинуть полумуфты и вывести их из зацепления. Этому противодействует сила пружины F и сила трения на кулачках и в шлицевом соединении. Условие равновесия для полумуфты 2 можно представить в виде:

где α – угол заострения кулачка; ρ – угол трения в зацеплении кулачков (6….8º); f2 – коэффициент трения в шлицевом соединении (

В соответствии с силой F подбирают пружину. При перегрузках появляются удары кулачков, сопровождающиеся большим шумом. Поэтому такие муфты не рекомендуется применять при высокой частоте вращения.

Муфты центробежные. Эти муфты автоматически соединяют валы только тогда, когда угловая скорость превысит некоторое заданное значение. Таким образом, центробежные муфты являются самоуправляемыми по угловой скорости. Их применяют, например, для разгона машин с большими маховыми массами при двигателе с малым пусковым моментом.

Центробежная сила Fц прижимает колодку 3 к барабану полумуфты 2. Этому препятствует сила F, возникающая от прогиба пружины 4. Значение силы F регулируют винтом 5.

Для передачи крутящего момента необходима угловая скорость ω1, которую определяют по условию:

,

где z – число колодок; f – коэффициент трения; m – масса колодки; r расстояние центра тяжести колодки от оси вращения; ω – заданная угловая скорость.

В диапазоне между ω1 и ω муфта пробуксовывает и постепенно разгоняет ведомый вал.

Муфты свободного хода. Эти муфты передают крутящий момент в одном заданном направлении. Например, в велосипедах они передают крутящий момент от педалей на колесо и, в то же время, позволяют колесу свободно катиться при неподвижных педалях. Роликовые или шариковые муфты обеспечивают бесшумную работу (в отличие от других типов таких, как храповые конструкции). Муфты состоят из трех основных элементов: обоймы – звено 1, ступицы (звено 2) и трех роликов. При вращении одного из звеньев ролики автоматически вкатываются в клиновую щель и заклиниваются, связывая этим оба звена в одно целое. При вращении в противоположном направлении ролик выходит в широкую часть паза и связь звеньев 1 и 2 исчезает.

Прочность ролика и рабочих поверхностей деталей рассчитывают по контактным напряжениям σH.

Соединения

Неподвижные связи в технике называют соединениями. По признаку возможности разборки соединения бывают неразъемные и разъемные.

Разъемные соединения позволяют разъединять детали без их повреждения. К ним относятся резьбовые, штифтовые, шпоночные, шлицевые, клеммовые и профильные соединения.

Неразъемные соединения не позволяют разъединять детали без их повреждения. Применение неразъемных соединений обусловлено в основном технологическими и экономическими требованиями. К этой группе соединений относятся заклепочные, сварные, паяные, клеевые и соединения с натягом (прессовые).

Основным критерием работоспособности и расчета соединений является прочность.

Шпоночные, шлицевые и профильные соединения служат для закрепления деталей на валах и осях. Такими деталями являются шкивы, зубчатые колеса, муфты, маховики, кулачки и т.п. Соединения нагружаются в основном вращающим моментом.

Шпонка – деталь, устанавливаемая в пазах двух соприкасающихся деталей и препятствующая относительному повороту или сдвигу этих деталей. Соединение деталей с помощью шпонок могут быть напряженными и ненапряженными. Шпонки всех основных типов стандартизованы.

Соединение клиновыми шпонками

Верхняя грань клиновой шпонки имеет уклон 1:100 и, как правило, загоняется между валом и ступицей детали ударами молотка. Это обеспечивает напряженность соединения. Передача вращающего момента от вала к ступице происходит в основном силами трения, которые образуются в соединении от запрессовки шпонки.

Запрессовка шпонки смещает центры вала и ступицы, что вызывает дисбаланс и сказывается на работе механизма на высоких скоростях вращения.

Клиновая форма может вызвать перекос детали, обработка паза в ступице с уклоном часто требует индивидуальной подгонки шпонки по пазу.

Недостатки послужили причиной того, что применение клиновых шпонок резко сократилось в условиях современного производства.

Соединение призматическими шпонками

Соединение ненапряженное. Сюда относят и сегментные шпонки.

