Типы и назначения муфт

Муфты ‒ устройства для соединения валов (ведущего и ведомого) с целью передачи крутящего момента от одного к другому. Это «предохранительные клапаны» механической части системы. Без них любая микроскопическая погрешность при установке двигателя привела бы к быстрому выходу из строя подшипников и поломке валов. Муфты предназначены для передачи энергии, компенсации погрешностей (несоосности), защиты оборудования, управления процессом.

Как выглядит муфта: два массивных металлических диска (полумуфты), соединенных между собой стальными болтами-пальцами, на которые надеты черные резиновые кольца. Что такое полумуфта ‒ одна из двух основных частей соединительной муфты. Типичная полумуфта выглядит как массивный металлический диск или цилиндр с центральным отверстием, шпоночным пазом и рабочей частью.

Муфты: для чего нужны

Для чего служит муфта:

·       Компенсация несоосности. Выровнять два вала до микрона практически невозможно. Муфта прощает небольшие перекосы.

·       Защита от перегрузок. Если рабочий элемент заклинит, тогда специальная муфта «разорвет» связь или провернется, чтобы двигатель не сгорел.

·       Гашение вибраций. Муфты с эластичными вставками поглощают удары и толчки, продлевая срок эксплуатации подшипникам.

·       Разъединение узлов. Позволяют легко отсоединить агрегат для ремонта, не разбирая всю установку.

Муфта в машиностроении это устройство, предназначенное для соединения концов двух валов с целью передачи крутящего момента без изменения его значения и направления.

Типы муфт

Какие бывают типы муфт:

Жесткие

Устройства для постоянного и неподвижного соединения двух валов. Главная их особенность заключается в отсутствии упругих или подвижных элементов. После монтажа валы работают как один монолитный элемент. Жесткая муфта не допускает никаких смещений валов. При наличии между осями хотя бы незначительный перекос, жесткая муфта сможет его выпрямить. Это создаст повышенную нагрузку на подшипники и может привести к поломке вала.

Основные виды:

·       Втулочные. Простой вариант ‒ труба (гильза) с отверстиями под шпонку или стопорные винты.

·       Фланцевые. Состоят из двух дисков, стягивающиеся болтами. Подходящий вариант для передачи больших мощностей.

Жесткие муфты нуждаются в идеальной соосности. Требуется ювелирная точность при установке. Валы должны стоять идеально ровно друг относительно друга. Данные устройства передают все удары, вибрации и рывки от двигателя к механизму без смягчения. Осуществляется передача вращения и осевого усилия.

Жесткие муфты отличаются простотой и надежностью, небольшими размерами, точностью вращения. Они используются в местах, где можно обеспечить точную центровку и нет сильных вибраций: длинные валы, тихоходные механизмы, вертикальные валы, конвейерные ролики.

Гибкие

Используются для соединения валов. Их конструкция допускает определенную степень их взаимного смещения. Они не создают монолитного соединения, а «подстраиваются» под несовершенства установки оборудования. Принцип работы устройства заключается в передаче крутящего момента, сохраняя работоспособность системы, даже если оси валов не совпадают идеально.

Упругая муфта соединительная для вала ‒ изделие с элементами из резины, полиуретана или кожи. Жесткая компенсирующая муфта не имеет мягких частей. За счет конструкции (зубьев, цепей, шарниров) позволяет валам двигаться друг относительно друга.

Гибкие муфты снижают нагрузку на подшипники и уплотнения. Благодаря гашению колебаний механизмы работают тише. Не требуют высокой точности центровки валов. Это экономит время при сборке. В случае критического рывка эластичный элемент может разрушиться, сработав как предохранитель и сохранив валы целыми.

Сфера применения:

·       Насосные агрегаты.

·       Вентиляционные системы.

·       Приводы станков.

·       Транспорт.

Втулочные

Втулочная муфта – это простой вид жесткой (глухой) муфты. Она имеет вид полого цилиндра (втулки). С двух сторон вставляются концы валов. Является подходящим элементом для соединения валов в ситуациях, когда не требуется компенсация перекосов. Конструктивно втулочная муфта ‒ цельная деталь, фиксирующаяся на валах для передачи крутящего момента.

Особенности втулочных муфт:

·       Монолитность. После установки два вала превращаются в один. Изделия не имеет никаких подвижных или гибких частей.

·       Отсутствие зазоров. Обеспечивают жесткую связь без люфтов. Это важно для механизмов с реверсивным движением.

·       Требовательность к размерам. Внутренний диаметр втулки должен очень точно соответствовать диаметрам валов (посадка с минимальным зазором или натягом).

·       Монтажное пространство. Чтобы установить или снять цельную втулочную муфту, необходимо раздвигать двигатель и насос на длину всей муфты.

Втулочные муфты обладают простой конструкцией. Минимум деталей делает их дешевыми в производстве и обслуживании. Это самые компактные муфты. Их наружный диаметр немного больше диаметра самих валов. Благодаря малому весу и сбалансированной форме устройства подходят для высокооборотистых приводов.

Предназначение: насосы и вентиляторы, сельхозтехника, электромеханические приводы, вертикальные мешалки.

С разъемным соединением

Разновидность жестких муфт, корпус которых разделен в продольной плоскости на две половины. Они соединяются между собой мощными стяжными болтами. Устройства создают сильный зажим за счет сил трения и болтового соединения. Половины муфты охватывают концы валов и при затягивании болтов надежно фиксируют их. Для передачи больших крутящих моментов внутри устанавливается единая шпонка, проходящая через оба вала.

Особенности муфт с разъемным соединением:

·       Продольный разъем. Корпус состоит из двух независимых частей, что радикально меняет процесс монтажа.

·       Высокое давление прижима. Затяжка болтов создает равномерное усилие по всей поверхности соприкосновения с валом.

·       Жесткость. Не компенсируют перекосы. Валы должны быть идеально центрированы.

·       Балансировка. Из-за наличия выступающих головок болтов и гаек, муфты требуют осторожности при использовании на высоких оборотах (могут вызвать вибрацию).

Монтаж осуществляется без разборки. Выполняется надежная фиксация без люфтов. Соединение валов происходит даже в стесненном пространстве, где нет места для осевого перемещения узлов. Благодаря ремонтопригодности можно быстро проводить дефектовку валов без полной разборки привода.

Фланцевые

Состоят из двух полумуфт в форме дисков (фланцев), которые жестко закрепляются на концах валов и стягиваются между собой болтами. Используются для передачи больших мощностей, когда требуется создать монолитное соединение. Две металлические ступицы с широкими полями (фланцами) насаживаются на валы с помощью шпоночного соединения или прессовой посадки. Устройства обладают высокой нагрузочной способностью, надежностью конструкции, высокой жесткостью при скручивании. Они применяются в крупных насосных станциях, судостроении, турбогенераторах, вертикальных валах.

Компенсирующие

Компенсирующая муфта это устройство для соединения валов, которое способно работать даже в условиях их несоосности. Она справляются с тремя типами отклонений: радиальное, осевое, угловое. Компенсирующие муфты предназначены для:

·       снижения износа подшипников и валов;

·       уменьшения вибрации и шума;

·       продления срока службы электродвигателей и редукторов;

·       повышения надежности и плавности работы оборудования;

·       упрощения монтажа и обслуживания привода.

Зубчатые

Жесткие компенсирующие муфты, состоящие из двух полумуфт с наружными зубьями и общей разъемной обоймы с внутренними зубьями. Внутренние втулки насаживаются на валы и имеют наружные зубья. Внешняя обойма состоит из двух половин, скрепленных болтами, и имеет внутренние зубья, которые входят в зацепление с втулками. Внутренняя полость заполняется густой смазкой для уменьшения трения и износа. Благодаря сферической поверхности зубьев, муфты допускают угловое смещение валов до 1.5°, а также небольшие радиальные и осевые сдвиги.

Универсальные шарниры Гука

Тип механического соединения, предназначенный для передачи крутящего момента между валами, пересекающимися под углом (может меняться во время работы). Конструкция шарнира Гука состоит из двух вилок, крестовины, игольчатых подшипников. Шарнир Гука может передавать вращение под углом до 30°-45°. Позволяет валам менять положение друг относительно друга прямо во время движения. Способен передавать очень большие крутящие моменты при относительно малых размерах.

Муфты Олдхема

Компенсирующие устройства для передачи крутящего момента между валами, оси которых параллельны, но имеют радиальное смещение (не совпадают). Они состоят из:

1.     Двух полумуфт (фланцев). Устанавливаются на концах ведущего и ведомого валов. На торце каждой полумуфты прорезан глубокий паз.

2.     Центрального промежуточного диска. Находится между фланцами. С обеих сторон диска есть выступы (шипы), расположенные под углом 90° друг к другу.

Муфты Олдхема применяются в станках с ЧПУ и робототехнике, сервоприводах, печатных машинах и сканерах, насосах и дозаторах.

Кулачковые

Упругие компенсирующие муфты, передающие крутящий момент через зацепление выступов (кулачков) двух полумуфт через эластичную вставку. Конструкция муфты напоминает две короны, зубья которых входят в пазы друг друга. Изделия поглощают толчки от двигателя и удары от исполнительного механизма, защищая подшипники. Справляются с небольшими радиальными, осевыми и угловыми перекосами одновременно. Кулачковые муфты разрывают электрическую цепь, защищая от блуждающих токов.

Балочные

Безлюфтовые компенсирующие муфты, изготовленные из единого материала, в котором прорезана спиральная канавка. Их конструкция ‒ цилиндр (из алюминия или стали). В средней части сделан сквозной спиральный пропил. Он превращает жесткий металл в гибкую «балку». Благодаря монолитной конструкции между ведущим и ведомым валом нет зазоров. Спираль позволяет муфтам изгибаться (угловое смещение), сдвигаться вбок (радиальное) и сжиматься/растягиваться (осевое). В конструкции нет подвижных деталей.

Гидравлические

Устройства, передающие крутящий момент от ведущего вала к ведомому не через прямой механический контакт, а с помощью кинетической энергии циркулирующей жидкости. Позволяют двигателю разогнаться практически без нагрузки. Гидромуфты физически не могут передать момент больше расчетного. При заклинивании оборудования масло начинает «перемешиваться» внутри, не передавая нагрузку на двигатель. За счет скольжения часть энергии превращается в тепло. Муфты имеют ребра охлаждения на корпусе.

Разновидности соединений муфт

Жесткие

Создают монолитное соединение валов. Они становятся одним целым.

Упругие

Упругая муфта это устройство, соединяющее валы через упругий элемент (резину, полиуретан, пружины). Работает как амортизатор. Гасит вибрации, смягчает рывки при пуске и предотвращает небольшие перекосы валов.

Муфта упругая втулочно пальцевая назначение:

·       Компенсация несоосности.

·       Смягчение ударов.

·       Защита оборудования.

Типы упругих муфт:

1.     Втулочно-пальцевые. Две полумуфты и пальцы с резиновыми или полиуретановыми втулками.

2.     Кулачковые (челюстные). Две полумуфты с кулачками и упругий вкладыш («звездочка»).

3.     Шинные. Резиновая шина, соединяющая фланцы болтами.

4.     Пружинные. Набор металлических пружин, работающих на кручение.

Для чего нужна упругая муфта: передача крутящего момента между валами с одновременной защитой привода от перегрузок, вибраций и неточностей монтажа.

Сцепные

Позволяют соединять или разъединять валы прямо во время работы двигателя.

Возможности и преимущества применения муфт

Применение муфт в механических и гидравлических системах является универсальным инженерным решением, дающее системе защитные и эксплуатационные возможности. Преимущества и возможности при правильном использовании муфт:

·       Защита дорогостоящих узлов. Функция «предохранителя».

·       Снижение динамических нагрузок (демпфирование). Сглаживание пиковых нагрузок при резком пуске или реверсе. Снижение износа зубчатых передач и подшипников. Техника работает тише, а вибрации не передаются на раму и фундамент.

·       Компенсация погрешностей монтажа. Идеальная соосность валов. Радикальное упрощение сборки оборудования и возможность работы в условиях, где идеальная центровка невозможна.

·       Оптимизация режимов работы. Сцепные и гидравлические муфты позволяют гибко управлять мощностью. Возможность запуска двигателя на холостом ходу с последующим плавным подключением нагрузки.

·       Гальваническая развязка (электроизоляция). При использовании муфт с полимерными или резиновыми вставками валы физически не касаются друг друга металлом. Исключение протекания токов между двигателем и исполнительным механизмом. Защита электроники от помех и предотвращение электрохимической коррозии подшипников.

Критерии выбора

Выбор муфты является поиском баланса между защитой оборудования и стоимостью решения. Чтобы система работала долго и не требовала частого ремонта следует ориентироваться на критерии:

Крутящий момент

Муфта должна передавать усилие от двигателя без разрушения. Расчет ведется по формуле: Tcalc = Tnom K nom ‒ номинальный момент двигателя. K ‒ коэффициент эксплуатационного режима. Обычно варьируется от 1.2 (спокойная работа) до 3.0 (тяжелые дробилки).

Тип и величина несоосности валов

Если валы на общей жесткой раме, тогда подойдет кулачковая или втулочно-пальцевая муфта. При возможном сильном перекосе (подвижные узлы) ‒ выбирайте шарнир Гука. Когда требуется компенсировать только параллельное смещение следует выбрать муфту Олдхема.

Динамика и частота вращения

Для высокоскоростных приводов (свыше 3000 об/мин) важна балансировка. Потребуется использовать балочные или фланцевые муфты. Если двигатель работает неравномерно, необходимы упругие муфты с большой способностью к демпфированию.

Какую муфту следует использовать если при работе механизма возникают периодические толчки и вибрации? В таком случае оптимальным выбором будет упругая компенсирующая муфта.

Условия окружающей среды

При высокой температуре резиновые вставки быстро сохнут и трескаются. Чтобы этого не происходило нужно использовать зубчатые или стальные балочные муфты. Для контакта с маслом или щелочами выбирайте полиуретановые вставки или коррозионностойкие материалы.

Особенности обслуживания и монтажа

Если оборудование нельзя раздвинуть для ремонта, выбирайте разъемные или фланцевые муфты. Для дорогостоящего механизма лучше переплатить за предохранительную муфту. Она сработает как «разрывное звено» при заклинивании.

Часто подбор муфт осуществляется по диаметру вала. Это решение является ошибочным. Сначала нужно подобрать муфту по моменту, а затем проверить, можно ли расточить ее ступицу под определенный вал. Если нет такой возможности, тогда используется муфта следующего типоразмера.