Критерии работоспособности валов и осей

Валы и вращающиеся оси при работе испытывают циклически изменяющиеся напряжения. Основным критерием их работоспособности являются сопротивление усталости и жесткость. Сопротивление усталости оценивается коэффициентом запаса прочности, а жесткость – прогибом в местах посадки деталей и углами закручивания сечений. Практикой установлено, что основной вид разрушения валов и осей быстроходных машин носит усталостный характер. Расчетными силовыми факторами являются крутящие и изгибающие моменты. Расчёты валов и осей

 

Основным критерием работоспособности валов и осей являются сопротивление усталости материала и жёсткость. Расчёт валов выполняется в два этапа: предварительный (проектный) и окончательный (проверочный).

Проектировочный расчёт вала выполняют как условный расчёт только на кручение для ориентировочного определения посадочных диаметров. Исходя из условия прочности на кручение

 

получим формулу проектировочного расчёта

 

где М_k – крутящий момент в расчётном сечении, Н*м; Н/мм2 – допускаемое напряжение при кручении

Проверочный расчет для валов - расчёт на сопротивление усталости - является основным расчётом на прочность. Основными нагрузками на валы являются силы от передач через насаженные на них детали: зубчатые или червячные колёса, звёздочки, шкивы. Проверочный расчет вала производится с применением гипотез прочности.Условие прочности в этом случае имеет вид:

где М_экв — так называемый эквивалентный момент.

При гипотезе наибольших касательных напряжений (иначе — третья гипотеза)

 

При гипотезе потенциальной энергии формоизменения (иначе — пятая гипотеза)

 

где в обеих формулах М_к и М„ — соответственно крутящий и суммарный изгибающий моменты в рассматриваемом сечении вала. Числовое значение суммарного изгибающего момента равно геометрической сумме изгибающих моментов, возникающих в данном сечении от вертикально и горизонтально действующих внешних сил, т. е.

 

При проектировочном расчёте оси ее рассматривают как балку, свободно лежащую на опорах и нагруженную сосредоточенными словами, вызывающими изгиб. Устанавливают опасное сечение, для которого требуемый диаметр оси определяют из условия прочности на изгиб

 

откуда

где М_и – максимальный изгибающий момент, Н*м;

- допускаемое напряжение изгиба, Н/мм2.

Выбор допускаемых напряжений . Оси изготовляемые из среднеуглеродистых сталей Во вращающихся осях

Проверочный расчёт осей - частный случай расчёта валов при крутящем моменте М_к = 0.

52535455. Компенсирующие муфты: классификация, конструкции компенсирующих элементов, подбор муфт. Нагрузки от муфт на валы.

Общие сведения

В технике муфты — это соединительные устройства для тех валов, концы которых подходят один к другому вплотную или же удалены на небольшое расстояние. Соединение валов муфтами обеспечивает передачу вращающего момента от одного вала к другому. Валы, как правило, расположены так, что геометрическая ось одного вала составляет продолжение геометрической оси другого вала. С помощью муфт можно также передать вращение с валов на зубчатые колеса, шкивы, свободно насаженные на эти валы.

Муфты не изменяют вращающего момента и направления вращения. Не­которые типы муфт поглощают вибрации и точки, предохраняют машину от аварий при перегрузках.

Применение муфт в машиностроении вызвано необходимостью:

- получения длинных валов, изготовляемых из отдельных частей, ком­пенсации небольших неточностей монтажа в относительном распо­ложении соединяемых валов;

- придания валам некоторой относительной подвижности во время ра­боты (малые смещения и перекос геометрических осей валов);

- включения и выключения отдельных узлов;

- автоматического соединения и разъединения валов в зависимости от пройденного пути, направления передачи вращения, угловой скоро­сти, т. е. выполнения функций автоматического управления;

- уменьшение динамических нагрузок.

Классификация муфт.

        Многообразие конструкций муфт усложняет их классификацию. Простейшая муфта сделана из куска ниппельной трубочки и соединяет вал электромоторчика с крыльчаткой автомобильного омывателя стекла. Муфты турбокомпрессоров реактивных двигателей состоят из сотен деталей и являются сложнейшими саморегулирующимися системами.

           Группы муфт различают по характеру соединения валов.

