Для стандартных муфт штифты проверяются на срез

Методические указания для практических

занятий и курсового проектирования

Тольятти 2001 г.

Справочное руководство по выбору и расчету муфт: Метод. указания / сост. Денисов Г.П. Пахоменко А.Н. Тольятти: ТолПИ, 2001.

Настоящее руководство предназначено в помощь студентам для практических занятий и при выполнении курсового проекта по муфтам.

В нем собраны из различных источников расчетные справочные данные применительно к методике выбора муфт, расчета применительно к методике расчета, принятой при изложении курса деталей машин.

Табл. 2, Ил. 9, Библиогр.: 4

Составитель Денисов Г.П.

Научный редактор Авдонченкова Г.Л.

Тольяттинский политехнический институт, 2001

Содержание

1. Общие сведения ……………………………………………………….
2. Жесткие муфты ………………………………………………………..
3. Компенсирующие жесткие муфты ………………………………….
4. Подвижные муфты …………………………………………………….
5. Упругие муфты …………………………………………………………
6. Приложения …………………………………………………………….
Литература ……………………………………………………………..

1. Общие сведения

Назначение приводных муфт – передача вращающего момента между валами, являющимися продолжением один другого или между валом и установленными на нем деталями: зубчатыми колесами, шкивами, звездочками. Помимо соединительных функций и передачи крутящего момента муфты должны компенсировать небольшие радиальные, осевые, угловые или комбинированные смещения, обусловленные погрешностями монтажа, изготовления, а также деформациями валов от эксплуатационных нагрузок, тепловых воздействий (рис. 1).

Рис.1. Схема смещений валов

По управляемости муфты делятся на: 1) постоянно-замкнутые (нерасцепляемые), осуществляющие постоянное соединение, - глухие, компенсирующие, упругие; 2) муфты сцепные управляемые; муфты сцепные самодействующие (самоуправляемые).

Муфты представляют собой автономные узлы, присоединяемые к валам по цилиндрическим ил коническим посадочным поверхностям. Муфты основных типов регламентированы государственными или отраслевыми стандартами. Преимущественно муфты подбирают по таблицам каталогов или справочников. В пособии рассматривается только подбор постояннозамкнутых муфт широко применяемых в машиностроении.

Основная характеристика при подборе муфт по ГОСТу, каталогу или справочнику — передаваемый муфтой крутящий момент, учиты­вающий наиболее тяжелое условие ее нагружения и называемый расчетным крутящим моментом:

, (1)

где Т — крутящий момент, передаваемый муфтой при установившемся режиме работы (номинальный момент), k_Р — коэффициент динамичности или режима работы, учитываю­щий дополнительные динамические нагрузки на муфту; его значения зависят от рода приводного двигателя и назначения рабочей машины; fe = l...6 (значения k_Р приведены приложении 1).

Так как муфты подбирают по ГОСТу или ведомственным нормалям, то расчет их осуществляют как проверочный.

2. Жесткие муфты

Самая простая из жестких неразъемных муфт — втулочная муфта (рис.2), представляющая собой цельную втулку, надеваемую на концы валов и закрепляемую на них штифтами (рис.2, а), шпон­ками (рис.2, б) или шлицами. Втулочные муфты, простые, дешевые по конструкции, нашли довольно широкое применение в легких маши­нах для соединения валов диаметром примерно до 100 мм. Применение этих муфт ограничено тем, что при сборке и разборке валов требуются значительные смещения их в осевом направлении, а также тем, что эти муфты требуют очень точного совмещения осей вала (в противном случае появляются силы, изгибающие валы). Материал втулок— сталь 35, 40, 45, а втулок больших размеров — чугун СЧ21-40, СЧ24-44 и др. Прочность муфты определяется прочностью ее соединения с ва­лом — штифтового, шпоночного или шлицевого.

Рис.2. Втулочные муфты. (Размеры муфты приведены

в приложении 2)

Для стандартных муфт штифты проверяются на срез

,

где d_ш – диаметр штифта;

[t] – допускаемое напряжение среза, [t]=60 МПа.

