Виды узлов сцепления муфт

Муфты соединяют концы двух валов (штанг, тяг) или два функциональных элемента кинематической цепи для передачи вращательного, прямолинейного или сложного движения в режиме постоянного, периодического или непериодического сцеления.

Применение муфт определяется технологическими, эксплуатационными и функционально целевыми требованиями.

Основным структурным элементом любой муфты является узел сцепленения

• управляемый (пневматические, электромагнитные муфты), или неуправляемый (соединительные втулочные муфты),
• механический (неподвижный или подвижный; жесткий или упругий; разъемный или неразъемный; с зацеплением зубчиками, силами трения и т.п. ),
• электромеханический (синхронный или асинхронный, индукционный, гистерезисный, электростатический или порошковый),
• магнитный,
• гидравлический (в прибостроении применяется редко),
• самоуправляемый:
• с принудительным управлением

Присоединение ведущих и ведомых частей сцепного узла к сопрягаемым муфтой звеньям механизма осуществляется специальными втулками, ступицами или формированием элементов сцепления непосредственно в теле валиков, зубчатых колес и пр.

У муфт с управляемымии узлами есть устройства включения, отключения, замыкаяния, регулирования.

Неуправляемые узлы

Неуправляемые узлы делят на:

• жесткие (неподвижные и подвижные);
• упругие;

Жесткие неподвижные (глухие) узлы используются для постоянного соединения строго соосных валов или тяг. Детали узлов обычно  изготавливают из стали, латуни или армированных пластмасс, а их соединение с валами осуществляют гладкими цилиндрическими или зубчатыми сопряжениями с закреплением штифтами, шпонками или стопорными винтами.

Глухие узлы это втулочный, фланцевый и продольно свертный.

Жесткие подвижные узлы используются в муфтах для соединения соосных и несоосных валов когда необходимо компенсировать неизбежные отклонения их номинального расположения. Узлы делят на несинхронные, синхронные, с поперечной угловой или комбинированной компенсацией смещений.  

Несинхронные узлы используют при отсутствии жестких требований к точности передачи угла между валами. Простейшим является замочный узел, выполненный внутри сопрягаемых валиков. Для увеличения прочности узел дополняется обоймой. Зубчатый узел состоит из двух зубчатых элементов и обоймы. Профиль зубьев - эвольвентный, стандартный.
Цепной узел образуют две звездочки и цепная обойма. Форма зуба зависит от типа применяемой цепи.
Подводковый узел состоит из поводка с цилиндрическим или сферическим пальцем и ведомой вилки.

Шарнирный узел позволяет передавать крутящий момент между валами , оси которых расположены под углом 40,45 градусов.

Синхронные узлы обеспечивают относительно точную передачу угла. Для присоединения измерительных преобразователей в скоростных муфтах, для муфт вакуумных вводов применяют сильфонный узел.
Для него применяют специальные сильфоны с большой крутильной жесткостью.

Шарнирно-рычажный узел обеспечивает точность передачи угла до 0,5 угловых секунд при несоосности до 0,5 мм.

Упругие узлы для смягчения ударных нагрузок содержат упругие элементы за счет деформации которых достигается полная компенсация небольших смещений валов и демпфирование крутильных колебаний. Упругий элемент выполняется в виде кожанных, резиноых или пластмассовых дисков, звездочек или пружин.
В качестве простейших упругих узлов используются соединения валиков витыми цилиндрическими пружинами, резиновыми втулками.
Пальцевый узел с кожанным диском применяют в силовых цепях с частым реверсированием и колебанием нагрузки.

Узел с упругой звездочкой, в сравнении с пальцевым имеет большую жесткость.

Магнитный узел состоит из двух радиально ориентированных постоянных магнитов; позволяет передавать движение через разделительную немагнитную диафрагму или стенку корпуса с отставанием по фазе, зависящим от нагрузки.

Управляемые узлы

Характерной их особенностью их является наличие подвижных управляемых элементов, которые изменяют свое положение  и тем самым осуществляют сцепление и расцепление узла и регулирование крутящего момента.
Сцепление в управляемых узлах осуществляется геометрическим зацеплением выступов, силами трения, электромагнитными силами или их совокупностью.

