Предисловие (стр. 22 )

А + S1> S2, то вал сдви­нется ко второму подшипнику, осевая сила А + S1 создаст на втором подшипнике радиальную силу, уравнове­шивающую внешнюю радиальную нагрузку и осевая составляющая S2 перестает существовать. Тогда осевая нагрузка на первый подшипник останется равной S1 а суммарная осевая нагрузка на второй подшипник будет равна А + S1. Если А + S1 < S2, то вал сдвинется к первому подшип­нику, составляющая S1 перестанет существовать, осевая нагрузка на вто­рой подшипник останется равной S2, а суммарная осевая нагрузка на пер­вый подшипник будет равна S2 - А. Итак,

еcли , то ;

если , то . (5.11)

Напомним, что радиальную реакцию радиально-упорного подшип­ника полагают приложенной в точке О пересечения с осью вала нормали в середине контактной площадки (см. рис. 5.12, б, в). Положение точки О определяется размером а, вычисляемым для однорядных подшипников по формулам:

для радиально-упорных шарикоподшипников

; (5.12)

для конических роликоподшипников

; (5.13)

где а — расстояние от клейменого торца подшипника до точки приложе­ния радиальной реакции; В, d, D, Т — размеры подшипника, a — угол контакта и е — вспомогательный коэффициент, указанные в каталоге.

Таким образом, для определения радиальных реакций радиально-упорных подшипников необходимо сначала сделать предварительный выбор подшипников, затем произвести эскизную компоновку узла, далее определить реакции опор, собственные осевые составляющие S от дейст­вия радиальных нагрузок, суммарные осевые нагрузки, действующие на каждую опору, и затем выполнить проверочный расчет более нагружен­ного подшипника на долговечность (технический ресурс).

Долговечность L в млн. оборотов, динамическая грузоподъемность С и эквивалентная динамическая нагрузка Р связаны эмпирической зависимостью

(5.14)

где m=3 для шарикоподшипников, m = 10/3 для роликоподшипников. Долговечность Lh, в часах вычисляется так:

, (5.15)

где n — частота вращения, мин -1.

Для облегчения расчетов в справочниках приведены (отдельно для шариковых и роликовых подшипников) таблицы, позволяющие опреде­лить долговечность Lh подшипников в зависимости от отношения динамической грузоподъемности к эквивалентной нагрузке CIP и частоты вращения вала. По этим же таблицам легко определить требуемую дина­мическую грузоподъемность по известной частоте вращения вала, задан­ной долговечности подшипника и вычисленной эквивалентной динамиче­ской нагрузке.

5.5. Конструирование подшипниковых узлов

Работоспособность подшипников качения в значительной степени зависит от рациональности конструкции подшипникового узла, качества его монтажа и регулировки.

Кольцо подшипника, вращающееся относительно вектора нагрузки, устанавливается на вал или в корпус посадкой с небольшим натягом во избежание обкатывания этого кольца по сопряженной поверхности и ее изнашивания; другое кольцо подшипника соединяется посадкой с очень малым зазором, достаточным для возможности осевых перемещений кольца при монтаже и температурных деформациях валов.

На рис. 5.16 показаны схемы установки подшипников качения на валах и в корпусах. Для относительно длинных валов (длина пре­вышает восьмикратный наибольший диаметр) применяют схемы а и б. В этих схемах левая опора закреплена в корпусе и называется фиксирую­щей, а второй подшипник имеет возможность осевого перемещения в корпусе (для компенсации темпера­турных удлинений и укорочений вала) и такую опору называют пла­вающей. Для длинных валов нагру­женных значительной осевой силой, два радиально-упорных подшипника устанавливают в фиксирующей опо­ре (одноименными торцами друг к другу), а в плавающей опоре ставят радиальный подшипник (схема б).

При относительно коротких ва­лах применяется наиболее простая и широко используемая в машино­строении установка

Рис.5.17

подшипников враспор (схема в). Во избежание защемления вала при его температурном удлинении между крышкой подшипника и одним из наружных колец оставляется небольшой зазор (0,1—0,2 мм). Этот зазор регулирует­ся изменением толщины набора прокладок под крышку подшипника. При установке подшипников по этой схеме перепад температур вала и корпуса не должен превышать 20° С.

