Назначение и типы соединительной муфты для вала.

Муфта вала - один из наиболее распространенных элементов машин, потому что она так важна в системах передачи вращения, передавая механическую энергию без изменения её величины.

В результате конструкторы и инженеры на протяжении многих лет разработали множество вариантов муфт для конкретных условий эксплуатации и сред.

Эта статья познакомит вас с различными типами муфт и предоставит выбор правильного варианта для вашего изделия.

Что такое муфта?

Муфта - это механическое устройство, которое соединяет одинаковые или разные валы в машинах для передачи мощности и движения. Обычно это заменяемое соединение (но в некоторых случаях может быть постоянным), которое можно удалить для обслуживания или при перегрузке системы. Муфта может быть жесткой или гибкой.

Из-за наличия множества конструкций могут быть существенные различия в конструкции и функциях двух типов механических муфт. Некоторые муфты могут соединяться с валами без перемещения вала, в то время как для установки большинства требуется перемещение вала.

В большинстве случаев муфта не меняет направление движения или угловую скорость, в отличие от шестерен. Ее нельзя подключать или отключать во время работы.

Муфта работает, постоянно поддерживая прочное, но гибкое соединение между двумя валами для передачи движения от одного вала к другому. Это происходит при допустимых значениях нагрузок и перекосов, не допуская относительного движения между двумя валами.

Назначение муфт

Муфта вала может выполнять в машине несколько функций. Конструкция может включать в себя более одной из этих функций соединения в функции продукта.

Давайте кратко рассмотрим, что это такое:

1. Передача энергии. Основная цель в большинстве случаев - передача мощности и крутящего момента от ведущего вала к ведомому - например, муфта, соединяющая двигатель с насосом или компрессором.
2. Поглощение ударов и вибрации. Муфта вала может сглаживать любые удары или вибрации от ведущего элемента к ведомому. Эта функция снижает износ компонентов и увеличивает срок службы установки.
3. Устранение любых перекосов. Несоосность валов может быть результатом первоначальных ошибок монтажа или может развиться со временем по другим причинам. Большинство муфт могут компенсировать некоторую степень перекоса (осевого, углового и параллельного) между валами.
4. Прерывание теплового потока. Муфта вала также может прерывать поток тепла между соединенными валами. Если первичный двигатель имеет тенденцию нагреваться во время работы, оборудование со стороны привода защищено от воздействия этого тепла.
5. Защита от перегрузки. Специальные муфты, известные как механические муфты с защитой от перегрузки, разработаны с целью защиты от перегрузок. При обнаружении состояния перегрузки эти ограничивающие крутящий момент муфты разрывают соединение между двумя валами. Они либо скользят, либо отсоединяются, чтобы защитить чувствительные машины.

Типы муфт

Муфты бывают самых разных форм и размеров. Некоторые из них отлично подходят для общего назначения, а некоторые разработаны специально для конкретных случаев.

Чтобы сделать осознанный выбор, важно знать о возможностях и различиях различных типов муфт. 

Как следует из названия, жесткая муфта практически не допускает относительного перемещения между валами. Инженеры предпочитают жесткие муфты, когда требуется точное выравнивание.

Любая муфта вала, которая может ограничить любое нежелательное движение вала, известна как жесткая муфта, и, таким образом, это общий термин, который включает различные конкретные муфты. Некоторыми примерами муфт вала этого типа являются втулка, компрессионная и фланцевая муфты.

Если для соединения двух валов оборудования используется жесткая муфта, они действуют как единый вал. Жесткие муфты находят применение в вертикальных механизмах, например, в вертикальных насосах.

Они также используются для передачи крутящего момента в изделиях с высоким крутящим моментом, таких как турбины. Они не могут использовать гибкие муфты, и, следовательно, все больше и больше турбин в настоящее время используют жесткие муфты между валами турбин. Такая конструкция гарантирует, что вал турбины работает как непрерывный ротор.

Любая муфта валов, которая может допускать некоторую степень относительного движения между составляющими валами и обеспечивать изоляцию от вибрации, известна как гибкая муфта. Если валы все время были идеально выровнены по оси, машины не двигались и не вибрировали во время работы, не было необходимости в гибкой муфте.