Наиболее распространенная из жестких муфт, разъемных в плос­кости, перпендикулярной оси вала,— фланцевая (поперечно-свертная) муфта (рис. 3; ГОСТ 20761 - 80, размеры муфты и её элементов смотри в приложении 3), состоящая из двух полумуфт, насаживаемых на концы валов и соединяемых между собой болтами. Болты муфты ставят с зазором (вариант 1) и без зазора (вариант 2). В первом случае момент передается силами трения, возникающими на стыке полумуфт от затяжки болтов, а во втором — непосредственно болтами, которые работают на срез и смятие. Муфты с болтами, по­ставленные без зазора, могут передавать большие моменты. Полумуф­ты изготовляют из стали 40, стального литья 35Л, чугунного литья СЧ21-40, СЧ32-52 и др. Так как фланцевая муфта проста по конструк­ции, может воспринимать большие нагрузки, в том числе и ударного действия, то ее в машиностроении применяют довольно широко для соединения валов

Рис.3. Фланцевые муфты

диаметром до 250 мм. Для жесткого соединения валов большого диаметра полумуфты выполняют как одно целое с ва­лами или приваркой полумуфт к валам.

При установке болтов с зазором их рассчитывают по силе затяжки, необходимой для передачи вращающего момента Т силами трения на поверхности контакта фланцев

,

где F_зат – сила затяжки одного болта;

S – запас сцепления, S=1,2 …1,5;

d_ср – средний диаметр кольцевой поверхности трения, принимают диа-

метру окружности расположения болтов;

z – число болтов; z=4 при Т£10³ Нм; z=6 при Т>10³ Нм;

f – коэффициент трения; f=0,15…0,2.

Напряжение растяжения в болте

,

где d₁ – внутренний диаметр резьбы, определяется из условия

и d_б округляется до ближайшего большего значения по ГОСТу на болты;

[s]_p – допускаемое напряжение в болте при растяжении

,

где s_Т – предел текучести, принимают в зависимости от марки материала;

S – коэффициент безопасности, S=1,5 …2,5.

При установке болтов под развертку расчет ведут в предположении, что весь момент воспринимается болтами, работающими на срез. Сила среза

.

Касательные напряжения среза

,

где [t]_cp – допускаемое напряжение при срезе,

.

3. Компенсирующие муфты

Из компенсирующих самоустанавливающихся универсальных муфт самая распространенная зубчатая муфта (рис.4; ГОСТ 5006 - 83) для соединения валов диаметром от 40 до 560 мм. Муфта состоит из двух втулок с наружными зубьями и двух половин обоймы с внутренними зубьями, сцепляющимися с зубьями втулок. Втулки насаживают на концы соединяемых валов. Половины обоймы соединяют между собой болтами. Зубья втулок и половины обоймы имеют эвольвентный профиль,

Рис.4. Зубчатая муфта (размеры муфты в приложении 4)

что позволяет нарезать их нормаль­ным зуборезным инструментом. Зубчатая муфта компенсирует любые взаимные смещения валов — осевые, радиальные и угловые, так как зубчатое зацепление ее выполняют с боковым зазором и возможностью свободного осевого взаимного смещения сопряженных зубьев, а зубья изготовляют бочкообразной формы со сферической наружной поверх­ностью. Широкое применение в машиностроении зубчатых муфт объясняется рядом их достоинств: небольшими габаритами и массой; большой нагрузочной способностью из-за большего числа одновременно сцепляющихся зубьев; допустимостью высоких окружных скоростей ( 25 м/с) и технологичностью. Втулки и половины обоймы изго­товляют из сталей 40, 45 или из стального литья 45Л, 50Л и др.

Для повышения износостойкости зубья подвергают термообработке до твердости HRC 40 для зубьев втулок и HRC35 для зубьев поло­вин обоймы. Тихоходные зубчатые муфты (при v<.5 м/с) изготовляют с твердостью зубьев не ниже НВ280. Для уменьшения износа зубьев муфты в ее обойму заливают масло большой вязкости. Размеры зубчатой муфты принимают по таблицам ГОСТа в зависимости от расчетного крутящего момента муфты

,

где k₁ – коэффициент безопасности; k₁=1 если поломка муфты не вызывает

аварии машины; k₁=1,2 если поломка муфты ведет к аварии машины;

k₁=1,5 если поломка муфты ведет к аварии ряда машин; k₁=1,8 если

поломка муфты может привести к человеческим жертвам;

k₂ – коэффициент условий работы муфты, выбираемый в пределах от 1

при спокойной работе до 1,5 при тяжелых условиях работы с удара-

ми;

k₃ – коэффициент углового смещения полумуфт,

при угле перекоса валов g£0°15¢ k₃=1;

при угле перекоса валов g=0°30¢ k₃=1,25;

при угле перекоса валов g=1° k₃=1,5;

при угле перекоса валов g=1°31¢ k₃=1,75.