С оединение требует большой точности изготовления вала и отверстия ступицы. Часто посадка ступицы на вал производится с натягом. Вращающий момент T передается с вала на ступицу узкими боковыми гранями шпонки. При этом на них возникают напряжения смятия σсм, а в продольном сечении шпонки – напряжения среза τ.

Полагая, что шпонка врезана в вал на половину своей высоты, а напряжения смятия распределяются по высоте и длине шпонки равномерно, можно записать условие прочности.

,

где Ftb окружное усилие; Aсм – расчетная площадь смятия; d диаметр вала; lp – расчетная длина шпонки.

Для проектного расчета формулу записывают относительно расчетной длины шпонки, т.е. в виде:

Допускаемое напряжение смятия зависит от материала вала и ступицы, типа посадки, режима работы. Значение [σсм] выбирают из таблиц.

Для неподвижных соединений:

– при переходных посадках [σсм] = 80… 150 МПа;

– при посадках с натягом [σсм] = 110… 200 МПа.

Меньшие значения для чугунных ступиц и при резких изменениях нагрузки. Большие значения для стальных ступиц.

Для подвижных (в осевом направлении) соединений допускаемое напряжение снижают до величины [σсм] = 20… 30 МПа (от задирав).

,

где Аср= blp – площадь среза шпонки; [τ] = 60…90 МПа – меньшие значения принимают при неравномерной или ударной нагрузке.

У стандартных шпонок размеры b и h подобраны так, что нагрузку соединения и его прочность ограничивают не напряжения среза, а напряжения смятия. Поэтому при расчетах обычно используют расчет на смятие.

Муфты автоматические, или самоуправляемые

Эти муфты предназначаются для автоматического разъединения валов в тех случаях, когда параметры работы машины становятся недопустимыми по тем или иным показателям. Классификация автоматических муфт представлена схемой на с. 367. Вышеизло­женные требования (см. сцепные муфты) к строгой соосности полу­муфт (валов) в полной мере относятся ко всем самоуправляемым муфтам.

Муфты предохранительные. Эти муфты служат для защиты машин от перегрузки. Любая фрикционная муфта, отрегулирован­ная на передачу предельного момента, выполняет функции предохранительной. Специальные предохранительные фрикцион­ные муфты не имеют механизма управления, а силы нажатия в них обычно обеспечиваются постоянно действующими пружинами. Рас­чет таких муфт аналогичен расчету фрикционных управляемых муфт.

Другим представителем предохранительных муфт является муф­та со специальным разрушающимся элементом. Схема од­ного из многочисленных вариантов конструкции таких муфт изоб­ражена на рис. 17.33. Здесь вращающий момент между полумуф­тами 1 и 4 передается через штифт 3, который срезается при перегрузке. Для восстановления работы муфты штифт заменяют. Закаленные втулки 2 облегчают замену штифтов, предотвращают смятие более слабого материала полумуфт штифтом и тем самым приближают действительные условия среза штифта к расчетным:

Где z — число штифтов; Кг — коэффициент неравномерности рас­пределения нагрузки по штифтам.

Жесткое соединение полумуфт штифтом не может компенсиро­вать вредного влияния их несоосности на штифт, условия работы которого становятся неопределенными. Поэтому необходима стро­гая центровка полумуфт.

Допускаемое напряжение [т] принимают равным пределу про­чности материала на срез. Например, для закаленных штифтов из стали Ст5 [т]=420 МПа.

Читайте также:  Автомобиль самолет

На рис. 17.34 изображена кулачковая предохранительная муфта. Здесь полумуфты 1 и 3 зацепляются кулачками 2, имеющи­ми трапецеидальный профиль с углом а.

Chr действия окружной силы Ft В зацеплении возникает осевая сила Fa=Fttg а, которая стремится раз­двинуть полумуфты и вывести их из зацепления. Этому противодейству­ют сила пружины F и сила трения на кулачках и в шлицевом (шпоночном) соединении. С учетом этих сил усло­вия равновесия полумуфты 2 можно записать в виде Рис. 17.33

Где а — угол заострения кулачка; р — угол трения в зацеплении кулачков (6. 8°);/2 — коэффициент трения в шлицевом соединении (-0,15).

