Фрикционная муфта принцип работы

Муфта фрикционная

Муфта фрикционная — устройство, передающее вращательное движение посредством трения. Такие муфты осуществляют плавное сцепление при различной скорости, что успешно используется, в машиностроении, в конструкции автомобильного сцепления. Более того, муфта фрикционная не может передать через себя больший момент, чем момент сил трения, ввиду того, что начинается проскальзывание контактирующих фрикционных элементов. Поэтому именно это свойство позволяет фрикционным муфтам быть эффективными предохранителями для защиты машины от динамических перегрузок.

Типы фрикционных муфт

По типу трущихся поверхностей муфты фрикционные бывают дисковые, конусные, и цилиндрические. В дисковых муфтах (одно- и многодисковые), трение происходит по торцевым поверхностям дисков. В конусных, рабочие поверхности изготовлены конической формы. Цилиндрические (ленточные, колодочные и т.д.) имеют цилиндрическую поверхность контакта. Из всех перечисленных видов муфт, дисковые получили наибольшее распространение.

По типу сил трения бывают муфты сухие и муфты масляные.

Сухие муфты работают без смазочного материала, а масляные со смазочным материалом. Такие муфты применяют в ответственных конструкциях механизмов при передаче больших моментов. Смазывание продлевает срок службы рабочих поверхностей, но зато усложняет конструкцию муфты.

Муфты фрикционные изготавливают из конструкционной стали, чугуна СЧ30, а качестве фрикционных материалов, из которых изготовляют накладки, служат прессованная фрикционная пластмасса, асбестопроволочная ткань — ферродо, порошковые материалы и т.д. Сжатие поверхностей трения является главной задачей работы муфт фрикционных. Поэтому они рассчитываются на прочность по контактному давлению (подобно напряжениям смятия). Для каждой отдельной конструкции вычисляется сжимающая сила и делится на площадь контакта. При этом расчётное контактное давление не должно превышать допускаемое для данного материала.

Также, муфты фрикционные подразделяются на сцепные (муфты сцепления), и предохранительные муфты.

Муфта сцепления, посредством трения, разъединяет и плавно соединяет входной и выходной вал.Предохранительная муфта служит для разделения входного и выходного валов, если превышается предельная величина крутящего момента.

Муфты фрикционные дисковые бывают однодисковые, двух, и многодисковые. В наше время очень широко используются малогабаритные однодисковые муфты с фрикционными вставками, которые устанавливают консольно, для удобства ремонта. Они блокируются с тормозом или непосредственно жесткой связью, или посредством системы управления.

Необходимость быстродействия и большие передаваемые моменты, заставляют применять для управления работой муфты пневматические или гидравлические силовые цилиндры. Электромагнитные и механические устройства не могут обеспечить в этом случае, возникновения большого усилия, передаваемого на нажимный диск. В этом случае больше применяются муфты с пневматическим управлением. А именно муфты с электромагнитным управлением хорошо работают в прессах небольшого (до 100 кН) усилия.

Однодисковая муфта встраивается в маховик, на котором расположены опорный диск и ступица с диафрагмой. Через подводящую головку, установленную на крышке диафрагмы, в полость подается сжатый воздух. Крышка крепится к маховику, который установлен на валу консольно, шпильками. Вращение валу передается ведомым диском, в котором стоят фрикционные вставки из ретинакса. При впуске воздуха нажимной диск смещается мембраной. Он фиксируется по шлицам цилиндра. Вставки, расположенные в гнездах диска, зажимаются между нажимным и опорным дисками, из-за чего возникает момент трения, который передается на вал. В момент выпуска воздуха нажимной диск отодвигается пружиной, при этом контакт со вставками нарушается.

Для таких муфт нужно, чтобы потребление энергии на разгон было минимальным. В нашем случае только ведомый диск должен подлежать разгону при включении, поскольку все остальные части муфты установлены и вращаются на маховике. Муфта такой конструкции имеет небольшие размеры, что позволяет устанавливать ее консольно. Да и ремонтоспособность такой муфты также улучшена, поскольку для того, чтобы заменить фрикционные вставки, достаточно снять крышку, диафрагму и нажимной диск, не совершая при этом демонтажа всего узла. Но из-за малой поверхности теплоотдачи, при частом числе включений за короткий промежуток времени, возможен перегрев устройства.