К сожалению, в реальности машины работают не так, и инженерам конструкторам приходится решать все вышеперечисленные проблемы при проектировании механизмов. В определенной степени в этом случае может зафиксировать гибкая муфта. Гибкая муфта может уменьшить степень износа машин из-за недостатков и динамики, которые являются частью почти каждой системы.

Гибкая муфта также является обобщающим термином и под своим названием включает в себя множество конкретных муфт. Эти муфты составляют большинство типов муфт, используемых сегодня. Некоторые популярные примеры упругих муфт - зубчатая муфта, универсальный шарнир и муфта Олдхема.

Втулочная муфта

Втулочная муфта ГОСТ 24246-96 - простейший пример муфты жесткого типа. Он состоит из втулки (полого цилиндра). Он имеет внутренний диаметр, равный внешнему диаметру соединяемых валов. Шпонка, шлицы, штифт используется для ограничения относительного движения и предотвращения проскальзывания между валами и втулками.

Некоторые муфты и валы имеют резьбовые отверстия, которые совпадают при сборке, чтобы предотвратить любое осевое перемещение валов. Передача крутящего момента от 1 до 12500 Н·м без уменьшения динамических нагрузок при окружной скорости на наружном диаметре муфт до 70 м/с от одного вала к другому происходит через штифт, шпоночную канавку и шлицы Эта муфта вала используется для малых и средних крутящих моментов.

Достоинствами муфт данного типа являются простота конструкции и малые радиальные габаритные размеры, что делает ее надежным выбором, если все детали спроектированы с учетом ожидаемых значений крутящего момента.

Недостатками втулочных муфт можно назвать отсутствие демпфирования и компенсации зазоров, а также неудобный монтаж.

Муфта разъемная

Муфта разъемная (продольно-свертная) по ГОСТ 23106-78 (ред. 1990 г.) Для облегчения сборки втулку муфты можно разделить на две части. Таким образом, техническому специалисту больше не нужно перемещать соединенные валы для сборки или разборки муфты. Две половины втулки удерживаются на месте шпильками или болтами.

Как и втулочные муфты, эти муфты передают мощность через шпонку и шлицы, при передаче крутящего момента от 125 до 12500 Н·м без смягчения динамических нагрузок и компенсации смещений. Муфты с разъемной муфтой используются в тяжелых условиях эксплуатации. Допускаемая несоосность валов, соединяемых муфтами, - не более 0,05 мм.

Фланцевая муфта

В фланцевых муфтах по ГОСТ 20761-96 на каждый из соединяемых валов надевается фланец. Фланцы крепятся друг к другу шпильками или болтами, а на валу - шпонкой, шлицами.

Один из фланцев имеет выступающее кольцо на своей поверхности, а другой имеет аналогичную выемку для его размещения. Такой тип конструкции помогает фланцам (и, в свою очередь, валам) поддерживать соосность, не создавая чрезмерных нагрузок на валы.

Фланцевая муфта используется в средне- и тяжелых условиях эксплуатации. Предназначенные для соединения соосных цилиндрических валов и передачи крутящего момента без уменьшения динамических нагрузок: от 16 до 40000 Н·м при окружной скорости на наружном диаметре муфт до 70 м/с - стальными муфтами, от 8 до 20000 Н·м при окружной скорости до 35 м/с - чугунными муфтами. Они могут создавать эффективные уплотнения между двумя трубами, и, следовательно, помимо передачи энергии, они используются в гидравлических системах под давлением. Фланцевые муфты бывают двух основных типов:

По типу отверстия

1. с цилиндрическими отверстиями для длинных концов валов
2. с цилиндрическими отверстиями для коротких концов валов

Тип защиты

• Фланцевая муфта незащищенного типа

Фланцевая муфта защищенного типа

Достоинства - простота конструкции, удобство при сборке.

Недостатки - большие диаметральные габариты (по сравнению с втулочной), отсутствие демпфирования и компенсации погрешностей установки валов.

