МУФТЫ ПРИВОДОВ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к курсовому проекту по дисциплине
advertisement
В. Ф. ВОДЕЙКО МУФТЫ ПРИВОДОВ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к курсовому проекту по дисциплине «Детали машин и основы конструирования» МОСКВА 2011 -2- МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ (МАДИ) Кафедра деталей машин и теории механизмов Утверждаю Зав. Кафедрой профессор _____________ В. В. Гриб «___»__________ 2011 г. В. Ф. ВОДЕЙКО МУФТЫ ПРИВОДОВ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к курсовому проекту по дисциплине «Детали машин и основы конструирования» МОСКВА 2011 -3УДК 621.81-8 ББК 34.447 В 62 При выполнении любого проекта, в том числе и курсового по дисциплине «Детали машин и основы конструирования» от конструктора требуется обоснование типа принятой конструкции и сравнения ее с имеющимися или возможными вариантами. Это касается также выбора соответствующих компенсирующих муфт т.к. крепление соединяемых агрегатов, например, электродвигателя и редуктора, не может обеспечить строгой соосности валов. Большинство механизмов имеют две муфты. Первая муфта, соединяет быстроходные валы. В целях уменьшения пусковых и динамических нагрузок она должна обладать малым моментом инерции и достаточными упругими свойствами. Вторая муфта соединяет тихоходные валы. Так как приводной механизм не располагается на общей раме, то от этой муфты требуется высокое компенсирующее свойство. Дополнительно, для предохранения привода машины от перегрузок муфта должна срабатывать, имея предохранительное устройство. В случае, если стандартные муфты не удовлетворяют условиям конструкции, проектируют специальные комбинированные муфты. В настоящем методическом пособии автором использован опыт проектирования комбинированных муфт на примерах упруго–предохранительной и других конструкций, выполненных в курсовых проектах на кафедре «Детали машин и теории механизмов». УДК 621.81-8 ББК 34.447 © Московский автомобильно - дорожный государственный технический университет (МАДИ), 2011г. -4ВВЕДЕНИЕ Муфтами называются устройства, соединяющие валы совместно работающих механизмов, плавающих элементов в планетарных передачах и передающие крутящий момент (рис. 1). Типы муфт приводов классифицируют в зависимости от основных требований, предъявляемых к ним: 1. Если требуется постоянное в течение всего времени эксплуатации машины соединение валов и передача крутящего момента, то существует класс постоянных (жестких нерасцепляемых) муфт. Они соединяют только строго соосные валы (рис. 4)[1]. 2. Если, кроме основного, требуется компенсировать некоторые смещения валов, которые возникают из-за неточностей изготовления и монтажа, тепловых и упругих деформаций валов под нагрузкой, то применяют компенсирующие муфты (рис.1). Рис. 1 Компенсирующая зубчатая муфта (а); возможные формы зубьев: бочкообразный (б); прямолинейный зуб (в) -53. Для уменьшения вредных динамических нагрузок в приводах машин применяют упругие муфты с неметаллическими (резиновыми рис. 2) и упругими металлическими элементами. Они являются и компенсирующими. Рис. 2 Упругая муфта с резиновой конической шайбой 4. Для соединения (сцепления) механизмов и разъединения их во время работы применяют сцепные муфты, которые, в свою очередь, подразделяют на управляемые и самоуправляемые муфты. Управляемые муфты соединяют (разъединяют) валы по команде. Самоуправляемые муфты срабатывают автоматически в зависимости от скорости, величины крутящего момента и принципа действия муфты. 