Условие выбора Т_max£2×T_k.

Радиальное смещение для зубчатых муфт определяется по формуле

D_{r max}= g_max×A,

где А – расстояние между зубчатыми сочленениями муфты (рис.4, прил. 4).

При работе муфты в условиях смещений соединяемых валов возникает дополнительная радиальная сила, нагружающая вал

F_r=(0,2…0,4)×F_t,

где F_t – окружная сила

,

в которой делительный диаметр зубчатого зацепления в муфте определяется (без смещения)

d_М=m×z,

где m – модуль зацепления, m=2,5 мм при d £ 55 мм; m=3 мм при 60 £ d£ 100

мм и m=4 при d ³ 120 мм; где d – диаметр вала;

z – число зубьев (см. приложение 4).

Проверку стандартной муфты производят по напряжениям смятия рабочих поверхностей зубьев

,

где k – коэффициент концентрации нагрузки, k=1,1…1,3;

b – длина зуба (приложение 4);

[s_см] – допускаемые напряжения смятия, для стандартных муфт [s_см]=

=12...15 МПа.

Цепные муфты. Цепная муфта (рис.5, приложение 5) состоит из двух звездочек (насаженных на соединяемые валы и имеющих одинаковые числа зубьев), охватывающей их цепи и кожуха. Цепные муфты допускают радиальное смещение до 1,2 мм и угловое смещение до 1°.

Рис.5. Муфта цепная однорядная

Достоинство муфт: простота конструкции и обслуживания, относительно небольшие габариты, надежность, технологичность изготовления, простота монтажа и демонтажа без осевых смещений валов. Недостаток – нельзя применять для реверсивных приводов и приводов с большими динамическими нагрузками. Применяют также муфты с двухрядной роликовой цепью и с зубчатой цепью. Основное применение имеют однорядные муфты. Размерный ряд цепных муфт по ГОСТ 20742 – 81 охватывает диаметры валов 20…130 мм и моменты 63…8000 Нм.

Подбираются цепные муфты по расчетному моменту Т_k, определяемому по формуле (1) и посадочному диаметру вала d.

Нагрузка на вал, создаваемая муфтой

F_m»0,25×F_tm,

где F_tm – окружное усилие на делительном диаметре звездочки

,

,

где Р – шаг цепи (приложение 5);

z – число зубьев звездочки (приложение 5).

4. Подвижные муфты

Подвижные муфты допускают соединение валов с повышенными взаимными смещениями осей, большими, чем допускают компенсирующие жесткие муфты.

Кулачково-дисковая муфта (называется также крестовой или муфтой Ольдгена) в основном предназначена для соединения валов с поперечным смещением валов (рис.6)

Рис.6. Кулачково-дисковая муфта

Ввиду осевых зазоров она обеспечивает также компенсацию некоторых осевых и угловых смещений.

Муфта состоит из двух полумуфт 1 и 3 (рис.6, а) и промежуточного плавающего диска 2. Диск имеет выступы, расположенные на одном торце в вертикальном диаметральном направлении, а на другом – горизонтальном. Полумуфты на фланцах имеют по одному диаметральному пазу для размещения выступов диска. При вращении валов, имеющих радиальное смещение D_р, диск совершает планетарное движение, а центр его описывает окружность радиуса D_р.

Достоинство муфты: способность компенсировать сравнительно большие радиальные смещения (D_р=0,04d), небольшие угловые смещения (до 30’), и осевые (до 3 мм); простота конструкции.

Недостаток: большой износ граней выступов диска и пазов полумуфт и связанная с этим пониженная надежность работы; необходимость смазки; невысокая частота вращения валов (n£250 мин^-1).