Защемление вала в связи с его температурным удлинением невоз­можно при установке подшипников врастяжку (схема г); ее применяют при относительно коротких валах. Недостаток схемы — неудобство регу­лировки подшипников перемещением их внутренних колец, установлен­ных на вал посадкой с натягом.

Для уменьшения потерь в результате трения, отвода теплоты, защиты от коррозии, уменьшения шума при работе применяют смазывание под­шипников качения, причем используют жидкие и пластичные смазочные материалы.

Заметим, что роликовые подшипники более требовательны к качест­ву смазки, чем шарикоподшипники.

При выборе смазочного материала необходимо учитывать следую­щие факторы: размеры подшипника и частоту его вращения, величину нагрузки, рабочую температуру узла и состояние окружающей среды. Для подшипников, работающих с окружной скоростью до 4...5 м/с, можно применять и жидкие, и пластичные смазочные материалы, при больших скоростях рекомендуется жидкая смазка. Чем выше нагрузка на подшипник, тем вязкость масла или консистентность пластичного смазочного материала должна быть больше, так как при этом прочность его гранич­ного слоя увеличивается, Следует учитывать, что с повышением рабочей температуры вязкость и консистентность смазочного материала понижа­ются. При загрязненной окружающей среде рекомендуются пластичные смазочные материалы.

Для предотвращения вытекания смазочного материала и защиты подшипников от попадания извне пыли, грязи и влаги применяются уплотнительные устройства. По принципу действия эти устройст­ва подразделяют на контактные, щелевые, лабиринтные, центробежные и комбинированные.

Контактные уплотнения стандартизованы и имеют широкое распространение. На рис. 5.17, а показано уплотнение войлочным кольцом прямоугольного сечения, помещаемого в канавку трапецеи­дальной формы. Этот вид уплотнения рекомендуется главным образом при пластичном смазочном материале и окружной скорости вала до 5 м/с. Его не рекомендуется применять в ответственных конструкциях, при из­быточном давлении с одной стороны, повышенной загрязненности среды и при температуре свыше 90° С.

На рис. 5.17, б показано контактное уплотнение в виде резино­вой манжеты с поджимной пружиной; манжета армирована метал­лическим каркасом и допускает скорость 20 м/с. Манжеты применяют при любом смазочном материале.

На рис. 5.17, в показано бесконтактное щелевое уплотнение с кон­центричными канавками, заполняемыми пластичным смазочным материалом. Применяется при окружной скорости вала до 5 м/с. При большой частоте вращения вала (скорость свыше 5 м/с) канавки можно сделать винтообразны­ми, в этом случае они будут играть роль маслооткачивающих канавок.

На рис. 5.17, г показано бесконтактное лабиринтное уп­лотнение, пригодное для любого смазочного материала и при любой частоте вращения вала. Зазор в лабиринте заполняется пластич­ным смазочным материалом.

Центробежные уп­лотнения применяют главным образом при жидком смазочном материале и окружной скорости вала более 7 м/с. В качестве примеров можно привести маслосбрасывающее и отражатель­ное кольца (рис. 5.18).

Рис.5.18

В ответственных конструкциях и при тяжелых условиях эксплуатации применяют комбиниро­ванные уплотнения (см. рис.5.17, д.).

На рис.5.19 показаны современные весьма эффективные торцо­вые уплотнения: а — уплотнение, в котором кольцо 1 из антифрикци­онного материала поджимается пружиной 3 к закаленному стальному кольцу 2, а резиновое кольцо 4 осуществляет статическое уплотнение; б — уплотнение эластичной стальной шайбой.

На рис.5.20 показана конструкция подшипникового узла ведущего вала цилиндрической косозубой передачи, установленного на радиальных шарикоподшипниках, с левой — плавающей и правой — фиксирующей опорой. Смазывание подшипников — пластичным смазочным материа­лом. Уплотнение канавочное с мазеудерживающими кольцами.

