Муфты сцепные управляемые

Муфтами называют устройства, соединяющие отдельные сборочные единицы (узлы машин) и передающие энергию от одной части машины к другой. Различие задач, решаемых с помощью муфт, и требований, предъявляемых к муфтам в соответствии с условиями эксплуатации машин, привело к созданию разнообразных конструкций.

Отдельные виды компенсирующих, упругих муфт и предохранительных муфт в рамках рубрики "В помощь конструктору" мы уже рассматривали (см. раздел "Муфты компенсирующие"). Настоящая статья посвящена муфтам сцепным управляемым. Сцепные муфты позволяют соединять и разъединять вращающиеся или неподвижные валы с помощью специальных механизмов управления. Из всего многообразия сцепных муфт наиболее широко распространены фрикционные дисковые и кулачковые муфты с электромагнитным и гидравлическим (пневматическим) управлением.

На рынке стран СНГ свои муфты предлагают фирмы Lenze (Германия), Stromag (Германия), Telcomec (Италия). Они имеют свои представительства в наших странах, и приобрести их продукцию не составит большого труда. Стоит также отметить фирмы KEB (Германия), Ortlinghaus (Германия), Temporiti (Италия), Warner Electric (США), имеющие широкую сеть дистрибьюторов в Европе, но не представленных на рынке стран СНГ. Отечественные предприятия также представлены в этом секторе машиностроения. Это ЗАО "Завод электромагнитных муфт "Златмуфта" (Россия) и ООО "Турботехника" (Украина). Каталоги и материалы указанных производителей использованы при написании данной статьи.

В дисковых муфтах рабочие поверхности имеют простейшую форму. Муфты при малых габаритах могут иметь большую поверхность трения. Потребная сила включения невелика, так как она последовательно осуществляет давление на все поверхности трения, а не распределяется между ними. Применяют однодисковые и многодисковые муфты.

Электромагнитные фрикционные муфты сцепления (рис. 1, а) - это муфты, в которых сжатие трущихся поверхностей осуществляется встроенным в муфту электромагнитом. Подобным же образом работают фрикционные тормоза с электромагнитным управлением (рис. 1, б).

Основные достоинства электромагнитных муфт сцепления: удобство дистанционного и автоматического управления; высокое быстродействие; отсутствие неуравновешенных сил; отсутствие уплотнений, и, следовательно, большая надежность. К недостаткам относятся: большие габариты при равном передаваемом моменте по сравнению с гидроуправляемыми; высокие требования к точности изготовления и монтажа; чувствительность к загрязнению и колебаниям напряжения; высокое тепловыделение и опасность перегрева муфты при продолжительном включении; необходимость в продолжительной паузе между включениями (до 5 минут) для остывания муфты. Эти недостатки приводят к тому, что производители предлагают выбирать типоразмер муфты с запасом передаваемого момента относительно заданного. Соответственно, это приводит к росту габаритов муфты, а, следовательно, и ее цены. Изготовители предлагают муфты с передаваемым крутящим моментом 7,5…450 Нм (Lenze),  7…4000 Нм (Stromag), 0,5…500 Нм (KEB), 3…300 Нм (Златмуфта).

а) фрикционная муфта	б) фрикционный тормоз
Рис. 1 Электромагнитные муфты и тормоза

На рис. 2 представлена фрикционная электромагнитная муфта сцепления фирмы Lenze (Германия), соединяющая два независимых вала.  На ведущий вал 1 насажен ротор 2, вращающийся вместе с ним. Крутящий момент передается шпонкой 3. Ротор имеет фрикционную вставку 4, улучшающую сцепление ротора с якорем. Статор 5, включающий в себя катушку 6, установлен на подшипнике 7 и остается неподвижным при вращении вала. Упор статора 8 соединен с неподвижным корпусом и компенсирует реактивный момент, не давая статору вращаться. К статору подведены провода 9. Якорь 10 соединен с приводимой полумуфтой 11 штифтами 12 и состоит из диска 13, оттянутого от ротора возвратной пружиной 14. Между ротором и диском якоря имеется гарантированный воздушный зазор порядка 0,5…0,6 мм. Предельное отклонение величины зазора от заданной производителем - не более 0,1 мм. Естественно, конструкция машины должна обеспечить подобную точность.

Рис. 2 Электромагнитная муфта

Принцип работы муфты достаточно прост. При включении муфты катушка постоянного тока генерирует магнитное поле. Электромагнитная сила притягивает диск якоря, который преодолевает усилие возвратной пружины и примыкает к фрикционной поверхности ротора. Благодаря возникшей силе трения передается крутящий момент от ротора на диск якоря, а от него ведомой полумуфте и валу. При выключении муфты магнитное поле исчезает, и возвратная пружина отводит диск от поверхности трения. Чаще всего муфта приводится в действие постоянным током 24 В (возможно другое напряжение). Принцип работы и устройство электромагнитных муфт фирмы Stromag (Германия) и "Златмуфта" (Россия) аналогичен.

