Кулачковая муфта: конструкция, классификация, подбор

 В машиностроении применяются разные способы соединения и разъединения валов.

В тех случаях, когда нужно передавать большой крутящий момент, а соединение/разъединение требуется редко, значительными преимуществами обладает кулачковая муфта.

Устройства могут применяться, если скорости вращения соединяемых валов близки между собой или они остановлены. При работе необходимо обеспечить строгую соосность валов.

Конструкция

Конструкция кулачковых муфт может отличаться в зависимости от их вида, но все они имеют следующие основные части:

• ведущая полумуфта, закрепляется на ведущем валу;
• зубчатый венец (звездочка);
• ведомая полумуфта, может двигаться по своему валу продольно, используя шпоночное или шлицевое соединение.

В разъединенном состоянии полумуфты разведены в стороны, валы имеют возможность вращаться независимо друг от друга. На их торцах выточены кулачки в форме треугольников или трапеций, служащие для зацепления с зубцами звездочки. кулачки

Между полумуфтами располагается зубчатый венец, его зубья выполнены в виде эвольвенты.

Когда необходимо провести соединение, подвижная полумуфта пододвигается к неподвижной. Их кулачки входят в зацепление, звездочка проворачивается на небольшой угол и занимает место между кулачками, обеспечивая плотный контакт между ними. Валы соединяются и готовы к передаче крутящего момента.

Звездочку для кулачковой муфты делают из упругого эластичного материала. Она служит для того, чтобы гасить динамические нагрузки, возникающие при включении муфты и при дальнейшем вращении. Кулачки полумуфт и зубцы звездочки рассчитаны таким образом, чтобы заполнять весь объем зоны зацепления, превращая конструкцию в практически цельную деталь. Это необходимо для передачи больших крутящим моментов и большой мощности без потерь энергии на соударения, трение и вибрацию.

Профиль кулачков и зубца имеет форму эвольвенты. Это исключает кромочное давление кулачков друг на друга при несовпадении их углового положения и обеспечивает плавное вхождение в зацепление

Для минимизации вибраций во время работы поверхности полумуфт и звездочки должны быть выполнены с высокой точностью и тщательно обработаны.

Подключение/отключение кулачковой муфты при высокой относительной осевой скорости вращения (свыше 1 метра в секунду) приводит к сильным ударам и повреждению устройства. Категорически недопустимо отсоединять муфту, находящуюся под рабочей нагрузкой.

Классификация кулачковых муфт

По типу привода, передвигающего подвижную полумуфту, упругие кулачковые муфты со звездочкой подразделяются на:

• Механические. Подключаются вручную, через систему рычагов. Оператор передвигает рычаг или поворачивает рукоятку с червячным или кривошипным приводом, преобразующим вращательное движение в линейное. Такой привод отличается простотой и надежностью, но часто требует больших физических усилий от работника. Необходима также установка блокировки, не позволяющая манипулировать муфтой на ходу станка или трансмиссии. Уход за такой муфтой несложен и заключается в периодическом осмотре и смазке.
• Гидравлические. Полумуфта передвигается с помощью гидроцилиндра. Отличается высокой скоростью срабатывания и легкостью управления, но требует наличия на станке гидравлической системы. Также необходима организация системы блокировки. Обслуживание гидравлики существенно сложнее и дороже, чем механики.
• Электромагнитные. Привод осуществляется электромагнитом соленоида. Отличаются компактностью, четкостью срабатывания и легкостью управления. Легко встраивается в автоматические системы блокировок и управления. Обслуживание простое, заключается в периодическом осмотре и смазке подвижных частей.

В зависимости от использованного профиля кулачков муфты со звездочкой разделяют на:

• Прямоугольник. Имеют максимальную площадь поперечного соприкосновения, способны передавать максимальную мощность. Требуют очень точного позиционирования ведущей и ведомой полумуфты для вхождения в зацепление.
• Симметричная трапеция. точное позиционирование не нужно, компенсация боковых зазоров происходит за счет переменной глубины посадки кулачков.
• Асимметричная трапеция. Позволяет передавать вращение только в одном направлении. Отсутствие реверса достигается за счет наклона тыльной стороны профиля. Угол выбирают с тем расчетом, чтобы при начале вращения в обратную сторону полумуфты кулачки начинают проскальзывать и зацепление прекращается, а крутящий момент не передается. Устройство не рассчитано на продолжительную работу в таком режиме.

Особняком стоит конструкция, разработанная для соединения валов, оси которых параллельны, но не совпадают. Кулачково-дисковая муфта была разработана Джоном Олдэмом в начале XIX века. В механизме работают три диска. Два из них находятся на ведущем и ведомом валу, а третий размещен между ними, соединяясь с каждым через шлицевой выступ на поверхности. Выступы и пазы с разных сторон среднего диска размещены перпендикулярно друг другу. Средний диск, скользя в пазах, движется вокруг собственного центра вращения, находящегося посередине между осями ведущего и ведомого валов. Он совершает для оборота за один оборот ведущего вала. Угловые скорости и число оборотов валов совпадает.

Такие устройства значительно компактнее, чем карданные передачи.

Комплектность поставки

Обычно в базовый комплект поставки промышленной кулачковой муфты с механическим приводом входят две полумуфты, зубчатый венец в сборе, упаковка и документация.

Часто в отгрузочных документах полумуфты называют ступицами.

