Теоретические основы работы. Предохранительные муфты относятся к самоуправляемым муфтам

Приводные муфты – это автономные узлы передач, предназначенные для соединения соосных валов и передачи вращающего момента между ними или между валами и установленными на них деталями: зубчатыми колёсами, звёздочками и шкивами и т.п.

Предохранительные муфты относятся к самоуправляемым муфтам, используемым для автоматического разъединения валов и прекращения передачи движения между ними при перегрузке, дающей возрастание передаваемого вращающего момента на ведущем валу до величины

, (16.1)

где - расчётный номинальный момент срабатывания муфты; - максимальный момент на ведущем валу, возникающий при работе привода машины.

Таким образом, муфты этой группы предохраняют относительно дорогие детали и узлы машин (зубчатые колёса, двигатели и др.) от выхода из строя при случайных перегрузках.

Конструкции предохранительных муфт дают возможность регулирования величины момента срабатывания и должны обеспечивать его высокую точность, которая характеризуется способностью разъединять кинематическую цепь всегда при одном и том же заданном вращающем моменте. Поэтому одной из основных характеристик данных муфт является коэффициент точности срабатывания

, (16.2)

где и максимальное и минимальное действительные значения момента срабатывания муфты.

Чем ближе величина к единице, тем надёжнее сработает муфта. При этом следует отметить, что место расположения муфты в приводе машины значительно влияет на точность отключения привода при превышении предельной нагрузки на её исполнительном органе. Поэтому предохранительную муфту целесообразно располагать в непосредственной близости от места приложения нагрузки, если это значительно не усложняет конструкцию машины.

По конструкции среди предохранительных муфт различают:

· муфты с разрушающимися элементами (срезными штифтами), которые подлежат замене после срабатывания;

· фрикционные муфты (конусные, дисковые и пр.), где давление между поверхностями трения создаётся пружинами, которые отрегулированы на передачу предельного вращающего момента;

· муфты зацепления (кулачковые, шариковые и пр.), которые пружинами удерживаются во включенном состоянии, пока возрастающий момент не преодолеет усилие пружины.

Настоящая работа посвящена изучению конструкций и работы фрикционных муфт и муфт зацепления, которые в отличие от муфт с разрушающимися элементами [1, 2, 5], автоматически восстанавливают соединение валов и передачу движения между ними при исчезновении перегрузки.

1.1. Особенности конструкций и работы

фрикционных предохранительных муфт

Фрикционные муфты применяют для плавного соединения и разъединения валов при их вращении в широком диапазоне скоростей и моментов без остановки двигателя. Вращающий момент передаётся силами трения на рабочих (фрикционных) поверхностях деталей муфты при их плавном прижатии. Меняя силу прижатия, регулируют момент сил трения. В процессе включения муфты рабочие поверхности проскальзывают. После завершения включения скольжение отсутствует. При этом муфта не может передать момент больший, чем установленный момент сил трения, потому что при перегрузке начинается проскальзывание контактирующих фрикционных элементов. Именно это свойство позволяет фрикционным муфтам быть эффективными предохранителями для защиты машины от динамических перегрузок.

В зависимости от условий эксплуатации различают сухие и масляные (со смазыванием трущихся поверхностей) фрикционные муфты. Первые передают больший момент, чем вторые, но менее долговечны вследствие повышенного износа.

В сухих муфтах применяют обычно следующие фрикционные пары: закалённая сталь по металлокерамике, образованной спеканием под давлением порошков железа, графита, меди, свинца и др., или закалённая сталь по материалам, созданным на основе термореактивных смол с различными добавками.

В масляных муфтах используют в основном фрикционные пары: закалённая сталь по металлокерамике, закалённая сталь по стали и бронза по закалённой стали или чугуну.

При увеличении силы прижатия фрикционных элементов муфты возрастает давление на их рабочих поверхностях и передаётся больший вращающий момент, но одновременно возрастает интенсивность износа этих поверхностей. Поэтому расчётное контактное давление не должно превышать допускаемое значение для используемых в конструкции муфты фрикционных материалов.

По форме трущихся поверхностей среди фрикционных муфт различают дисковые, конусные, и цилиндрические муфты. В дисковых муфтах, трение происходит по плоским торцевым поверхностям дисков.Вконусных муфтах, рабочие поверхности изготовлены в виде усечённых конусов. Цилиндрические муфты (ленточные, колодочные и т.д.) имеют цилиндрическую поверхность контакта. Наибольшее распространение имеют дисковые муфты.

