Как соединить 2 вала разных диаметров. Муфтовые соединения

Общие сведения. Муфтами приводов называют устройства, соединяющие валы совместно работающих агрегатов и передающие вращающий момент. Потребность в соединении валов связано с тем, что большинство машин компонуют из ряда отдельных частей с входными и выходными валами. Такими частями являются двигатель М , редуктор Р и рабочая машина РМ (рис. 23.1).

Основное назначение муфт – соединение валов и передача вращающего момента. Муфты могут выполнять еще ряд важных дополнительных функций. По этому признаку и классифицируют муфты.

Существует класс постоянных (нерасцепляемых) муфт, обеспечивающих постоянное, в течение всего времени эксплуатации машины, соединение валов.

В некоторых машинах применяют муфты сцепления, обеспечивающие соединение агрегатов или их разъединение во время работы машины. В свою очередь муфты сцепления подразделяют на управляемые и самоуправляемые .

Управляемые муфты соединяют агрегаты машин по некоторой команде. Самоуправляемые муфты включаются автоматически, соединяя или разъединяя валы в зависимости от условий режима работы машины и принципа действия муфты.

Основной характеристикой нагрузки муфты является вращающий момент Т .

Обычно расчетный вращающий момент Т на муфте приближенно определяют в зависимости от динамических свойств машины, характеризуемых степенью неравномерности вращения и величиной разгоняемых масс, т.е. величиной динамической составляющей вращающего момента на муфте:

Т = Т н + Т д = Т н (1+Т д / Т н) = Т н,

где Т н – номинальный момент обычно приближенно определяют по потребляемой мощности двигателя и по частоте вращения;

Т д – динамический момент;

Коэффициент динамичности.

Глухие муфты. Длинные валы по условиям изготовления, сборки и транспортировки иногда делают составными. В этом случае отдельные части вала соединяют глухими муфтами. В некоторых случаях эти муфты применяют и для соединения строго соосных валов агрегатов. К глухим муфтам относятся втулочные муфты, представляющие собой втулку, надеваемую с зазором на концы валов, и фланцевые муфты (рис. 23.2), состоящие из двух одинаковых полумуфт, выполненных в виде ступицы с фланцем. Фланцы между собой соединяют болтами.

Компенсирующие муфты. По экономическим и технологическим соображениям машины обычно выполняют из отдельных агрегатов, которые соединяют муфтами. Однако точная установка валов таких агрегатов невозможна из-за ошибок изготовления и монтажа; установки агрегатов на деформируемом основании; а также из-за упругих деформаций валов под нагрузкой.

Возможные виды смещений валов (осевое , радиальное и угловое ) и возникающие вследствие этого дополнительные нагрузки на концах валов представлены на рис. 23.3.

Для соединения валов с несовпадающими осями применяют компенсирующие муфты. Благодаря своей конструкции эти муфты обеспечивают работоспособность машины даже при взаимных смещениях валов. Валы и опоры при этом дополнительно нагружаются осевыми , радиальными силами и изгибающими моментами , зависящими от величины и вида несоосности валов.

Следует подчеркнуть, что с ростом смещений валов работоспособность муфты уменьшается.

К компенсирующим муфтам относятся зубчатые (рис. 23.4), цепные кулачково-дисковые и др. муфты.

Зубчатая муфта состоит из двух втулок 1 и 4 с внешними зубьями и двух обойм 2 и 3 с внутренними зубьями. Обоймы жестко соединены с помощью болтов.

Упругие соединительные муфты. Упругие муфты отличаются наличием упругого элемента и являются универсальными в том смысле, что, обладая некоторой крутильной податливостью, эти муфты также являются компенсирующими.Упругие муфты способны:

1) Смягчать толчки и удары вращающего момента, вызванные технологическим процессом или выбором зазора при пусках и остановках машины. При этом кинетическая энергия удара аккумулируется муфтой во время деформации упругого элемента, превращаясь в потенциальную энергию деформации;

2) Защищать привод машины от вредных крутильных колебаний;

3) Соединять валы, имеющие взаимные смещения. В этом случае деформируется упругий элемент муфты, и муфта функционирует как компенсирующая.