- Муфты механического действия:

а) жесткие (глухие) — практически не допускающие компенсации ради­альных, осевых и угловых смещений валов;

б) компенсирующие — допускающие некоторую компенсацию радиаль­ных, осевых и угловых смещений валов благодаря наличию упругих элементов (резиновых втулок, пружин и др.);

в) фрикционные — допускающие кратковременное проскальзывание при перегрузках.

- Муфты электрического (электромагнитного) действия.

- Муфты гидравлического или пневматического действия.

        В электрических и гидравлических муфтах, используют принципы сцепления за счет электромагнитных и гидравлических сил. Эти муфты изучают в специальных курсах. Далее анализируются только механические муфты. Большинство применяемых муфт стандартизованы. Основной характеристикой при подборе муфт по каталогу или справочнику является передаваемый момент, учитывающий наиболее тяжелое условие ее нагружения.

 

Классы муфт различают по режиму соединения валов.

- Нерасцепляемые (постоянные, соединительные) – соединяют валы постоянно, образуют длинные валы.

- Управляемые (сцепные) – соединяют и разъединяют валы в процессе работы, например, широко известная автомобильная муфта сцепления.

- Самодействующие (самоуправляемые, автоматические) – срабатывают автоматически при заданном режиме работы (обгонные, центробежные, предохранительные).

- Предохранительные муфты, разъединяющие валы при нарушении нормальных эксплуатационных условий работы.

- Прочие.

 

        По степени снижения динамических нагрузок муфты бывают:

- жесткие, не сглаживающие при передаче вращающего момента вибрации, толчки и удары;

- упругие, сглаживающие вибрации, толчки и удары благодаря наличию упругих элементов — пружин, резиновых втулок и др.

 

Основная характеристика муфты – передаваемый вращающий момент.

Существенные показатели – габариты, масса, момент инерции.

Муфта, рассчитанная на передачу определённого вращающего момента, выполняется в нескольких модификациях для разных диаметров валов. Муфты – автономные узлы, поэтому они легко стандартизируются.

Муфты рассчитывают по их критериям работоспособности:

- прочности при циклических и ударных нагрузках,

- износостойкости,

- жёсткости.

На практике муфты подбираются из каталога по величине передаваемого вращающего момента Т = Т_Вала K, где Т_Вала – номинальный момент, определённый расчётом динамики механизма (наибольший из длительно действующих), К – коэффициент режима работы.

В приводах от электродвигателя принимают:

- при спокойной работе и небольших разгоняемых массах (приводы конвейеров, испытательных установок и др.) К = 1,15...1,4;

- при переменной нагрузке и средних разгоняемых массах (металлоре­жущие станки, поршневые компрессоры и др.) К= 1,5...2;

- при ударной нагрузке и больших разгоняемых массах (прокатные станы, молоты и др.) К= 2,5...3.

          Диаметры посадочных отверстий муфты согласуют с диаметрами концов соединяемых валов, которые могут быть различными при одном и том же вращающем моменте вследствие применения разных материалов и различной нагруженности изгибающими моментами.

          Основные типы муфт регламентированы стандартом для некоторо­го диапазона диаметров валов и рассчитаны на передачу определенного момента.

          Наиболее слабые звенья выбранной муфты проверяют расчетом на прочность по расчетному моменту Т_р.

Работа муфт сопровождается потерями. По опытным данным при расчетах КПД муфт обычно принимают η = 0,985...0,995.

Многообразие узловых конструкций машин способствует широ­кому распространению муфт в машиностроении.

               

Жёсткие (глухие) муфты

С помощью этих муфт осуществляется жесткое соединение валов. Могут быть втулочными или фланцевыми.

Втулочная муфта является простейшей из жестких муфт. Она представляет собой втулку 3 (рис.2), посаженную с помощью шпонок, штифтов или шлицев на выходные концы валов 1 и 2.

Рис.2. Втулочная муфта: а — крепление на шпонке; б — крепление штифтом

 

Втулочные муфты находят применение в тихоходных и неответствен­ных конструкциях машин при диаметрах валов d < 70 мм.

Достоинство таких муфт — простота конструкции и малые габаритные размеры; недостатки — необходимость при монтаже и демонтаже раздви­гать концы валов на полную длину муфты либо сдвигать втулку вдоль вала не менее чем на половину ее длины; необходимость очень точного совме­щения валов, так как эти муфты не допускают радиального или углового смещения осей валов (рис.3).

