Руководство

к лабораторной работе № 17

«ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИЙ И ХАРАКТЕРИСТИК УПРУГИХ МУФТ»

Калуга, 2005 г.

МУФТЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ.

Муфты входят во многие механизмы и являются ответственными узлами, часто определяющими надежность и долговечность всей машины. Основное назначение муфт – передача вращающего момента (без изменений его величины и направления) с одного вала на другой или с вала на свободно сидящую на нем деталь (шкив, зубчатое колесо, звездочку и т.п.) и обратно.

Муфты могут передавать крутящий момент до 1000000 Н∙м, применяют при частоте вращения до 6300 об/мин, соединять валы под углом 45⁰ и допускать число включений до 300–350 в час.

Разнообразие задач, решаемых с помощью муфт, и требовании, предъявляемых к ним в соответствии с условиями эксплуатации машин и агрегатов, привело к использованию в машиностроении многих типов муфт различного конструктивного исполнения. При этом нередко встречаются сложные комбинированные муфты, объединяющие свойства нескольких простейших муфт.

В зависимости от функционального назначения муфты делятся (см. схему): подвижные (жесткие и упругие); сцепные (фрикционные, пневматические); свободного хода (обгонные); предохранительные; центробежные; комбинированные и специальные.

К подвижным муфтам относятся три типа муфт: жесткие компенсирующие, упругие и шарнирные. Все они характеризуются относительной подвижностью элементов муфты.

Жесткие компенсирующие муфты предназначаются для соединения валов с незначительными взаимными смещениями осей, обусловленными неточностью изготовления и сборки. Достижение строгой соосности валов связано со значительной трудоёмкостью и не всегда оправдано, а в отдельных случаях и трудно осуществимо. К тому же любая точность, достигнутая при сборке, в процессе работы может быть нарушена вследствие вибраций и деформаций валов и основания под нагрузкой, осадки фундамента, изменения температуры и других причин.

Перечисленные погрешности изготовления и монтажа соединяемых валов компенсируются в определённой степени жесткими, зубчатыми и цепными муфтами. Компенсация смещений обеспечивается благодаря относительному перемещению жестких металлических элементов муфты.

Шарнирные муфты относятся к типу жестких подвижных муфт и служат для соединения валов со значительными угловыми смещениями – до 45⁰.

Они допускают изменение угла наклона осей валов во время работы машины и поэтому могут быть использованы, когда соединяемые валы принадлежат разным механизмам, перемещающимся относительно друг друга.

Шарнирные муфты применяются:

1) для компенсации неточности взаимного расположения валов, возникающей при сборке, при деформации рамы и рессор (в транспортных и других машинах);

2) для передачи вращения валам (шпинделями многошпиндельных сверлильных станков, валкам прокатных станов и т.п.);

3) для передачи вращения валам, положение которых изменяется во время работы (консолям фрезерных станков и т.п.).

Сцепные муфты служат для соединения или разъединения валов (на ходу или во время остановки) с помощью специальных управляющих устройств. Муфты этого вида широко используются там, где требуются частые пуски и остановки, изменения режимов работы, реверсирование, например в тепловозах, автомобилях, на прокатных станах, прессах, станках и т.д.

Фрикционные муфты осуществляют передачу вращающего момента от ведущего вала к ведомому при помощи сил трения, создаваемых на контактных поверхностях сцепляющихся частей муфты.

По направлению перемещений сцепляющихся элементов муфты делятся на осевые (конусные и дисковые) и радиальные (колодочные, шинно-пневматические и т.д.). Из всех видов наибольшее распространение имеют дисковые муфты.

В зависимости от отсутствия или наличия смазки на поверхностях трения различают сухие и масляные муфты. Выбор масляных или сухих муфт обусловливается многими факторами. В корпусах зубчатых передач в основном следует использовать масляные муфты, в остальных случаях – сухие. Однако, если требуется быстрое включение или выключение, то следует применять сухие муфты, изолируя их от зубчатых передач (например, в механизме сцепления автомобиля). Сухие муфты обладают меньшей теплорассеивающей способностью по сравнению с масляными. Сухие муфты целесообразно использовать при наружном монтаже, например, при соединении вала двигателя с валом рабочего агрегата.