Выбираются муфты по ГОСТ 20720 – 81 (приложение 6) исходя из расчетного момента Т_k, определенного по формуле (1) и диаметра вала d. Стандартная муфта проверяется на смятие боковых граней поверхности кулачков

,

где D – наружный диаметр муфты (приложение 6);

h – рабочая высота выступов диска, h»В/3 (приложение 6);

[s_см] – допускаемое напряжение смятия, для стандартных муфт [s_см]=

=15…25 МПа – меньшее значение для закаленных сталей, боль-

шее значение для цементованных сталей.

При предельных смещениях муфта создает радиальную нагрузку на вал

F_m»0,3×F_tm Н,

где F_tm – сила на окружности среднего радиуса кулачков.

, Н.

5. Упругие муфты

Упругие муфты служат для уменьшения дина­мических нагрузок, передаваемых соединяемыми ими валами. Кроме того, эти муфты предохраняют соединяемые валы от резонансных колебаний и позволяют несколько компенсировать неточности взаимного расположения валов. Основные характеристики упругих муфт: жест­кость или обратная ей величина — податливость и демпфирующая способность, т. е. способность превращать в теплоту энергию дефор­мирования упругих элементов муфты.

Различают упругие муфты: линейные и нелинейные, или постоян­ной и переменной жесткости. Первые имеют линейную характерис­тику, т.е. прямую пропорциональность угла закручивания муфты (угла поворота одной полумуфты относительно другой) от передавае­мого момента, а вторые — нелинейную характеристику. Достоинство муфт с нелинейными характеристиками — предотвращение резонанса крутильных колебаний при периодически изменяющихся нагрузках, воспринимаемых муфтами.

Конструкции упругих муфт разнообразны. По материалу упругих элементов они делятся на муфты с неметаллическими и металлическими упругими элементами. Основной материал неметаллических упругих элементов — резина, которая обладает следующими досто­инствами: высокими эластичностью и демпфирующей способностью, а также электроизоляционной способностью. Металлические упругие элементы муфт представляют собой различные стальные пружины или стальные пружинные стержни, пластины или пакеты пластин.

Втулочно-пальцевые муфты МУВП. Из муфт с неметаллическими упругими элементами широко распространена втулочно-пальцевая муфта МУВП; ее размеры в зависимости от номинального момента стандартизированы (ГОСТ 21424 – 75). В этих муфтах момент передается через пальцы и сидящие на них элементы в форме гофрированных резиновых втулок (рис.7).

Рис.7. Упругая втулочно-пальцевая муфта (МУВП)

Муфта состоит из полумуфты 1, в которой жестко закреплены своими коническими хвостами пальцы 2, несущие на себе упругие (резиновые) втулки (или набор колец) 3, входящие в отверстия второй полумуфты 4. Наиболее широкое применение МУВП имеет в приводах для присоединения электродвигателей. Простота изготовления, монтажа, простоте упругих элементов и удобства их замены дают ей преимущество перед многими конструкциями. Эта муфта имеет жесткую характеристику из-за небольшого объема деформируемых упругих элементов (резиновых втулок). Достаточно чувствительна к смещению валов, хотя и допускает радиальное смещение в пределах 0,3…0,4 мм, угловое – до 1⁰ и значительное осевое – до 5 мм. Частота вращения ограничена окружной скоростью 30 м/с. Муфты стандартизированы, параметры приводятся в приложении 7, размеры пальцев муфты – в приложении 8. Стандартами предусмотрены муфты типа I (с цилиндрическими отверстиями для валов) и типа II (с коническими отверстиями для валов); они могут быть выполнены в двух исполнениях 1 и 2 (для длинных и коротких концов валов).

Материал полумуфт – чугун СЧ20, сталь 30 или 35Л. Материал пальцев – сталь 45. Материал колец – резина с временным сопротивлением на растяжение не менее 8 МПа.

Муфта имеет характеристику кручения, отличную от линейной. Зависимость между силой на палец и упругим перемещением сжатия резиновой втулки стандартных муфт выражается степенной функцией.

Приближенно, принимая характеристику радиальной жесткости муфты линейной, радиальную силу, вызванную смещением, можно определить по формуле

F_м=С_Dr×D_r,

где С_Dr – радиальная жесткость муфты, Н/мм (табл.1);

D_r – радиальное смещение, мм (табл.1).

Таблица 1

Дата добавления: 2015-08-18