Электромагнитные муфты могут иметь различные исполнения. На рис. 3, а представлена муфта Lenze (Германия) фланцевого исполнения. В отличие от описанной выше конструкции, статор муфты установлен непосредственно на неподвижном корпусе агрегата. При этом отпадает необходимость в реактивном рычаге и подшипнике. На рис. 3, б представлена муфта фирмы Stromag (Германия), объединенная со шкивом многоручьевой клиноременной передачи. Особенность данной конструкции - объединение муфты и шкива в единый узел, изготавливаемый и регулируемый изготовителем. Это позволяет избежать регулировок при установке муфты на машину.

а) фланцевое исполнение	б) встроенная в шкив муфта
Рис. 3 Исполнения муфт

Конструкция электромагнитного тормоза приведена на рис. 4. В отличие от муфты, в электромагнитном тормозе отсутствует ротор, а фрикционная вставка встроена в статор. При подаче напряжения диск якоря притягивается к статору и останавливает полумуфту, а, следовательно, и вал.

Рис. 4 Электромагнитный тормоз

При включении муфты выделяется большое количество тепла, поскольку всегда имеется скольжение диска якоря по поверхности трения ротора. Поэтому тепловая нагрузка муфты обязательно учитывается при расчете.

Исходными данными для подбора муфты являются: максимальный крутящий момент T_max, Нм, передаваемый муфтой; обороты ведущего вала n₁, мин^-1; обороты ведомого вала n₂, мин^-1 (при реверсивном вращении величина отрицательная); момент сил сопротивления при включении муфты T_L, Нм; массовый момент инерции рабочих органов J, кгм², приведенный к ведущему валу; время включения муфты, t, с; число включений муфты в час, z.

Различают статический момент T_N, Нм, передаваемый муфтой в установившемся режиме и динамический момент T_S, Нм, который действует на вал при включении муфты. Предварительный выбор типоразмера вала проводится по статическому моменту, исходя из условия  .

Затем переходят к расчету работы муфты в режиме включения. Потребный динамический момент определяют по формуле , где t₃, с - время проскальзывания дисков; t₁₂, с - время, за которое момент возрастет до величины 0,9 T_N.При торможении принимают - T_L.

Динамический момент в каталоге указывается для определенной скорости проскальзывания. Обычно это или 100 мин^-1 или 1 м/с. При большей скорости величина момента T_S падает. Это учитываю коэффициентом K=2,0...2,5  (Lenze) или корректируют момент T_S  по графикам, подобным приведенному на рис. 5 (Stromag). В этом случае значение  K можно уменьшить.

Рис. 5 Зависимость величины момента от скорости скольжения

На рис. 6 приведен временной режим работы электромагнитной муфты. Время включения муфты t₁, с, t₁=t₁₁+t₁₂, где t₁₁, с - время задержки от момента подачи напряжения до момента начала возрастания величины крутящего момента; t₁₂, с - время выключения муфты (падения величины крутящего момента до 0,1 T_N). Эти данные приводятся в технических характеристиках каждой муфты.

Время t₃ проскальзывания дисков задается конструктором машины. Приблизительное значение для предварительно выбранной муфты можно определить из обратной формулы . Увеличивая это время можно уменьшить потребный динамический момент. Однако, при этом возрастает величина выделяемого муфтой тепла. Поэтому желательно величину t₃ принимать как можно меньшим и согласовать с производителем муфты.

Рис. 6 Время работы муфты

Напомним, что приведенный к муфте массовый момент инерции J, кгм² при различных оборотах вращения рабочего органа и муфты определяется по формуле . Эквивалентный момент инерции для линейно перемещающихся со скоростью V, м/с тел массой m, кг  .

Затем необходимо проверить тепловой режим муфты. Производители ограничивают температуру муфты 130°C. Выделяемое муфтой тепло Q, кДж,  можно оценить по формуле . Тогда по графику, подобному приведенному на рис. 7, можно определить допускаемое тепловыделения для конкретного типоразмера муфты в зависимости от частоты включения.

При недопустимом перегреве муфты следует выбрать муфту большего типоразмера. Выбрав конкретную муфту, можно точно определить время ее включения .