При выборе муфт следует производить их оценку: по статическому (передаваемому) моменту; по динамическому (среднему вращающему) моменту; по времени переходного процесса в приводе.

Муфты свободного хода. Особенностью муфт этого вида является передача момента только в заданном направлении и только до тех пор, пока частоты вращения ведущего и ведомого звеньев одинаковы. Как только частота вращения ведомого звена превысит частоту вращения ведущего звена, муфта автоматически выключит сцепление. Из большого разнообразия муфт этого вида наибольшее распространение получили роликовые муфты свободного хода. Благодаря разнообразию свойств и пригодности для различных условий эксплуатации роликовые муфты применяются в различных отраслях машиностроения. Диапазон передаваемых ими вращающих моментов весьма широк – от 1 до 10000 Н∙м, диаметр посадочного отверстия внутренней обоймы колеблется от 5 до 180 мм, а диаметр отверстия наружной обоймы – от 20 до 580 мм.

Предохранительные муфты. Эти муфты служат для предохранения деталей машин от воздействия перегрузок: они разъединяют валы при возрастании вращающего момента выше допустимого значения. В кинематической цепи эти муфты располагают как можно ближе к возможному месту возникновения перегрузки.

В данной лабораторной работе изучаются упругие муфты и испытывается на стенде втулочно-пальцевая муфта с определением её характеристик.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ – ознакомится с конструкцией упругих муфт и их основными характеристиками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ – снятие характеристик и жесткости упругой втулочно-пальцевой муфты /МУВП/ на стенде для статического испытания муфт /СИМ/.

1. ВВЕДЕНИЕ

Наряду с кинематической и силовой связью отдельных частей машины муфты выполняют ряд других функций, а именно:

1) компенсируют вредное влияние смещения осей соединяемых валов, обусловленного неточностями изготовления и сборки или конструктивными факторами;

2) амортизируют возникающие при работе толчки и удары; предохраняют части машин от воздействия перегрузок;

3) обеспечивают быстрое сцепление соединяемых деталей;

4) облегчают пуск машины; ограничивают скорости и др.

Упругие муфты характеризуются наличием упругого элемента, благодаря деформации которого осуществляется взаимное перемещение деталей муфты, необходимое для компенсации смещения осей ведущего и ведомого валов.

Упругие муфты допускают относительный тангенсальный поворот полумуфт на некоторый угол под действием вращающего момента. Компенсирующая способность этих муфт обеспечивается относительным перемещением и упругой деформацией элементов муфты. Кроме компенсации неточности относительного расположения валов эти муфты смягчают удары, толчки и гасят крутильные колебания. В зависимости от материалов упругих элементов они разделяются на муфты с металлическими упругими элементами и муфты с неметаллическими упругими элементами.

Муфты с металлическими упругими элементами отличаются высокой несущей способностью и возможностью работы в широком температурном интервале, однако они сложны по конструкции, дороги и требуют постоянного контроля при эксплуатации.

Муфты с неметаллическими упругими элементами (преимущественно резиновыми) получили весьма широкое распространение в современном машиностроении благодаря сравнительной простоте конструкции и невысокой стоимости изготовления, высоким компенсационным свойствам и хорошей демпфирующей способности. Они обладают также электроизолирующими свойствами. Из-за низкой прочности резины и пластмасс по сравнению с металлами эти муфты обычно применяются для передачи малых и средних вращающих моментов.

2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УПРУГИХ МУФТ

2.1. Жесткость C – величина определяемая из отношения крутящего момента – T к углу закручивания муфты – φ.

Величина обратная жесткости называется податливостью. Для муфт с постоянной жесткостью (линейная характеристика, кривая 1, рис. 1) имеет место зависимость:

(1)

Для муфт с переменной жесткостью (нелинейная характеристика, кривая 2, рис. 1), имеет место зависимость:

(2)

Жесткость муфты с нелинейной характеристикой меняется в зависимости от нагрузки.

Вследствие внутреннего трения в материале упругого элемента или внешнего трения на поверхностях контакта упругих элементов, нагрузочная и разгрузочная кривые не совпадают, образуя петлю гистерезиса (Рис. 2).