5. Для передачи вращения только в одном направлении применяют муфты свободного хода или обгонные муфты. Такие муфты широко применяются в грузоподъемных механизмах, велосипедах и др. устройствах. Расчетный крутящий момент, действующий на муфту равен , где - номинальный момент (средний, длительно действующий момент). - коэффициент динамичности для машин с небольшими инерционными массами и небольшой переменной нагрузкой (ленточные конвейеры, металлорежущие станки, транспортеры) принимает -6значения =1,0…1,5, а для машин со средними инерционными массами и средней переменной нагрузкой (поршневые компрессоры, строгальные станки, мельницы) =1,5…3,0. 1. Муфты постоянные, глухие Для соединения строго соосных валов служат втулочные муфты (рис.3). Втулочная муфта представляет собой втулку, надеваемую с зазором на концы валов, что усложняет монтаж из-за необходимости больших осевых смещений соединяемых агрегатов. Наружный диаметр муфты , длина – , где -диаметр вала. Окончательная длина муфты определяется требуемой длиной шпонки или шлицов. Втулочные муфты стандартизированы , материал втулок – Ст5, Ст3. Рис. 3 Втулочная муфта. 1-проволочное стопорное кольцо, препятствующее самоотвинчиванию стопорного винта - 2 2. Фланцевые муфты (рис.4) состоят из двух одинаковых фланцев со ступицами, которые соединяются болтами. Существуют два варианта исполнения таких муфт. Рис. 4 Фланцевая муфта -72.1. Болты во фланцах полумуфт устанавливают без зазора. Они осуществляют центрирование полумуфт и передают вращающий момент, работая на срез и смятие, Сила, действующая на один болт , Здесь T - расчетный крутящий момент, z – число болтов, поставленных без зазора, – диаметр, на котором расположены болты. Диаметр стержня болта определяется из условия работы на срез , откуда мм, где =(0,2…0,3) – допускаемое напряжение среза. Далее необходимо выполнит проверочный расчет на смятие. 2.2. Все болты во фланцах полумуфт установлены с зазором. В этом случае для центрирования фланцев должен быть предусмотрен центрирующий буртик. Силу затяжки болтов для передачи крутящего момента силами трения на фланцах находят на условия или . Здесь – момент сил трения на фланцах, - коэффициент трения для сухих металлических поверхностей фланцев; -коэффициент запаса сцепления при действии случайных перегрузок и нестабильности сил трения. Необходимая сила затяжки болтов Диаметр болта вычисляют, исходя из условия его прочности на растяжение , откуда , где - допускаемое напряжение растяжения в расчетном сечении болта. Для болтов класса прочности 4.6 значение предела текучести . На фланцевую муфту имеется стандарт для крутящих моментов от 8 до 45000 Нм. Полумуфты устанавливаются на концы валов с натягом. -83. Муфты компенсирующие применяют для соединения валов с несовпадающими осями. Благодаря своей конструкции они компенсируют продольные, радиальные и угловые смещения. Широкое распространение получили зубчатые муфты. Сдвоенная зубчатая муфта (рис.1) состоит из 2-х одинаковых полумуфт, имеющих внешние зубчатые венцы и 2-х обойм (4) с внутренними зубчатыми венцами. Обоймы стянуты болтами (1), установленными без зазоров. В крышках (3), закрывающих внутреннюю полость муфты, установлены резиновые манжетные уплотнения удерживающие жидкую смазку внутри муфты. Пробка (5), пояски (6) на полумуфтах служат для контроля соосности валов. Зубья муфты эвольвентные с углом профиля 20о и высотой зуба 1,8m. Центрирование полумуфт обычно осуществляется по вершинам зубьев. Предусмотрены, для компенсаций всех видов смещений осей валов, зубья полумуфт бочкообразной (рис. 1.б) и прямолинейной (рис.1.в) форм. Муфта с бочкообразными зубьями допускает значительно больший угол поворота. Угловое смещение 1 ̊30’ по сравнению с муфтой с прямолинейными зубьями, у которой 15’ Относительное смещение зубьев полумуфты и обоймы обуславливается наличием зазоров между зубьями. На рис.5.а показан характер смещения зуба полумуфты и положение пятна контакта в плоскости перекоса валов, на рис. 5.