Качество работы такой муфты сильно зависит от конструкции и качества фрикционных вставок. Для них, очень широко применяется ретинакс А (ФК 16Л) , и ретинакс Б(ФК-24А). Материал ретинакс А (ГОСТ 10851-73) может отлично работать в муфтах при кратковременной температуре до 1100° С, а ретинакс Б ( ГОСТ 10851-73) — при поверхностной температуре до 700° С.

Однако не во всех случаях, несмотря на высокий коэффициент трения и достаточно большие удельные (до 15-18 кГ/см2) усилия, удается использовать один ведомый диск однодисковой муфты – к примеру, на горячештамповочных прессах, где требуемый момент достигает 100000 Нм. Здесь приходится использовать многодисковую фрикционную муфту с двумя и более дисками.

На зубчатом колесе такой муфты, которое является его ведущей частью, установлен пневматический цилиндр. Поршень цилиндра, передавая вращение на вал, сжимает ведущие и ведомые диски. Пружины, установленные по периферии цилиндра, разводят фрикционные поверхности при выпуске воздуха из цилиндра.

При этом различают муфты, работающие со смазкой и муфты сухие, без смазки. И хотя, масляная среда снижает коэффициент трения, такое конструктивное решение даёт определенные преимущества перед сухим вариантом. Так, например, нет необходимости защищать фрикционные диски от случайного попадания смазки из других узлов механизма, что обычно создаёт достаточно большие конструктивные проблемы. При правильной смазке такой муфты хорошо отводится тепло, образующееся в процессе трения, и удаляются продукты износа, увеличивая таким образом и плавность работы, и срок службы всего узла. Изменение количества дисков в муфте, позволяет лучше регулировать передаваемый момент. Поэтому муфты, работающие со смазкой, получили чрезвычайно широкое распространение в машиностроении. Они вытесняют сухие муфты, особенно там, где необходимо плавное включение.

Применение многодисковых фрикционных муфт позволяет проще компенсировать снижение крутящего момента увеличением осевой нагрузки, без опасности появления износа и вибраций.

Детали машин

Сцепные управляемые муфты

Сцепные управляемые муфты служат для быстрого соединения и разъединения вращающихся или неподвижных валов. Часто такие муфты используются для прерывания связи между валами или установленными на них деталями без остановки ведущего звена (входного вала). Они работают при строгой соосности валов. Сцепные муфты должны легко и быстро включаться в работу при небольшой управляющей силе и обеспечивают работу при частых переключениях.

По принципу работы сцепные управляемые муфты делят на кулачковые (с профильным замыканием) и фрикционные.

Кулачковые муфты

Сцепные управляемые муфты кулачкового типа (рис. 1) состоят из двух полумуфт с кулачками на торцовых поверхностях. При включении кулачки одной полумуфты входят во впадины другой, обеспечивая жесткое соединение входного и выходного звеньев. Для переключения муфты одну из полумуфт перемещают вдоль оси вала по шлицам, шпонке или другому направляющему элементу с помощью механизма управления муфтой.
Для уменьшения изнашивания деталей механизма управления подвижную полумуфту рекомендуется располагать на ведомом валу.

Для изготовления полумуфт сцепных кулачковых муфт используют стали марок 20Х или 20ХН. Для повышения износостойкости рабочие поверхности кулачков цементуют и закаливают до твердости Н = 54…60 HRC.

Основные элементы муфты – кулачки могут выполняться по различным профилям (рис. 2): прямоугольные (а), трапецеидальные (б), треугольные (в) соответственно для больших, средних и малых нагрузок.
Кулачки прямоугольного профиля трудны для включения, но не создают отжимающих сил при работе муфты. Остроугольные профили облегчают включение, но требуют осевой силы поджатия тем большей, чем большее отклонение от прямоугольного профиля.
Асимметричный профиль кулачков (рис. 2,г) применяют в нереверсивных механизмах для облегчения включения муфты.

Число кулачков принимают z = 3…60 в зависимости от величины вращающего момента Т и желаемого времени включения, которое тем больше, чем большее количество кулачков.