По материалу упругих элементов эти муфты подразделяются на муфты с неметаллическими упругими элементами и муфты с металлическими упругими элементами.

Наибольшее применение в машиностроении получила упругая втулочно-пальцевая муфта (рис. 23.5). Она состоит из двух полумуфт 1 и 5. В полумуфте 1 имеются конические отверстия, а в полумуфте 5 – цилиндрические. В эти отверстия вставляются пальцы 4, на которые надеваются упругие элементы 3. Завинчивания гайки 2, пальцы 4 входят в конические отверстия, в результате чего происходит соединения полумуфт 1 и 5. Вращающий момент передается через упругие элементы 3.

Муфты сцепные управляемые. Сцепные муфты соединяют и разъединяют неподвижные или вращающиеся валы по управляющей команде. Эти муфты делят на муфты с профильным замыканием (кулачковые) и на фрикционные. Последние широко используют при необходимости изменения режима работы машины без остановки двигателя.

Сцепные кулачковые муфты применяются для передачи больших вращающих моментов при нечастых включениях. Они имеют значительно меньшие габаритные размеры и массу, чем фрикционные муфты сцепления. Однако они соединяют валы, угловые скорости которых равны или незначительно различаются. При этом требуется точная соосность соединения полумуфт.

б

На рис. 23.6 изображены сцепные муфты с торцевыми конусными кулачками (рис. 23.6,а) и с прямоугольными (рис. 23.6,б). Выбор формы кулачков определяется в основном условиями включения муфты.

Муфты сцепные фрикционные. Эти муфты допускают включение на ходу и передают вращающий момент за счет сил трения на рабочих поверхностях, создаваемых плавным прижатием рабочих поверхностей. Меняя силу прижатия, можно регулировать момент сил трения. За время включения фрикционной муфты рабочие поверхности проскальзывают. После завершения включения муфты скольжение отсутствует.

Конструкция этих муфт может быть выполнена с одним или несколькими дисками, с цилиндрическими или коническими поверхностями трения, с механическим, пневматическим, гидравлическим или электромагнитным управлением. Группу муфт с силовым замыканием электромеханической связью составляют муфты с жидкой или порошкообразной ферромагнитной смесью, в которых при прохождении электрического тока в катушке возбуждения возникает магнитный поток, в результате ферромагнитная смесь, заполняющая зазор между полумуфтами, намагничивается, что обеспечивает сцепление смеси с поверхностями полумуфт.

На рабочие поверхности дисков наносят фрикционный слой или крепят накладки из фрикционного материала, повышающего силу трения.

В зависимости от условий эксплуатации, фрикционные муфты разделяют: на муфты без смазывания трущихся поверхностей и на муфты со смазыванием трущихся поверхностей. Последние передают меньший вращающий момент, однако они более долговечны, так как интенсивность изнашивания рабочих поверхностей меньше, чем у сухих муфт.

Самоуправляемыеили автоматические муфты включаются и выключаются в зависимости от изменения режима работы машины. К ним относятся: обгонные муфты или муфта свободного хода, передающие момент только при одном направлении вращения ведущей полумуфты относительно ведомой и проворачивающиеся при обратном направлении вращения, центробежные муфты, включающиеся и выключающиеся в зависимости от скорости вращения ведущей полумуфты, муфты предельного момента, отключающие машину при опасном увеличении вращающего момента.

Предохранительные муфты. Предохранительная муфта служит разъединения валов или вала с сидящей на нём деталью при перегрузке или недопустимой скорости вращения, т. е. предохраняющая машину от поломки в случае нарушения нормального режима работы. Муфты предохранительные с разрушающимся элементом отличаются малыми габаритами и высокой точностью срабатывания. При перегрузке предохранительный элемент срезается, и полумуфты размыкаются. Для восстановления работоспособности машины, ее необходимо остановить и заменить предохранительный элемент.