б — положение зубьев в перпендикулярной плоскости. При угловом смещении валов зуб полумуфты скользит по зубу обоймы по дуге длиной 0,5mz , занимая крайнее положение через каждую половину оборота, что приводит к износу боковой поверхности зубьев. Наличие сил трения между зубьями вызывает появление изгибающего момента Миз = 0,1Т, где Тпередаваемый вращающий момент. Для снижения износа зубьев заготовки полумуфт и обойм изготовляют коваными из сталей марок 40, 45, 35ХМ. Твердость поверхностей зубьев должна быть 42...50 HRC. Муфты смазывают жидким маслом большой вязкости. Размеры муфт выбирают по таблицам в зависимости от ожидаемого смещения валов. Муфты проверяются по напряжению смятия , где D0=mz, b – ширина зуба (рис.1), m – модуль зацепления, =12…15 МПа. В транспортных машинах широко применяются зубчатые муфты с синхронизаторами, служащими для облегчения переключения передач. 4. Упругие муфты рис. 2 отличаются наличием упругого элемента (стальные, спиральные либо плоские пружины или резина) и -9являются универсальными, т.к. амортизируют удары, динамические нагрузки, компенсируют несоосность валов, способствуют защите привода от вредных крутильных колебаний в приводах машин, что повышает их ресурс. Характеристикой упругих муфт является их жесткость. Жесткость С при кручении представляет отношение крутящего момента Т к углу поворота полумуфт. В зависимости от конструкции муфты эта характеристика может быть линейной (кривая 1, рис.6) или нелинейной (кривая 2, рис. 6). Для муфты с линейной характеристикой жесткости Т = C Для муфты с нелинейной характеристикой, жесткость различна в каждой точке кривой 2 и определяется как С= , т.е. является касательной к кривой жесткости в данной точке характеристики. Предварительный расчет такой муфты выполняется по напряжениям среза , где =0,6…1,0 МПа для резины. 1. Муфта с неметаллическим (резиновым) элементом, так называемая муфта — шина» (рис. 7). Ее отличает простота конструкции, простота эксплуатации (не требует ухода), имеет высокую податливость резины при кручении и хорошую демпфирующую способность. По форме упругого элемента имеются два вида исполнения: с упругим элементом в виде внешнего тора (рис. 7а) и с упругим элементом в виде внутреннего тора (рис. 7б). При одинаковой несущей способности последняя муфта имеет меньший наружный диаметр. Поэтому она меньше подвержена влиянию центробежных сил и, таким образом, допускает большую частоту вращения. Конструкция муфт определяется ГОСТом, в котором приведены основные размеры муфт в зависимости от величины крутящего момента . - 10 - Рис. 7 Муфта с резиновым упругим элементом в виде: а) внешнего тора; б) внутреннего тора. После выбора муфты: 1) Уточняют толщину h упругого элемента в сечении (рис. 7а, рис.7б). Из расчета по касательным напряжениям , где T – расчетный крутящий момент; =0,8…1,5 МПа – допускаемое напряжение, зависящее от марки резины и числа слоев корда; 2) Определяют необходимую силу прижатия края упругого элемента к полумуфте. Из условия находим момент от сил трения , где - сила затяжки одного винта: ; f-коэффициент трения резины по металлу; z – число винтов; ; =(1,2…1,5); 3) Проверяют напряжение смятия на кольцевой поверхности контакта края упругого элемента с полумуфтой (рис. 7б) где МПа определяют в зависимости от наличия корда или металлических колец и марки резины. - 11 5. Втулочно-пальцевые муфты МУВТ В них крутящий момент передается через пальцы и закрепленные на них упругие элементы в форме гофрированных втулок (рис.8) Рис. 8 Втулочно-пальцевая муфта Упругие элементы подвергаются неравномерному сжатию, а их форма обеспечивает повышение податливости и некоторое выравнивание напряжений. Стальные пальцы закреплены своей конической частью в одной полумуфте и входят в цилиндрические отверстия в другой полумуфте. Число пальцев в зависимости от размеров муфт 4…10. Эти муфты благодаря простоте