Обгонные и центробежные муфты

Обгонные муфты, или муфты свободного хода, автоматически сцепляют и расцепляют валы в зависимости от соотношения угловых скоростей валов. Если скорость ведущего вала больше скорости ведомого вала, то муфта сцепляет валы. При меньшей скорости ведущего вала муфта расцепляет валы, не препятствуя ведомому валу свободно обгонять ведущий вал, откуда и происходит наименование муфт. Муфты свободного хода широко применяются в велосипедах, мотоциклах, коробках передач автомобилей, металлорежущих станках и других машинах.

По способу сцепления полумуфт различают храповые и фрикционные обгонные муфты. Наиболее распространены фрикционные обгонные муфты с роликами, так как у них почти полностью отсутствует мертвый ход и работают они бесшумно.

Обгонная фрикционная муфта с роликами (рис. 12) состоит из двух полумуфт – звездочки 1 и обоймы 2 – и роликов 3, расположенных в сужающихся в одном направлении пазах между звездочкой и обоймой.

Рис. 12. Обгонная фрикционная муфта с роликами

Каждый ролик отжимается пружиной 4 в сужающуюся часть паза. Если ведущая полумуфта – звездочка, то сцепление валов может происходить только при вращении ее по часовой стрелке, а если ведущая полумуфта – обойма, то сцепление валов может произойти при вращении ее против часовой стрелки. При указанном вращении ведущей полумуфты каждый ролик закатывается в сужающуюся часть паза и заклинивается между полумуфтами, в результате чего и происходит сцепление полумуфт и соединение валов. При обратном вращении ведущей полумуфты ролики выкатываются в более широкую часть пазов и полумуфты расцепляются. Полумуфты и ролики при передаче больших нагрузок изготовляют из стали ШХ15 с термообработкой 58…60 HRC, а при небольших нагрузках – из сталей 20Х и 40Х с термообработкой 50…54 HRC.

Диаметр и длину ролика можно выбрать по следующим соотношениям: dp ≈ 0,125D; l=1,5d, где D – диаметр рабочей поверхности обоймы.

Муфты свободного хода применяют для валов диаметром 10…90 мм, число роликов 3…5, диаметр рабочей поверхности обоймы 32…200 мм, момент, передаваемый муфтой, – 0,25…7,7 Н•м.

Центробежные муфты по способу сцепления полумуфт представляют собой фрикционные муфты, в которых в отличие от фрикционных управляемых муфт сцепления полумуфты сцепляются или расцепляются автоматически с помощью специальных грузов, находящихся под действием центробежных сил и пружин. При достижении ведущим валом определенной угловой скорости центробежные силы, действующие на грузы, связанные с одной из полумуфт, преодолевают силы пружин и прижимают (или отжимают) эти грузы к другой полумуфте, в результате чего полумуфты и соединяемые ими валы сцепляются (или расцепляются).

По устройству центробежные муфты представляют собой фрикционные муфты, у которых механизмом управления служат грузы-колодки 1 (рис. 13), находящиеся под действием центробежных сил. При достижении ведущим валом заданной угловой скорости центробежные силы, действуя на грузы, производят включение муфты. Передача вращающего момента осуществляется силой трения, пропорциональной квадрату угловой скорости.

Рис. 13. Центробежная колодочная муфта

В современном машиностроении применяются конструкции центробежных муфт, которые служат для разгона механизмов с большими маховыми массами при двигателе с малым пусковым моментом, для повышения плавности пуска, для предотвращения разноса машины и т. п. Размеры муфт принимают конструктивно. Рабочие поверхности трения грузов проверяют на износостойкость аналогично фрикционным муфтам.

Шарнирные муфты

Шарнирные муфты (рис. 14) применяют для соединения валов, оси которых расположены со значительным смещением относительно друг друга, причем в процессе работы угол наклона может изменяться.

Рис. 14. Конструкция одношарнирной (а) и спаренной двухшарнирной (б) муфты

Простейшей шарнирной муфтой является одинарная муфта (рис. 14, а), состоящая из двух полумуфт 1 и 2, насаженных на концы валов и соединенных с ними посредством конических штифтов 3. Между полумуфтами установлена крестовина 4, имеющая форму параллелепипеда с отверстиями, оси которых пересекаются под прямым углом. Полумуфты и крестовина соединены при помощи пальцев 5 и втулок 6 с цилиндрическим штифтом 7. Штифты имеют на концах глухие отверстия, которые после сборки развальцовываются, образуя шарнир трения скольжения.

Одинарные шарнирные муфты допускают перекос осей валов на угол до 45°.

При необходимости увеличения угла наклона между соединяемыми валами свыше предельного для одинарной муфты применяют сдвоенную шарнирную муфту (рис. 14, б) с промежуточной спаренной вилкой 8 или две одношарнирные, соединенные последовательно.

Недостаток этой муфты – неравномерное вращение ведомого вала.

Сдвоенную шарнирную муфту (рис. 15) с разнесенными шарнирами применяют для обеспечения вращения ведомого вала с постоянной угловой скоростью, для возможности передачи вращательного движения между параллельными, но смещенными валами, а также при необходимости передачи вращения между соединяемыми валами, которые расположены под увеличенным углом.

Рис. 15. Схема двухшарнирной муфты с разнесенными шарнирами

Для возможности смещения во время работы валы соединяют шарнирной сдвоенной муфтой с телескопическим промежуточным валиком (рис. 16), т. е. валиком изменяющейся длины.