Материал для изготовления втулки — сталь 45; для муфт больших раз­меров — чугун СЧ25.

 

Рис.3. Возможные смещения валов

                                                                                                                                           

Фланцевая муфта состоит из двух полумуфт 1 и 2 (рис.4), со­единенных болтами 4. Для передачи вращающего момента используют шпоночные или шлицевые соединения. Вращающий момент передаётся за счёт сил трения между фланцами, а когда болты вставлены без зазора, то также и болтами. Фланцевые муфты стандартизованы в диапазоне диаметров 12...250 мм и передают моменты 8...45000 Нм. В тяжёлых машинах полумуфты приваривают к валам.

Эти муфты называют иногда поперечно-свертными . Для лучшего цен­трования фланцев на одной полумуфте делают круговой выступ, на дру­гой — выточку того же диаметра (рис.4, а) или предусматривают цен­трующее кольцо 3 (рис.4, б).

Рис.4. Фланцевые муфты: а - центровка за счет выступа; б — центровка кольцом

 

Фланцевые муфты могут передавать значительные вращающие момен­ты; имеют широкое распространение в машиностроении. Употребляются для валов диаметром d < 350 мм. Достоинство этих муфт — простота конст­рукции и легкость монтажа; недостаток — необходимость точного совме­щения валов и точного соблюдения перпендикулярности соприкасающих­ся торцовых поверхностей полумуфт к оси вала.                                         

Материал фланцевых полумуфт — сталь 40, 35Л, чугун СЧЗО (для муфт больших размеров).

   Болты, поставленные без зазора, могут обеспечивать центровку валов. При постановке болтов с зазором центровка обеспечивается выступом, который воспринимает также все поперечные нагрузки. Центрирующий выступ усложняет монтаж и демонтаж соединения, так как при этом необходимо осевое смещение валов. Для обеспечения техники безопасности выступающие части болтов закрывают буртиками 4. В тех случаях, когда муфта имеет общее ограждение, буртики не делают. Расчет на прочность выполняют для шпоночных соединений и болтов (см. расчет призматических шпонок и расчет болтовых соединений нагруженных в плоскости стыка для болтов поставленных с зазором и без зазора). Установка болтов без зазора позволяет получить муфты меньших габаритов и поэтому применяется чаще.

   Наибольшее распространение из этой группы муфт получила зубчатая муфта (рис.4.1). Она состоит из полумуфт 1 и 2 с наружными зубьями и разъемной обоймы 3 с двумя рядами внутренних зубьев эвольвентного профиля (рис. 16.3). Муфта компенсирует радиальные, осевые и угловые смещения валов за счет боковых зазоров в зацеплении и обточки зубьев по сфере. Компенсация несоосности валов сопровождается скольжением зубьев. Для повышения износостойкости зубья подвергают термообработке, а в муфту заливают смазку.

                                                                

Компенсирующие муфты

Конструкции этих муфт несколько сложнее, но они допускают некоторые радиальные и угловые смещения осей валов. Основное назначение этих муфт состоит в том, чтобы компенсиро­вать вредное влияние неправильного относи­тельного положения соединяемых валов. Однако эти муфты чувствительны к перекосам. Кроме того, при перекосах валов вследствие трения в зубьях муфта нагружает валы изгибающим моментом примерно 10% от вращающего. Ком­пенсирующие муфты делятся на жесткие под­вижные и упругие (деформируемые).

Кулачково-дисковая муфта (рис.5) состоит из двух полумуфт 1 и 2 с диаметраль­ными пазами на торцах и промежуточного пла­вающего диска 3 (рис.5, а) с взаимно пер­пендикулярными выступами. В собранной муфте выступы диска располагаются в пазах полумуфт (рис.5, б). Трущиеся поверхности периодически смазывают пластичной смазкой (один раз в смену). Кулачково-дисковая муфта применяется для соединения тихоходных валов (до 250 об/мин). Допустимые радиальные сме­щения валов — до 0,04 мм, угловое — до 30'. Не­достаток этих муфт — повышенная чувстви­тельность к перекосам валов. Эти муфты пред­назначены главным образом для компенсации относительно параллельного смещения осей валов. Теоретически, при любом смещении пе­редаточное отношение между валами постоян­ное. При вращении ведущего вала без угловых ускорений ведомый вал также будет вращаться равномерно. Полумуфты и диски рекомендует­ся изготовлять из стали 45Л.