2.2. Демпфирующая способность – свойство поглощать часть воспринимаемой механической энергии, превращая ее в тепло. Энергия рассеивается за счет внешнего трения в муфтах с неметаллическим упругим элементом.

Деформирующая способность за цикл колебаний (нагрузка-разгрузка) характеризуется коэффициентом относительного демпфирования, равным

где Ay – энергоемкость муфты (часть энергии, которая расходуется на упругую деформацию элементов и аккумулируется муфтой при повороте вала на угол φ (Рис. 2)), определяется площадью фигуры ABC, где AB – средняя линия петли гистерезиса,

Ag – часть обращаемой в теплоту и рассеиваемой энергии (Рис. 2), определяется площадью петли гистерезиса.

2.3. В отчете лабораторной работы, по каждой муфте, должны быть освещены вопросы:

1. Принцип работы муфты.

2. Гибкий элемент муфты.

3. Допустимые смещения:

– радиальное;

– осевое;

– угловое.

3. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ УПРУГИХ МУФТ.

3.1. Муфта с торообразным упругим элементом шиной (плакат, рис. 1).

Упругий элемент выполняется из резины и армируется нитями корда, являющегося силовой основой. Крутящий момент передается за счет сил трения между полумуфтами и упругим элементом.

Допустимое смещение валов: осевое – 3…6 мм., радиальное – 2…6 мм., угловое – 2…6⁰.

Упругий элемент испытывает напряжение смятия в результате прижима нажимным кольцом, и касательным при действии крутящего момента.

Форма упругого элемента обеспечивает высокую компенсирующую способность муфты.

3.2. Муфта с цилиндрическими резиновыми шпонками (плакат, рис. 2).

Муфта состоит из двух фланцевых полумуфт, входящих одна в другую и соединённых резиновыми шпонками, оси которых параллельны оси муфты и расположены на окружности. От выпадения шпонки удерживаются съёмным диском.

При действии крутящего момента шпонки работают на срез и смятие. Гнезда шпонок выполнены с большим радиусом кривизны, чем шпонки.

Допустимые смещения валов: осевое – до 5 мм, радиальное – до 1 мм, угловое – до 1⁰.

3.3. Пальцевая муфта с промежуточным диском (плакат, рис. 3).

Муфта состоит из двух фланцевых полумуфт, имеющих на торцевой поверхности пальцы, расположенные по окружности. Упругим элементом является диск, изготовленный из резины с кордом. Диск имеет концентрично расположенные отверстия, в которые входят пальцы полумуфт. Отверстия диска под пальцы обычно усиливаются армирующими обкладками, позволяющими более равномерно нагружать диск.

При действии крутящего момента, в месте контакта с пальцем, диск испытывает напряжение смятия, распределяющееся по дуге контакта.

Допустимые смещения валов: осевое определяется длиной свободного вылета пальцев, радиальное смещение – до 0,1…0,2 мм, угловое – до 3⁰.

3.4. Муфта с коническим кольцом (плакат, рис. 4).

Муфта проста по конструкции. Упругий элемент, изготовленный из резины, привулканизируется к торцам фланцевых полумуфт. При действии крутящего момента в любой точке упругого элемента имеют место одинаковые касательные напряжения.

Допустимые смещения валов: осевое – не допускается, радиальное – нет, угловое – до 1⁰.

3.5. Муфта с резиновыми брусками (плакат, рис. 5).

Муфта состоит из двух полумуфт, одна из которых снабжена узкими торцевыми кулачками, другая имеет на фланце специальные радиальные пазы, в которые закладываются резиновые бруски, работающие на изгиб, сдвиг и смятие.

Допустимые смещения валов: осевое – в пределах вылета кулачка за резиновый брусок, радиальное – в пределах радиального зазора между кулачком и стенками упругой полумуфты; угловое – из тех же соображений, что и для радиального.

3.6. Муфта с резиновой звездочкой (плакат, рис. 6).

Муфта состоит из двух полумуфт, с тремя торцевыми кулачками каждая. Кулачки входят в соответствующие впадины в резиновой звездочке, являющейся упругим элементом. Зубья звездочки работают на сжатие. В работе участвуют лишь половина зубьев. Муфта имеет небольшие габариты. Муфта обладает пониженными компенсационными свойствами по сравнению с другими типами упругих муфт с резиновыми элементами.

