Предохранительные муфты

24 Ноября 2011

Общие сведения

Рабочий процесс многих машин и механизмов имеет динамический характер, сопровождающийся кратковременными (пиковыми) повышениями нагрузки. Кроме того, увеличение нагрузки может быть вызвано нештатными ситуациями в работе машины: прекращением подачи смазки, забиванием рабочих органов, заеданием и др. Расчет механизмов по таким максимальным нагрузкам привел бы к ненужному утяжелению и удорожанию машины. Поэтому часто проектирование ведется исходя из номинальных нагрузок, а для предотвращения поломок деталей при перегрузках применяют предохранительные устройства. Функции предохранительного звена могут выполнять и элементы привода, допускающие проскальзывание. Так, в гидроприводах перегрузки предотвращаются предохранительными клапанами.

При передаче крутящего момента между валами для защиты от перегрузок применяются предохранительные (перегрузочные) муфты. Иногда их еще называют муфтами предельного момента. Их устанавливают в машинах ударного действия; в машинах, обрабатывающих неоднородную среду; в автоматических машинах и устройствах; в ответвляющихся цепях кинематических цепей машин, передающих небольшую часть мощности приводного двигателя (приводы подачи металлорежущих станков). Поскольку предохранительные муфты не могут устранить возникающие несоосности валов, нередко их комбинируют с компенсирующими муфтами.

Предохранительные муфты по принципу действия разделяются на: муфты с разрушающимся элементом (не рассматриваются); фрикционные (рис. 1, а); пружинно-кулачковые (рис. 1, б); магнитные (рис. 1, в). Пружинно-кулачковые муфты имеют ряд разновидностей, в которых кулачки заменены шариками или роликами.

Фрикционные муфты (рис. 1, а) являются простейшими по конструкции. Они применяются при частых кратковременных перегрузках, главным образом ударного действия.

Фрикционная муфта (рис. 2) состоит из ступицы 1, подвижного нажимного диска 2, фрикционных накладок 3 (не содержащих асбеста!), регулировочной гайки 4, стопорного винта 5, тарельчатых пружин 6, подшипника скольжения (втулки) 7, датчика вращения 8 (опционально), стопорного винта 9. Между фрикционными накладками устанавливаются либо стандартизованные звездочки или шкивы, либо фланец. Принцип работы такой муфты прост: тарельчатые пружины через нажимное кольцо создают осевое усилие, прижимая фрикционные накладки к ступице и фланцу (звездочке). При превышении действующим моментом момента трения, фланец (звездочка) прокручивается по втулке, являющейся подшипником скольжения. Изменяя количество и взаимное расположение тарельчатых пружин, производители получают муфты с различным передаваемым моментом. Применение датчика вращения позволяет контролировать время проскальзывания муфты и снижает риск ее повреждения.

        

При действии перегрузки (рис. 3) муфта проскальзывает, и вращение выходного вала прекращается. Соединение валов восстанавливается автоматически без прекращения передачи момента при проскальзывании.

Вместо подшипника скольжения в муфтах нередко устанавливают игольчатый подшипник. Применение подшипника качения оправдано при частых срабатываниях муфты, при высоких скоростях скольжения, при больших радиальных нагрузках и при высоких требованиях к точности взаимного расположения вала и приводного элемента (например, при установке зубчатого колеса).

Производители (фирмы KTR, Mayr, Ringspann) предлагают муфты с диапазоном передаваемого крутящего момента T=2…50 000 Нм при диаметре вала d=20…200 мм соответственно. Важным параметром является максимально допустимая относительная скорость проскальзывания n_s, мин^-1 . С ростом размеров муфты скорость уменьшается. Так, для муфты с диаметром вала d=20 мм допустимая скорость скольжения в течение t_S=1 с может достигать n_S= 8 500 мин^-1, а для d=200 мм снижается до n_S=700 мин^-1.