Рис.5.19

Рис.5.20

На рис.5.21 показан ведущий вал цилиндрической косозубой пере­дачи,

Рис.5.21

смонтированный на радиально-упорных конических роликопод­шипниках. Смазывание подшипников — разбрызгиванием масла шестер­ней. Уплотнение — резиновая армированная манжета. На рис.5.22 представлен вал-шестерня конической передачи, смон­тированный на радиально-упорных конических шарикоподшипниках двумя способами: широкими торцами наружных колец внутрь (а) и на­оборот (б). При первом способе опорная база вала больше, реакции опор и нагрузка на подшипники меньше, поэтому такое расположение под­шипников предпочтительно.

Рис.5.23.

На рис.5.23 показан конический редуктор, у которого вал-шестерня смонтирован на подшипниках по первому способу, а ведомый—по второму.

6. МУФТЫ

6.1. Общие сведения, назначение и классификация

Муфтами в технике называют устройства, которые служат для соединения концов валов, стержней, труб, электрических проводов и т. д. Рассмотрим только муфты для соединения валов. Потребность в соединении валов связана с тем, что большинство машин компонуют из ряда отдельных частей с входными и выходными валами, которые соединяют с по- мощью муфт (рис.6.1). Соединение валов является общим, но не единственным назначением муфт. Так, например, муфты ис­пользуют для включения и вы­ключения исполнительного меха­низма при непрерывно работа­ющем двигателе (управляемые муфты); предохранения машины от перегрузки (предохранитель­ные муфты); компенсации вредного влияния несоосности валов (компенсирующие муфты); уменьшения динамических нагрузок (упругие муфты) ит. д..

В современном машиностроении применяют большое коли­чество муфт, различающихся по принципу действия и управле­ния, назначению и конструкции. Классификация муфт по этим признакам представлена ниже в виде схемы Рис.6.2.

В электрических и гидравлических муфтах, указанных на этой схеме, используют принципы сцепления за счет электромагнитных и гидродина­мических сил. Эти муфты изучают в специальных курсах. В курсе «Детали машин и ОК» изучают только механические муфты.

Широко применяемые муфты стандартизованы. Основной паспортной характеристикой муфты является значение враща­ющего момента, на передачу которого она рассчитана.

Ниже рассмотрены только наиболее распространенные в общем машиностроении типовые конструкции стандартных муфт, принцип действия

и расчет этих муфт.

Myфты (для соединения валов)

Муфты гидравлического действия (гидравлические)

Муфты электрического деистВия (электрические)

Муфты механического действия (механические)

My фты самоуправляемые автоматические

Муфты неуправляемые (постоянно действующие)

Муфты управляемые

My фты компенсирую-щие , жесткие

Муфты центробеж ные (самоуправляе-мые по частоте Вращения)

Муфты фрикцион-ные

Муфты глухие

Муфты предохрани тельные (самоуправ-ляемые по значе-нию момента)

Муфты компенсирующие , упругие

Муфты кулачковые

Муфты свободного кода (самоуправляемые)

Рис.6.2

6.1. Муфты глухие

Глухие муфты образуют жесткое и неподвижное соединение валов (глухое соединение). Они не компенсируют ошибки изготовления и монтажа, требуют точной центровки валов.

Муфта втулочная (Рис.6.3) — простейший представитель глухих муфт.

Соединение втулки с валами выполняют с помощью штифтов (Исп.1) шпонок (Исп.2 и 3) или зубьев (шлицов) (Исп.4). Они отличаются простотой

конструкции и ма­лыми габаритами. Применение втулочных муфт в тяжелых машинах затруднено тем, что при монтаже и демонтаже требуется смещать валы (агрегаты) в осевом направлении. Прочность муфты определяется прочностью штифтового, шпо­ночного или шлицевого соединения, а также прочностью самой втулки, работающей на кручение.

Муфты стандартизованы по ГОСТ 24246 – 96 в диапазоне передаваемых моментов с 1 по 12500 Н. м и диаметров валов от 6 до 105 мм.

Рис.6.4. Фланцевая муфта

Фланцевые муфты. Их из­готовляют по ГОСТ 20761—96 из чугуна и стали (Рис.6.4.). Предназначены они для соединения соосных цилинд­рических валов и передачи вращающе­го момента: от 01.01.010 Н. м, при окружной скорости на наружном диаметре муфты до 70 м/с — стальные муфты; от 8 доН • м при окруж­ной скорости до 35 м/с — чугунные.