Допускаемые смещения валов (ориентировочное): осевое – 1…3 мм, радиальное – 0,1…0,2 мм, угловое – до 1⁰.

3.7. Муфта с цилиндрическими стальными стержнями (плакат, рис. 7).

Муфта состоит из двух одинаковых полумуфт, соединенных между собой стальными цилиндрическими стержнями, оси которых располагаются в отверстиях, просверленных в полумуфтах, и удерживаются от выпадения крышками. Характеристика крутильной жесткости муфты определяется профилем отверстий в полумуфтах, в которых располагаются стержни.

Допустимое смещение валов: осевое – 1…2 мм, радиальное – до 1 мм, угловое – до 1⁰.

3.8. Муфта со змеевидной пружиной (плакат, рис. 8).

Эта муфта имеет металлический упругий элемент и отличается небольшими габаритами. Монтаж муфты может производиться без особого сдвига узлов. Муфта состоит из двух полумуфт с зубьями специальной формы, расположенными на наружной поверхности. Зубья обвиты зигзагообразной ленточной пружиной. Муфты постоянной жесткости имеют зубья трапецеидальной формы, при нелинейной характеристике жесткости боковые поверхности очерчены дугами окружностей. Число зубьев 50-100. Пружина состоит из одной или более секций, закладываемых между зубьев. Кожух препятствует выбрасыванию консистентной смазки из плоскости зубьев при вращении.

Допустимые смещения валов: осевое – 4…20 мм, радиальное – 0,5…3мм, угловое – до 1⁰.

3.9. Пальцевая муфта с цилиндрическими пружинами сжатия (плакат, рис. 9).

Муфта состоит из двух одинаковых фланцевых полумуфт. Во фланцах каждой полумуфты крепится по четыре пальца. На пальцы одеваются специальные сегменты. Между соседними сегментами располагаются цилиндрические витые пружины сжатия. Крутящий момент с одной полумуфты через пальцы и расположенные между пальцами пружины передаются на другую полумуфту.

Обычно пружины при сборке вставляются с некоторым предварительным сжатием. При демонтаже нет необходимости раздвигать соединенные агрегаты по оси, для этого вынимаются пальцы через отверстия, расположенные во фланце другой полумуфты.

Эта муфта допускает значительные смещения валов: осевое – 3…5 мм, угловое – 1…2⁰, обусловленные конструкцией муфты и радиальные смещения до 2…3 мм.

3.10. Муфта упругая втулочно-пальцевая (МУВП), по ГОСТ 2229-… (плакат, рис. 10).

В этих муфтах момент передается через пальцы и сидящие на низ резиновые кольца трапецеидального сечения, служащие упругими элементами. Кольца подвергаются неравномерному сжатию. Трапецеидальная форма сечения выбрана для некоторого выравнивания напряжений и уменьшения крутильной жесткости муфты. Пальцы закреплены своими коническими хвостовиками в одной полумуфте и входят в цилиндрические отверстия в другой полумуфте. Число пальцев в зависимости от размеров муфты – от 4 до 12.

Допускаемые смещения: осевое – в пределах осевого монтажного зазора, радиальное – 0,3…0,6 мм (менее радиального зазора между кольцами и отверстиями в полумуфте), угловое – до 1⁰.

4. ОПИСАНИЕ СТЕНДА ДЛЯ СТАТИЧЕСКОГО ИСПЫТАНИЯ МУФТ.

Стенд СИМ (см. рис. 3) состоит из двух опор 1 и 2, установленных на опорной плите 3.

В опоре 1 неподвижно закреплен вал 4. В опоре 2 закреплен неподвижно в подшипниках вал 5. Валы 4 и 5 соединены муфтой 6 типа МУВП (муфта упругая втулочно-пальцевая). На муфте 6 закреплен индикатор 7 для измерения угла поворота одного вала относительно другого.

Между опорами 2 расположено нагружающее устройство. Оно состоит из рычага 8, посаженного на вал 5, сильфона с манометром 9 измерения усилия, действующего на рычаг 8, и винтовой пары с маховиком 10.

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ.

