Детали машин

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, основанные на тре­нии (фрикционные).

Муфты кулачковые. На торцах полумуфт 1 и 2 (рис. 17.26) имеются выступы (кулачки) 3. В рабочем положении выступы одной полумуфты входят во впадины другой. Для включения и выключе­ния муфты одну из полумуфт 2 устанавливают на валу подвижно в осевом направлении. Подвижную полумуфту перемещают с помо­щью специального устройства — отводки. Вилку отводки распола­гают в пазу 4. На чертеже штриховой линией показано выключен­ное положение полумуфты 2. Кольцо 5 служит для центровки валов. Несоосность валов резко снижает работоспособность кулачковых муфт. Чаще всего кулачковые и зубчатые (рис. 17.28 и 17.29) сцеп­ные муфты располагают на одном валу и используют для переклю­чения скоростей (рис. 17.29).

Распространенные формы кулачков изображены на рис. 17.27 (сечение цилиндрической поверхностью). Прямоугольный профиль (рис. 17.27, а) требует точного взаимного расположения полумуфт в момент включения. Кроме того, в таких муфтах неизбежны технологические боковые зазоры и связанные с этим удары при изменении направления вращения. Зазоры увеличиваются при изно­се кулачков.

Трапецеидальный профиль (рис. 17.27, б, в) не требует точного взаимного расположения полумуфт в момент включения, а боковые зазоры компенсируются изменением глубины посадки кулачков.

Fa (рис. 17.27, б), которые стремятся раздвинуть полумуфты и зат­рудняют включение; в этом отношении муфты с прямоугольными кулачками обладают преимуществом. Угол а трапецеидального профиля выбирают таким (обычно 2...5°), чтобы обеспечивалось самоторможение или чтобы не создавать большой постоянной на­грузки на механизм отводки.

Включение кулачковых муфт при относительном вращении ва­лов всегда сопровождается ударами, которые могут вызвать раз­рушение кулачков. Поэтому такие муфты не рекомендуют приме­нять для включения механизма под нагрузкой и при больших скоростях относительного вращения (01 м/с).

Работоспособность кулачковых муфт определяется в основном износом кулачков, который зависит от напряжений смятия на пове­рхности соприкасания. Эти напряжения рассчитывают приближенно в предположении, что нагрузка распределяется равномерно между всеми кулачками (см. рис. 17.26):

(Тем=2KTj (zDbh) ^ [(Taj,

Где Z — число кулачков полумуфты.

Для уменьшения износа поверхность кулачков должна быть твердой. Этого достигают с помощью объемной закалки или цемен­тации. Применение цементации предпочтительней, так как при этом сохраняется вязкость сердцевины, что повышает сопротивление ку­лачка хрупким разрушениям от ударов. Муфты с цементирован­ными кулачками изготовляют из сталей 15Х, 20Х, с объемной закалкой — из сталей 40Х, ЗОХН и т. п.

При этом допускают: [<7^ = 90... 120 МПа — включение без относительного вращения; [«7см] = 50...70 МПа — включение на тихом ходу; [°см] = 35...45 МПа — включение на повышенных скоростях.

Муфты зубчатые сцепные. По устройству и методике расчета эта муфта (рис. 17.28) подобна зубчатой компенсирующей муфте (см. рис. 17.7) с той разницей, что здесь обойма 2 изготовляется подви­жной и управляется с помощью отводки. На рис. 17.28 обойма расположена в положении «Включено». Диски 1 и 3 являются ограничителями, а втулка 4 центрирует валы и одновременно вы­
полняет функцию подшипника при их относительном вращении (когда муфта выключена).

Применяют также зубчатые муфты без обоймы 2, у которых одна полумуфта имеет внутренние, а другая — внешние зубья.

Допускаемые напряжения смятия при расчетах прочности зубьев принимают такими же, как и для кулачковых муфт.

Преимущества зубчатой муфты по сравнению с кулачковой — возможность изготовления на широко распространенном зуборез­ном оборудовании. При этом получают более высокую точность изготовления.

Для устранения ударов при включении в зубчатых муфтах ши­роко применяют синхронизаторы (например, в коробках скоростей автомобилей). Синхронизаторы выравнивают скорости валов перед их соединением. Принцип работы синхронизатора поясним с помо­щью рис. 17.29. Конструкция зубчатой муфты, предназначенной для переключения скоростей в коробке передач, здесь дополнена двусто­ронней конической фрикционной муфтой 7, которая и является синхронизатором. При перемещении обоймы 2 с внутренними зу­бьями вправо или влево она через шарик передает осевую силу конусной полумуфте синхронизатора и сцепляет ее с конусной полу­муфтой одной из шестерен (рис. 17.29, а). Ниже (см. фрикционные муфты) показано, что проскальзывание, которое наблюдается при включении фрикционных муфт, позволяет плавно разгонять ведо­мые элементы. Также и здесь при включении синхронизатора проис­ходит выравнивание угловых скоростей ведущего вала и ведомой шестерни.