Значения номинальных вращающих моментов приведены в ГОСТах. Для муфт, изготов­ленных из стали 40 (ГОСТ 1050—88) или 35Л (ГОСТ. 977-88) и чугуна СЧ20 (ГОСТ 1412—85).

Из общего количества болтов, стя­гивающих обе полумуфты и, полови­ну ставят в отверстия без зазора — в слу­чае необходимости их надо проверять на срез и смятие; а болты, входящие в от­верстия с зазором, вообще проверять не надо, так как момент от сил сцепления, возникающий при затяжке этих болтов, в расчет не принимается.

Полумуфты изготавливают в двух исполнениях: 1 — с цилиндрическими отверстиями для длинных концов ва­лов; 2 — с цилиндрическими отверсти­ями для коротких концов валов.

Компенсирующие жесткие муфты. Они могут быть зубчатые, цепные, ку­лачковые, карданные и др.

Зубчатые муфты. Это уни­версальная разновидность компенсиру­ющих жестких муфт. Зубчатая муфта

способна компенсировать любые по­грешности в соосности валов в достаточ­но большом диапазоне и состоит из двух зубчатых полумуфт, жестко закрепленных на валах, и составного цилиндрического корпуса (рис.6.5).

На зубчатых полумуфтах нарезаны наружные эвольвентные зубья, а внутри корпуса — внутренние, во впадины которых входят зу­бья внешнего зацепления полумуфт. Для придания наружным и внутренним зубьям равно-прочности применяют коррекцию. Что­бы увеличить угол смешения осей соеди­няемых валов, внешние зубья колес вы­полняют сферическими и бочкообраз­ными.

Все детали изготовляют из сталей 45. 40ХН, 45Л коваными, а при диаметрах более 150 мм — литыми. Зубья подвер­гают термической обработке — у быст­роходных муфт (v > 6 м/с) до твердо­сти HRC 45...50. У тихоходных муфт (v > 5 м/с) твердость зубьев понижен­ная (НВ 300). Для повышения долго­вечности и уменьшения потерь на тре­ние зубчатое зацепление работает в масле, которое заливают в барабан че­рез отверстие, закрываемое пробкой до нижней кромки уплотнений, установ­ленных на торцах. Благодаря универ­сальной компенсирующей и высокой нагрузочной способности, а также сравнительно малым габаритам зубча­тые муфты широко распространены.

Основные параметры их стандартизи­рованы ГОСТ 5005—80 для диаметров валов d = 40...560 мм и значений пере­даваемых вращающих моментов Т= 40H•м. Основные параметры зацепления показаны на рис.6.5.

Если необходимо компенсировать большое смещение осей валов (е>> 0,02d), то увеличивают расстояния между зубчатыми венцами. В этом слу­чае используют зубчатую муфту с про­межуточным валом.

Шарнирные муфты компенсируют неточность монтажа узлов, де­формации рамы и рессор в транспортных машинах, поэтому их можно отнести к подгруппе компенсирующих муфт.

Рис.6.6

Пространственное изображение одинарной, схематическое и конст­руктивное изображение сдвоенной шарнирной муфты представлены на рис.6.6.

Ведущий вал 1 заканчивается вилкой, соединенной с крестовиной 2; вторая перекладина крестовины соединена с вилкой ведомого вала одинарной муфты или со спаренной вилкой 3, если муфта сдвоенная.

У одинарной муфты при равномерном вращении ведущего вала ве­домый вал будет вращаться неравномерно. Если муфта сдвоенная, а ведущий вал 1 и ведомый вал 5 параллельны (или образуют равные углы со спаренной вилкой 3), то при равномерном вращении ведущего вала ведомый вал тоже вращяется равномерно.

Детали шарнирной муфты изготавливаются из термообработанных сталей марок 20Х и 40Х.

Цепная муфта. Упрощенной конструкцией зубчатых муфт являются цепные (рис.6.5), состоящие из двух полу­муфт 1 и 2, замыкаемых бесконечной однорядной или двухрядной втулочно-роликовой цепью 3. Цепные муфты из­готовляют по ГОСТ 20742—93 в диапа­зоне диаметров валов d = 20...100мм с номинальным вращающим моментом от 01.01.010 использовании других материалов номинальный вращающий момент определяется расчетным путем.