5.1. Вынуть из полумуфты 1 палец и определить следующие величины:

z – число пальцев муфты;

d_n – диаметр пальца в мм;

d_b – наружный диаметр резинового кольца в мм;

D – диаметр окружности центров пальцев в мм (168);

l – общая толщина колец, находящихся на одном пальце в мм.

После измерений палец вставить на свое рабочее место в полумуфту.

5.2. Подсчитать по формуле (6) наибольший крутящий момент муфты:

(6)

и по формуле (7) – наибольший угол закручивания:

(7)

где [p] – допустимое давление для кольца из резины, до 20∙10⁵ Па, E – модуль упругости резины, 80∙10⁵ Па.

5.3. Для проведения эксперимента значение T принять равным 30–50 Н∙м (по указанию руководителя работ). Принятое значение разбить на 10 значений:

где i = 1,2,3,…10.

5.4. Подсчитать показания манометра в делениях. В нашем случае удобно воспользоваться зависимостью:

(8)

где P_i – давление по манометру, Па;

l – длина рычага 8 (см. рис. 3) – 132 мм;

S – площадь сильфона загрузочного устройства (0,000456 м2).

Тогда:

где:

Например, принимаем T = 30 Н∙м

Н∙м

Па

На установке смонтирован образцовый манометр на 16∙10⁵ Па имеющий на шкале 100 делений. Цена одного деления 16∙10³ Па. Для отсчета P₁ = 50000 Па стрелка прибора должна занимать положение 50000/16∙10³ Па = 3,13 деления, P₂ = 6,26; P₃ = 9,39…P₁₀ = 31,3 деления.

5.5. На установке СИМ (см. рис. 3) загрузочным устройством (вращением маховика 10 по часовой стрелке) создать момент T на муфте 6, выждать паузу 15 секунд и произвести запись показания стрелки индикатора h_i в мм. Аналогичные замеры произвести при снижении момента T.

Примечание:

1. Пауза в 15 секунд вызвана изменением деформации резиновых элементов муфты при действии постоянной нагрузки.

2. Для удобства снятия показаний и выполнения расчетов все данные занести в таблицу 1.

5.6. Для всех значений T определить значения углов

(9)

где K₂ = 0,287, R – расстояние от оси муфты до ножки индикатора (200 мм).

5.7. По полученным значениям построить график , который представляет собой петлю гистерезиса (см. рис. 2).

5.8. По полученным кривым определить коэффициент относительного деформирования φ (см. рис. 2).

Площади петли гистерезиса могут быть измерены с помощью планиметра или путем измерения перенесенного на миллиметровую бумагу графика, в мм².

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие муфты называются упругими?

1. Перечислить основные характеристики упругих муфт.

1. К какой группе по форме характеристики жесткости относится испытываемая муфта?

1. Какие значения принимают углы закручивания от ?

Приложение I.

Приложение I. (продолжение)

Рис. 3

Рис. 4

Проверил_________________ «___»______________200 г.

Лабораторная работа №17. Изучение конструкций и характеристик упругих муфт

1. Конструкция муфт

1.1. Муфта с упругой торообразной оболочкой

1.2. Муфта пальцевая с промежуточным резиновым или резинокордным диском

1.3. Муфта с резиновой звездочкой

1.4. Муфта с зигзагообразными плоскими пружинами

1.5. Муфта втулочно-пальцевая (МУВП)

1.6. Пальцевая муфта с цилиндрическими металлическими пружинами

1.7. Муфта со стальными цилиндрическими стержнями

2. Схема определения угла закручивания полумуфт

Угол закручивания полумуфт

Плечо установки индикатора

при R = 200мм и φ < 6⁰,

где h – показание индикатора, мм

3. Результаты испытаний муфт на крутильную жесткость

Число делений манометра

Перемещение

При нагружении

h мм

φ град

При разгружении

h мм

φ град

Перевод значений крутящего момента муфты в число делений манометра производится по тарировочному графику (см. руководство к лабораторной работе).

График

Работа упругой деформации.

А_упр – работа упругой деформации равная площади треугольника под петлей гистерезиса (из графика)

Коэффициент относительного демпфирования.

где – работа, превращенная в тепло за цикл нагружения, равная площади петли гистерезиса (из графика).

Ответы на контрольные вопросы.