В соответствии с силой F подбирают пружину. Прочность кулач­ков рассчитывают так же, как и в обычных кулачковых муфтах (см. § 17.6).

Недостатком предохранительных кулачковых муфт являются удары кулачков при перегрузках, сопровождающиеся большим шу­мом. Поэтому такие муфты не рекомендуют применять при высо­кой частоте вращения.

Муфты центробежные. Эти муфты автоматически соединяют валы только тогда, когда угловая скорость превысит некоторую заданную величину. Таким образом, эти муфты являются самоуп­равляемыми по угловой скорости. Центробежные муфты использу­ют для автоматического включения и выключения исполнительного механизма с помощью регулировки угловой скорости двигателя; разгона машин с большими маховыми массами при двигателе с малым пусковым моментом; повышения плавности пуска; выклю­чения при перегрузках (бензопила), когда бензодвигатель сбавляет обороты и может заглохнуть, и т. п.

Схема одной из центробежных муфт изображена на рис. 17.35. Центробежная сила прижимает колодку 3 к барабану полумуфты 2. Этому препятствует сила F, возникающая от прогиба пружины 4. Величину силы урегулируют винтом 5. Соприкасание между колод­кой и барабаном возможно при условии

Где т — масса колодки; г — расстояние центра тяжести колодки от оси вращения; со — угловая скорость полумуфты 1. Формула

(17.48) позволяет определить необходимую силу пружины по за­данной угловой скорости ш0, до которой полумуфта 1 вращается свободно.

Для передачи вращающего момента необходима угловая ско­рость о)ь которую определяют по условию

Детали машин

Муфты комбинированные

Эти муфты применяются в тех случаях, когда ни одна из рас­смотренных выше муфт не может полностью удовлетворить всем требованиям, предъявляемым к соединению валов. На практике чаще всего используют комбинацию упругих …

Муфты управляемые, или сцепные

Управляемые муфты позволяют соединять или разъединять ва­лы с помощью механизма управления. По принципу работы все эти муфты можно разделить на две группы: муфты, основанные на зацеплении (кулачковые или зубчатые); муфты, …

Детали машин

Самоуправляемые муфты

Самоуправляемые муфты предназначены для автоматического сцепления или расцепления валов при изменении заданного режима работы машины.

В зависимости от параметра, влияющего на работу самоуправляемой муфты, они классифицируются:

  • по направлению вращения – обгонные ;
  • по частоте вращения – центробежные ;
  • по величине передаваемого вращательного момента – предохранительные .

Обгонные муфты

Обгонные муфты служат для передачи вращающего момента только в одном направлении, допуская свободное относительное вращение в противоположном направлении; при этом валы автоматически разъединяются. Иногда обгонные муфты называют муфтами свободного хода.
Термин «обгонные муфты» возник в связи с тем, что такие муфты допускают обгон ведущего вала ведомым, если ведомый вал начинает вращаться с бόльшей угловой скоростью. При этом ведомый вал не оказывает влияние на ведущий вал, который продолжает вращаться с прежней частотой, поскольку обгонная муфта разъединяет валы, если ведомое звено начинает обгонять ведущее.

Самый простой пример обгонной муфты – храповик, в который вставляется заводная рукоятка автомобильного двигателя («кривой стартер», как его называют водители). Проворачивая коленчатый вал рукояткой, водитель заводит двигатель, при этом частота вращения коленчатого вала резко возрастает. Жесткая связь между рукояткой и коленчатым валом, наверняка, привела бы к травме, если водитель не успеет отдернуть руку. Храповик, благодаря скосам на пазах, выталкивает рукоятку, разъединяя ее от коленчатого вала, если вал начинает вращаться с большей скоростью, т. е. выполняет функцию обгонной муфты.

Еще один пример обгонной муфты – храповой механизм, встроенный в велосипедный привод ведущего колеса от педалей. При вращении педалей в сторону движения, колесо раскручивается, увеличивая частоту вращения; если вы перестанете крутить педали во время движения, колесо будет продолжать крутиться, не оказывая влияние на педали, и велосипедист может передохнуть.