Кулачковые предохранительные муфты удерживаются во включенном состоянии пружинами, до тех пор, пока возрастающий момент не создаёт силы, способной преодолеть усилие пружины.

Фрикционные предохранительные муфты автоматически восстанавливают работоспособность машины после прекращения действия перегрузки, однако, точность срабатывания их не высока из-за непостоянства коэффициента трения на трущихся поверхностях дисков.

Литература

1. Прикладная механика: Учеб. пособие / А.Т. Скойбеда, А.А. Миклашевич, Е.Н. Левковский и др.; Под общ. ред. А.Т. Скойбеды.- Мн.: Выш. шк., 1997. – 552 с.

2. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов.- М.: Машиностроение,1979.-560 с.

3. Любощиц М.И., Ицкович Г.М. Справочник по сопротивлению материалов.- Мн.: Выш. шк., 1969.- 464 с.

4. Аркуша А.И. Техническая механика: Теоретическая механика и сопротивление материалов: Учеб. для машиностр. спец. Техникумов.- 2-е изд., доп. – М.: Высш. шк., 1989. – 352 с.

Похожая информация.

Возможные способы соединения двигателя и цилиндрического, коническо-цилиндрического, а также червячного редукторов представлены на рис. 2.1, где а , д , и – соединения «вал в вал», б , е , к – соединения компенсирующей муфтой, в , ж , л – соединения шестерней, г , з , м – соединение клиноременной передачей.

Соединение «вал в вал» используют: при стремлении к уменьшению габаритных размеров и массы; при необходимости жесткого соединения для получения точного позиционирования и точной скорости перемещений; при стремлении к уменьшению приведенного момента инерции

привода. Это соединение компактно, но чрезвычайно чувствительно к погрешностям изготовления и сборки привода. С увеличением этих погрешностей возрастают силы в опорах соединяемых валов двигателя и редуктора, а также возникает возможность возникновения фреттинга в соединении. Как известно, фреттинг неподвижных соединений

– это разновидность повреждений, которые возникают, когда две поверхности, соприкасающиеся и номинально неподвижные по отношению друг к другу, испытывают локальные небольшие периодические относительные смещения.

При соединении валов двигателя и редуктора с использованием компенсирующей муфты удается скомпенсировать достаточно большие погрешности сборки привода. При этом несколько увеличивается размер привода по длине. Консольная радиальная нагрузка на соединяемые валы приближенно составляет 0,2 от окружной силы на муфте.

Если валы двигателя и редуктора соединить шестерней, то габаритный размер червячного или коническоцилиндрического мотор-редуктора незначительно увеличивается по длине. В этом случае мотор-редуктор становится соответственно цилиндро-червячным или цилиндро-коническо-цилиндрическим. Соединяемые валы нагружаются силами, действующими на зубья шестерни.

Соединение с использованием клиноременной передачи увеличивает габаритный размер мотор-редуктора по высоте. Нагрузка на соединяемые валы определяется консольной радиальной силой предварительного натяжения ремней.

Сравнительный анализ (рис. 2.2 ) степени распространенности различных соединений валов двигателя и

Иванов А.С., Муркин С.В. « Конструирование современных мотор-редукторов»

редуктора в мотор-редукторах общепромышленного применения 72 фирм 17 стран показал, что три вида соединений: «вал в вал» (белая заливка), компенсирующей муфтой (черная заливка), с использованием зубчатой передачи (серая заливка) – достаточно распространены в современных мотор-редукторах, изготавливаемых как в странах Запада, так и в России. Соединения ременной передачей в этот анализ не вошли, поскольку они находят применение только у некоторых фирм-изготовителей мотор-редукторов.