Рис. 7 Допустимая величина тепловыделения

Все производители предлагают провести расчет и подобрать муфту для конкретной задачи. В случае с электромагнитными муфтами настоятельно рекомендую воспользоваться подобной услугой, т.к. приведенный расчет носит ориентировочный характер.

Муфты поставляются в притертом состоянии. Без притирки передаваемый момент составляет 50% от номинального. Если муфта проскальзывает после пуска, то возможно требуется провести притирку. Для этого рекомендуется при скорости вращения около 90 мин^-1 многократно и кратковременно (до 1 с) соединить рабочие поверхности муфты при напряжении приблизительно 75% от номинального. Для полной притирки достаточно 40 включений.

Рекомендуется устанавливать устройства для защиты от забросов напряжения. При потребляемой мощности муфты свыше 100 Вт это обязательное условие.

Фирма Stromag (Германия), "Златмуфта" (Россия) и "Турботехника" (Украина) помимо однодисковых муфт производит многодисковые фрикционные электромагнитные муфты (рис. 8). Муфты имеют номинальный статический момент T_N 12,5…16000 Нм (Stromag), 16…1000 Нм   (Златмуфта), 16…1600 Нм  (Турботехника) при номинальном напряжении 24 В.

Рис. 8 Многодисковая электромагнитная муфта

Многодисковая электромагнитная фрикционная муфта (рис. 9) состоит из внутренней полумуфты 1 с корпусом электромагнита, в котором установлена катушка 2; пакета наружных и внутренних фрикционных дисков 3; якоря 4; наружной полумуфты 5; контактного кольца 6.

Различают муфты с магнитопроводящими дисками (рис. 9, а) и вынесенными дисками (рис. 9, б). В муфте с магнитопроводящими дисками кольцевой магнитный поток пересекает диски и замыкается через якорь, притягивая якорь и диски к корпусу. Для того, чтобы магнитный поток не замыкался через диски, в них делают кольцеобразные прорези напротив катушки. Такие муфты применяют при стесненных габаритах. Чаще всего такие муфты работают в смазке.

В муфте с вынесенными дисками (рис. 9, б) магнитный поток не проходит через диски. В них якорь, притягиваясь к корпусу, увлекает за собой нажимной диск и сжимает диски. Такие муфты применяют при больших передаваемых моментах (большое выделение тепла) и при необходимости повышенного быстродействия. Муфты работают как в смазке (пара трения сталь - спеченная бронза), так и всухую (пара трения сталь - органика). Номинальный передаваемый статический момент у муфт, работающих в смазке, выше.

Муфты на рис. 9, а и б питаются постоянным током через кольцо 6, к которому радиально присоединены контактные щетки. На рис. 9, в представлена муфта с неподвижной катушкой. В этом исполнении муфты отсутствует контактное кольцо, что упрощает конструкцию в целом.

а) с магнитопроводящими дисками	б) с вынесенными дисками	в) с неподвижной катушкой
Рис. 9 Многодисковые электромагнитные муфты

При больших передаваемых моментах или стесненных габаритах рекомендуется применять муфты (тормоза) с гидравлическим (пневматическим) управлением (рис. 10). К недостаткам подобных устройств можно отнести сложность конструкции муфты и ее систем управления. Это наличие уплотнений; необходимость установки вращающегося подвода рабочей жидкости; потребность в дополнительных распределительных секциях, клапанах и т.д. Фирма Stromag (Германия) предлагает гидроподжимные муфты с номинальным крутящим моментом 200…100000 Нм при рабочем давлении 16…24 бар.

а) многодисковая муфта	б) многодисковый тормоз
Рис. 10 Гидроуправляемые муфты и тормоза

Гироподжимная муфта (рис. 11) фирмы Stromag (Германия) состоит из внутренней полумуфты 1, которая устанавливается на приводной вал; наружной полумуфты 2, соединяемой с приводным механизмом; набора дисков (ламелей) 3; поршня 4 с уплотнением 5; гильзы цилиндра 6, соединенной с внутренней полумуфтой 1; упорного диска 7, также соединенного с внутренней полумуфтой 1; возвратных пружин 8. Во внутренней полумуфте имеются каналы 9 для подвода рабочей жидкости и каналы 10 для подвода охлаждающей жидкости. Половина дисков 3 соединена зубцами с внутренней полумуфтой 1, а вторая половина - с внешней полумуфтой 2.