По принципу действия обгонные муфты бывают фрикционные и храповые .

Наибольшее распространение получила фрикционная роликовая обгонная муфта (рис. 1) из-за бесшумности, малого «мертвого хода», способности работать при высоких частотах вращения валов и возможности большого числа включений и выключений.
Муфта состоит из двух полумуфт, одна из которых (обойма) имеет форму кольца, другая – форму звездочки с вырезами для цилиндрических роликов.
Ведущей может быть как звездочка, так и обойма. Если ведущей является звездочка, то муфта, изображенная на рис. 1, может передавать вращение по часовой стрелке, если ведущей является обойма – против часовой стрелки.

При передаче вращающего момента ролики, заклиниваясь между полумуфтами в суживающейся части полости, образуют жесткое сцепление полумуфт.
Если частота вращения ведомого вала по какой-либо причине превысит частоту вращения ведущего вала, ролики, расклиниваясь, выкатятся в расширенную часть полости – муфта автоматически выключится, т. е. разъединит валы. При отставании или даже остановке ведущего вала ведомый вал может продолжать вращение.

Важнейшим параметром роликовой обгонной муфты является угол α заклинивания. Обычно угол заклинивания α = 5…8˚.

В муфтах применяют стандартные ролики роликоподшипников, изготовляемые из стали марки ШХ15 с термообработкой до твердости 58…60 HRC. Материал звездочки и обоймы – сталь марки 20Х с цементацией и закалкой до твердости 59…60 HRC. Ролики работают при смазывании маслом марки И-Г-А-32.

Обгонные роликовые муфты работают бесшумно, допуская большое число включений. Они применяются в конструкции многих машин и механизмов. Такая муфта, например, используется в механизме привода стартера, разъединяя ведущую шестерню стартера (бендикс) от венца маховика после запуска двигателя. Если бы в приводе стартера не была бы предусмотрена обгонная муфта, то двигатель после запуска буквально разорвал бы стартер из-за бешеных оборотов якоря.

Критерием работоспособности роликовых муфт являются контактная прочность рабочих поверхностей роликов и полумуфт. Муфты выбирают по стандарту для диаметров валов d = 10…90 мм с диапазоном вращающих моментов от 2,4 до 800 Нм. Число роликов в муфте обычно 3 или 5.

Центробежные муфты

Центробежные муфты (рис. 2) служат для соединения и разъединения валов при достижении ведущим валом заданной частоты вращения. По устройству центробежные муфты представляют собой фрикционные муфты, у которых механизмом управления служат специальные грузы-колодки 1, находящиеся под действием центробежных сил во время вращения ведущего вала.
При достижении ведущим валом заданной частоты вращения центробежные силы, перемещая колодки с фрикционными накладками по направляющим ведущей полумуфты в радиальном направлении, плавно прижимают их к ведомой полумуфте – включают муфту.
Передачу вращающего момента осуществляют силы трения между фрикционными поверхностями колодок и ведомой полумуфты. Величина сил трения пропорциональна квадрату частоты вращения ведущего вала.

Реже встречаются центробежные муфты с механизмом управления, перемещающим ведомую полумуфту в осевом направлении, прижимая ее торцевой поверхностью к ведущей полумуфте. В этом случае при увеличении частоты вращения ведущего вала грузы, перемещаясь под действием центробежных сил, через рычаги перемещают ведомую полумуфту в осевом направлении.

Центробежные муфты изготавливают также с сыпучим наполнителем (стальная дробь, смесь стального и графитового порошка с маслом).

Центробежные муфты обычно применяют в качестве пусковых, т. е. для разгона механизмов с большими маховыми массами (прокатные станы, кузнечные молоты, вентиляторы, центрифуги, прессы и т. п.) при двигателе с малым пусковым моментом или для обеспечения плавности пуска машины.
Размеры муфт принимают конструктивно. Рабочие поверхности трения колодок проверяют на износостойкость аналогично фрикционным муфтам.