В таблице 6.1 даны значения номи­нального вращающего момента для по­лумуфт, изготовленных из сталей мар­ки 45 (ГОСТ 1050-88*) или 45Л (ГОСТ 977—88), с твердостью рабочих поверх­ностей зубьев HRC40...45.

Рис.6.5. Цепная муфта (ГОСТ )

Таблица 6.1

Компенсирующие упругие муфты. Практически все машины с активными рабочими органами характеризуются переменными нагрузками, т. е. значение вращающего момента Т меняется с большой частотой и в широком диапазоне

(6.1)

Частичное демпфирование пиковых значений момента возможно; при этом вводят в кинематическую схему упругие элементы — металлические или не­металлические. Упругие элементы входят в трансмиссию в виде самостоя­тельных или встроенных в муфту сборочных единиц. Для упругих муфт важное значение имеют характеристики упругих свойств: крутильная жесткость Скр или податливость λкр, а также демпфирующая способность φм.

Демпфирующая способность упругих муфт характеризуется величиной энергии, необратимо поглощаемой в процессе деформации упругих элемен­тов и переходящей в конечном счете в теплоту.

Если при нагружении муфты зависимость между вращающим моментом Т и углом относительного сме­щения полумуфт φ изменяется по кривой Оаm (рис.6.7), а при разгрузке — по кривой mbО, то площадь Оаmφ1О определяет энергию, затраченную на деформацию упругих элементов муфты при нагружении, а площадь Оbmφ1О — энергию, возвращенную муфтой при разгрузке.

Рис.6.7 Рис.6.8

Разность указанных площа­дей, очерченная кривой, называется петлей гистерезиса, которая характери­зует потерянную энергию, необратимо поглощенную муфтой за один цикл (нагружение — сжатие). Физически по­тери энергии за один цикл объясняют­ся для неметаллических упругих эле­ментов внутренним трением и соответ­ственно тепловыделением. Потери энер­гии зависят от объема деформируемого упругого элемента. При металлических пружинах рассеивание энергии тоже определяется внутренним трением, а при наборных (типа рессор) — главным образом внешним трением пластин, но вместе с тем имеет место и внутреннее

трение, величина которого мала, так как толщина пластин небольшая. При небольших и средних нагрузках приме­няют преимущественно муфты с неме­таллическими (чаще всего резиновы­ми) упругими элементами, работающи­ми на сжатие, сдвиг или более сложную деформацию. Такие муфты относитель­но просты и характеризуются высокой демпфирующей способностью, но име­ют меньшую нагрузочную способность по сравнению с пружинными муфтами, так как неметаллические упругие эле­менты недолговечны и с течением вре­мени меняют свои механические харак­теристики.

Упругие муфты со звез­дочкой — разновидность кулачковых муфт, у которых рабочие поверхно­сти кулачков разделены резиновой звездочкой (рис. 6.8). Муфта имеет небольшие размеры и от­носительно малый маховой момент, но при соединении валов требуется доста­точно высокая соосность (е < 0,01)d.

Работоспособность муфты обуслов­лена прочностью звездочки, которая оценивается напряжениями смятия

(6.2)

где Tр — расчетный момент, Н. мм; z — число зубьев в звездочке; h — высота кулачков (шири­на звездочки), мм; Dcp —средний диаметр, мм; Dcp = (D + d)/2

; D — наружный диаметр, мм; d—диа­метр отверстия, мм: [σсм] —допустимое значение

напряжений смятия для резиновой звездочки; [σсм ] = 200...250H/мм2 = 200...250 МПа.

Упругая втулочно-пальце­вая муфта (рис.6.9) широко рас­пространена в приводах с электродви­гателем. Полумуфты не имеют непос­редственного металлического контакта. Вращающий момент передается паль­цами, жестко закрепленными на одной полумуфте; на пальцы надеты резино­вые втулки (или набор колец). Такие муфты допускают значительную осевую погрешность (до Δ = 15 мм), но относительно небольшое радиальное смещение (е = 0,3...0,5 мм) и угол перекоса валов (α < 1о). При больших монтажных по­грешностях и наличии вибраций рези­новые втулки быстро изнашиваются, по­этому втулочно-пальцевые муфты при­меняют в приводах, смонтированных на жестких литых или сварных рамах.