Зубчатая муфта

Зубчатая муфта по ГОСТ Р 50895-96 очень похожа на фланцевую. Однако это гибкий тип муфты и может использоваться для неколлинеарных валов. Зубчатые муфты допускают угловое смещение около 2 градусов и параллельное смещение 0,25… 0,5 мм, применяются для передачи крутящего момента от 1000 до 63000 Н·м

Установка для зубчатых муфт состоит из двух ступиц (с внешними зубьями шестерни), двух фланцевых втулок (с внутренними зубьями шестерни), уплотнений (уплотнительные кольца и прокладка) и комплектного крепежа.

Передача мощности между двумя концами муфты происходит через внутреннюю и внешнюю шестерни зубчатой ​​муфты.

Зубчатые муфты способны передавать высокий крутящий момент. В результате они находят применение в тяжелых условиях эксплуатации, допускают значительную частоту вращения; окружная скорость на зубьях может составлять 25 м/с. При работе муфты происходит скольжение в местах соприкосновения зубьев и их износ. Поэтому износ является основным критерием работоспособности. Для уменьшения износ в обойму заливают жидкую смазку. Для оптимальной работы они требуют периодической смазки (консистентной смазки).

Для небольших вращающих моментов (Тmax = 380 Нм) применяют зубчатые муфты с неметаллической обоймой. Прочность такой муфты зависит, прежде всего, от материала обоймы. Муфты этого вида не являются стандартными.

Цепная (универсальная) муфта

Цепная (универсальная) муфта ГОСТ 20742-93 - универсальная компенсирующая муфта, которая компенсирует угловые и радиальные смещения за счет относительной угловой и радиальной подвижности зубьев звездочек полумуфт относительно цепи, охватывающей зубья

Предназначенные для предохранения приводов при передаче крутящего момента предназначенные для соединения соосных валов при передаче крутящего момента от 63 до16000 Н.м без уменьшения динамических нагрузок в любом пространственном положении.

Универсальный шарнир (шарнир Гука) (разговорное — «кардан»)

Универсальный шарнир (шарнир Гука) малогабаритные по ГОСТ 5147-80. Когда два вала не параллельны и пересекаются под небольшим углом, мы используем универсальный шарнир. Они служат для передачи вращающего момента между валами, имеющими большое угловое смещение осей (до 40…45º), которое может изменяться в процессе вращения муфты. Эти муфты применяют в широком диапазоне нагрузок от от 11,2 до 1120 Н-м По габаритным размерам и передаваемым моментам шарнирные муфты делят на малогабаритные и крупногабаритные.

Карданный вал состоит из пары шарниров, соединенных поперечным валом. Две петли расположены под углом 90 градусов друг к другу. Поперечный вал сохраняет эту ориентацию и также отвечает за передачу мощности. Карданный шарнир не является муфтой постоянной скорости, т.е. ведущий и ведомый валы вращаются с разной скоростью, увеличивающаяся при увеличении угла между валами.

Они находят применение в самых разных приложениях, отсюда и название. Наиболее часто универсальные шарниры используются в коробках передач и дифференциалах автомобилей.

Муфта Олдхэма

Муфта Олдхэма, с промежуточным подвижным элементом (со скользящим сухарем, крестовые) и кулачково-дисковые по ГОСТ 20720-93) - это специальная муфта вала, используемая исключительно для устранения бокового смещения вала. Предназначенные для соединения валов при передаче крутящего момента от 16 до 16000 Н·м с максимальной частотой вращения 4 с для моментов до 6300 Н·м и 1,6 с для моментов свыше 6300 Н·м при угловом смещении осей валов до 30' без уменьшения динамических нагрузок. Когда два вала параллельны, но не лежат на одной прямой, лучше всего подходит муфта Олдхема.

Конструкция состоит из двух фланцев, которые надеваются на вал, и средней части, известной как центральный диск. У центрального диска есть выступы на каждой стороне. Два выступа на самом деле представляют собой прямоугольные выступы, которые перпендикулярны друг другу и входят в пазы, вырезанные во фланцах с каждой стороны.

Фланцы крепятся к валу шпонками. Таким образом, передача мощности происходит от ведущего вала к шпонке на фланец к центральному диску, а затем через второй фланец на ведомый вал.

Муфта Олдхэма идеально подходит для случаев, когда между двумя валами имеется параллельное смещение. Такое параллельное смещение может произойти в случаях, когда требуется передача мощности между валами на разных высотах. Когда валы находятся в движении, центральный диск движется вперед и назад и регулируется в зависимости от бокового отклонения.