Предохранительные муфты

Как и следует из названия, предохранительные муфты предназначены для предохранения машин от разрушения при перегрузках. Предохранительные муфты располагают как можно ближе к месту возможного возникновения перегрузки. Такие муфты работают при строгой соосности валов.

Во избежание случайных выключений предохранительных муфт во время работы машины их рассчитывают по предельному моменту Тпред :

где Тmax – наибольший момент, передаваемый муфтой при нормальной работе машины, Нм.

Про принципу работы предохранительные муфты делят на пружинно-кулачковые , фрикционные и с разрушающимся элементом .

Пружинно-кулачковая предохранительная муфта

Пружинно-кулачковая предохранительная муфта (рис. 3) по конструкции аналогична сцепной кулачковой муфте, только подвижную в осевом направлении полумуфту прижимают к неподвижной не механизмом управления, а постоянно действующей пружиной с регулируемой силой прижатия. Трапецеидальные кулачки выполняют небольшой высоты с углом α профиля 30, 45 или 60˚. При перегрузке сумма осевых составляющих сил Fa на гранях кулачков превышает прижимную силу пружины и муфта срабатывает – отключает ведомый вал, при этом многократно пощелкивает кулачками, сигнализируя о перегрузке. Повторные мгновенно-ударные включения кулачков отрицательно влияют на прочность деталей, поэтому эти муфты применяют для передачи небольших моментов при малых частотах вращения и при малых маховых массах.

Размеры пружинно-кулачковых муфт принимают конструктивно. Кулачки имеют повышенный износ, поэтому их проверяют на износостойкость и прочность аналогично сцепным кулачковым муфтам. Пружины рассчитывают методами сопротивления материалов.

Фрикционная предохранительная муфта

Фрикционные предохранительные муфты (рис. 4) применяют при частых кратковременных перегрузках и больших частотах вращения. Конструкция таких муфт аналогична конструкции сцепных фрикционных муфт. Силу прижатия создают пружиной (или пружинами), отрегулированной на передачу предельного вращающего момента Тпред .
При перегрузке муфта, пробуксовывая, поглощает механическую энергию, преобразуя ее в тепловую, не прекращая передачу момента.
Пружину периодически регулируют, так как по мере износа поверхностей трения диски сближаются, уменьшая силу прижатия пружин.
Чаще других используют сухие многодисковые муфты, размеры которых подбирают по стандарту или принимают конструктивно, а затем проверяют расчетом аналогично сцепным фрикционным муфтам.

Фланцевая муфта со срезным штифтом

Муфта со срезным штифтом (рис. 5) относится к предохранительным муфтам с разрушающимся элементом. Она состоит из двух фланцевых полумуфт, соединенных цилиндрическим штифтом, расположенным во втулках. При перегрузке штифт срезается и муфта выключается.

Эти муфты просты по конструкции, имеют небольшие габаритные размеры.
Главным недостатком фланцевых муфт со срезным штифтом является останов машины для замены разрушившегося штифта. По этой причине такие муфты применяют в механизмах и машинах, где перегрузки случаются редко. Для замены штифта полумуфты поворачивают относительно друг друга.

Штифты таких муфт изготавливают из стали марки 45, втулки – из стали 40Х с закалкой до твердости 50…60 HRC.

Размеры муфты принимают по нормали станкостроения.

Условие срабатывания муфты со срезным штифтом:

где Тразр = 10 -3 πdш 2 τвzR/4k – расчетный разрушающий момент, Нм;
dш – диаметр штифта, мм;
z – число штифтов;
k – коэффициент неравномерности распределения нагрузки между штифтами ( k = 1 при одном штифте, и k = 1,2 при двух штифтах);
R – радиус расположения осей штифтов, мм;
τв – предел прочности при срезе материала штифта, Н/мм 2 .

Комбинированные муфты

Комбинированные муфты представляют собой сочетание различных муфт в одной конструкции. Такие муфты применяют, когда ни одна отдельно взятая муфта не может обеспечить требуемых условий соединения валов.
В машиностроении часто применяют комбинацию компенсирующих упругих муфт с предохранительными (рис. 6).

Ссылка на основную публикацию