изготовления, легкости и удобству замены упругих элементов сохранили в машиностроении широкое применение, особенно, для приводов электродвигателей. Муфты стандартизированы (ГОСТ21424-75), допускают несоосность валов до 13 мм., угловое смещение до 0,6-1 Критерием работоспособности муфт является стойкость резиновых втулок муфты. Её проверяют по допускаемым давлениям между пальцами и упругими элементами в предположении, что крутящий момент распределяется между пальцами равномерно. , где z — число пальцев; d1— диаметр пальца под упругим элементом; l - 12 — длина упругого элемента; D1 — диаметр окружности расположения центров пальцев . [р] = ЗМПа для резиновых втулок, для муфт по ГОСТ принимают [р] = 2 МПа. Стальные пальцы муфт проверяют на изгиб с допускаемым напряжением . , где - предел текучести материала. 6. Фрикционные муфты (рис. 9) широко применяются в транспортном, дорожном, сельскохозяйственном и других видах машиностроения. Рис. 9 Муфта предохранительная фрикционная многодисковая - 13 Фрикционные муфты могут выполнять роль предохранительных и сцепных, управляемых и самоуправляемых. Фрикционные муфты передают крутящий момент за счет сил трения, поэтому появление новых фрикционных материалов с высоким устойчивым коэффициентом трения при небольшом износе увеличивают перспективу применения таких муфт. По конструкции элементов трения муфты могут быть дисковыми, коническими, цилиндрическими. Более распространенны и более перспективны дисковые муфты, которые могут быть одно, двух и многодиско-выми. Они могут работать как всухую, так и в масле. Недостатком дисковых фрикционных муфт является необходимость строгой соосности и центрирования ведущих и ведомых элементов. Расчет дисковой фрикционной муфты с числом дисков z=2 иллюстрируется схемой на рис. 10. Рис. 10 Схема дисковой фрикционной муфты Момент трения Tт= Т= осевая сила на где - коэффициент трения муфты, Qдиске муфты, создающая давление или , т.к. . , Таким образом Здесь – число пар поверхностей трения. Принимают для получения более равномерного износа = 0,5…0,8, Тогда , а . - 14 Дальнейший расчет зависит от исходных данных: а) если ограничен радиус , то по нему определяют . Далее по и допускаемому удельному давлению на поверхности трения определяют число дисков трения ; б) если требуется определить усилие включения-выключения муфты: ; в) если и заданы, то определяют , а затем радиусы дисков и . Всюду принимают =1,2…2,5. Для увеличения передаваемого момента или для уменьшения габаритов муфты и уменьшения усилия выключения лучше всего увеличить коэффициент трения и число дисков . Менее желательно увеличение диаметров . Все фрикционные муфты являются предохранительными при соблюдения условия . В процессе включения муфта работает на неустановившемся режиме. Поэтому для полного расчета требуется проверка муфты на износ и тепловыделение. На рис. 11 представлен во времени качественный процесс включения фрикционной муфты. Рис.11 Процесс включения фрикционной муфты - 15 7. Муфты предохранительные относятся к классу автоматических самоуправляемых муфт и служат для защиты механизмов от перегрузок и автоматического разъединения валов. Примером является муфта со срезным штифтом, представленная на рис. 12 Рис. 12 Предохранительная муфта со срезным штифтом Муфта рассчитывается в пусковом режиме работы, при крутящем моменте на напряжение среза штифта. , где – диаметр расположения штифта, – диаметр срезания штифта, – число штифтов ( Исходя из опыта эксплуатации, принимают для Ст5 МПа, тогда диаметр штифта в сечении А-А мм. - 16 8. Муфты комбинированные Конструкция комбинированных муфт состоит из двух частей. Одна из них – это наиболее распространенная упругая компенсирующая муфта (втулочно-пальцевая или с торообразной оболочкой). Другой частью является предохранительная муфта, которая