Рис. 16. Схема двухшарнирной муфты с телескопическим соединением шарниров

Шарнирные муфты подразделяются на малогабаритные, передающие небольшие моменты, и крупногабаритные для передачи средних и больших моментов. Малогабаритные шарнирные муфты, одинарные (рис. 14, а) и сдвоенные (рис. 14, б), применяются для соединения валов диаметром от 8 до 40 мм и передаваемым моментом вращения от 11,2 до 1120 Н•м.

Шарниры этих муфт образуются вставными осями, из которых одна длинная, а вторая состоит из двух коротких втулок, стянутых заклепкой. Материал вилок и заклепки – цементируемая сталь 20Х, а крестовины и осей – сталь 40Х.

В трансмиссиях автомобилей, дорожных и других машинах широко используют шарнирные муфты с крестовиной, имеющей шарниры с игольчатыми подшипниками.

Проверочный расчет шарнирных муфт состоит из определения давления на рабочие поверхности шарниров и расчета на прочность вилок и крестовины.

Предохранительные муфты

Для предохранения приводов, деталей механических передач от поломок в случае перегрузки при непредвиденной остановке машины в кинематической схеме предусматривают установку муфт, автоматически размыкающих передачу при достижении вращающим моментом предельного значения Tmax=kTр; здесь k – коэффициент запаса, вводимый в расчет для того, чтобы муфта не срабатывала при перегрузках, возникающих, в частности, в период пуска. Принимают часто k=1,25…1,50. При необходимости более точного определения k следует учитывать оптимальную продолжительность срабатывания, особенности технологического процесса, для которого проектируются привод и условия эксплуатации. Однако всегда должно соблюдаться основное требование – быстродействие муфты, четкость ее срабатывания; с этой целью следовало бы располагать муфту на том участке кинематической цепи, который порождает перегрузки; однако это не всегда возможно, так как габариты муфты, устанавливаемой в зоне низких частот вращения, оказываются зачастую непомерно большими, поэтому в реальных условиях нередко приходится располагать предохранительную муфту между электродвигателем и редуктором. Из общего весьма большого количества разнообразных типов предохранительных муфт здесь рассматриваются лишь некоторые конструкции муфт, применяемых в приводах общего назначения. К ним относятся муфты с разрушающимися элементами, муфты с контактирующими элементами (пружинные кулачковые и шариковые), фрикционные.

Муфты со срезным штифтом – наиболее простые и надежные (рис. 17).

Рис. 17. Муфта предохранительная со срезным штифтом

Штифты (гладкие или с проточкой) должны быстро срабатывать и этим обеспечивать остановку механизма без поломок. Обычно штифты изготавливают из сталей 45, 50 с термообработкой для хрупкости. Вязкая сталь недопустима. Втулки изготавливают из стали 40Х, закаленной до твердости не ниже HRC 48. Предельный момент, при котором штифт должен срезаться:

где d – диаметр штифта в опасном сечении; R – радиус окружности, на которой расположены оси штифтов; [σ]ср ≈ 0,7σВ – предел прочности на срез; z – число штифтов (не более 2).

Выбрав диаметр штифта из табл. 5 и определив из конструктивных соображений R, проверяют напряжение среза:

если оно отличается от [σ]_ср, то вносят соответствующие коррективы, варьируя значения d и R так, чтобы достичь совпадения σ_ср и [σ]_ср.

Таблица 5. Размеры штифтов, мм

Муфта со срезным штифтом неудобна в приводах с резкими колебаниями нагрузки, так как они часто срабатывают, после чего надо заменять штифты; такие муфты предпочтительно устанавливать в передачах с примерно постоянной нагрузкой, где они могут выполнять функции аварийного звена.

В муфтах кулачковых предохранительных (рис. 18) вращающий момент передается кулачками трапецеидального профиля, прижимаемыми друг к другу одной центральной пружиной или несколькими, расположенными по окружности. Пружины устанавливают с предварительным сжатием с таким расчетом, чтобы усилие, развиваемое ими, было достаточным для передачи номинального вращающего момента. При увеличении момента до предельного значения Tmах осевые составляющие усилий, действующих на кулачки, сжимают пружины, и муфта срабатывает, предохраняя привод от опасных перегрузок.

Рис. 18. Кулачковая предохранительная муфта: а – конструкция; б, в – профиль кулачков

На рис. 18, а показана муфта для соединения двух валов, которые должны быть точно центрированы относительно друг друга. Профиль кулачков показан на рис. 18; б, в.

Материал колец, на которых фрезеруются кулачки, – сталь 20Х цементируемая и закаленная до твердости рабочих поверхностей 56…62 HRC или сталь 40Х с той же твердостью рабочих поверхностей. Кольца напрессовываются на посадочные места полумуфт и в случае необходимости фиксируются штифтами от проворота. Кулачки выполняются с плоской или винтовой рабочей поверхностью, в последнем случае достигается более полное включение муфты после срабатывания.

Соотношение размеров элементов муфт: наружный диаметр кулачков DH≥2d, где d – диаметр вала (для шлицевого соединения – наружный диаметр вала); ширина кулачков (размер в радиальном направлении) b ≈ (0,12…0,15)DH; средний диаметр кулачков DС=DН–b; высота кулачков h ≈ (0,5…0,6)b; наружный диаметр подвижной втулки Dвт ≈ (1,5…1,8)d; ее длина L ≈ (0,8…1,8)d; число кулачков z=3…15.

В переходных процессах при колебаниях величины передаваемого момента муфта может периодически срабатывать до тех пор, пока не установится режим работы, на который отрегулирована муфта. Если при таких колебаниях возникают динамические нагрузки, превышающие предусмотренную величину, то работу механизма нужно остановить и устранить источник нестабильной работы механизма. Для их ограничения рекомендуется помещать предохранительную муфту на тихоходном валу при частоте вращения не более 300 об/мин.