Муфта с торообразной оболочкой

Полумуфты, надетые на валы, соединены между собой с помощью торообразной оболочки. Фиксация оболочки обеспечивается прижимными кольцами, которые с помощью винтов притягиваются к полумуфтам.

Линейная упругая муфта по нормали МН 5809-65 ГОСТ 20884-82, которая обладает упругими и компенсирующими свойствами за счет упругой деформации неметаллической торообразной оболочки выпуклого или вогнутого профиля, установленной между торцами полумуфт. Применяется при передаче крутящего момента от 20 до 40000 Н-м, уменьшения динамических нагрузок н компенсаций смешений валов. Обладает высокими упругими и компенсирующими свойствами в связи с большим объемом деформируемой резины. Упругий элемент муфты, напоминает автомобильную шину. Работает на кручение. Это придает муфте большую энергоемкость, высокие упругие и компенсирующие свойства. Муфта стандартизована и получила широкое распространение.

Муфта упругая втулочно-пальцевая

Муфта упругая втулочно-пальцевая по ГОСТ 21424-93, благодаря легкости изготовления и замены резиновых элементов, эта муфта получила распространение в приводах от электродвигателей с малыми и средними крутящими моментами. Муфты нормализованы для диаметров валов до 150мм и предназначенные для соединения соосных валов при передаче крутящего момента от 6,3 до 16000 Н·м.

Упругими элементами служат гофрированные резиновые втулки. Из-за сравнительно небольшой толщины втулок муфты обладают малой податливостью и применяются в основном для компенсации несоосности валов в небольших пределах.

Мембранная муфта

Мембранные муфты - отличные универсальные муфты для валов. Они могут компенсировать параллельное смещение, а также большое угловое и осевое смещение. Они также обладают высоким крутящим моментом и могут передавать крутящий момент на высоких скоростях без необходимости смазки.

Мембранная муфта ЛИР-803 СКБ ИС характеристики.

• Максимальная скорость вращения 3000 об/мин
• Допустимый крутящий момент0,5 Н·м
• Допустимое радиальное смещение осей≤0,3 мм
• Допустимый наклон осей≤0,5°
• Допустимое осевое смещение≤0,2 мм

Мембранные муфты доступны в различных стилях и размерах. Конструкция состоит из двух диафрагм с промежуточным элементом между ними. Диафрагма в основном представляет собой одну или несколько гибких пластин или металлических мембран, которые соединяют приводные фланцы на валах с промежуточным элементом с помощью болтов с обеих сторон.

Изначально мембранные муфты были разработаны для приводных валов вертолетов. Но с годами они нашли широкое применение и в другом вращающемся оборудовании. Чаще всего они используются в турбомашинах из-за их высокоскоростной функции. Сегодняшние применение включают турбины, компрессоры, генераторы, самолеты и т. д.

Кулачковая муфта

Кулачковая муфта, муфта со звездочкой по ГОСТ 14084-93 - это муфта, изгибающая материал. На торцах полумуфт имеются выступы-кулачки. В рабочем положении выступы одной полумуфты входят во впадины другой. Она находит применение в общих механизмах для передачи малой мощности и управления движением. Она может компенсировать любое угловое смещение. Как и мембранные муфты, кулачковые муфты не нуждаются в смазке.

Крестовина обычно изготавливается из медных сплавов, полиуретана, Hyrtel или NBR и отвечает за передачу крутящего момента.

Муфты применяют для соединения валов в диапазоне диаметров 6…48 мм при вращающем моменте 2,5…400 Н·м. Допустимое радиальное смещение осей соединяемых валов до 0,4 мм; угловое – до 1º30'. К недостаткам следует отнести необходимость осевых перемещений валов (полумуфт) при монтаже.

Благодаря упругому характеру крестовины она подходит для передачи ударных нагрузок. Она также может довольно хорошо гасить реакционные силы и вибрацию. Чем выше демпфирующие свойства такой муфты, тем меньшим пределом прочности при кручении она обладает.

Распространены следующие формы профиля кулачков:

1. прямоугольная — требует точного взаимного расположения полумуфт в момент включения;
2. трапециевидная симметричная — не требует точного взаимного расположения полумуфт, поскольку боковые зазоры компенсируются изменением глубины посадки кулачков;
3. трапециевидная несимметричная — обеспечивает нереверсивность работы муфты за счёт того, что угол наклона одной из боковых поверхностей профиля увеличен до такой степени, что самоторможение муфты устраняется; в результате при вращении ведущего вала в одном из направлений муфта будет проскальзывать и не будет передавать вращающий момент.

Инженеры используют кулачковые муфты в компрессорах, воздуходувках, смесителях и насосах.

Муфта фрикционная

При включении фрикционных муфт крутящий момент возрастает постепенно по мере увеличения силы нажатия на поверхности трения. Это позволяет соединять валы под нагрузкой и с большой разностью начальных угловых скоростей. В процессе включения муфта пробуксовывает, а разгон ведомого вала происходит плавно, без удара. В зависимости от формы рабочей поверхности все фрикционные муфты можно разделить на три группы: муфты дисковые, муфты конические и муфты колодочные и др.

Муфта балочного типа

Муфты балочного типа изготавливаются из цельного куска материала, обычно алюминия, и в них используется система разрезов для компенсации перекоса и передачи крутящего момента. Это одна из лучших муфт для передачи малой мощности. Как правило, они имеют хорошие рабочие характеристики и являются экономичным выбором. Для многих применений балочные муфты - хорошее начало. Цельная конструкция позволяет муфте передавать крутящий момент с нулевым люфтом и не требует обслуживания.

Атрибуты пазов, такие как его шаг и количество, могут быть изменены для обеспечения возможности смещения разной степени. Фактически, инженеры могут вносить эти изменения, не жертвуя целостностью конструкции, поскольку она состоит из одной детали. Таким образом, второе название муфты балочного типа - спиральное соединение.

По сути, балочные муфты представляют собой изогнутую гибкую балку. Они доступны в однолучевой и многолучевой версиях. Многолучевые муфты могут выдерживать большее параллельное смещение, чем однобалочные муфты.

Балочная муфта используется в серводвигателях и управлении движением в робототехнике.

Другие конструкции: муфты автоматические, или самоуправляемые

Кулачковая предохранительная муфта служит для защиты машины от перегрузки.

От действия окружной силы в зацеплении возникает осевая сила, которая стремится раздвинуть полумуфты и вывести их из зацепления. Этому противодействует сила пружины и сила трения на кулачках и в шлицевом соединении.

Муфта центробежная обгонная (свободного хода) по ОСТ 27-60-721-84, автоматически соединяют валы только тогда, когда угловая скорость превысит некоторое заданное значение. Таким образом, центробежные муфты являются самоуправляемыми по угловой скорости. Их применяют, например, для разгона машин с большими маховыми массами при двигателе с малым пусковым моментом.

Центробежная сила прижимает колодку к барабану полумуфты. Этому препятствует сила , возникающая от прогиба пружины. Значение силы регулируют винтом.

Муфта свободного хода передает крутящий момент в одном заданном направлении.

Например, в велосипедах они передают крутящий момент от педалей на колесо и, в то же время, позволяют колесу свободно катиться при неподвижных педалях. Роликовые или шариковые муфты обеспечивают бесшумную работу (в отличие от других типов таких, как храповые конструкции). Муфты состоят из трех основных элементов: обоймы, ступицы и роликов. При вращении одного из звеньев ролики автоматически вкатываются в клиновую щель и заклиниваются, связывая этим оба звена в одно целое. При вращении в противоположном направлении ролик выходит в широкую часть паза и связь звеньев исчезает.

Гидравлическая муфта

Гидравлическая муфта - это особый тип, который использует гидравлическую жидкость для передачи крутящего момента от одного вала к другому.

Муфта вала состоит из рабочего колеса, соединенного с ведущим валом, и рабочего колеса, соединенного с ведомым валом. Вся установка закреплена в корпусе, также известном как оболочка.

Когда ведущий вал вращается, крыльчатка ускоряет жидкость, которая затем вступает в контакт с лопастями рабочего колеса. Затем жидкость передает свою механическую энергию рабочему колесу и выходит из лопастей с низкой скоростью.

Гидравлическая муфта используется в автомобильных трансмиссиях, морских силовых установках, локомотивах и некоторых промышленных применениях с постоянной циклической нагрузкой.

Пневмокамерная муфта

Пневмокамерная муфта: Механическая асинхронная муфта, у которой управление соединения и разъединения валов осуществляется с помощью пневмокамеры путем ввода или вывода в зацепление фрикционных поверхностей колодок, установленных подвижно через несущие упоры на одной из полумуфт, с внутренней поверхностью второй полумуфты

Пневмокамерные муфты отличаются от шинно-пневматических муфт тем, что между баллонами и фрикционными накладками расположены пустотелые башмаки, обеспечивающие вентиляцию муфты и более эффективную теплоизоляцию баллона.

Электромагнитная муфта

Сцепление электромагнитных муфт осуществляется под действием сил магнитного притяжения, возникающих при включении постоянного тока в обмотку возбуждения муфты. В буровых установках применяются индукционные муфты скольжения, сцепляющиеся через магнитное поле, и ферропорошковые муфты имеющие электромеханическую связь.

Электромагнитная муфта скольжения (ЭМС) состоит из концентрично расположенных якоря и индуктора, на котором установлена обмотка возбуждения. При включении постоянного тока в обмотку возбуждения возникает магнитный поток, который наводит в якоре переменную электродвижущую силу, в результате чего возникает ток якоря. Взаимодействие тока якоря с магнитным потоком полюсов индуктора приводит к возникновению электромагнитного момента, под действием которого ведомый вал начинает вращаться в направлении ведущего вала. Величина вращающего момента ЭМС зависит от частоты вращения якоря относительно индуктора и силы тока возбуждения.

Остальные см. ГОСТ Р 50371-92 Муфты общемашиностроительного применения.

Параметры для выбора

Муфты валов являются неотъемлемой частью систем управления движением и передачи энергии. При правильном применении они обеспечивают невероятные преимущества и устраняют многие проблемы, связанные со сборкой и обслуживанием.

Для этого инженеры конструкторы должны учитывать множество факторов, чтобы сделать правильный выбор. Знание о них помогает уменьшить количество отказов соединения и улучшить возможности системы. Вот эти факторы:

• Величина крутящего момента
• Пределы углового выравнивания
• Скорость вращения
• Ограничения по смазке

Уровни крутящего момента

Большинство производителей используют номинальный крутящий момент в качестве основы для классификации муфты. Величина крутящего момента зависит от того, используется ли муфта для управления движением или передачи энергии. Первая имеет меньший крутящий момент и меньшие нагрузки по сравнению со второй. Знание ожидаемой величины крутящего момента в механизме сузит выбор подходящей муфты.

Пределы выравнивания

Разные устройства имеют разные потребности в выравнивании. Точно так же некоторые муфты вала могут работать только с одним типом несоосности, в то время как другие могут работать с несколькими типами.

Производители также указывают пределы смещения для различных типов каждой муфты. Эта величина помогает еще больше сузить поиск и связать правильную муфту с нужной машиной.

Максимальная скорость вращения

Каждая муфта также имеет максимально допустимую частоту вращения. Этот предел также опубликован для муфт вала. Муфты общего назначения нельзя использовать как есть для механизмов с высокими оборотами. Муфты с высокой частотой вращения нуждаются в статической и динамической балансировке для обеспечения безопасной, плавной и бесшумной работы.

Такие сбалансированные конструкции создаются за счет точной обработки и соответствующего распределения крепежа. Использование ожидаемых оборотов в минуту в качестве критерия может помочь при правильном выборе муфты.

Ограничения по смазке

Иногда условия эксплуатации (температура) могут препятствовать частой повторной смазке муфт валов, которые в этом нуждаются. С другой стороны, некоторые муфты валов спроектированы без необходимости смазки в течение всего срока их службы.

Если требования к крутящему моменту низкие, доступны также модифицированные версии обычных муфт. Эти версии поставляются со смазкой металл-металл или комбинацией металла и пластика, чтобы полностью исключить смазку.

Инженеру конструктору предстоит сделать правильный выбор муфты, оценив условия эксплуатации и потребности применения.