может быть с разрушающимся элементом или фрикционной многодисковой. Компенсирующая муфта обеспечивает компенсацию несоосности двух соединяемых валов, а соосная предохранительная часть выполняет защитную функцию, автоматически отключая привод при перегрузках. Комбинированные муфты не нормализованы. Поэтому при разработке таких конструкций необходимо использовать основные элементы нормализованных муфт, а именно: упругие элементы, фрикционные диски, предохранительные разрушающиеся элементы и др. Рис. 13 Комбинированная торообразная муфта с фрикционной многодисковой частью на ведущем валу. - 17 На рис. 13 представлена комбинированная муфта в которой пятидисковая фрикционная предохранительная часть расположена внутри упругой оболочки. Такая конструкция позволяет значительно уменьшить осевые габариты, хотя для этой цели требуется специальная широкая упругая оболочка. Ведущие диски (7) прижимаются к ведомым подобранными шестью пружинами (9), действующими через подвижные втулки (12) на нажимной диск фрикциона. Для регулировки фрикционной муфты имеются резьбовые втулки (11) с резьбой М33х1,5 контрящиеся от отворачивания контргайками (10). Распространенным примером комбинированной муфты является образец на рис. 14. Но на нем представлена комбинация муфт: втулочно-пальцевой и со срезным штифтом. Первая выполняет задачу компенсирования несоосности валов, а вторая – является предохранительной. В случае срабатывания муфты и срезе предохранительного штифта (одного или нескольких) компенсирующая часть муфты может свободно вращаться на бронзовой втулке, запрессованной в соосную часть компенсирующей муфты. Для смазки поверхности трения имеется пресс-масленка, через которую в зазор нагнетается консистентная смазка. Рис. 14 Комбинация муфт: втулочно-пальцевой и со срезным штифтом - 18 Комбинированная муфта на рис. 15 является сочетанием двух муфт: центробежной и упруго-пальцевой. Центробежная часть комбинированной муфты предназначается для автоматического включения (или выключения) ведомого вала, при достижении ведущим валом определенной частоты вращения. Плавное включение, достигаемое при частых пусках и остановках, позволяет снизить расход электроэнергии, повысить долговечность работы привода, избежать аварий. Рис. 15 Муфта комбинированная упруго-центробежная Общей особенностью центробежных муфт является наличие фрикционных элементов – 4-х колодок (В) с накладками. Муфта передает крутящий момент благодаря силам трения, возникающим между внутренней поверхностью шкива (Ж) и фрикционными накладками колодок (В), свободно передвигающихся в направляющих пазах. Прижатие колодок к шкиву осуществляется центробежными силами, возникающими при вращении полумуфты (Е), Гибкие пластины (Г) служат для того, чтобы сцепление между накладками колодок и ведомым барабаном происходило с некоторым замедлением относительно момента пуска. Благодаря этому обеспечивается плавное нарастание крутящего момента. Включение муфты произойдет тогда, - 19 когда центробежная сила увеличится настолько, что, преодолев сопротивление пластин (Г), раздвинет все колодки. Упругая пальцевая часть муфт допускает небольшой перекос осей валов (до 1 ̊) и некоторое радиальное смещение валов в пределах 0,3…0,6 мм. На рис. 16 изображена другая конструкция комбинированной муфты, состоящая из двух частей: Упругой и предохранительной со срезным штифтом, который срезается при перегрузке муфты. Рис. 16 Муфта комбинированная состоящая из двух частей: упругой и предохранительной со срезным штифтом Упругая часть состоит из двух полумуфт (9,11) и серии резиновых цилиндров (10) размещенных между ними: Резиновые элементы, находятся в специальных углублениях, имеющихся в обеих полумуфтах. Их количество – 8, диаметр 30 мм, длина – до 25…30 мм. Опыты, проведенные по определению деформации (сжатия) резинового шара под нагрузкой, помещенного в эллипснное гнездо (5), показали возможность передачи значительного крутящего момента без опасности - 20 разрушения материала упругого элемента. Муфта допускает осевое, угловое и радиальное смещение валов. После отключения муфты при перегрузке, хвостовая часть может вращаться некоторое время во втулке (8), запрессованной в полумуфту (9), выполняющей роль подшипника. Муфта реверсивная, поэтому в работе принимает участие одновременно только половина от общего количества упругих элементов. Комбинированная фрикционная предохранительная муфта в сборе с зубчатой сцепной муфтой показана на рис. 17. Рис. 17 Комбинированная фрикционная предохранительная муфта в сборе. Такая муфта применяется при частых кратковременных перегрузках, а так же при перегрузках ударного действия. По конструкции, как это ясно из рис. 17, фрикционные диски постоянно сжаты пружинами. Для регулирования муфты имеется возможность изменять затяжку пружин с помощью резьбовых стаканов. В такой - 21 предохранительной муфте в связи с кратковременным проскальзыванием допускаются более высокие давления. Дисковая часть муфты работает без смазочного материала (всухую) со стабильным коэффициентом трения фрикционных материалов, например: стали по фрикционному материалу на асбестовой основе. Фрикционные предохранительные муфты при срабатывании поглощают энергию, преобразуя ее в тепловую. Обычно передаваемый момент при срабатывании муфты меньше, т.к. для большинства материалов коэффициент трения скольжения меньше, чем коэффициент трения покоя. Зубчатая сцепная муфта, представляет собой две шестерниполумуфты с наружными зубьями и одну с внутренними зубьями при одинаковом модуле и числе зубьев. Для уменьшения износа, ударов и шума муфту смазывают. Для этой цели служит резьбовое отверстие в корпусе комбинированной муфты, закрываемое заглушкой и манжеты – уплотнения, удерживающие жидкую смазку внутри муфты. - 22 - ЛИТЕРАТУРА 1. Баладин В. А., Галевко В.В. «Детали машин и основы конструирования. Передачи: учебное пособие для ВУЗов – М: ИКЦ «Академкнига»; 2006-330 стр. 2. Ряховский О.А., Иванов С.С. «Справочник по муфтам – Л.: Политехника 1991. 3. Поляков В.С., Барбаш Н. Д. «Муфты. Конструкции и расчет – М.: Машгиз 1960 4. Иванов М.Н. Детали машин: учебник/ Иванов М.Н. – М.: Высшая школа, 1998-479 стр 5. Детали машин: учебник/ под ред. О. А. Ряховского – М.: Издательство МГТУ им. Баумана, 2002 – 543 стр. 6. Иванов М.Н. Детали машин. Курсовое проектирование/ В.Н. Иванов – М.: Высшая школа, 1975-375 стр. 7. Расчет и проектирование деталей машин/под ред. Г.Б. Столбина и К. П. Жукова – М.: Высшая школа, 1978-105 стр. - 23 - 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………… …………………….3 МУФТЫ ПОСТОЯННЫЕ, ГЛУХИЕ……………………………………………………..5 ФЛАНЦЕВЫЕ МУФТЫ…………………………………………………………………….. 5 МУФТЫ КОМПЕНСИРУЮЩИЕ…………………………………………………… ……7 УПРУГИЕ МУФТЫ…………………………………………………………………… ……....8 ВТУЛОЧНО-ПАЛЬЦЕВЫЕ МУФТЫ МУВТ………………………………………...9 ФРИКЦИОННЫЕ МУФТЫ………………………………………………………...........11 ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ МУФТЫ…………………………………………………..14 МУФТЫ КОМБИНИРОВАННЫЕ………………………………………………… …..15 ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………………… …………………21 - 24 - Учебное издание Водейко Виталий Францевич МУФТЫ ПРИВОДОВ Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Детали машин и основы конструирования» Редактор И.А. Короткова Тем. план 2010 г., п.44 - 25 Подписано в печать 15.09.2010 г. Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Ариал». Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,8. Уч.-изд. л. 2,1 Тираж 100 экз. Заказ 374 Цена20 руб Отпечатано в полно соответствии С предоставленным оригинал-макетом на ротапринте МАДИ. 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64.