 

Рис.5. Кулачково-дисковая муфта: а — элементы муфты; б — в собранном виде

 

Зубчатая муфта (рис.6) состо­ит из четырех основных деталей: двух полу­муфт 1 и 2 с наружными зубьями и двух обойм 3 и 4 с внутренними зубьями. Обой­мы муфты соединены болтами 5. Через от­верстие 6 заливается масло (один раз в три месяца). Зубчатые муфты компенсируют ра­диальные, угловые и комбинированные смеще­ния валов (углы между полумуфтами и обоймами не должны превышать 0,5°; d < 560 мм); находят широкое применение в машиностроении. Эти муфты надежны в работе, имеют малые габаритные размеры. Материал полумуфт и обойм — сталь 40 или 45Л.

Рис.6. Зубчатая муфта: 1, 2 - полумуфты с наружными зубьями;

3, 4 — обоймы; 5 — болты; 6 — от­верстие для подвода смазки

Упругая втулочно-пальцевая муфта (рис.7) по конструкции ана­логична фланцевой муфте, вместо соединительных болтов у упругой муфты имеются стальные пальцы 1 на которые установлены эластичные (резино­вые, кожаные и т. п.) втулки 2. Эластичные элементы позволяют компен­сировать незначительные осевые (для малых муфт 1—5 мм; для больших муфт 2—15 мм), радиальные (0,2—0,6 мм) и угловые (до 30') смещения валов. Упругие втулочно-пальцевые муфты обладают хорошей эластично­стью, высокой демпфирующей и электроизоляционной способностью, просты в изготовлении, надежны в работе. Находят широкое применение, особенно для соединения электродвигателей с исполнительными механиз­мами (машинами) при d < 150 мм. Материал полумуфт — сталь 35, 35Л или чугун СЧ25; пальцы изготовляют из стали 45.

Рис. 7. Муфта упругая втулочно-пальце­вая: 1 — пальцы; 2 — эластичные втулки

 

Несущая способность муфт резко падает с ростом перекоса валов.

Размеры муфт подбирают по таблицам в зависимости от вращающего момента, который находят по наибольшему длительно действующему моменту на ведущем валу.

 

Подвижные муфты

Допускают соединение валов с повышенным взаимным смещением осей как вызванными неточностями, так и специально заданными конструктором.

Ярким представителем этого семейства являются шарнирные муфты. Идея муфты впервые предложена Джироламо Кардано в 1570 г. и доведена до инженерного решения Робертом Гуком в 1770 г. (рис.8). Поэтому иногда в литературе они называются карданными муфтами, а иногда – шарнирами Гука.

 

Рис.8. Шарнир Гука по идее Кардано

 

Шарнирные муфты соединяют валы под углом до 45^о, позволяют создавать цепные валы с передачей вращения в самые недоступные места. Всё это возможно потому, что крестовина является не одним шарниром, а сразу двумя с перпендикулярными осями.

Прочность карданной муфты ограничена прочностью крестовины, в особенности мест крепления пальцев крестовины в отверстиях вилок. Поломка крестовины – весьма частый дефект, известный, практически, каждому владельцу заднеприводного автомобиля.

Муфты выбираются по каталогу. Проверочный расчёт ведётся для рабочих поверхностей шарниров на смятие, проверяется прочность вилок и крестовины.

Малогабаритные шарнирные муфты (рис.9) стандартизованы в диапазоне диаметров 8...40 мм и моментов 12,5...1300 Нм. Крестовина выполнена в виде параллелепипеда. Шарнир образуется с помощью вставных осей, одна из которых длинная, а другая состоит их двух коротких втулок, стянутых заклёпкой. Конструкция весьма технологична.

 

Рис.9. Малогабаритная карданная муфта

 

Упругие муфты

Предназначены главным образом для смягчения (амортизации) ударов, толчков и вибрации. Кроме того, допускают некоторую компенсацию смещений валов.

Главная особенность таких муфт – наличие металлического или неметаллического упругого элемента. Используются различные упругие элементы (рис.10) а – звёздочки, б – шайбы, в – упругие оболочки, г – винтовые пружины, д – змеевидные пружины, е – сильфоны и т.п. Способность упругих муфт противостоять ударам и вибрации значительно повышает долговечность машин.