Пружинно-кулачковые предохранительные муфты (рис. 1, б) отличаются от фрикционных муфт повышенной точностью срабатывания, т.к. упругие свойства пружин более стабильны, чем коэффициент трения фрикционных элементов. Преимуществом пружинно-кулачковых муфт специальных конструкций является также отсутствие мертвого хода и высокая крутильная жесткость, что очень важно в приводах с обратной связью (сервоприводах). Однако, при высоких скоростях такие муфты не применяются, т.к. подвергаются многократным перегрузкам вследствие повторных самовключений. Мак-симальные передаваемые моменты у этих муфт также ниже, чем у фрикционных.

Пружинно-кулачковые муфты делятся на кулачковые (рис. 4, а), шариковые (рис. 4, б) и кулачково-роликовые (рис. 4, в). В кулачковых муфтах рабочие поверхности кулачков делают не плоскими, а выполненными по винтовой линии. Обработка таких поверхностей технологически сложна. Поэтому наибольшее распространение получили шариковые муфты, которые легче изготавливать. В них кулачки заменены шариками, а трение скольжения частично заменено трением качения. В кулачково-роликовых муфтах используются радиально установленные ролики, сопрягающиеся с ответными пазами.

Пружинно-шариковая муфта (рис. 5) состоит из ступицы 1, подвижного нажимного диска 2, обоймы с шариками 3, регулировочной гайки 4, тарельчатых пружин 5, упорного игольчатого подшипника 6, подшипника скольжения 7 и выходного фланца 8. Принцип работы такой муфты следующий: тарельчатые пружины через нажимное кольцо создают осевое усилие, прижимая шарики к гнездам в ступице и фланцу (рис. 4, б); при превышении действующим моментом допустимой величины шарики выходят из гнезд и передача вращения прекращается.

        

В отличие от фрикционных пружинно-шариковые муфты имеют различные варианты восстановления соединения валов (рис. 6). При срабатывании муфты, представленной на рис. 5, прекращается вращение выходного вала, однако, на него передается остаточный крутящий момент (рис. 6, а). Включение муфты происходит автоматически после прекращения действия перегрузки и поворота полумуфт на целое число угловых шагов шариков.

Если в конструкцию муфты между подвижным диском и пружинным блоком добавить запорный механизм (рис. 7), замыкающий подвижную полумуфту при срабатывании, то восстановление вращения возможно только вручную или внешним исполнительным механизмом. Диаграмма муфты с подобным механизмом представлена на рис. 6, б.

        

В некоторых конструкциях, например, в подъемных машинах, прерывание передачи крутящего момента недопустимо, а при перегрузке необходима сигнализация. Тогда в базовую конструкцию муфты (рис. 5) вводят ограничитель хода подвижного диска (рис. 8, а). При срабатывании муфты подвижный диск отходит от неподвижного до упора в ограничитель. Муфта выдерживает 4-х кратное превышение нагрузки от номинального значения. При перемещении срабатывает бесконтактный (рис. 8, б) или контактный датчик. Диаграмма работы такой муфты представлена на рис 6, в. Необходимо отметить, что датчик срабатывания может быть установлен и в другие типы муфт, генерируя сигнал о срабатывании.

В конструкциях некоторых машин и агрегатов необходимо выдерживать точное взаимное угловое положение ведущего и ведомого звеньев. По признаку взаимного углового положения валов муфты делятся на храповые и синхронные. Муфта, изображенная на рис. 5, имеет храповое исполнение.

В муфте храпового исполнения после прекращения действия перегрузки шарики занимают следующую свободную позицию, а, следовательно, взаимное положение валов произвольное.

На рис. 9 представлена кулачково-роликовая пружинная муфта, восстанавливающая соединение только при повороте полумуфт на 360° (45°, 60°, 90° или 180°). Это муфта синхронного действия. Принцип работы аналогичен рассмотренной пружинно-шариковой муфте. Строго определенное взаимное положение валов достигается неравномерным угловым положением кулачков и ответных роликов (рис. 4, в). Синхронное исполнение могут иметь также пружинно-шариковые муфты (рис. 11, б, 12, б, 13, б).

Производители пружинно-шариковых (кулачковых) муфт (фирмы KTR, Mayr, Ringspann) предлагают муфты с диапазоном передаваемого крутящего момента T=2,5…6 000 Нм при диаметре вала d=20…150 мм соответственно. Для муфты с диаметром вала d=20 мм допустимая скорость скольжения в течение t_S=1 с составляет n_S= 4 300 мин^-1, а для d=150 мм снижается до n^S=600 мин^-1.

В современных машинах широкое распространение получили системы с датчиком обратной связи (сервоприводы). Чаще всего датчик обратной связи устанавливается на двигателе (серводвигателе), а перемещения приводимого механизма отслеживают по числу оборотов двигателя. Например, именно на этом принципе работает большинство станков с ЧПУ. Однако, если элементы, расположенные в кинематической цепи после двигателя (муфты, редукторы и т.д.) имеют малую крутильную жесткость и (или) мертвый ход, то при реверсе нагрузки в системе подсчета перемещения возникает несоответствие между числом оборотов вала двигателя (с учетом передаточных отношений) и реальным значениями.

Для решения этой проблемы производители предлагают предохранительные муфты с отсутствием мертвого хода (рис. 11, 12, 13). Отсутствие люфта достигается за счет повышения точности изготовления элементов муфты, и, прежде всего, узла передачи момента. Равномерное распределение нагрузки между шариками обеспечивает высокую крутильную жесткость. На рис. 10, а представлена сравнительная зависимость между крутящим моментом и углом закручивания стандартной муфты и муфты с отсутствием люфта.

Для прецизионных муфт часто подбирают такую тарельчатую пружину, чтобы рабочий диапазон хода приходился на нисходящую ветвь диаграммы усилий пружины (рис. 10, б). Это позволяет увеличить скорость и точность срабатывания муфты.

По конструкции и принципу работы муфты с отсутствием мертвого хода аналогичны описанным выше пружинно-шариковым муфтам. На рис. 11 – 13 представлены муфты фирм Mayr, KTR и R+W с узлами передачи крутящего момента. Муфты имеют как храповое, так и синхронное исполнения; исполнения с запорным механизмом; исполнения без прерывания передачи момента с генераций электрического сигнала; могут быть оборудованы датчиком срабатывания.

            

Рассмотрим оригинальные конструкторские решения, отличающие беззазорные муфты различных производителей. Помимо требований к точности и отсутствию люфта в сервоприводах стремятся уменьшить массовый момент инерции (массу) приводимых частей. Уменьшение массы позволяет снизить требования к мощности дорогостоящего серводвигателя. В конструкции муфты Syntex фирмы KTR (рис. 12) крутящий момент передается через специальную тарельчатую пружину, имеющую посадочные места для шариков. Совмещение функций нажимной пружины и подвижного фланца снижает массу узла передачи момента. С другой стороны, технология изготовления специальной тарельчатой пружины усложняется.

Почти во всех муфтах для повышения точности хода выходного фланца и уменьшения общих габаритов узла подшипник скольжения меняется на подшипник качения. В конструкции муфт фирмы R+W (рис. 13) применяются интегрированные подшипники. Это позволяет уменьшить массу подшипникового узла и размеры выходного фланца. Однако усложняется технология производства муфты (необходимость выполнения дорожек качения, сложность сборки и т.д.)

Кроме шпоночного соединения в муфтах широко применяются фрикционные зажимные ступицы (рис. 11 – 13). Их применение облегчает сборку при гарантированном отсутствии зазоров в соединении муфта – вал. О типах зажимных муфт и особенностях их применения мы уже писали (РИТМ №8, 2008 г.)

Предохранительные муфты не компенсируют несоосность валов. Для этого существуют компенсирующие муфты. При необходимости установки в механизме двух типов муфт можно приобрести комбинированную муфту (рис. 14). В компенсирующей части такой муфты применяются муфты: упругие с эластомерной звездочкой (рис. 14, а, б), сильфонные (рис. 14, в), зубчатые, дисковые.

Производители пружинно-шариковых муфт с отсутствием мертвого хода предлагают муфты с диапазоном передаваемого крутящего момента T=15…2 800 Нм при диаметре вала d=4…100 мм соответственно. Для муфты с диаметром вала d=4 мм допустимая скорость скольжения составляет n_S= 4 000 мин^-1 , а для d=100 мм снижается до n_S=250 мин^-1.

Длительное скольжение во фрикционных муфтах привело бы к большому износу поверхностей трения. Поэтому в случаях необходимости длительного скольжения применяют муфты, основанные на использовании в качестве передаточного звена жидкости или сил магнитного взаимодействия. На рис. 1, в представлена магнитная муфта на постоянных магнитах. Муфта состоит из ступицы с постоянными магнитами; выходного фланца, опирающегося на подшипник качения; гильзы с магнитом, навинченной на выходной фланец, стопорного винта. Ввинчивая или вывинчивая гильзу, можно изменять передаваемый момент. В муфте отсутствуют трущиеся элементы.

Диаграмма работы муфты представлена на рис. 15. Как видно из рисунка, на выходной вал всегда действует постоянный момент, а обороты выходного вала при перегрузке падают. При проскальзывании муфты выделяется тепло. Допустимое время и скорость скольжения зависят от теплового режима муфты.

Фирма Mayr, представленная на нашем рынке, предлагает магнитные муфты с диапазоном передаваемого крутящего момента T=0,1…6 Нм при диаметре вала d=10…38 мм соответственно. Для муфты с диаметром вала d=10 мм допустимая скорость скольжения составляет n_S= 4 000 мин^-1 , а для d=38 мм снижается до n_S=3000 мин^-1. Область применения таких муфт ограничена (тестовое оборудование, управляющие механизмы и т.д.).

Установка муфт

В кинематической цепи предохранительную муфту рекомендуется располагать непосредственно на вале, приводящем в действие исполнительный механизм (рис. 16). В этом случае от перегрузок защищены все механизмы в цепи.

Однако, в большинстве случаев крутящий момент на исполнительном механизме существенно выше, чем на двигателе. Соответственно, растет габарит и цена муфты. На рис. 16, б показано альтернативное размещение муфты. При этом редуктор должен выдержать пиковые перегрузки.

Очень часто предохранительные муфты комбинируют со шкивом (звездочкой) ременных (цепных) передач или компенсирующей муфтой. При конструировании узла с предохранительной муфтой следует помнить, что не все муфты предполагают установку элементов трансмиссий непосредственно на выходной фланец. На рис. 17, а представлена установка предохранительной муфты на выходном валу электродвигателя со шкивом ременной передачи. Шкив установлен на отдельный подшипник качения. На рис. 17, б представлено исполнение предохранительной муфты с длинной ступицей, предназначенной для установки пары подшипников звездочки трехрядной цепи.

В случае комбинированной муфты, представленной на рис. 17, в, ведущая полумуфта компенсирующей части устанавливается на игольчатый подшипник. Муфты на рис. 2 и 17, г позволяют установить звездочку или шкив зубчатой ременной передачи без дополнительных опор.

Последовательность расчета

На рис. 18 под цифрой 1 представлен график реально действующего момента в произвольном механизме. Цифрой 2 обозначена граница максимального значения этого момента. Номинальный момент муфты T_N, Нм рекомендуется принимать на 30…50% больше, чем максимальный момент, возникающий при работе (обозначен цифрой 3).

Заключение

Встраивание предохранительных муфт в конструкцию приводит к снижению стоимости машины (за счет уменьшения размеров) и стоимости эксплуатации (за счет повышения надежности). Конструкции предлагаемых на рынке муфт отличаются разнообразием и позволяют удовлетворить любые требования конструктора. Остается только выбирать и помнить, что «Проблема выбора только в том, что он есть».

Михаил Гранкин
Журнал «РИТМ», февраль 2009 г.