Соединение «вал в вал» использует фирма Bockwoldt (Германия) в цилиндро-коническо-цилиндрическом моторредукторе. Фирмы Rotor (Нидерланды), Renold (Великобритания), Innovari (Италия) применяет такое соединение в одно-, двух- и трехступенчатых цилиндричеких зубчатых мотор-редукторах. Соединение муфтой характерно

Иванов А.С., Муркин С.В. « Конструирование современных мотор-редукторов»

для мотор-редукторов фирм Stöber, Bauer (Германия) и др. Его выполняют с использованием зубчатой муфты, муфты со звездочкой, МУВП и др. Соединение шестерней распространено в Германии (фирмы SEW, Bauer, Nord), Великобритании (фирма Renold), США (фирма Baldor Dodge), Италии (фирмы Innovari, Rossi) и др. странах.

2.1 Соединение «вал в вал»

В мотор-редукторах применяют три вида соединения «вал в вал»: 1) как вал двигателя так и вал редуктора установлены на двух опорах, вращающий момент передает шпоночное соединение; 2) как вал двигателя так и вал редуктора установлены на двух опорах, вращающий момент передают короткие шлицы; 3) вал двигателя установлен на двух опорах, а входной вал редуктора – на одной, вращающий момент передается соединением с натягом, создающимся затяжкой винтов клеммового соединения.

На рис. 2.3 представлены эти виды соединений применительно к цилиндро-коническо-цилиндрическому мотор-редуктору: первый (а ) – мотор-редуктор фирмы Pujol Muntala (Испания); второй (б ) – мотор-редуктор фирмы ZAE (Германия); третий (в ) – мотор-редуктор фирмы Bauer (Германия). Первый вид соединения также применяют фирмы

GFC и Bockwoldt (Германия), Renold (Великобритания), Rossi

(Италия), ООО «Можга-редуктор», ОАО «Редуктор» г. Барыш, ОАО «Редуктор» г. Ижевск (Россия) и др. Соединение второго вида, кроме того, распространено среди фирм Swedrive (Швеция), Bonfiglioli (Италия) и др. Третий вид соединения также используют фирмы KEB (Великобритания) и др.

Иванов А.С., Муркин С.В. « Конструирование современных мотор-редукторов»

Иванов А.С., Муркин С.В. « Конструирование современных мотор-редукторов»

Пример соединения третьего вида применительно к планетарному мотор-редуктору фирмы ZF (Германия) приведен на рис. 2.4 (двигатель на рисунке не показан).

Как известно, стержень, закрепленный в одной опоре (рис. 2.5, а ), образует механизм. Чтобы стержень зафиксировать в пространстве, достаточно его установить на двух опорах (рис. 2.5, б ). Если число опор увеличить, то система становится статически неопределимой и для определения реакций в опорах необходимо кроме уравнений равновесия, составлять условия совместности перемещений. Когда валы несоосны или имеется их перекос, опоры, расположенные вблизи соединения, оказываются нагруженными силами, которые могут превосходить реакции в опорах от рабочего процесса. Четырехопорный вал без шарнира (рис. 2.5, в ) – это расчетная схема соединения «вал в вал» первого вида, четырехопорный вал с шарниром

Иванов А.С., Муркин С.В. « Конструирование современных мотор-редукторов»

(рис. 2.5, г ) – расчетная схема соединения «вал в вал» второго вида, трехопорный вал (рис. 2.5, д ) – расчетная схема соединения «вал в вал» третьего вида.

Так как соединение «вал в вал» образует статически неопределимую расчетную схему соединяемых валов, то погрешности изготовления и сборки могут привести к возникновению значительных сил в опорах. Чтобы ограничить величины этих сил, необходимо учесть взаимосвязь реакций в опорах с погрешностями расположения поверхностей деталей, изгибной жесткостью валов, контактной жесткостью подшипников, радиальными зазорами в подшипниках и назначать допуски расположения из расчета рассматриваемой статически неопределимой системы.