1.1.1. Фрикционная дисковая муфта

Фрикционные дисковые муфты применяются при частых кратковременных перегрузках, в том числе при нагрузках ударного характера, и значительных угловых скоростях. К преимуществам таких муфт относятся: большая несущая способность при малых радиальных габаритах, возможность изменения числа дисков, плавность работы, простоты эксплуатации и ухода. Недостатками данных муфт являются: невысокая точность срабатывания, связанная с непостоянством коэффициента трения; значительное выделение тепла при срабатывании, вызывающее нагрев трущихся поверхностей и, как следствие, непостоянство их фрикционных свойств и снижение прочности. Дисковые фрикционные предохранительные муфты могут работать как со смазкой трущихся поверхностей, так и без смазки. Коэффициент точности срабатывания этих муфт лежит в пределах из-за непостоянства жёсткости пружин и сил трения.

Исследуемая в работе фрикционная многодисковая муфта представлена на рис. 16.1.

Рис. 16.1 Фрикционная дисковая муфта

Конструкции лабораторного образца муфты состоит из втулки 1, на которой установлены ведущая 2 и ведомая 3 полумуфты. При этом ведущая полумуфта установлена на подшипнике скольжения 4, позволяющем ей вращаться относительно втулки 1 после срабатывания муфты. Ведомая полумуфта 3 передаёт вращающий момент на втулку 1 с помощью подвижного в осевом направлении шлицевого соединения. В осевом направлении полумуфта 2 фиксируется крышкой 5. Штифты 6 служат для соединения полумуфты с ведущим валом лабораторной установки и передачи вращающего момента.

Для создания силы прижатия полумуфты 3 через диски 7 и 11 к полумуфте 2 служит пружина 8, длина которой и, следовательно, величина силы прижатия, регулируется гайкой 9 и фиксируется контргайкой 10. При этом диски 7 с фрикционными накладками установлены на шлицевой части втулки 1, чередуясь со стальными дисками 11, которые внешними шлицами закреплены в ведущей полумуфте 2. Передача вращающего момента от ведущей 2 к ведомой 3 полумуфте осуществляется за счёт момента трения, который возникает в дисковом фрикционе, образованном поверхностями трения полумуфт и расположенных между ними фрикционных дисков 7 и 11. Вращающий момент с втулки 1 на ведомый вал установки передаётся через шпоночное соединение.

При перегрузке ведомой полумуфты усилия пружины недостаточно для создания увеличенной окружной силы на поверхностях трения полумуфт и дисков, которые проскальзывают относительно друг друга. При этом полумуфта 3, втулка 1 и ведомый вал установки останавливаются, а полумуфта 2 продолжает вращаться на подшипнике скольжения 4.

Расчётный номинальный момент срабатывания муфты определяется как

(16.3)

где параметры технических характеристик лабораторного образца муфты представлены в табл. 16.1.

Таблица 16.1

Технические характеристики лабораторного образца

предохранительной фрикционной дисковой муфты

№	Наименование параметра	Обозначение	Величина
	Средний диаметр контакта дисков, мм
	Количество дисков
	Коэффициент трения на рабочих поверхностях дисков		0,3…0,4

1.1.2. Фрикционная конусная муфта

Фрикционные конусные муфты имеют хорошую расцепляемость и относительно простую конструкцию. Вместе с тем они отличаются большими радиальными габаритами и высокими требованиями к соосности соединяемых валов и точности изготовления рабочих поверхностей. На точность срабатывания этих муфт влияют: величина давления, шероховатость трущихся поверхностей, закон изменения нагрузки на муфту, продолжительность неподвижного контакта фрикционных поверхностей и величина нагрузки на муфту перед перегрузкой. Конусные фрикционные муфты могут работать как со смазкой, так и без смазки трущихся поверхностей.

Исследуемая в работе фрикционная конусная муфта представлена на рис. 16.2.

Рис. 16.2. Фрикционная конусная муфта

Конструкции лабораторного образца муфты состоит из втулки 1, на которой установлена ведущая 2 и ведомая 3 полумуфты. При этом ведущая полумуфта установлена на подшипнике скольжения 4, позволяющем ей вращаться относительно втулки 1 после срабатывания муфты. В осевом направлении полумуфта 2 фиксируется крышкой 5. Штифты 6 служат для соединения полумуфты с ведущим валом лабораторной установки и передачи крутящего момента. Ведомая полумуфта 3 установлена при помощи подвижного в осевом направлении шпоночного соединения с двумя шпонками 7, которые передают крутящий момент на втулку 1.