Дальнейшим перемещением обоймы включается зубчатая муф­та (рис. 17.29, б). Разгон ведомых элементов производят, как правило, на холостом ходу. Поэтому фрикционные муфты синхро­низаторов рассчитывают на передачу момента, необходимого для преодоления инерционных на­грузок, возникающих при разгоне. Эти нагрузки обычно значительно

Меньше рабочих. Для того чтобы скорости успели выравняться в процессе непрерывного перемещения обоймы, это перемещение следует производить медленно.

Муфты фрикционные. При включении фрикционных муфт вра­щающий момент возрастает постепенно по мере увеличения силы нажатия на поверхности трения. Это позволяет соединять валы под нагрузкой и с большой разностью начальных угловых скоростей. В процессе включения муфта пробуксовывает, а разгон ведомого вала происходит плавно, без удара. Отрегулированная на передачу предельного вращающего момента, безопасного для прочности ма­шины, фрикционная муфта выполняет одновременно функции пред­охранительного устройства.

Все фрикционные муфты в зависимости от формы рабочей по­верхности можно разделить на три группы: муфты дисковые (плос­кая поверхность); муфты конические (коническая поверхность); муф­ты колодочные, ленточные и др. (цилиндрическая поверхность).

Муфты фрикционные, так же как и кулачковые, не допускают несоосности. Соосность полумуфт достигается расположением их на одном валу (рис. 17.29) или с помощью специальных центриру­ющих колец (см. рис. 17.28). На рис. 17.30, 17.31, 17.32 приводятся схемы фрикционных муфт без указания способа центровки.

Муфты дисковые. Схема простейшей дисковой муфты с одной парой поверхностей трения изображена на рис. 17.30. Здесь полуму­фта 1 укреплена на валу неподвижно, а полумуфта 3 подвижна в осевом направлении, 2 — фрикционная накладка. Для соединения валов к подвижной полумуфте прикладывают силу Fa. Момент трения Тт определяют по формуле

КТ= TT=F/rcp, (17.37)

Где гф=(Х>1+Х>2)/4 — средний радиус рабочих поверхностей, кото­рый приближенно принимают за приведенный радиус сил трения на этих поверхностях.

Чтобы ограничить условия неравномерного износа, обычно при­нимают Z>1/Z>2= 1,5...2.

Для уменьшения силы Fa и габаритов муфты применяют конст­рукции не с одной, а со многими парами поверхностей трения — 7 многодисковые муфты (рис. 17.31).

В этих муфтах имеются две группы

7 ^ У ^3 диикии. наружные э и лнухрсшшс Z.

_ § ^ " JL+. Наружные диски соединены с полумуф-

^I той 7, а внутренние — с полумуфтой

//////Лул . 7 с Помощью подвижного шлицевого

——I-L соединения. Правый крайний внутрен­

Ний диск опирается на регулировочные Рис. 17.30 гайки 4, на левый крайний диск дей­
ствуют силы нажатия Fa от механизма управления. При этом сила нажатия передается на все поверхности трения, а формула (17.37) принимает вид

KT=FJrcpz,

Где z — число пар трущихся поверхностей; z=n — l; П — число ди­сков (для муфты, изображенной на рис. 17.31, и=9, а для муфты на рис. 17.30 и=2).

Таким образом, применение многодисковых муфт позволяет увеличить передаваемый вращающий момент в z раз по сравнению с двухдисковой муфтой (см. рис. 17.30), сохраняя при этом силу нажатия Fa и диаметры дисков.

Из формул (17.37) и (17.38) нетрудно установить, что Тт можно увеличить, кроме того, путем увеличения Fa, / и диаметров дисков (среднего радиуса трения). Увеличение диаметров приводит к повы­шению габаритов муфты и поэтому на практике используется в последнюю очередь. Увеличение Fa ограничено допускаемым сред­ним удельным давлением [р] на трущихся поверхностях:

[?]= Fe <М-

Коэффициент трения / можно увеличить, снабжая диски наклад­ками 2 (см. рис. 17.30) из специальных материалов. При этом следует учитывать, что применение накладок увеличивает осе­вой габарит муфты при одном и том же числе дисков, а [р], как правило, уменьшается. Данные о р] и / приводятся в табл. 17.1.