Кроме увеличения реакций в опорах, снижающего ресурс подшипников, в соединении «вал в вал» возможно возникновение фреттинга в сопряжении контактирующих поверхностей выходного конца вала двигателя и отверстия в вале редуктора. Чтобы исключить появление фреттинга, фирма SEW (Германия) рекомендует при сборке наносить на контактирующие поверхности противозадирную пасту NOCO, итальянские фирмы – пасту «Klűberpaste-46MR401», фирма

Иванов А.С., Муркин С.В. « Конструирование современных мотор-редукторов»

Валы и оси

Вращающиеся детали машин устанавливаются на осях или валах. Валы всегда вращаются вместе с деталями и передают крутящий момент; оси же, вращаются ли они вместе с деталями или остаются неподвижны, момента не передают и только под­держивают детали. Поэтому оси нагружены только изгибающими усилиями, а валы, кроме них, и крутящими моментами.

Валы бывают прямые, коленчатые и гибкие (рисунок 3.8). Когда диаметр червяка или шестерни близок к диаметру вала, их изготовляют как одно целое, например, вал с червяком, вал с зуб­чатой шестерней.

Валы

а – прямые; б – коленчатые; в – гибкие.

Рисунок 3.8.

Валы и вращающиеся оси устанавливаются опорами (цапфами) в подшипниках. Цапфы, воспринимающие осевую нагрузку, называются пятами.

Подшипники

Валы и детали, вращающиеся вокруг них, поддерживаются на подшипниках. Различают подшипники скольжения и качения.

Подшипники скольжения (рисунок 3.9). В зависимости от величины и на­правления нагрузок, возникающих на валах, поддерживаемых подшипниками скольжения, различают подшипники радиаль­ные, которые могут воспринимать нагрузки, направленные радиально, и упорные подшипники, которые могут воспринимать усилия как направленные вдоль оси, так и радиальные.

Поверхность цапфы в радиальных подшипниках скользит относительно его внутренней поверхности. Уменьшение сил тре­ния между трущимися поверхностями создается слоем смазки. При работе цапфа занимает в подшипнике эксцентричное положе­ние, и поэтому смазка между поверхностями подшипника и цапфы принимает форму клина Цапфа, вращаясь, увлекает смазку в узкий зазор, где создается масляная подушка, поддержи­вающая цапфу. Слой масла, разделяющий цапфу и подшипник, создается также, если в зазор подается масло при помощи масляного насоса.

Подшипники скольжения ус­танавливаются для валов боль­шого веса, когда требуется раз­борка подшипника, либо когда последний работает в агрессив­ных средах или при большом загрязнении.

Подшипник скольжения с разъемным корпусом

1 – крышка; 2 – болты; 3 – вкладыши; 4 – корпус; 5 – масленка колпачковая.

Рисунок3.9.

Подшипник качения (рисунок 3.10) состоит из наружного и внутреннего колец с дорожками качения. Между кольцами в дорожках качения устанавливаются шарики или ролики, которые катятся по дорожкам. Чтобы ролики или шарики находились на одинаковом расстоянии один от другого, в подшипниках предусмотрены сепараторы, пред­ставляющие собой штампованные кольца с отверстиями для ро­ликов или шариков.

Основные типы подшипников качения

Рисунок 3.10.

Широко используются роликовые подшипники (при малых диаметрах роликов они называются игольчатыми).

Подшипники качения можно разделить на три типа: радиаль­ные, воспринимающие радиальные нагрузки и допускающие не­большие осевые нагрузки; радиально-упорные, воспринимающие как радиальные, так и осевые нагрузки, но величина последних не должна превышать 0,7 от разности между допустимой и дей­ствующей радиальными нагрузками; упорные, воспринимающие только осевые нагрузки.

Муфты

Для соединения валов, являющихся продолжением один дру­гого, или расположенных под углом, а также для передачи кру­тящего момента между валом и сидящими на нем деталями при­меняют муфты.

По назначению они разделяются на муфты постоянного дей­ствия (неуправляемые) и муфты сцепные (управляемые).

Муфты, соединяющие валы жестко , различают сле­дующих видов:

- Втулочные муфты просты по конструкции, малы по габариту (рисунок 3.11). Недостатком их является то, что для соединения валов последние необходимо раздвигать. Муфты применяют для диаметров валов, не превышающих 120 мм.

Втулочные муфты:

а – с призматическими шпонками; б – с сегментными шпонками; в – с штифтами; г – с шлицами.