Рис. 10. Конструкции упругих муфт

 

Муфта с упругой торообразной оболочкой может, фактически, рассматриваться, как упругий шарнир Гука. Она способна компенсировать значительные неточности монтажа валов.

Лёгок монтаж, демонтаж и замена упругого элемента. Допускаются радиальные смещения 1...5 мм, осевые 2...6 мм, угловые 1,5...2⁰, угол закручивания 5...30⁰.

Несущая способность (и прочность) муфт зависит от крепления оболочки к фланцам. Стандартизованы муфты с неразрезной упругой оболочкой в диапазоне моментов 20...25000 Нм.

Широкое применение находит упругая втулочно-пальцевая муфта "МУВП" (рис.11). 

Здесь нет необходимости крепить резину к металлу, легко заменять упругие элементы при износе.

В этих муфтах момент передаётся через пальцы и насаженные на них упругие элементы в форме колец или гофрированных втулок. Такие муфты легки в изготовлении, просты в конструкции, удобны в эксплуатации и поэтому получили широкое применение, особенно для передачи вращения от электродвигателя.

 

Рис.11. Упругая втулочно-пальцевая муфта

 

Муфты нормализованы в диапазонах 16...150 мм и 32...15000 Нм.

К сожалению, радиальные и угловые смещения существенно снижают срок службы упругих элементов и повышают нагрузки на валы и опоры.

Муфты рассчитывают по допускаемым давлениям между пальцами и упругими втулками

       P = 2M _вр / (Z∙D∙d∙l) £ [P],

где Z – число пальцев, d – диаметр пальца, l – длина упругого элемента, D – диаметр расположения осей пальцев. Допускаемое давление обычно 30 МПа.

Пальцы муфты рассчитывают на изгиб.

 

Сцепные муфты

Эти муфты предназначены для соединения и разъединения валов. Некото­рые типы сцепных муфт позволяют это делать на ходу, без остановки элек­тродвигателя. Сцепные муфты иногда называют управляемыми. По принци­пу работы различают кулачковые и фрикционные сцепные муфты.

Кулачковые муфты (см. рис.12) состоят из двух полумуфт 1 и 2, имеющих кулачки на торцовых поверхностях. Включение муфты осуществ­ляется за счет полумуфты 2, которая может передвигаться вдоль вала по направляющей шпонке или по шлицам.

Во избежание повреждений кулачков включение муфты на ходу допуска­ется без нагрузки при весьма малой разности угловых скоростей валов. Вы­ключение допускается на ходу. Достоинство кулачковых муфт — простота конструкции и малые габаритные размеры; недостаток — невозможность, как правило, включения на ходу. Рекомендуемый материал кулачковых по­лумуфт — легированная сталь 20Х или 20ХН (с цементацией и закалкой).

 

Рис.12. Кулачковая муфта: 1,2 —полумуфты

Фрикционные муфты (рис.13) в отличие от кулачковых, допус­кают включение на ходу под нагрузкой. Фрикционные муфты передают вра­щающий момент за счет сил трения. Фрикционные муфты допускают плавное сцепление при любой скорости, что успешно используется, например, в конструкции автомобильного сцепления. Кроме того, фрикционная муфта не может передать через себя момент больший, чем момент сил трения, поскольку начинается проскальзывание контактирующих фрикционных элементов, поэтому фрикционные муфты являются эффективными неразрушающимися предохранителями для защиты машины от динамических перегрузок.

По конструкции фрикционные муфты делят на: дисковые, в которых трение происходит по торцевым поверхностям дисков (одно- и многодисковые) (см. рис.13, а); конусные, в которых рабочие поверхности имеют коническую форму (рис.13.10, б); цилиндрические имеющие цилиндрическую поверхность контакта (колодочные, ленточные и т.д.) (рис.13.10, в). Наибольшее распространение получили дисковые муфты.

Фрикционные муфты работают без смазочного материала (сухие муф­ты) и со смазочным материалом (масляные муфты). Последние применяют в ответственных конструкциях машин при передаче больших моментов. Смазывание уменьшает изнашивание рабочих поверхностей, но усложняет конструкцию муфты.