В качестве дополнительной опции предлагается установочный винт, облегчающий монтаж устройства на оборудование. Если кулачковая муфта оснащена электромагнитным или гидравлическим приводом, добавляется монтажная схема для подключения к гидравлике или электрической схеме агрегата.

На заводе изготовителе муфту собирают и испытывают на тестовом стенде, о результатах делают отметку в отгрузочном паспорте изделия.

Материал изготовления

Корпус ответственного изделия изготавливают чугуна, алюминиевых или стальных сплавов.

Для высокооборотных приводов, передающих большой крутящий момент, кулачки муфты, как самую высоконагруженную деталь, делают из еще более прочной стали с показателем прочности на разрыв не ниже 225×10⁴ Па.

Звездочку, основное назначение которой- гасить колебания и удары при работе, изготавливают из прочных и упругих пластмасс-или термопластика.

Подбор кулачково-дисковой муфты

Подбор модели для конкретного привода осуществляют исходя из его основных параметров:

• диаметр вала;
• вид соединения (шпонка или шлиц);
• тип привода (механический, гидравлический, электромагнитный)
• скорость вращения;
• крутящий момент;
• максимальное ускорение вращения;
• цена покупки;
• стоимость владения за время эксплуатации (включая обслуживание и ремонты).

Если валы параллельны, но не соосны, выбор делается в пользу кулачково-дисковой муфты.

Инженер-машиностроитель анализирует эти параметры в комплексе и подбирает из всего многообразия представленных на рынке моделей наиболее подходящую к условиям применения.

Обязательно учитывается репутация фирмы-производителя. Приобретение недорогих устройств от безымянных изготовителей может привести к поломке не только муфты, но и всего агрегата, разлету осколков, повреждению техники и травмам персонала.

Условия транспортировки и хранения

Обычно муфты хранят и перевозят в разобранном и упакованном виде. Если же по условиям поставки требуется доставка устройства в собранном виде- следует принять меры к защите его от воздействий внешней среды, как механических, так и химических.

Рекомендованные условия хранения — комнатная температура и относительная влажность воздуха до 60%.

Укладывать на стеллажи нужно в один ряд, не допуская воздействия нагревательных приборов, солнечного света и агрессивных сред на упругие элементы.

Особенности монтажа и эксплуатации

При правильном расчете и подборе кулачковой муфты проблем с ее установкой не возникает.

Для упрощения посадки ступиц на валы рекомендовано подвергать их ограниченному нагреву в муфельной или индукционной печи. Важно убедиться, что упругий элемент в нагреве не участвует, и устанавливать его в ступицы, только убедившись в их остывании. Осевое крепление выполняется монтажным винтом и шайбой.

Правила эксплуатации изложены в паспорте изделия. Основные из них следующие:

• Диапазон рабочих температур- от -30 до +100 °С. Продолжительная работа при повышенной температуре приведет к повреждению и разрушению упругой звездочки.
• Обеспечение абсолютной соосности ведомого и ведущего валов. Нарушение этого требования приведет к биениям и преждевременному износу.
• Подключение проводить при остановке либо на самых малых скоростях вращения валов — до 100 об/мин.

Сточенные или сбитые в ходе эксплуатации кулачки подвергают наплавке с последующей шлифовкой в расчете на то, что их геометрия будет полностью восстановлена и они будут входить в полноценное соприкосновение.

Если требуется ограничить предельную передаваемую мощность, используют кулачковую предохранительную муфту. При превышении допустимого уровня давление на кулачки преодолевает прижимную силу пружин, и муфта выходит из зацепления. Слышатся характерные щелчки, вращение необходимо немедленно остановить. Продолжительная работа в таком режиме приведет к повреждению элементов устройства или к полному выходу его из строя.

Область применения кулачковых муфт

Ответственные и высоконагруженные устройства применяют везде, где требуется передавать по валу высокие моменты вращения или высокие угловые скорости. Муфты позволяют оперативно подключать и отключать ведомый вал от ведущего.

Они востребованы в таких областях, как:

• станкостроение;
• технологическое оборудование для лесной, бумагоделательной, химической и пищевой промышленности;
• металлургия;
• транспорт;
• сельскохозяйственная и дорожно-строительная техника
• добывающая промышленность;
• точное приборостроение;
• производство вооружений;
• энергетика и крупные инфраструктурные объекты.

Во многих случаях, когда необходимо обеспечить ограничение предельной мощности, используют предохранительные кулачковые муфты. Они применяются также там, где необходимо исключить передачу момента вращения в обратном направлении.

Кулачковые муфты с механическим приводом применяются большей частью в небольших станках настольного класса. Более сложные и масштабные агрегаты снабжаются гидравлическим или электромагнитным приводом и управляются от централизованной системы автоматики.

Жесткие кулачковые муфты используются в случае небольших оборотов и высоких передаваемых мощностей. При средних и высоких оборотах применяют устройства с упругим демпфирующим элементом.

Преимущества

Основным преимуществом кулачковых конструкций пред фрикционными является их способность передавать большие крутящие моменты.

Важным достоинством также признают отсутствие проскальзывания при повышении оборотов.

Упругий материал звездочки гасит динамические нагрузки и крутильные колебания, повышая стабильность работы всего агрегата.

Простота конструкции и обслуживания также служит важным эксплуатационным преимуществом.

Недостатком устройства являются необходимость останавливать вращение или снижать обороты для минимума для присоединения. Еще один минус — валы должны быть абсолютно соосны.