Управление узлом может быть:

• принудителным - срабатывает независимо от параметров движения;
• автоматическим - зависит от момента, скорости или направления,
• комбинированным - сочетание двух предыдущих

В зависимости от вида управленя сцепной узел может выполнять в муфте одну или несколько функций: соединительную, защитную (ограничительную), избирательную.

Основные конструкции управляемых узлов

• Зубчато - кулачковые - передают движение за счет сцепления выступов (зубъев или кулачков), обычно расположенных на торцевых поверхностях полумуфт и допускают их включение при разности угловых скоростей сцепляемых валов до определенного заданного значения.  
• Фрикционные узлы сцепления передают крутящий момент посредством сил трения, возникающих на контактных поверхностях ведущих и ведомых дисков, конусов или цилиндров.
• Порошковый - передает момент за счет сопротивления сдвигу сцепленных под действием электромагнитного поля частиц ферросплавного порошка. Но данная продукция имеет небольшое рапространение в наше время. 
• Пружинно - зубчатые узлы являются модификацией зубчатых узлов путем использования плоских пружин с зубьями в качестве упругих направляющих и ведомых поводков.
• Пружинно- шариковый узел передает крутящий момент зацеплением шариков с пазами полумуфт.
• Для торцевых узлов применяются два варианта: с подвижной полумуфтой и с подвижными (утапливаемыми) шариками.
• В фрикционно - шариковом узле шарики касаются дисков по определенной схеме и через звенья сжимаются пружиной.
• Пружинный узел состоит из двух цилиндрических втулок на оси, соединенных пружиной. При закреплении пружины с двух сторон узел работает как упругий неуправляемый. Если пружина насажена на втулки без зазора и не закреплена - или закреплена на одном конце, узел становится самоуправляемым обгонным, передающим крутящий момент за счет сил трения только в направлении закручивания витков. Для повышения долговечности узла пружину выполняют из проволоки прямоугольного сечения.
• Роликовый обгонный узел передает крутящий момент только в одном направлении за счет сил трения, возникающих при расклинивани роликов  между обоймой и опорной поверхностью звездочки.  Ведущей может быть и звездочка, и обойма.  

• Фрикционный центробежный колодочный узел сцепления является автоматически управляемым в зависимости от угловой скорости ведущего звена, состоит из ведущего фланца с подвидными колодками и сцепного ведомого барабана. При определенной угловой скорости ведущего вала колодки с силой прижимаются к барабану, создавая вращательный момент.

Узлы управления муфт служат для включения муфт. Необходимые для этого перемещения осуществляются специальными механизмами с механическим, электромеханическим или электромагнитным приводом.  

Механизмы принудительного управления

Принудительное включение, выключение или переключение сцепных узлов выполняется усилием оператора или исполнительным звеном привода через механизм включения.
Электромагнитный привод допускает прямое воздействие на подвижные элементы зубчатых или фрикционных узлов.

Механизм включения рычажного типа применяется с зубчато- кулачковыми узлами сцепления. Произвольное перемещение втулки предотвращается шариковым фиксатором.

Рычажно-кулачковый механизм используется с фрикционно дисковыми или конусными узлами. Необходимое усилие замыкания регулируется перемещением гайки с самозаклинивающимися кулачками.

Механизм с зажимными шариками применяется для фрикционных узлов, усилие замыкания регулируется гайкой.

Механизмы автоматического управления

При автоматическом управлении переключение сцепных узлов осуществляется через изменение скорости, момента или направления вращения ведущего вала, используя некоторые свойства кинематических соединений: зависимость направления осевых сил от направления вращения в винтовых, кулачковых и косозубых парах; изменение направления равнодействующей суммы сил в критических точках рычагов и др. В электроконтактном механизме управление электромагнитом узла сцепления осуществляется контактами, которые при любом направлении вращения ведущего вала замкнуты если его скорость меньше заданной минимальной или больше максимальной. Размыкание контактов осуществляется пружинами. Упоры ограничивают поворот контактного кольца.

Соединительные муфты

Основная функция соединительных муфт - это передача движения от ведущего звена к звену, ведомому муфтой. При выборе типа сцепного узла и способа его присоединения исходят из конструктивных особенностей соединяемых звеньев и совокупности функциональных, технических и эксплуатационных требований.

Геометрические размеры сцепного узла рассчитываются по заданным исходным  параметрам:

для силовых цепей - по предельному крутящему моменту:

Тп=Тс+Тд,
где Тс и Тд - статический и динамический моменты нагрузки на ведомом валу;

для узлов измерительных (отчетных) цепей - по допускаемым значениям кинематической погрешности, неравномерности вращения и холостого хода при заданных силовых нагрузках. Значения угловых и линейных размеров, подлежащих компенсации муфтой, обычно принимаются как удвоеное значение конструкторских допусков расположения осей сопрягаемых звеньев.

Управляемые муфты

Управляемые муфты осуществляют номинально мгновенный или плавный разгон, остановку или реверсирование ведомого муфтой звена механизма, ступенчатое или плавное регулировани скорости и др.
Муфта состоит из одного или двух узлов сцепления, узлов управления и внешних элементов, объединенных в единый модуль в корпусе (он может быть неподвижным или вращаться).

В бескорпусном варианте взаимная ориентация узлов муфты достигается опорами сцепляемых валов. или функциональных элементов, устанавливаемых на корпусе механизма. Для муфт используют все типы управляемых узлов сцепления и совместимых с ними узлов управления.

Свойства муфт управления определяют по их статистическим и динамическим характеристикам. Статистические характеристики показывают зависимость передаваемого предельного или вращающего момента от значения управляющего воздействия (тока или усилия) при установившемся режиме. Динамические - отражают закономерности изменения вращающего момента во времени при ступенчатом управляеющем воздействии и позволяют определить время срабатывания, включения и выключения, по которым можно рассчитать время сцепления.  (когда скорость ведомого звена достигает скорости ведущего), время торможения или выбега.
Эти формулы достаточно громоздки, вы можете их можете найти в любом тематическом учебнике.

Существуют также муфты управления, формирующие угловые перемещения ведомого вала, кратные одному обороту ведущего, осуществляя мгновенное расцепление, остановку и сторопение ведомого звена всегда точно в одном положении.

Муфты ограничения момента - защищают звенья кинематических цепей от повышенных нагрузок, ограничивая значение передаваемого момента  одним из трех способов: разрушением защитного элемента (пальца, штифта); проскальзыванием элементов сцепного узла (фрикционного, кулачкового, попрошкового и т.п.); выключением узла сцепления  (обычно, кулачкового) встроенным механизмом защиты.

Муфты ограничения скорости - ограничивают верхний предел возрастаемой скорости на защищаемом участке кинематической цепи.Для них используют различные варианты нормально-замкнутых центробежных узлов сцепления или управляемые - с центробежными механизмами. Для мгновенного распределения валов без восстановления рабочего режима после срабатывания применяют центробежные, рычажно-зубчатые или храпове узлы. Ведущим принимается звено сцепного узла, на котором закреплены инерционные грузы. Сцепной узел рассчитывается по заданным предельным значениям угловой скорости и максимального крутящего момента.

Тормозные муфты отличаются тем, что ведомый элемент сцепного узла жестко связан с корпусом. Муфты применяют в качестве подтормаживающих узлов лентопротяжных механизмов, нагрузочных узлов динамометрических устройств, остановов в приборах и т.п.

Для них используют зубчато-кулачковые, электромагнитные, фрикционные, порошковые и индукционные узлы сцепления. Корпуса должны быть особо прочными. Сцепные узлы рассчитывают с учетом ударных нагрузок, а муфты динамометрических устройств также проверяют по тепловому режиму.

Также избирательные свойства некоторых сцепных узлов, их способности изменять состояние включено/выключено в зависимости от относительной скорости и направления вращения сцепляемых валов, широко используются для создания различных специфических муф. Распространено использование роликового обгонного узла, который еще называют "муфтой свободного хода".
Встречное параллельное соединение двух узлов образуют муфту, которая передает движение на один из двух валов в зависимости от направления вращения ведущих звездочек. Комбинируя автоматические избирательные узлы сцепления и управления можно создать муфты с заданными кинематическими характеристиками.