Кулачковые муфты просты в изготовлении и имеют малые габариты. Но они обладают существенным недостатком – невозможность включения на ходу при большой частоте вращения валов и при разной угловой скорости ведущего и ведомого звена, поскольку необходимо согласование положения профилей кулачков и впадин. Для предотвращения сильных ударов и повреждения кулачков включение кулачковой муфты осуществляют без нагрузки при разности окружных скоростей на кулачках не более 1 м/с.

Сцепные кулачковые муфты применяют при необязательной плавности включения в приводах, требующих совпадения угловых скоростей соединяемых валов (например, в металлорежущих станках), а также при передаче больших вращающих моментов, когда переключение производится редко.

Размеры муфт принимают конструктивно, а затем кулачки проверяют расчетом на износостойкость – по среднему давлению qm на рабочих поверхностях в предположении равномерной работы всех кулачков:

где Т_р – расчетный вращающий момент, Нм;
D₁ , b и h – размеры муфты (рис .1);
[q_m] = 35…70 Н/мм 2 – допускаемое давление для закаленных кулачков муфт, включаемых на ходу (меньшие значения принимают при работе муфты на повышенных скоростях.

Фрикционные муфты

Сцепные управляемые фрикционные муфты (рис. 3) служат для плавного сцепления валов под нагрузкой на ходу при любых скоростях. Передачу вращающего момента осуществляют за счет сил трения на рабочих трущихся поверхностях муфты при их прижатии.

В начале плавного включения за счет проскальзывания рабочих поверхностей муфты разгон ведомого вала происходит плавно, без удара с постепенным нарастанием передаваемого вращающего момента по мере увеличения прижимной силы F . При установившемся движении проскальзывание отсутствует, полумуфты сцеплены и оба вала вращаются с одной и той же частоте вращения.
Изменяя прижимную силу F , можно регулировать силы трения и передаваемый вращаемый момент. При перегрузке фрикционная муфта пробуксовывает, предохраняя машину от поломок.

По форме поверхности трения фрикционные муфты (рис. 3) делят на дисковые (а), конусные (б) и цилиндрические (в).

В дисковых муфтах рабочими поверхностями служат плоские торцы дисков, на которые наносят фрикционный слой или крепят накладки из фрикционного материала. Чтобы давление q_m равномерно распределялось по всей рабочей поверхности дисков, крайние внутренние диски изготавливают большей толщины (рис. 3, а и рис. 4 ).
Конструкцию дисковых фрикционных муфт часто выполняют по многодисковой схеме.

Цилиндрические шинно-пневматические муфты применяют в установках для бурения скважин, в экскаваторах и др.

По условиям смазывания бывают масляные (работающие в масляной ванне) и сухие фрикционные муфты. Масло служит для уменьшения изнашивания, предотвращения заедания, отвода теплоты, обеспечивает стабильность коэффициента трения.

Многодисковая фрикционная муфта

В случаях, когда необходимо уменьшить радиальные габариты фрикционных дисковых муфт, применяют их многодисковые конструкции. Применение нескольких дисков вместо одного позволяет получить одинаковую поверхность трения при меньших радиальных размерах муфты.
Такие многодисковые фрикционные муфты применяются, например, в конструкции сцепления большегрузных автомобилей КамАЗ, МАЗ и др.

Многодисковая фрикционная муфта (рис. 4) состоит из двух расположенных соосно полумуфт в виде корпуса 1 и втулки 3, дисков 4 и 5 и прижимного механизма 2. В продольные пазы внутренней поверхности корпуса входят зубья наружных (ведущих) дисков 4, а в пазы на наружной поверхности втулки – зубья внутренних (ведомых) дисков 5.
Между дисками под действием прижимной силы F возникают силы трения, обеспечивающие передачу вращающего момента.

Толщина дисков – 0,8…4,8 мм для масляных и 1,1…6,2 мм для сухих фрикционных муфт. Зазор между дисками выключенной муфты составляет 0,3…1,0 мм. Число наружных дисков масляных муфт не более 11 сухих – не более 4, так как прижимная сила F к последним дискам уменьшается вследствие трения зубьев дисков в пазах полумуфт.
Наружные и внутренние диски должны быть параллельными и строго соосными, поэтому их устанавливают на одной полумуфте.