Рассмотрим принцип работы гидроподжимной муфты. При подаче рабочей жидкости в канал 9, и, соответственно, в зазор между гильзой цилиндра 6 и поршнем 4, последний приходит в движение. Преодолевая усилие возвратных пружин 8, поршень 4 сжимает набор дисков 3. Диски упираются в упорный диск 7 и при помощи зубцов и возникшей силы трения передают крутящий момент от внутренней (ведущей) полумуфты 1 на наружную (ведомую) полумуфту 2. При снятии рабочего давления возвратные пружины 8 отводят поршень 4 в исходное положение. Внутренние диски выполнены из стали и имеют свойства пружины. Они отводят внешние диски. Силы трения исчезают и кинематическая цепь разрывается.

Рис. 11 Конструкция гидроподжимных муфты и тормоза

При включении муфты обязательно имеет место взаимное проскальзывание дисков, сопровождаемое выделение тепла. Температуру муфты можно регулировать, подводя к дискам муфты охлаждающую жидкость. Наружные диски имеют фрикционные накладки из порошковой бронзы, имеющие специально сформированную поверхность. Это позволяет при высоких термических нагрузках подвести охлаждающую жидкость от внутренней поверхности пакета дисков к внешней.

Необходимо отметить, что подвод охлаждающей жидкости не является обязательным условием работы муфты. Чаще всего используются муфты без принудительного охлаждения. Принудительное охлаждение повышает нагрузочную способность муфты в режиме включения.

Для гидроподжимных муфт можно задавать режим включения (ударное или с плавным возрастанием). Также различным образом может быть организован режим охлаждения. Рассмотрим различные схемы включения двух гидромуфт 10 (рис. 12). При нормальной схеме (рис. 12, а) включения гидравлическая жидкость через фильтр 6 при помощи насоса 1, приводимого в движение электродвигателем 2, подается к распределительному клапану 4, а от него к муфтам 10.  Излишки охлаждающей жидкости, подаваемой в канал охлаждения 8, отводятся через клапан ограничения давления 3. Количество подаваемой жидкости регулируется дросселем 5.

На рис. 12, б представлена гидравлическая схема плавного включения муфт. В схему добавлен гидроаккумулятор 9 и обратный клапан с дросселем 7. Аккумулятор 9 непрерывно находится под давлением насоса 1. При включении муфт 10 аккумулятор выбрасывает жидкость в поршневую полость и поршень быстро приближается к набору дисков. Насос перезаряжает аккумулятор 9. Благодаря наличию аккумулятора происходит дозирование объема подаваемой жидкости, и давление в поршневой полости повышается плавно. Время включения регулировать дросселем 7.

На рис. 12, в изображена схема включения муфты с интенсивным охлаждением. В отличие от схемы нормального включения, охлаждающая жидкость циркулирует отдельно от рабочей. Клапан 4 линии охлаждения должен быть включен синхронно с клапаном подачи рабочей жидкости. Охлаждающая жидкость подается в большом количестве отдельным насосом и охлаждает диски во время проскальзывания. При выключении муфты клапан 4 линии охлаждения находится в центральном положении и небольшое количество жидкости протекает через муфту и дроссель 5.

а) нормальное включение	б) плавное включение	в) с принудительным охлаждением
Рис. 12 Гидравлические схемы включения муфты

При проектировании гидравлической схемы муфты необходимо обратить внимание на давление, развиваемое возвратными пружинами. Как правило, эта величина составляет 2,6…3,0 бар. Если давление в магистрали слива будет больше, диски муфты не разведутся, что приведет к ее поломке.

Методика расчета многодисковых муфт (как электромагнитных, так и гидравлических) аналогична приведенной выше. В каталогах производителя даны номограммы для определения допустимого тепловыделения при заданной частоте включения каждого типоразмера муфты. Потребитель, самостоятельно или консультируясь со специалистами фирмы, может подобрать нужную муфту.

Фрикционные силы, возникающие в наборе дисков, сжатых внешней силой, используются не только для передачи крутящего момента, но и для тормозов.   На рис. 13 представлен гидравлический (пневматический) многодисковый тормоз, встроенный в редуктор. Подобная конструкция тормоза может работать как в масле, так и без применения смазочных материалов для фрикционных поверхностей.

Рис. 13 Гидроподжимной тормоз

На рис. 14 представлены муфты производства фирмы Stromag (Германия), в которых диски сжимаются механической силой. Для этого в муфту встроен рычажно-кулачковый  нажимной механизм. Муфта (рис. 14, а) состоит из ведущей 1 и ведомой 2 полумуфт; нажимного рычага 3; внутренних 4 и наружных 5 дисков (ламелей); нажимного диска 6; пружины 7; регулировочной гайки 8; зажимного винта 9; поводковой втулки 10 и рычага переключения 11.