Механизмы управления фрикционными муфтами, применяемые на практике, весьма разнообразны не только по конструкции, но и по принципу действия. В зависимости от последнего различают

Муфты с электромагнитным, гидравлическим, пневматическим и механическим управлением. Подробное изучение этих механизмов не входит в задачи настоящего курса.

В качестве примера на рис. 17.31 изображена основная часть одного из простейших механизмов управления. Устройство и рабо­та механизма ясны из чертежа.

Максимальную величину осевой силы FaU которую необходимо приложить к кольцу отводки J, при включении муфты определяют по формуле

F[39]=Fejtg(a+p), (17.40)*

H

Где а — угол конуса кольца; р — угол трения.

При выборе формы (а также при расчете) нажимного рычага 6 следует учитывать его упругие деформации. Желательно, чтобы рычаг обладал пружинящей способностью. В этом случае износ дисков не вызовет резкое снижение силы нажатия Fa. Срок очеред­ной регулировки муфты увеличится. Регулировку выполняют с по­мощью гаек 4.

Муфты конические. Схема простейшей конической муфты изоб­ражена на рис. 17.32. От действия силы Fa на конической поверх­ности соприкасания полумуфт возникают удельное давление р и удельные силы трения pf. Силы трения, направленные по каса­тельной к окружности конуса, используются для передачи вращаю­щего момента. Рассматривая равновесие правой полумуфты, полу­чаем

Fa=pbnDСр Sin а, (17.41)

KT=TT=pfbnD*/2. (17.42)

Решая эти уравнения совместно, находим

KT=TJ=F^^ —=Fa—/', (17.43)

2 sina 2

Где F=JJsina — приведенный коэффициент трения.

Нетрудно установить, что величина /' непрерывно возрастает с уменьшением а. Увеличение /' позволяет во столько же раз уменьшить силу Fa. В этом и заключается положительная особен­ность конических муфт по сравнению с простыми дисковыми (в

Многодисковых муфтах Fa может быть меньше, чем в конических). Однако применять очень малые углы а на прак­тике не рекомендуют, так как при этом происходит самозаклинивание полу­муфт, затрудняющее их расцепление. Для устранения самозаклинивания не­обходимо иметь

A>P = Arctg/

Обычно выполняют а« 15°.

Условие износостойкости рабочих поверхностей

Р=FJibnDcp Sin а)< [р].

Конические муфты в сравнении с многодисковыми имеют боль­шие габариты. Они сложнее в изготовлении и повышают требова­ния к точности центровки валов. По этим причинам конические муфты применяют реже, чем дисковые.

Критерии работоспособности фрикционных муфт, материалы, ре­комендуемые величины р] и / Работоспособность фрикционных муфт определяется в основном износом трущихся поверхностей. Интенсивность износа зависит от удельной мощности трения (рабо­та сил трения на единице площади за одну секунду):

AT=PfvS^[aT],

Где Vs — средняя скорость скольжения. В управляемых муфтах скольжение происходит во время включения, т. е. износ зависит и от числа переключений в час.

Практическое использование формулы (17.45) затруднено тем, что к настоящему времени мало изучена связь износа с величиной Ох, не установлены нормы для [дт], мало практических сведений о режимах работы муфт и т. п.

Большое влияние на работоспособность муфты оказывает ее тепловой режим. Перегрев муфт приводит к увеличению износа, а в некоторых случаях к обугливанию неметаллических накладок или к задиру металлических поверхностей. Нагрев муфт связан также со скольжением при переключениях. Количество теплоты, выделяемой при этом, пропорционально работе трения. Эта тепло­та нагревает детали муфты и уходит в окружающую среду. Вследст­вие того что теплота выделяется интенсивно за малое время, муфты не имеют установившегося теплового режима. За этот ко­роткий промежуток времени поверхности трения могут нагреваться до высокой температуры, в то время как средняя температура
муфты в целом остается низкой. Отсутствие установившегося режи­ма значительно усложняет тепловой расчет муфт. Поэтому чаще всего ограничиваются расчетом только по удельному давлению р на поверхностях трения. Допускаемое давлений [р] устанавливают на основе опыта эксплуатации (табл. 17.1).

Данные этой таблицы справедливы при средней скорости V до 2,5 м/с и числе переключений в час не более 100 (см. примечание 2 к табл. 17.1). Скорость определяют по среднему радиусу:

1> = 7ГГсрИ/30.

Материалы фрикционных муфт должны в основном удовлет­ворять тем же требованиям, что и материалы фрикционных передач (см. гл. 11). Наибольшее распространение на практике получили следующие комбинации материалов: закаленная сталь по закален­ной стали или сталь по чугуну при хорошей смазке; асбестовые или порошковые накладки по стали или чугуну без смазки.