Многодисковые муфты имеют малые габариты, что особенно важно для быстроходных приводов.
Муфты с механическим управлением применяют для передачи малых и средних вращающих моментов (25…2500 Нм при диаметрах валов d = 22…100 мм). При передаче больших моментов многодисковые муфты снабжают пневматическим, гидравлическим или широко применяемым в станкостроении электромагнитным дистанционным управлением для создания прижимной силы F .

Расчеты фрикционных муфт

Основным критерием работоспособности фрикционных муфт является износостойкость трущихся поверхностей. Поверхности трения дисков проверяют на износостойкость по величине давления q_m .

Чтобы фрикционная муфта могла передавать вращение с ведущего вала на ведомый, момент сил трения между трущимися рабочими поверхностями муфты должен быть выше передаваемого вращающего момента. В противном случае муфта будет буксовать, и ведомый вал останется неподвижным.
Условие передачи муфтой требуемого момента Т_р :

где Т_f = 10 -3 FfR_mzk_z – момент сил трения, Нм;
β = 1,35…1,5 – коэффициент запаса сцепления;
F – сила прижатия дисков, Н;
f – коэффициент трения между рабочими фрикционными поверхностями муфты;
R_m = (D₁+D₂)/4 – средний радиус поверхности трения дисков, где D₁ и D₂ — диаметры дисков в мм;
z = z₁+z₂ – 1 – число пар трущихся поверхностей (для многодисковой муфты), где z₁ и z₂ – число наружных и внутр енних дисков;
k_z – коэффициент, учитывающий влияние числа дисков: при z₁= 4 k_z= 1, при z₁= 6 k_z= 0,75.

Необходимую прижимную силу дисков F вычисляют по формуле:

Среднее давление на трущихся поверхностях:

где [q_m] – допускаемое давление.

Фрикционные муфты: принцип работы, чертеж

Фрикционные муфты — это устройства, которые предназначены для передачи вращательного движения в механизме. Довольно часто элементы данного типа встречаются в автомобиле.

Также они используются в приводах. Основное преимущество модификаций кроется в их компактности. Существует множество разновидностей муфт. Чтобы узнать больше данных о них, стоит ознакомиться с чертежами модели.

Устройство модели

Обычная муфта включает в себя барабан и набор дисков. Непосредственно корпус используется чашечной формы. Многие модификации производятся с зажимными пластинами. Пальцы у них фиксируются у основания устройства. Для подключения модели имеется вилка. Вращательный момент шестерни обеспечивается благодаря подшипникам.

Как работает муфта?

Принцип работы фрикционных муфт построен на передаче вращательного движения от вала. Происходит данный процесс благодаря барабану. Он плотно соединен с дисками, которые его контролируют. Для удержания механизма по оси имеется пружина. Стандартная модель фиксируется к валу через вилку. Также стоит отметить, что скорость вращения зависит от типов подшипника.

Типы моделей

По форме выделяют дисковые, конусные и цилиндрические модификации. В отдельную категорию относят многодисковые модели. Существуют устройства с одним или несколькими барабанами. Они отличаются по габаритам, а также коэффициенту вращения.

Дисковые устройства

Наиболее распространенными считаются дисковые фрикционные муфты. У них используется большой барабан. При этом прижимная пластина крепится через стойку. У многих моделей используется несколько стяжек. Также стоит отметить, что существуют устройства с пальцами. У них довольно высокая сила трения. Данные устройства можно встретить в станках.

Конусные модификации

Конусная муфта фрикционная (чертеж показан ниже) подходит для приводных устройств. У нее имеется несколько барабанов, которые соединяются через пластину. Вилки используются разных размеров. Также надо отметить, что конусные модификации хорошо подходят для автомобилей, часто устанавливаются на механизмы сцепления. Пальцы в данном случае крепятся под небольшим углом наклона. Ведомые пластины хорошо зашлифованы и способны вращаться с большой скоростью.

Цилиндрические устройства

Цилиндрическая фрикционная муфта сцепления очень редко встречается на производстве. Наиболее часто модели устанавливаются на краны. Ведущие барабаны у них применяются большой ширины. При этом стойки отличаются по размеру. Некоторые специалисты указывают на прочность пружин. Муфты данного типа способны выдерживать большие перегрузки по оси. У них может быть один или несколько подшипников. Стяжные пальцы устанавливаются большого размера.

Особенности многодисковых моделей

Многодисковая фрикционная муфта включает в себя широкий барабан, а также три рабочие пластины. Стяжные пальцы используются на подкладках. У многих моделей устанавливается несколько опор. Также стоит отметить, что есть модификации на две пружины. У них высокая прижимная сила, применяются вилки большого диаметра. Наиболее часто устройства устанавливаются на приводы. Корпуса применяются конусной формы.

Модели с одним барабаном

Фрикционные муфты с одним барабаном делаются с одной или несколькими пластинами. Сила сжатия в данном случае регулируется пальцами. Некоторые специалисты говорят о том, что модификации подходят для кранов. Однако они встречаются еще в автомобилях. Также стоит отметить, что модели выдерживают большие перегрузки. Ведомые диски у них отшлифованы, способны быстро вращаться. Вилки включения чаще всего устанавливаются у основания механизма.

Модели с несколькими барабанами

Довольно часто на производстве встречается муфта предохранительная (фрикционная) с несколькими барабанами. Среди достоинств модификации стоит отметить хорошие упоры и высокую прижимную силу. Многие модели способны выдерживать большие нагрузки. У механизмов редко устанавливаются накладки. Также стоит отметить, что ведущие шестерни используются большого размера. Некоторые муфты работают от растяжных пальцев. У них имеются две стойки.

При этом вилка для подключения находится в передней части конструкции. Устройства не подходят для приводов, поскольку у них медленный старт. Также стоит отметить, что существуют модели с отжимным диском. Шток в данном случае располагается в горизонтальном положении. Пальцы при этом используются небольшого размера. В устройствах высокая сила сжатия. Барабаны способны вращаться только в одном направлении. Ведущий диск может находиться за выжимной пластиной либо перед ней.

Втулочные модели

Втулочные фрикционные муфты подходят только для механизмов сцепления. Некоторые модификации применяются в приводных устройствах. У моделей может использоваться несколько перегородок. Также стоит отметить, что стяжные пальцы устанавливаются над выжимной пружиной. Пластины находятся в горизонтальном положении. Втулка крепится между перегородок и играет роль амортизатора.

Если говорить про недостатки, то стоит отметить, что у моделей малая прижимная сила. Также модели не способны поддерживать высокие обороты вала. Устройства не подходят для приводов.

Преимущества фланцевых устройств

Преимущества фланцевых муфт кроются в том, что у них малый износ барабана. Диски чаще всего фиксируются за стойкой. Перегородки применяются небольшого размера. Для удержания стойки используются зажимные пластины. Пружины чаще всего фиксируются в нижней части муфт. Некоторые модели работают с приводами. Подключение к валу происходит через вилку. Также стоит отметить, что существуют модификации с широкими отжимными дисками. У них конусные корпуса, и они являются очень компактными.

Модели на шарнирах

Муфты на шарнирах способны работать в приводных устройствах разной мощности. Модификации выделяются широкими перегородками и короткими пальцами. Диски фиксируются у основания пластины. Корпуса производятся разного размера. Стяжные пальцы располагаются перед стойкой. Перегородки могут быть с нарезами. Также стоит отметить, что сила вращательного момента зависит от размеров барабана. Как правило, у него применяется широкая стенка. При этом края заточены и не трутся о диски. Это было достигнуто за счет установки шарниров.

Кулачковые устройства

Фрикционная муфта с кулачками подходит для станочных устройств. Многие модели выдерживают значительную нагрузку, однако в данном случае многое зависит от барабана. У некоторых устройств он фиксируется между перегородками. Также надо отметить, что есть модели на пластинах. Для удержания деталей применяется конусный корпус.

Наиболее распространенными считаются муфты на отжимных дисках. У них используются барабаны небольшой ширины. Штоки в данном случае соединяются с вилками. Многие модели используются в механизмах сцепления. Стяжные пальцы могут фиксироваться у основания перегородок. Ведомый барабан практически не стирается. Стяжные пальцы стандартно используются небольшого размера.

Модели для приводов

Фрикционная муфта для приводов может работать с одним или несколькими барабанами. В данном случае штоки производятся под небольшие валы. Барабаны устанавливаются в горизонтальном положении. Многие модификации оснащаются дисками из сплава алюминия. Также стоит отметить, что существуют модификации с пружинными устройствами.

Если рассматривать стандартную модификацию, то у нее имеются два отжимных диска. Между ними есть только одна пластина. Втулка в данном случае крепится за штоком. С целью сохранности барабана устанавливаются подшипники. Если рассматривать модели для больших приводов, то у них имеется отжимной диск с перегородкой. Ведомый барабан работает на широкой стойке. Нажимные пружины могут быть со стяжками. Вилки у муфт фиксируются у основания. Некоторые модели производятся с конусными корпусами. Дополнительно у муфт применяются компактные рабочие пластины.

Дисковая фрикционная муфта и её характеристики

Технические характеристики муфты

Для подачи мощностей в больших крутящихся моментах, применяются вспомогательные детали. Такие, например, как накладки, сделанные из ферродо, ретинакса и прочих фрикционных материалов, прикреплённые или приклеенные к дискам. Чаще всего, данные материалы держатся на заклёпках. При запуске механизма, муфта испытывает на себе механическое воздействие – боковые части накладок, соединённые с заклёпками, подвергаются частым ударам, что вызывает сильные локальные напряжения, отражающиеся на работоспособности фрикционных материалов.

Это может привести к преждевременному выходу накладок из строя, что приведёт к падению КПД всего оборудования.

Присоединение накладок также не может гарантировать надёжного соединения, особенно в случае сильного нагрева, поскольку в результате пагубного воздействия высокой температуры, возможны возникновения различных дефектов. К примеру, на фрикционном контакте происходит плавка и клей может потерять свои привычные свойства.

Именно поэтому рекомендуется не ограничиваться приклеиванием запчастей. Надёжнее будет дополнительно проклепать накладки. Данная процедура позволит продлить срок их эксплуатации.

Муфту также необходимо обрабатывать изнутри вязким маслом для регуляции температуры, режима работы и продления срока службы.

Известны также фрикционные дисковые муфты. Их элементы располагаются между ведомыми и ведущими дисками муфты. У данных элементов есть возможность проскальзывания относительно них при запуске муфты. Однако муфты данного типа сложны в производстве и имеют сравнительно слабую удельную нагрузочную способность. Подобные устройства желательно вставлять в машины с более низкой нагрузкой и мощностью, поскольку в мощных машинах такие муфты быстро изнашиваются и ломаются, что может повлечь за собой остановку всего оборудования.

Фрикционная дисковая муфта содержит фрикционные элементы, которые установлены между ведущими и ведомыми дисками с возможностью проскальзывания между ними во время запуска работы механизма. Отличается она тем, что, обладает упрощающей конструкцией. Для повышения нагрузочной способности, она оснащена обечайкой, охватывающей ведомый диск. Края данной детали выступаю за торцы, а фрикционные элементы поделены на ряд секторов и отделений, расположенных свободно внутри самой обечайки по обе стороны ведомого диска.

Работа муфты идёт следующим образом:

Нюансы, которые следует учесть, при эксплуатации дисковой фрикционной муфты

Замена изношенных фрикционных секторов на новые производится через «окошки» в маховике после выкручивания винтов и снятия элементов обечайки.
Муфта имеет большой барабан, и для ремонта необходимо снять закрепительную пластину и после тщательного осмотра определить, какая деталь требует замены.

При включении закачки сжатого воздуха, отжимные пружины механизма возвращают нажимной диск в исходное состояние с помощью винтов. Таким образом, происходит постепенное растормаживание и раскачка маховика, фрикционных секторов, ведомого и нажимного дисков. Муфта, постепенно раскручиваясь, распределяет нагрузку на весь механизм, в зависимости от предельной мощности.

Работа муфты регулируется вручную.

Износостойкость дисковой фрикционной муфты определяется путём расчёта предельно допустимого внутреннего давления. В зависимости от предназначения, данные показатели могут меняться.

Приобретая дисковую фрикционную муфту, следует учитывать предельный КПД машин, что позволит выбрать оптимальный вариант, при котором и муфта, и сам механизм прослужат максимально долго.