Поверхности площадок рамы, на ко­торые установлены электродвигатель и редуктор, обрабатывают на строгаль­ных или фрезерных станках. Обработке подлежат специально предусмотренные на точках крепления бобышки (на ли­той раме) или платики (на сварных ра­мах). Если механическую обработку рамы не проводят, то точность монтажа достигается прокладками.

На втулочно-пальцевые муфты рас­пространяется ГОСТ 21424—93. Такие муфты можно использо­вать при значениях вращающего мо­мента от 6,3 до

16 000 Н. м диаметрах соединяемых валов 9мм и при ок­ружной скорости v ≤ 30 м/с.

Стандартом предусмотрено два ис­полнения: тип 1 — с цилиндрической расточкой отверстий, тип II —с кони­ческой.

В стандарте приведены значения пе­редаваемого момента для полумуфт, из­готовленных из чугуна СЧ-20. Материал пальцев — сталь 45. Упругие элементы изготовлены из резины со следующими механическими свойствами: предел прочности при разрыве —не менее 8 МПа; твердость (ГОСТ 263-условных единиц.

Рис.6.9

Размеры элементов муфт, указанные в стандарте, определены при достаточ­но большом запасе прочности, поэтому проверочный расчет обычно выполня­ют в случае необходимости только для пальцев и втулок.

Размеры элементов муфт, указанные в стандарте, определены при достаточ­но большом запасе прочности, поэтому проверочный расчет обычно выполня­ют в случае необходимости только для пальцев и втулок.

Пальцы втулочно-пальцевой муфты проверяют на изгиб:

σи = [σи], (6.3)

где Mи - изгибающий момент, действующий на консольно закрепленный палец; Н• мм; W— мо­мент сопротивления, мм3; [σи] —допустимые на­пряжения изгиба для материала, из которого из­готовлены пальцы, Н/мм2.

Втулки проверяют по удельному давлению (МПа)

p= [p] (6.4)

где Ft — окружная сила, действующая на диаметр D расположения осей пальцев; D =(2,5...3)d. Здесь d — диаметр отверстия; dn — диаметр паль­ца; dn = (0,3...0,5)d; lп — длина втулки, численно равная длине пальца: lп = (0,8...0,85)l2.

Упругие муфты с торообразной оболочкой (рис.6.7) характеризуются большей компенсиру­ющей способностью: осевым разбегом Δ < 4мм, радиальным смещением е ≤ 2 мм и угловым смещением α ≤ 3°. Как видно из рис.6.7., муфты допускают два исполнения — с наружным (рис. 6.7, а) и внутренним (рис.6.7, б) исполнением частей тора. Муфта с внутренним исполнением части тора имеет меньшие габариты и маховой мо­мент, в результате чего уменьшаются центробежные силы. Это позволяет применять муфту при большей окруж­ной скорости. Муфты данного типа применяют в конструкциях, где трудно обеспечить соосность соединяемых валов при на­личии переменных нагрузок. Радиальную нагрузку, действующую на вал, определяют из выражения:

Fr = 0,45T/D. (6.5)

Рис.6.7

Упругие муфты с ме­таллическими пружинами характеризуются повышенной нагру­зочной способностью. Стальные пру­жины (витые или пластинчатые) сохра­няют свои упругие свойства более дли­тельное время по сравнению с неметал­лическими упругими элементами и могут иметь постоянную или перемен­ную жесткость.

Постоянную жесткость обеспечива­ют витые пружины, работающие на ра­стяжение

и сжатие, или пластинчатые пружины, работающие на изгиб, или стержневые пружины (торсионы), ра­ботающие на кручение.

Библиографический указатель

1. Детали машин и основы конструирования./ Под ред. .- М.: КолосС,

2005. – 462с.: ил. – (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений).

2. , Эрдеди машин: Учеб. для машиностр. спец. средних профессиональных учебных заведений. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Высш. шк.; Изд. центр «Академия». 2001. – 285 с.; ил.

3.Шелофаст проектирования машин. М.: Изд-во АПМ. – 472с.

4.Дунаев машин. Курсовое проектирование. – М.: Высшая школа, 1998.-447 с., ил.

5.