Включение муфты производится переводом поводковой втулки 10 в рабочее положение. При этом благодаря правильно подобранным рычагам 3 происходит значительное увеличение усилия и набор дисков 4 и 5 зажимается между диском 6 и гайкой 8. Нажимной механизм 3 в данной конструкции является замкнутым в силовом отношении, т.е. нет потребности в постоянном поджиме поводковой втулки 10. Это достигается тем, что нажимные рычаги 3 во включенном состоянии контактируют с цилиндрической поверхностью поводковой втулки 10. Усилие нажатия регулируют гайкой 8. Диапазон передаваемых крутящих моментов T_N 50…20000 Нм.

На рис. 14, а представлено исполнение муфты для передачи крутящего момента двум валам. В конструкцию муфты, представленной на рис. 14, б, добавлены шарикоподшипники, что позволяет передать крутящий момент ступице (например, со шкивом). На рис. 14, в представлена предохранительная муфта, использующая в работе описанный выше принцип.

а) соединение валов	б) соединение вала и ступицы	в) предохранительная муфта
Рис. 14 Многодисковые рычажные муфты

Альтернативой дисковым фрикционным являются кулачковые муфты. Фирма Stromag (Германия) предлагает кулачковые электромагнитные муфты (рис. 15) с номинальный статическим моментом T_N 20…100000 Нм при номинальном напряжении 24В или 110В.

Кулачковая электромагнитная муфта (рис. 15, б) состоит из корпуса 1, якоря 2, ведомой полумуфты 3, контактного кольца 4, обмотки 5 и возвратного толкателя 6. На корпусе 1 и якоре 2 выполнены торцевые кулачки треугольного профиля.

Принцип работы аналогичен дисковым фрикционным муфтам. Однако, крутящий момент передается не силами трения, возникающим при прижатии диска (дисков), а торцевыми кулачками. Это позволяет передавать большой крутящий момент при малых габаритах муфты, существенно уменьшить время включения муфты, применять муфты при высоких  частотах вращения соединяемых валов (до 5500 мин^-1). Производитель предлагает муфты с нерегулярным расположением кулачков, что позволяет соединять валы в строго определенном взаимном угловом положении. Муфты допускают работу всухую или в смазке.

а) общий вид	б) с контактным кольцом	в) с неподвижной катушкой
Рис. 15 Кулачковые электромагнитные муфты

На рис. 15, б представлена муфта с магнитопроводящими торцевыми мелкими кулачками. На рис. 15, в изображена муфта с неподвижной катушкой. В конструкцию муфты добавлен внутренний диск 7 и пара шарикоподшипников. Это позволяет избавиться от подвода тока к вращающемуся диску. Соответственно, контактное кольцо 4 отсутствует, а корпус 1 должен быть зафиксирован от вращения.

Для передачи больших (до 100 000 Нм) крутящих моментов предназначены муфты с непроводящими торцевыми кулачками увеличенного профиля, изображенные на рис 16. Такая муфта (рис. 16, а) имеет якорь 1 и корпус 2, в котором установлена обмотка 3. Крутящий момент передается вынесенными на периферию кулачковыми кольцами 4 и 5, установленными на корпус 2 и якорь 1. Якорь 1 связан шлицами с приводной полумуфтой 6. Ток подводится через кольца 7, расцепляет якорь возвратные пружины 8, замкнутые на упорное кольцо 10. На рис. 16, б представлено исполнение муфты с не вращающейся катушкой.

а) с контактным кольцом	б) с неподвижной катушкой
Рис. 16 Высокомоментные кулачковые электромагнитные муфты

Производятся также кулачковые муфты с гидравлическим (пневматическим) управлением (рис. 17). Муфта состоит из цилиндра 1, поршня 2, возвратного диска 3, кулачковых колец 4 и 5, приводной полумуфты 6. Принцип работы муфты аналогичен описанным выше гидравлическим многодисковым муфтам.

Рис. 17 Гидравлическая кулачковая муфта

В кулачковых муфтах любой конструкции отсутствует длительное проскальзывание элементов муфты, сопровождаемое выделением большого количества тепла. Поэтому подбор муфты ведется по номинальному статическому моменту T_N, приведенному в каталогах производителей.

Производители муфт демонстрируют очень гибкий подход к своим клиентам. Помимо продукции производственной программы, они могут разработать муфты для нужд конкретного заказчика. Это позволяет свести к минимуму риск создания неудачной конструкции машины, который существует всегда. Во время получения докторской степени в 1974 г. Соичиро Хонда сказал: "Успех может быть достигнут только через повторяющиеся неудачи и самоанализ. Фактически успех - это только 1 процент вашей работы, а остальные 99 процентов - это неудачи". А, глядя на автомобили и мотоциклы фирмы "Хонда", кажется, что процент успеха все-таки больше…