Материал для фрикционных муфт — конструкционные стали, чугун СЧ30. Фрикционные материалы (прессованную асбесто-проволочную ткань — ферродо, фрикционную пластмассу, порошковые материалы и др.) применяют в виде накладок.

 

Рис. 13. Фрикционные муфты: а — дисковая; б — конусная; в — цилиндрическая

 

     Главной особенностью работы фрикционных муфт является сжатие поверхностей трения. Отсюда ясно, что такие муфты рассчитываются на прочность по контактному давлению (аналогично напряжениям смятия). Для каждой конструкции необходимо вычислить сжимающую силу и разделить её на площадь контакта. Расчётное контактное давление не должно быть больше допускаемого для данного материала.

Самоуправляемые муфты

Эти муфты предназначены для автоматического разъединения валов в зависимости от изменения одного из следующих параметров: вращающего момента — предохранительные муфты, направления вращения — обгонные, и скорости вращения - центробежные.

Муфты свободного хода (обгонные) (рис.14) предназначены для передачи вращающего момента в одном направлении (например, для вращения втулки заднего колеса велосипеда). Ролики 3 муфты свободного хода за счет сил трения заклиниваются между поверхностями полумуфт 1 и 2

Рис. 14. Роликовая муфта свободного хода

 

 При уменьшении скорости вращения полумуфты 1 вследствие обгона роли­ки выкатываются в широкие участки вырезов, и муфта автоматически раз­мыкается.

 Муфты свободного хода работают бесшумно, допускают большую час­тоту включений.

 В качестве материалов для муфт свободного хода рекомендуют приме­нять стали ШХ15, 20Х, а также высокоуглеродистые инструментальные стали.

Центробежные муфты (рис.15) служат для автоматического включения (выключения) валов при заданных угловых скоростях.

Центробежная муфта состоит из ведущей и ведомой полумуфт 1 и 2, в пазы которых устанавливают фрикционные грузы — колодки 3.

 

Рис. 15. Центробежная колодочная муфта: 1,2— полумуфты; 3 — колодки

 

При достижении ведущей полумуфтой заданной угловой скорости ко­лодки 3, за счет центробежных сил, прижимаются к ведомой полумуфте, и муфта включается. В показанной на рис.15 конструкции любая из полу­муфт (1 или 2) может быть ведущей. Передача вращающего момента осуще­ствляется силами трения, значение которых пропорционально квадрату уг­ловой скорости. Центробежная муфта допускает частые включения, обес­печивает плавное включение и имеет сравнительно небольшие габаритные размеры.

 

Предохранительные муфты

Эти муфты допускают ограничение передаваемого вращающего мо­мента, что предохраняет машины от поломок при перегрузках.

Наибольшее распространение получили предохранительные кулачко­вые, шариковые и фрикционные муфты (рис.16).

Рис.16. Предохранительные муфты

 

 От сцепных и других муфт они отличаются отсутствием механизма включения. Предохранительные кулачковые и шариковые (рис.16, а) муфты постоянно замкнуты, а при перегрузках кулачки или шарики полумуфты 1 выдавливаются из впадин полумуфты 2, и муфта размыкается. Иначе работает предохранительная фрикционная муфта (рис.16, б). При перегрузке за счет проскальзывания происходит пробуксовывание этой муфты (останавливается ведомый вал).

Рассмотренные на рис.16 предохранительные муфты применяют при частых перегрузках.

При маловероятных перегрузках применяют предохранительные муфты с разрушающимся элементом, например со срезным штифтом (рис. 17). Такая муфта состоит из дисковых полумуфт 1 и 2, соединяемых металлическим штифтом 3, вставленным в термически обработанную втулку 4.  При возникновении перегрузки штифт срезается, и муфта разъединяет валы. Они просты по конструкции и малогабаритны.

Рис. 17. Муфта предохранительная со срезным штифтом:

1,2— полумуфты; 3 — срезной штифт; 4 — закаленные втулки

 

Для изготовления деталей предохранительных муфт в зависимости от типа муфты применяют конструкционные стали, чугун СЧЗО, фрикцион­ные материалы, сталь ШХ12 и др. Штифты для муфт с разрушающимся элементом изготовляют из стали 45, втулки — из стали 40Х с закалкой.

⇐ Предыдущая16171819202122232425Следующая ⇒

Поделиться: