Краткие сведения о выборе и расчете муфт

Применяемые в машиностроении муфты стандартизованы. Муфты каж­дого типоразмера выполняют для некоторого диапазона диаметров вала. Основным критерием при выборе стандартных муфт является передаваемый вращающий момент.

При проектировании новых муфт конструктивные размеры элементов муфты определяют расчетом. Стандартизованные или нормализованные муфты не рассчитывают. Их, как правило, выбирают, как и подшипник ка­чения, по таблицам справочников.

Выбор стандартных муфт. Основной характеристикой при выбо­ре муфт является передаваемый расчетный момент

   ,                                                                                         (1)

где К_р — коэффициент режима работы (табл.1); T — номинальный вра­щающий момент при установившемся режиме работы.

Расчет на прочность жестких (глухих) муфт.

Втулочные, фланцевые и продольно-свертные муфты выбирают по норма­лям.

Прочность втулки проверяют по основному условию прочности на кру­чение

                                                                            (2)

где  — допускаемое напряжение на кручение (для стали 45:  = 22 ÷ 25 МПа);

   ,                                   (3)

 — расчетное напряжение на кручение; Т_р — расчетный момент; d и D — размеры муфты (см. рис.2).

Шпоночные или шлицевые (зубчатые) соединения вала с жесткой муф­той проверяют по формулам (9.1)—(9.3), болтовые соединения на растяже­ние и срез. Болты и стенки полумуфт на смятие прове­ряют по формуле

   ,                                      (4)

где F_t — сила, срезающая один болт; А_см — площадь смятия; d _б — диаметр болта; К— толщина фланца полумуфты (см. рис.4, а);  — допускае­мое напряжение на смятие материала болтов или полумуфт.

Расчет на прочность компенсирующих муфт. Эти муфты выбира­ют по нормалям или стандартам (см. рис. 5).

Проверочный расчет на прочность (износостойкость) кулачково-дисковых муфт производят по формуле

   ,                              (5)

где р — максимальное давление, возникающее на рабочей поверхности со­пряженных деталей муфты; D , d , h — размеры муфты (см. рис.5); [р] — допускаемое давление (для муфт с закаленными поверхностями трения [р] = 15 ÷ 30 МПа).

Проверочный расчет зубчатых муфт не производят. Их выбирают по стандарту. Для зубчатых муфт расчетный момент

Т_р=К_бК_рТ,                                                               (6)

где К_б и К_р — коэффициенты безопасности и режима работы; Т — номинальный вращающий момент (табл.12.4).

Для упругих втулочно-пальцевых муфт проверочный расчет для пальцев производят на изгиб по формуле (7), для втулок — на смятие по форму­ле (8):

    ;                            (7)

    ,                                          (8)

где М_р — расчетный момент; d_n , l_п, l_в, D ₁, — размеры пальца втулки и полу­муфты (см. рис.7); z — число пальцев; — допускаемое напряжение изгиба (для пальцев из стали 45 = 80...90 МПа); — допускаемое напряжение смятия втулки (для резины = 2 МПа).

Расчет сцепных муфт. Расчет наиболее распространенных в ма­шиностроении сцепных многодисковых фрикционных муфт производят на отсутствие проскальзывания полумуфт (дисков) и на износостойкость ра­бочих поверхностей дисков. Для передачи вращательного движения от по­лумуфты 1 к полумуфте 2 (см. рис.10) без относительного проскальзывания дисков момент сил трения должен быть не меньше вращающего мо­мента, создаваемого на ведущем валу.

Фрикционные дисковые муфты выбирают по нормалям.

Расчет самоуправляемых и предохранительных муфт. Самоуправ­ляемые роликовые муфты свободного хода выбирают по нормалям. На контактную прочность проверяют только ролики и рабочие поверхности полумуфт (см. рис.15):

    ,                    (9)

где Т_р — расчетный момент; Е_пр — приведенный модуль упругости; d и l — диаметр и длина роликов; 7⁰ — угол заклинивания роликов; D — диа­метр рабочей поверхности обоймы; z — число роликов;  — допускаемое контактное напряжение (для стали ШХ15, 20Х и 40Х = 1500 МПа).

Размеры центробежных муфт принимают конструктивно. Рабочие по­верхности трения грузов проверяют на износостойкость аналогично фрик­ционным муфтам. Массу груза подбирают по создаваемой им центробеж­ной силе.

Фрикционные предохранительные муфты выбирают по стандарту. Их расчетная проверка аналогична расчету сцепных фрикционных муфт.

Предохранительные муфты с разрушающимся элементом выбирают по нормалям станкостроения, после чего штифт проверяют на срез (см. рис.17):

   ,                    (10)

где T _пред — предельный момент, при котором происходит разрушение штифтов; D ₁ — диаметр расположения штифтов (см. рис.17);  — пре­дел прочности на срез (для стали 45 = 420 МПа); Т_р — расчетный мо­мент; d_m — диаметр штифта; z = 1 ÷ 2 — число штифтов.

56. Подшипники скольжения: конструкции, материалы; расчет подшипников полужидкостного трения.

ПОДШИПНИК, конструктивный узел машин и механизмов, поддерживающий или направляющий вращающийся вал или ось. Если шейка вала в подшипнике скользит непосредственно по опорной поверхности, то он называется подшипником скольжения. Если же между шейкой вала и опорной поверхностью имеются шарики или ролики, то такой подшипник называется подшипником качения. Назначение подшипника – уменьшать трение между движущейся и неподвижной частями машины, так как с трением связаны потери энергии, нагрев и износ. Назначение , типы , область применения , разновидности конструкций подшипников скольжения и подпятников , материалы для их изготовления

Подшипником скольжения называют опору для поддержания вала (или вращающейся оси). В таком подшипнике цапфа вращающегося вала (или оси) проскальзывает по опоре.

Радиальные подшипники скольжения (или просто подшипники скольжения) предназначены для восприятия радиальной нагрузки. В таких подшипниках поверхности цапфы вала (или оси) и подшипника находятся в условиях относительного скольжения. При этом возникает трение, кото­рое приводит к изнашиванию пары вал (ось) — подшипник.

Для уменьшения изнашивания необходимо рационально выбирать матери­ал трущихся пар и обеспечить нормальные условия смазывания рабочих по­верхностей.

Конструкции подшипников скольжения    

Подшипники бывают неразъемные и разъемные:

Неразъемные подшипники могут быть выполнены за одно целое со ста­ниной (рис. 1) или в виде втулки 1, установленной в корпус подшипни­ка 2 (рис. 2).

В первом случае станину 1, а во втором — втулку 1 изготовляют из ма­териалов, обладающих хорошими антифрикционными свойствами: анти­фрикционного чугуна; бронзы оловянной; латуни; баббитов; алюминиевых сплавов; порошковых материалов; текстолита; капрона; специально обра­ботанного дерева; резины (при смазывании водой); графита (в виде порош­ка, из которого прессуют вкладыши) и др.

 

Рис. 1. Неразъемный подшип­ ник скольжения: 1 — станина

 

Рис.2. Неразъемный подшипник скольжения: 1 — втулка; 2 — корпус

 

Корпуса подшипников можно изготовлять из чугуна или стали литыми или сварными. Конструкции (конфигурации) корпусов подшипников мо­гут быть самыми разнообразными (рис. 2; рис. 3).

 

Рис. 3. Неразъемный подшипник скольжения

Разъемный подшипник (рис.4) отличается от неразъемного тем, что в нем втулка заменена вкладышами 2 и 3, корпус подшипника разъемный и состоит из собственно корпуса 7 и крышки 4, соединенных болтами или шпильками 5. Вкладыши изготовляют из антифрикционных материалов или двух металлов (тело вкладыша из стали, а рабочую часть толщиной 1—3 мм заливают баббитом или свинцовой бронзой). Во внутренней по­лости вкладышей делают канавку 1 (рис.5), в которую через отверстие 2 подводят смазочный материал.

Материал вкладышей выбирают с учетом условий работы, назначения и конструкции опор, а также стоимости и дефицитности материала и должен иметь:

1) малый коэффициент трения и высокую сопротивляемость заеданию в периоды отсутствия режима жидкостного трения (пуски, торможение и т. п.);

2) достаточную износостойкость наряду со способностью к при­работке. Износостойкость вкладыша должна быть ниже износо­стойкости цапфы, так как замена вала обходится значительно до­роже, чем замена вкладыша;

3) достаточно высокие механические характеристики и особенно высокую сопротивляемость хрупкому разрушению при действии ударных нагрузок.

При невысоких скоростях скольжения (  м/с) применяют чугуны. Чугун обладает хорошими антифрикционными свойствами бла­годаря включениям свободного графита, но прирабатывается хуже, чем бронзы, имеет высокую хрупкость и высокую стоимость

При значительных нагрузках (р до 15 МПа) и средних скоростях скольжения (  до 10 м/c) широки используют бронзу. Бронзы оловянные, свинцовые, кремниевые, алюминиевые и прочие обладают достаточно высокими механическими харак­теристиками, но сравнительно плохо прирабатываются и способ­ствуют окислению масла. Наилучшими антифрикционными свойствами обладают оловянные бронзы.

Баббиты разных марок применяют для подшипников скольжения, работающих в тяжелых условиях; баббиты хорошо прирабатываются, стойки против заедания, мало изнашивают вал, не окисляет масло, но имеют невысокую прочность и низкую температуру плавления и поэтому их используют для заливки чугунных и бронзовых вкладышей.

Металлокерамические вкладыши вследствие пористости пропитываются маслом и могут длительное время работать без подвода смазки. Из неметаллических материалов для вкладышей применяют текстолит, капрон, нейлон, резину, дерево и др. Неметаллические материалы устойчивы против заедания, хорошо прирабатываются, могут работать без смазки или с водяной смазкой, что имеет существенное значение для подшипников гребных винтов, пищевых машин и т.п.

В целях повышения прочности подшипников, в особенности при переменных и ударных нагрузках, применяют так называемые би­металлические вкладыши, у которых на стальную основу наплав­ляют тонкий слой антифрикционного материала — бронзы, серебpa, сплава алюминия.

 

 

Рис. 4. Разъемный подшипник скольжения: 1 — станина;

2, 3 — вкладыши (полукольца); 4 — крышка; 5 — болт

 

Рис. 5. Вкладыш: 1 — канавка; 2 — отверстие для подвода смазки

 

Смазочные канавки делают в верхнем вкладыше (в ненагруженной зоне подшипника), как показано на рис. 5. Для того чтобы вкладыши не имели осевых перемещений, их изготовляют с буртиками. Для удержания вкладышей от вращения вместе с валом предусматривают их закрепление с помощью штифтов и т. п. При укладке вкладышей в разъемный корпус ме­жду ними устанавливают регулировочные прокладки из тонколистовой ста­ли или латуни.

Между крышкой и корпусом подшипника имеется зазор  < 5 мм (см. рис. 4) При небольшом изнашивании вкладыша благодаря этому зазору можно компенсировать величину износа под­тягиванием болтов. Это одно из достоинств разъемного подшипника по сравнению с не­разъемным. Кроме того, к достоинствам та­кого подшипника относится возможность быстрой смены изношенного вкладыша.

Самоустанавливающиеся подшипники скольжения могут быть разъ­емными и неразъемными. От описанных выше они отличаются тем, что вкладыш 1 (рис. 6) имеет шаровую опорную поверхность

Рис. 6. Самоустанавливающийся подшипник: 1 — вкладыш

 

Такая конструкция допускает небольшой угловой поворот оси вклады­ша, что положительно сказывается на работе трущейся пары вал—подшип­ник (при этом давление распределяется по всей длине цапфы почти равно­мерно).

Вкладыши самоустанавливающихся подшипников изготовляют из чугу­на или стали с последующей заливкой баббитом, свинцовой бронзой и т. п.

Подпятники (опорные подшипники) служат для поддержания вра­щающихся осей и валов при действии нагрузки, направленной вдоль оси враще­ния (т. е. при осевой нагрузке).

Подпятники могут быть с плоской пятой (рис. 7, а), с кольцевой пя­той (рис. 7, б) и с гребенчатой пятой (рис. 8).

Подпятник (рис. 9) состоит из стального или чугунного корпуса 7, крышки 2 и опорного вкладыша 4. Для возможности самоустановки опор­ный вкладыш 4 может опираться на сферическую поверхность. Опорные вкладыши изготовляют из тех же антифрикционных материалов, что и вкладыши радиальных подшипников. Деталь 3 — втулка радиального под­шипника.

Рис. 7. Подпятники: а — с плоской пятой; б — с кольцевой пятой

Рис. 8. Подпятник с гребенчатой пятой

 

Рис. 9. Опора вала: / — корпус; 2 — крышка;

3 — втулка радиального подшипника; 4 — опорный вкладыш

 

Подвод смазочного материала к подшипникам и подпятникам сколь­жения осуществляется следующими способами:

- периодическим смазыванием (через отверстие) жидким смазочным материалом (см. рис. 1);

- смазыванием набивкой (солидол и т. д.) с помощью масленки с ша­ровым клапаном (рис. 10, а);

- периодической заливкой жидкого смазочного материала или набив­кой консистентного смазочного материала с помощью колпачковой масленки (рис. 10, б);

- смазыванием жидким смазочным материалом с помощью масленки с фитилем (рис. 10, в);

Рис. 10. Способы смазывания подшипников: а — масленка с шаровым клапаном;

б— кол пачковая масленка; в — масленка с фитилем; г — смазывание кольцом; д — смазывание оку­ нанием

 

- смазыванием кольцом 1 (при специальной конструкции корпуса под­шипника (рис. 10, г) при этом способе нижнюю часть подшипника выполняют как резервуар для масла, в верхнем вкладыше прорезают щель, пропускающую смазочные кольца 1 (рис. 11). Масло подает­ся к поверхностям трения кольцом, увлекаемым во вращение валом;

- применение масляной  ванны: при этом способе подпятник 7 (рис. 10, д) находится в масляной ванне.

Рис. 11. Смазывание подшипника кольцом: 1 — кольцо;

2 — цапфа; 3 — резервуар для масла

 

Кроме указанных существует еще много других способов, в том числе принудительное смазывание под давлением, капельное, разбрызгиванием, смазыванием масляным туманом и т. д.

Смазывание подшипника по схеме, показанной на рис.11, осущест­вляется кольцом. Металлическое кольцо 1 большего, чем у цапфы вала 2, диаметра свободно висит на цапфе вала, нижней частью погруженное в масляную ванну 3. При вращении вала вращается и кольцо. Масло с коль­ца стекает на цапфу вала и, растекаясь вдоль него, попадает в зону трения.

Сравнительная характеристика смазочных устройств.

Наиболее простой способ смазывания — периодическая заливка сма­зочного материала через отверстие 1 (см. рис. 1). Недостаток этого спо­соба — возможность попадания абразивных частиц в зону смазывания.

Смазывание с помощью масленки с шаровым клапаном или колпачковой масленкой (рис. 10, а, б) также требует наблюдения. Этого недостат­ка не имеет фитильный способ (рис. 10, в). Недостатком этого способа подвода смазочного материала является то, что масло подается к цапфе вала и тогда, когда вал не вращается (отсюда — повышенный расход сма­зочного материала). Кольцевой способ смазывания (рис. 10, г) — наибо­лее оптимальный, но при этом усложняется конструкция корпуса подшип­ника. Подшипники в масляной ванне (рис. 10, д — подпятник) также требуют усложнения конструкции корпуса подшипника (необходимость создания хорошего уплотнения вала).

Смазочные материалы.

Для уменьшения трения и изнашивания, охлаждения и очистки от продуктов износа подшипники скольжения смазывают смазочными материалами, которые должны быть маслянистыми и вязкими.

Маслянистость характеризует способность смазочного материала образовывать на поверхности трения устойчивые тонкие пленки, предотвращающие непосредственный контакт поверхностей.

Вязкость характеризует объемное свойство смазочного материала оказывать сопротивление относительному перемещению его слоев.

Смазочные материалы могут быть: жидкие (масла), пластичные (мази), твердые (порошки, покрытия) и газообразные (газы).

Масла являются основным смазочным материалом. Имеют низкий коэффициент внутреннего трения, хорошо очищают и охлаждают рабочие поверхности, их легко подводить к местам смазывания, но требуются уплотняющие устройства в местах смазывания от вытекания масла.

Масла бывают минеральные и органические.

Минеральные масла — продукты перегонки нефти — наиболее часто применяют для подшипников скольжения. К ним относят масла индустриальные (И-Л-А-22, И-Г-А-46), моторные и др.

Органические масла — растительные (льняное и др.) и животные (костное и др.) — обладают высокими смазывающими свойствами, но дороги и дефицитны. Их применяют редко.

В настоящее время для смазки машин применяются в основном лишь минеральные масла - продукты перегонки нефти. Из растительных может применяться только касторовое масло, обладающее очень высокими смазывающими свойствами; другие растительные масла окисляются и для смазки не годятся.

Желательно применять, по возможности, жидкие масла со смазкой окунанием в масляную ванну. При весьма высоких угловых скоростях вращения деталей (свыше 5000 об/мин) применяют подачу жидкой смазки форсунками под давлением, так как при таких скоростях начинают сильно возрастать гидравлические потери на взбалтывание масла. Консистентную смазку применяют в отдельных точках, где нельзя организовать масляную ванну. Количество точек смазки в машинах должно бить минимальным, иначе усложняется их техническое обслуживание. Твердые смазки содержат графит и применяются при очень больших давлениях и малых скоростях относительного перемещения смазываемых деталей, например, для смазки листовых рессор.

Вязкость является важнейшим свойством масел. Различают абсолютную или динамическую вязкость, которая выражает сопротивле­ние сдвигу молекулярных слоев жидкости и относительную или кинематическую вязкость, которая характеризуется временем истечения жидкости через калиброванное отверстие при опре­деленной температуре (50 или 100°С).

      

где  - удельный вес масла, который можно принимать равным 0,9;

 - абсолютная вязкость в сантипаузах (СПЗ);

 - относительная вязкость в сантистоксах (ССТ).

Вязкость масел очень сильно изменяется с изменением температуры: с повышением температуры масло становится жидким и теряет смазывающие свойства, а с понижением - оно сильно густеет, создавая дополнительные сопротивления вращению и затрудняя пуск машин. Оптимальной можно считать температуру масла 50 - 70°С. При более высоких температу­рах масла должны содержать специальные присадки.

Все сорта масел нормализованы по ГОСТ, различаются по назначению.

К маслам универсального назначения относятся так называемые индустриальные масла разных марок, например, индустриальное масло - 50 (вязкость 50 сст при 50°С).

Широкое распространение получили автотракторные масла: автолы, дизельные, нигролы, гипоидные. Первые два сорта масла - для смазки двигателей, вторые - для трансмиссий.

Авиамасла подобны автотракторным, но отличаются луч­шим качеством очистки.

Кроме того, широко применяются другие типы масел: турбинные, веретенные, сепараторные. Общее соображение по применению масел вытекает из гидродинамической теории смазки: чем выше скорости, тем меньше должна быть вязкость масла; при сверхвысоких скоростях даже воздух является смазкой и создает жидкостное трение.

Воду как смазочный материал применяют для подшипников с вкладышами из дерева, резины и пластмасс. Во избежание коррозии вал выполняют с покрытием или из нержавеющей стали.

Пластичные смазочные материалы (мази) изготовляют загущением жидких минеральных масел мылами жирных кислот или углеводородами. В зависимости от загустителя пластичные смазочные материалы делят на солидолы, консталины и др. Они хорошо заполняют зазоры, герметизируя узлы трения. Вязкость их мало меняется с изменением температуры. Применяют в подшипниках, работающих при ударных нагрузках и малых скоростях.

Антифрикционные материалы.

Это материалы и сплавы, обладающие низким коэффициентном трения в паре со стальным валом. К ним предъявляются, кроме того, следующие требования:

а) хорошая прирабатываемость;

б) способность удерживать масляную пленку, которая должна как бы прилипать к поверхности;

в) хороший отвод тепла;

г) достаточная механическая прочность.                

Всеми этими качествами не обладает ни один из антифрикционных материалов, например:

Баббиты - оловянистые сплавы - не обладают свойством (г), однако их наплавляют на стальной, бронзовый или чугунный вкладыш, что и решает вопрос прочности.

Бронзы оловянистые и свинцовистые слабо обладают свойством (а).

Сплавы на алюминиевой основе слабо обладают свойст­вом (г).

Антифрикционные чугуны вообще обладают недостаточными антифрикционными свойствами и могут применяться лишь при малых удельных давлениях и скоростях.

Неметаллические материалы (пластмассы) имеют довольно высокое значение коэффициента трения и не обладают свойством (в).

Твердые смазочные материалы — графит, дисульфид молибдена и др.— применяют в машинах, когда по условиям производства нельзя: или нецелесообразно применять масла или мази (ткацкие станки, пищевые машины и др.).

Газообразные смазочные материалы — воздух, пары углеводород и др.— применяют в малонагруженных подшипниках при очень высоких частотах вращения — до 250 тысяч оборотов в минуту (электро и пневмошпиндели, центрифуги).

Область применения, достоинства и недостатки подшипников скольжения.

В современном машиностроении применение подшипников скольже­ния ограниченно.

Достоинства подшипников скольжения:

- сохранение работоспособности при высоких угловых скоростях валов (газодинамические подшипники в турбореактивных двигателях при n > 10 000 об/мин);

- при больших скоростях вращения - при необходимости точного центрирования осей;

- выдерживание больших радиальных нагрузок;

- возможность изготовления разъемной конструкции, что допускает их применение для коленчатых валов;

- небольшие габариты в радиальном направлении, что позволяет применять в машинах очень малых и очень больших габаритах;

- сохранение работоспособности в особых условиях (в химически аг­рессивных средах, воде, при значительном загрязнении);

- бесшумность работы;

- виброустойчивость;

- простота изготовления и ремонта.

Недостатки подшипников скольжения:

- большое изнашивание вкладышей и цапф валов из-за трения;

- необходимость постоянного ухода и большой расход дорогих смазочных ма­териалов, необходимость его очистки и охлаждения;

- значительные потери на трение в период пуска и при несовершенной смазке.

- значительные габариты в осевом направлении (длина вкладышей мо­жет достигать 3d, где d — диаметр цапфы вала).

Кроме того, следует иметь в виду, что массовое производство подшип­ников скольжения не организовано.

Подшипники скольжения следует применять там, где нельзя применить подшипники качения, а именно:

а) когда подшипник должен быть разъемным по оси (например, подшипники средних шеек коленчатого вала);

б) для очень больших нагрузок, когда подходящих стандартных подшипников качения подобрать нельзя;

в) для сверхбыстроходных валов, где центробежные силы инерции не допускают применения подшипников качения;

г) для работы в сильно загрязненной среде или воде.

Область применения:

- Для валов с ударными и вибрационными нагрузками (двигатели внутреннего сгорания, молоты и др.).

- Для коленчатых валов, когда по условиям сборки необходимы разъемные подшипники.

- Для валов больших диаметров, для которых отсутствуют подшипники качения.

- Для высокоскоростных валов, когда подшипники качения непригодны вследствие малого ресурса (центрифуги и др.).

- При очень высоких требованиях к точности и равномерности вращения (шпиндели станков и др.).

- В тихоходных машинах, бытовой технике.

- При работе в воде и агрессивных средах, в которых подшипники качения непригодны.

Распространенное мнение, что подшипники скольжения дешевле подшипников качения, глубоко ошибочно.

Характерные дефекты и поломки подшипников скольжения вызваны трением:

- температурные дефекты (заедание и выплавление вкладыша);

- абразивный износ;

- усталостные разрушения вследствие пульсации нагрузок.

При всём многообразии и сложности конструктивных вариантов подшипниковых узлов скольжения принцип их устройства состоит в том, что между корпусом и валом устанавливается тонкостенная втулка из антифрикционного материала, как правило, бронзы или бронзовых сплавов, а для малонагруженных механизмов из пластмасс.

Большинство радиальных подшипников имеет цилиндрический вкладыш, который, однако, может воспринимать и осевые нагрузки за счёт галтелей на валу и закругления кромок вкладыша. Подшипники с коническим вкладышем применяются редко, их используют при небольших нагрузках, когда необходимо систематически устранять ("отслеживать") зазор от износа подшипника для сохранения точности механизма.

 

⇐ Предыдущая17181920212223242526Следующая ⇒

Поделиться: