Лабораторна робота № 19

Випробування кулачкової запобіжної муфти

 

Мета роботи: Вивчити конструкцію запобіжної кулачкової  муфти, одержати практичні навички з її регулювання, оцінити стабільність обертаючого моменту спрацьовування муфти.

 

1 ВКАЗІВКИ З САМОПІДГОТОВКИ ДО РОБОТИ

 

1.1 Завдання для самостійної підготовки

Під час самостійної підготовки до лабораторної роботи ознайомитись з областю застосування, класифікацією, умовами роботи, особливостями конструкції основних типів самокерованих муфт, зокрема запобіжних. З’ясувати роль і місце кулачкових муфт, їх недоліки і переваги, основні відмінності кулачкових керованих муфт від кулачкових самокерованих. Розглянути основи розрахунків запобіжних кулачково-пружинних муфт на момент спрацьовування, вияснити фактори, які впливають на стабільність моменту спрацьовування. Підібрати метод статистичної оцінки стабільності моменту спрацьовування.

 

1.2 Питання для самопідготовки

1 Класифікація самокерованих муфт.

2 Роль і місце запобіжних муфт. Класифікація запобіжних муфт по принципу дії і конструкції.

3 Змінення якого силового параметра приводять до спрацьовування кулачкової запобіжної муфти.

4 Принцип дії, область застосування пружино-кулачкових запобіжних муфт. Що обмежує цю область застосування?

5 Класифікація пружино-кулачкових муфт по кількості та формі кулачків, числу пружин, тощо.

6 Які вимоги потрібно пред’являти до пружин запобіжної пружино-кулачкової муфти?

7 Переваги та недоліки пружино-кулачкових запобіжних муфт (в порівнянні з фрикційними).

8 Чому пружино-кулачкові муфти називають "тріскачками"?

9 Розрахунок моменту спрацьовування муфти. Регулювання муфти на цей момент.

10 Від чого залежить стабільність моменту спрацьовування муфти? Оцінка стабільності спрацьовування муфти методами математичної статистики.

 

1.3 Рекомендована література

1. Деталі машин: підручник : затверджено МОН України / А. В. Міняйло та ін. – К.: Агроосвіта, 2013. – 448 с.

 

2 ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

 

1 Опис конструкції муфт

Муфти – вузол привода механізму (машини), котрий передає обертовий рух та/або крутний момент, з одного вала на інший, котрий зазвичай розташований на одній осі з першим чи під кутом до нього, або з валу на деталь (шків, зубчасте колесо тощо), що вільно розташована на ньому, без зміни крутного моменту за величиною.

 

 

Рисунок 1 – Класифікація муфт

 

Крім зазначеного, муфти приводів можуть виконувати інші важливі функції: компенсацію невеликих монтажних відхилень взаємного розташування вузлів і агрегатів, роз'єднання валів, автоматичне керування роботою машини, плавне сполучення валів при запуску машин, захист машин від поломок в аварійному режимі тощо.

Кулачкова муфта – це керована або зчіпна муфта, що складається з двох півмуфт, розташованих на кінцях валів і робочому положенні виступи однієї півмуфти входять у впадини другої, при цьому одна з півмуфт є рухомою за допомогою механізму керування муфтою.

За принципом роботи кулачкові муфти відносять синхронних з профільним замиканням. Такі муфти застосовують для передачі значних моментів при нечастих включеннях, необхідності жорсткого кінематичного зв'язку і необов'язковій плавності вмикання.

Керовані і самокеровані кулачкові муфти складаються з двох півмуфт (1 і 2) із кулачками (3) на торцевих поверхнях. При вмиканні кулачки одної півмуфти входять у западини другої, створюючи жорстке зчеплення. Для переключення муфти одна з півмуфт за допомогою механізму керування (вилкою в пазу 4), (для самокерованих муфт – під дією внутрішніх сил) переміщається уздовж вала по шліцах або по направляючій шпонці.

Кулачкові муфти не допускають неспіввісності валів, що з'єднуються. Співвісність півмуфт забезпечують або розташуванням їх на одному валу або за допомогою спеціального кільця (5), запресованого в нерухому півмуфту, яке центрує кулачки (рис. 2).

Рисунок 2 – Кулачкова муфта

Матеріал півмуфт - сталь 20Х або сталь 20ХН. Для підвищення зносостійкості робочі поверхні кулачків цементують і загартовують до твердості не нижче 54 60 HRC_э.

 

2 Елементи муфт

Основні елементи муфти - кулачки бувають різноманітних профілів (рис. 2): трикутного (а), трапецеїдального (б), прямокутного (в), - відповідно для малих, середніх і великих навантажень. Кулачки прямокутного профілю потребують точного взаємного кутового розташування півмуфт у момент вмикання і, внаслідок малих бічних зазорів, мають затруднене вмикання, але не створюють відтискаючих сил при роботі муфти. У муфтах із трапецеїдальними кулачками, внаслідок нахилу опорних поверхонь, виникають осьові сил, які прагнуть розсунути півмуфти й утрудняють вмикання. Гострокутні профілі полегшують вмикання, але потребують осьової сили підтискання тим більшої, чим більше значення кута a профілю (для трикутного профілю a = 30…45°). Асиметричний профіль кулачків (рис. 3, г) застосовують у нереверсивних механізмах для полегшення вмикання муфти. Значення кута a трапецеїдального профілю (звичайно 2…5°) призначають так, щоб забезпечити самогальмування або не створювати великих відтискних сил. Для полегшення перемикання інколи пропонують кулачки з додатковими скосами (рис. 3, д). 

Рисунок 3 – Профілі кулачків муфти

 

Число кулачків приймають z = 3…60 у залежності від значення обертаючого моменту і бажаного часу вмикання, що тим менший, чим більше значення z.

  Кулачкові муфти прості у виготовленні і малогабаритні. Недолік кулачкових муфт - неможливість вмикання на швидкому ходу. Щоб уникнути сильних ударів і ушкодження кулачків, вмикання муфти роблять без навантаження при максимальній різниці колових швидкостей на кулачках не більш 1 м/с.

  Критеріями працездатності кулачкових  муфт є зносостійкість та міцність на згин кулачків.

Зношування кулачків відбувається внаслідок їх відносного переміщення (ковзання) під навантаженням у момент вмикання та вимикання муфти при обертанні.

Розрахунок на зносостійкість проводять по середньому тиску на робочих поверхнях у припущенні рівномірної роботи усіх кулачків

Розрахунок на міцність по напруженням згину біля основи кулачка проводять у припущенні неповного вмикання (сила прикладена до вершини кулачка).

3 Запобіжна кулачкова муфта

Запобіжна муфта – самокерована муфта, яка призначена для роз'єднання валів або валу з деталлю, що встановлена на ньому, при недопустимому збільшенні крутного моменту, що передається (перевантаженні) або швидкості обертання, тобто оберігає машину від поломки в разі порушення нормального режиму роботи. У тих випадках, коли вплинути на динаміку привода шляхом встановлення пружної муфти немає можливості, величина та форма навантаження носять випадковий характер, і привод вимагає захисту від перевантажень, необхідно застосовувати запобіжні муфти, які розмикають кінематичний ланцюг при перевантаженні крутним моментом. Такі муфти бувають із руйнованими та з неруйнівними елементами.

Пружинно-кулачкова запобіжна муфта по конструкції аналогічна зчіпній кулачковій, тільки рухому в осьовому напрямку півмуфту притискають до нерухомої не механізмом керування, а постійно діючою пружиною з регульованою силою притискання (рис. 4).

Такі муфти забезпечують достатньо високу точність спрацьовування за рахунок стабільності тиску пружин і постійного значення коефіцієнту тертя між кулачками.

Принцип роботи кулачкової запобіжної муфти полягає в тім, що передача зусилля через кулачкове з'єднання можлива лише при певному осьовому зусиллі пружини.

Форма профілю кулачків 5 трапецеїдальна, може бути трикутна. Кулачкова муфта постійно замкнута. Кулачки веденої напівмуфти 1 фіксуються пружиною стиску 3 у западинах між зубами ведучої напівмуфти 2. Переваги такої муфти: простота конструкції, малі габаритні розміри; недолік – значне зношування робочих поверхонь, шум при вмиканні.

Рисунок 4 – Пружинно-кулачкова запобіжна муфта: 1 – ведена напівмуфта; 2 – ведуча напівмуфта; 3 – пружина стиску; 4 – регулювальні гайки; 5 – кулачки (3 шт.)

 Застосовуються пристрої регулювання пружини, як правило, гвинтового типу. Трапецеїдальні (або трикутні) кулачки виконують невеликої висоти з кутом a профілю 30, 45, частіше 60°. При перевантаженні сума осьових складових сил F₀ на гранях кулачків перевищує притискну силу пружини, і муфта спрацьовує - відключає ведений вал та багаторазово поклацує кулачками (за це їх часто називають тріскачками), подаючи своєрідний звуковий сигнал про перевантаження.

 

4 Випробування запобіжної кулачкової муфти

Потрібна сила стиску пружини визначається з умови рівноваги рухомої півмуфти. Ця сила залежить від двох складових: сили, що долає опір кулачків при їх взаємному переміщенні і сили тертя півмуфти по поверхні вала (шліцьового або шпонкового з’єднань).

Величина обертального моменту, що передають муфти таких конструкцій залежить від габаритних розмірів, діаметра та фізико-механічних характеристик пружини. Дані муфти характеризуються простотою конструкції, надійністю та високими пружними властивостями.

Муфти запобіжні кулачкові застосовуються при невеликих швидкостях і обертаючих моментах (при великих швидкостях дають багаторазові перевантаження в момент повторних вмикань). Мають високу точність спрацьовування. Робочі поверхні кулачків виготовляють з кутом нахилу до осі a = 30 ÷ 45°, частіше a = 45°. Обертаючий момент передається кулачками трапецієподібного профілю, які притискаються один до одного однією центральною пружиною, або декількома пружинами, розташованими по колу. Пружину встановлюють з попереднім стисненням.

Сила, яку розвиває при цьому пружина, забезпечує передачу номінального обертаючого моменту. При збільшенні моменту до граничного значення осьова складова зусилля, що діє на кулачки, стискує пружину, кулачки виходять з зачеплення, муфта спрацьовує і запобігає перевантаженню приводу.

При передачі номінального моменту, коли осьове переміщення відсутнє, зусилля пружини зрівноважує осьову складову силу.

При підвищенні моменту до граничного значення муфта спрацьовує, вали, або вали і деталі, насаджені на них, роз'єднуються.

При перевантаженні муфти осьова складова сили F_a на гранях кулачків перевищує притискну силу пружини і муфта багатократно проскакує кулачками, створюючи звуковий ефект, сигналізуючи про спрацювання механізму муфти. При високій надійності роботи таких муфт повторні спрацювання кулачків приводять до їх прискореного зношення, внаслідок чого такі муфти використовують для невеликих навантажень і частот обертання.

Такі муфти призначені для запобігання перевантаженню механізмів машин крутним моментом. Муфти пружинно-кулачкові ставлять якнайближче до місця виникнення перевантаження; вони можуть працювати тільки при строгій співвісності валів. Однією з найбільше відпрацьованих конструкцій цього типу є запобіжна муфта в затискних патронах для мітчиків.