Для создания силы прижатия полумуфты 3 к полумуфте 2 служит пружина 8, длина которой и, следовательно, величина силы прижатия, регулируется гайкой 9 и фиксируется контргайкой 10. Коническая часть 11 ведомой полумуфты выполнена из текстолита и закреплена к ней с помощью винтов. Вращающий момент от ведущей 2 к ведомой 3 полумуфте передаётся за счёт сил трения, возникающих между коническими контактными поверхностями полумуфт. Вращающий момент с втулки 1 на ведомый вал установки передаётся через шпоночное соединение.

При перегрузке ведомой полумуфты усилия пружины недостаточно для создания увеличенной окружной силы на конических поверхностях трения полумуфт, которые проскальзывают относительно друг друга. При этом полумуфта 3, втулка 1 и ведомый вал установки останавливаются, а полумуфта 2 продолжает вращаться на подшипнике скольжения 4.

Расчётный номинальный момент срабатывания муфты определяется как

(16.4)

где параметры технических характеристик лабораторного образца муфты представлены в табл. 16.2.

Таблица 16.2

Технические характеристики лабораторного образца

предохранительной фрикционной конусной муфты

№	Наименование параметра	Обозначение	Величина
	Средний диаметр контакта конических рабочих поверхностях полумуфт, мм
	Половина угла при вершине конуса, град.
	Коэффициент трения на рабочих поверхностях полумуфт		0,2…0,3

1.2. Особенности конструкций и работы

предохранительных муфт зацепления

Кулачковые и шариковые пружинные предохранительные муфты зацепления применяется при небольших скоростях вращения соединяемых валов и малых вращающих моментах на этих валах. Коэффициент точности срабатывания этих муфт лежит в пределах из-за непостоянства жёсткости пружин и сил трения.

1.2.1. Кулачковая муфта

Исследуемая в работе кулачковая муфта представлена на рис. 16.3.

Рис. 16.3. Кулачковая муфта

Конструкции лабораторного образца муфты состоит из втулки 1, на которой установлена ведущая 2 и ведомая 3 полумуфты. При этом ведущая полумуфта установлена на подшипнике скольжения 4, позволяющем ей вращаться относительно втулки 1 после срабатывания муфты. В осевом направлении полумуфта 2 фиксируется крышкой 5. Штифты 6 служат для соединения полумуфты с ведущим валом лабораторной установки и передачи крутящего момента. Ведомая полумуфта 3 установлена при помощи подвижного в осевом направлении шпоночного соединения с двумя шпонками 7, которые передают крутящий момент на втулку 1.

Для создания силы прижатия полумуфты 3 к полумуфте 2 служит пружина 8, длина которой и, следовательно, величина силы прижатия, регулируется гайкой 9 и фиксируется контргайкой 10. Соприкасающиеся поверхности полумуфт имеют торцевые кулачки. Вращающий момент с втулки 1 на ведомый вал установки передаётся через шпоночное соединение.

При перегрузке ведомой полумуфты 3 она будет смещаться вдоль втулки 1 за счёт появляющейся осевой составляющей силы на кулачках, превышающей силу упругости пружины. Торцевые кулачки выйдут из зацепления и кинематическая цепь механизма разорвётся. При этом полумуфта 3, втулка 1 и ведомый вал установки останавливаются, а полумуфта 2 продолжает вращаться на подшипнике скольжения 4.

Расчётный номинальный момент срабатывания муфты определяется как

(16.5)

где параметры технических характеристик лабораторного образца муфты представлены в табл. 16.3.

Таблица 16.3

Технические характеристики лабораторного образца

предохранительной кулачковой муфты зацепления

№	Наименование параметра	Обозначение	Величина
	Диаметр наружной поверхности кулачков, мм
	Диаметр вала, направляющего подвижную полумуфту, мм
	Угол наклона рабочей поверхности кулачка, град.
	Приведённый угол трения между кулачками, град.
	Коэффициент трения на рабочих поверхностях кулачков		0,15

1.2.2. Шариковая муфта

Исследуемая в работе кулачковая муфта представлена на рис. 16.4. По конструкции и принципу работы она аналогична кулачковой муфте. Однако движение с ведущей полумуфты на ведомую полумуфту здесь передаётся с помощью не кулачков, а через подпружиненные шарики, входящие в соответствующие им пазы на полумуфтах.

Рис 16.4. Шариковая муфта

Конструкции лабораторного образца муфты состоит из втулки 1, на которой установлена ведущая 2 и ведомая 3 полумуфты. При этом ведущая полумуфта установлена на подшипнике скольжения 4, позволяющем ей вращаться относительно втулки 1 после срабатывания муфты. В осевом направлении полумуфта 2 фиксируется крышкой 5. Штифты 6 служат для соединения полумуфты с ведущим валом лабораторной установки и передачи крутящего момента. Полумуфта 3 передаёт момент на втулку 1 с помощью подвижного в осевом направлении шлицевого соединения.

Для создания силы прижатия полумуфты 3 к полумуфте 2 служит пружина 8, длина которой и, следовательно, величина силы прижатия, регулируется гайкой 9 и фиксируется контргайкой 10. При нагружении ведущей полумуфты 2 номинальным моментом вращение передаётся через шарики 7 на ведомую полумуфту 3 и далее через шлицевое соединение на втулку 1. Вращающий момент с втулки 1 на ведомый вал установки передаётся через шпоночное соединение.

При перегрузке ведомой полумуфты 3 давление на шарики возрастает, пружина 8 сжимается, полумуфта 3 смещается по шлицам втулки 1 и размыкает кинематическую цепь. Приводной вал останавливается, а шарики проскакивают при относительном вращении полумуфт, издавая стук.

Расчётный номинальный момент срабатывания муфты определяется как

(16.6)

где параметры технических характеристик лабораторного образца муфты представлены в табл. 16.4.

Таблица 16.4

Технические характеристики лабораторного образца

предохранительной шариковой муфты зацепления

№	Наименование параметра	Обозначение	Величина
	Диаметр расположения шариков, мм
	Диаметр вала, направляющего подвижную полумуфту, мм
	Диаметр шарика, мм
	Высота выступающей части шарика, мм		2,5
	Количество шариков
	Угол наклона касательной в точке соприкосновения шариков к оси муфты, град.
	Приведённый угол статического трения между шариками, град.
	Приведённый коэффициент трения в шлицевом соединении		0,15

1.3. Лабораторная установка для исследования

предохранительных муфт

Испытание предохранительных муфт зацепления проводится на лабораторной установке, схема которой представлена на рис. 16.5.

Установка моделирует реальную схему передачи крутящего момента от вала к валу через предохранительную муфту. При включении установки, вращение от электродвигателя 1 передаётся на ведомый вал 17 с помощью клиноременной передачи 2 и пары цилиндрических зубчатых колес 3 и 4. Ведомое колесо 4 установлено на корпусе 5. Корпус 5, являющийся ведущим валом, установлен на подшипниках качения, внутренние кольца которых посажены на ведомый вал 17, и может вращаться относительно него. Вращающий момент с корпуса 5, на ведомый вал 17 передаётся через пружинно-предохранительную муфту, состоящую из двух полумуфт 14 и 19.

Испытуемые муфты, представляющие собой быстросменные узлы, одеваются по шпонке на выступающий конец вала 17 и закрепляются гайкой 16. При этом ведущая полумуфта 14 соединяется с корпусом 5 через резиновую подушку 15, что обеспечивает ослабление радиальных усилий, действующих на ведомый вал 17. Конструкция муфт позволяет производить регулировку силы прижатия полумуфт и её определение путём замера длины предварительно тарированной пружины 18. Момент сопротивления на валу 17 создаётся с помощью балансирного 2-х колодочного тормоза 6, рычаги которого скреплены шарнирно с обоймой 8, сидящей в подшипниках на валу 17, что позволяет

Рис. 6.3. Схема лабораторной установки

для испытания предохранительных муфт

тормозной системе свободно качаться вокруг оси вала. Управление тормозом осуществляется с помощью винтового устройства 7. Тормоз снабжён гидравлическим демпфером 10. Обойма 8 через рычаг 9 и призму 11 опирается на плоскую измерительную пружину 12, прогиб которой измеряется индикатором часового типа 13 с ценой деления 0,01 мм. Все узлы установки смонтированы на станине, в передней части которой установлен защитный кожух (прозрачный откидывающийся колпак), закрывающий выступающий конец вала 17 и испытуемую муфту, и панель управления. Установка заземлена.