Рисунок 3.11.

- Фланцевые муфты (рисунок 3.12) обычно состоят из двух полумуфт и бывают двух типов. В одном типе муфт болты устанавливают без зазора при этом болты работают на срез. В другом типе муфт болты устанавливают с зазором. В этом случае крутящий момент передается под действием момента трения, создаваемого затяжкой болтов.

Муфты, соединяющие валы при некотором их взаимном смещении или перекосе в результате неточности изготовления, монтажа или деформации во времени работы, называются компенсирующими .

Имеется несколько типов компенсирующих муфт:

Наиболее простая муфта представляет собой две полумуфты, такие же, как у жестких муфт, только болт в одной из полумуфт упирается в резиновые прокладки, что позволяет компенсировать неточности в положении валов.

- Крестовые муфты применяются для соединения валов, когда могут быть большие смещения осей. Они состоят из двух полумуфт, на торцах которых имеются пазы. Между полу­муфтами помещается, диск, на торцах которого предусмотрены выступы, перпендикулярно расположенные по отношению один к другому. Недостатком этих муфт является большой износ пазов, так как во время работы средний диск движется относительно полумуфт. Между диском и полумуфтами возникают силы трения, вызывающие радиальные усилия, которые передаются на вал.

- Шарнирные муфты (рисунок 3.13) применяют для передачи движения между валами, расположенными под углом. Возможность передачи вращения под углом до 45° обеспечивается тем, что муфта имеет два шарнира, расположенные взаимно перпендикулярно.

Муфты для соединение двух валов. Глухая муфта.

Муфта сцепления. Кулачковая муфта. Фрикционная муфта. Крестовая кулачково-дисковая муфта (муфта «Ольдтема»).

Соединение двух валов может быть глухим , когда длинный вал по условиям изготовления и эксплуатации машины делают составным, причем составной вал должен работать как целый. Такое соединение показано на рис. 234. Это - втулка, насаженная с натягом на концы соединяемых валов. Втулка закрепляется на валах и передает крутящий момент при помощи призматических или сегментных шпонок или конических штифтов.

Рис. 234 : 1 - муфта, 2 - шпонка, 3 - вал

Муфты сцепления предназначены для соединения и разъединения валов. К ним относятся кулачковые и фрикционные муфты.

Кулачковая муфта (рис. 235) состоит из двух частей, насаженных на соединяемые концы валов. Одна полумуфта насаживается наглухо, вторая может перемещаться вдоль вала по направляющей шпонке при помощи специального рычага. При перемещении кулачки сцепляются, чем обеспечивается передача крутящего момента.

Рис. 235. Кулачковая муфта сцепления

Фрикционные муфты (рис. 236) обеспечивают более плавный пуск (за счет пробуксовывания) ведомого вала. Момент передается за счет силы трения между ведущей и ведомой частями муфты. Фрикционные муфты делятся на дисковые, конические, барабанные (с колодками, разжимаемыми кольцами, обтяжными лентами или пружинами).

Рис. 236 Фрикционная муфта

К разновидности подвижных муфт относятся упругие муфты . Эти муфты применяются для компенсации ошибок относительного положения соединяемых валов: смещения центров, взаимного наклона осей, осевого смещения. Возможность компенсации того или иного вида ошибок зависит от конструкции муфт. Например, кулачковая расширительная муфта компенсирует только осевое перемещение, происходящее, например, как результат тепловой деформации.

Для компенсации смещения осей валов в направлении, перпендикулярном к оси, а также небольших осевых смещений применяют крестовую муфту (муфту «Ольдгема») (рис. 237). Она состоит из двух полумуфт с пазом на торцовой поверхности и среднего диска с двумя взаимно перпендикулярными выступами, входящими в пазы полумуфт. При вращении соединенных муфтой валов, оси которых смещены, но параллельны, выступы среднего диска скользят по впадинам полумуфт. Средний диск, кроме вращения, совершает движение в плоскости, перпендикулярной к оси («плавает»).