Муфты. Применение и разновидности
Му́фта. Откуда вообще взялось это слово? Ну, сначала появилась муфта для согревания рук, а её название пришло из голландского языка, где она называлась mouwtje, а это слово, в свою очередь образовано от mouw — «рукав». Название это перешло и на устройства для соединения цилиндрических деталей — трубопроводов, валов и т.п. Такой переход обусловлен внешним сходством этих изделий.
Зачем нужны муфты?
Если говорить коротко, муфты - это механические устройства, используемые для соединения соосных концов валов или соединения вала с различными деталями, чтобы передавать крутящий момент. Муфты могут применяться и для соединения валов, расположенных в одной плоскости под небольшим углом друг к другу. В таких случаях можно использовать, например, шарнирную муфту. Крутящий момент можно передавать и при помощи зубчатых передач, но, если оси валов находятся на одной линии и расстояние между их концами мало, муфта будет самым простым и эффективным решением.
Общее применение или использование
- Для передачи мощности от ведущего вала к ведомому валу.
- Для соединения 2-х компонентов, которые изготавливаются отдельно, например, выходной вал шагового двигателя и вал шарико-винтовой передачи.
- Чтобы обеспечить дополнительную гибкость при передаче мощности в случае необходимости.
- Ввести защиту от перегрузок. Для уменьшения передачи ударных нагрузок с одного вала на другой.
Виды муфт
Муфта – довольно востребование приспособление в машиностроении в целом, из-за чего количество вариаций их исполнений огромно. Мы не будем затрагивать разновидности муфт, которые используются, в автомобилестроении, бурильных установках и различных поездах, а поговорим только о тех муфтах, которые целесообразно использовать в различных станках с ЧПУ и 3D принтерах.Начнём мы, пожалуй, с самых простых по строению муфт, которые называют жёсткими, а затем перейдём к более сложным разновидностям, которые имеют различного рода дополнительную защиту от вибраций, нагрузок, вызывающих смещения, и тому подобного.
Смещения бывают трёх видов:
- Продольное смещение, при котором валы отдаляются друг от друга, при этом оставаясь на одной оси;
- Осевое или поперечное смещение, при котором оси валов остаются параллельны, но перестают находиться на одной оси;
- Угловое смещение, при котором оси валов перестают быть параллельными.
Где Приобрести?
Купить соединительные муфты для ЧПУ и 3D-принтеров вы можете в нашем магазине!
Жёсткие муфты
Жёсткие муфты бывают втулочными, фланцевыми и продольно-свёртными.
«Жёсткими» эти муфты называют из-за того, что они формируют жёсткое соединение между двумя валами, не допускающее никаких смещений и поворотов одного из валов при работе механизма. Ещё один вариант их названия – глухие муфты. Жёсткие муфты обычно используют в передачах, где нет каких-либо значительных вибраций, а смещения валов от своего изначального положения не представляются возможными. Валы в передаче должны быть ровными. Такие муфты способны передавать довольно большие крутящие моменты, если с их рабочими условиями всё в порядке. Если в механизме с жёсткой муфтой появятся смещающие один из валов нагрузки, механизм может выйти из строя. При этом последствия смещения могут быть довольно серьёзными – например, вал может погнуться, и, продолжая вращение в изогнутом состоянии, деформировать другие части станка. Ну, или муфта может разлететься на части, повреждая окружающие предметы.
Втулочные муфты
Основной частью втулочной муфты, как ни странно, является втулка. Эта втулка жёстко фиксируется на концах двух валов при помощи монтажных винтиков или другого предусмотренного крепежа. Основным плюсом втулочной муфты является стоимость, ведь эта муфта имеет самую простую конструкцию, в сравнении с остальными разновидностями.
Фланцевые муфты
Фланцевая или поперечно-свёртная муфта состоит из двух выполненных в виде фланцев полумуфт, насаженных на концы валов и соединённых между собой болтами. Одна полумуфта будет ведущей, а другая – ведомой.
Есть два варианта установки таких муфт. Отличаются они наличием зазора между полумуфтами.
Если зазора между ними нет, то крутящий момент передаётся через силу трения между двумя полумуфтами, которые, кстати, могут иметь шпоночное соединение. В этом случае болты в муфте испытывают только растягивающее напряжение от затяжки в конструкцию и не передают крутящий момент.
Если же между полумуфтами имеется зазор, то крутящий момент от ведущей части к ведомой передаётся как раз через болты конструкции, которые будут испытывать деформацию сдвига.
Оба этих варианта являются рабочими. Для первого варианта установки важным является точность изготовления болтов и отверстий для них, находящихся в полумуфтах. А для второго варианта важно, чтобы болты выдержали рабочие нагрузки. Поэтому при расчёте передачи с этими двумя вариантами установки, масса муфты для второго будет намного больше, чем для первого.
Продольно-свёртные муфты
Продольно-свёртная муфта тоже состоит из двух полумуфт, на этот раз имеющих форму полуцилиндра. Эти два полуцилиндра соединяют болтами, тем самым плотно зажимая внутри концы валов. Такие муфты выпускаются только с одинаковым диаметром с обеих сторон. При соединении валов различных диаметров, рекомендуется более толстый конец вала уменьшить до диаметра тонкого конца другого вала. Ну, или же можно изготовить втулку нужных размеров для меньшего вала, чтобы зафиксировать его в муфте большего диаметра, но такой вариант является менее надёжным.
Ну а что же выбрать, если в конструкции стоит ожидать появление нагрузок, вызывающих смещения в передаче? Для таких случаев подойдут различные варианты компенсирующих муфт.
Компенсирующие муфты
Как не сложно догадаться, компенсирующие муфты используются в механизмах, когда необходимо компенсировать возможное или уже существующее смещение валов относительно оси муфты. Разные модели муфт могут специализироваться на разного рода смещениях, или же быть относительно универсальными. А так же они способны компенсировать вибрации.
Шарнирные муфты
Шарнирные муфты позволяют передавать крутящий момент с одного вала на другой даже при наклоне одной из полумуфт. Обычно максимальный угол наклона для муфты из двух звеньев составляет примерно 40-45 градусов. Ещё есть разновидность такой муфты из трёх звеньев. Угол наклона между валами в передаче с такой муфтой может составлять и все 90 градусов. Эти муфты хорошо помогают при сильных угловых смещениях, однако плохо компенсируют вибрации и не могу компенсировать осевое смещение вала.
Упругие муфты со звёздочкой
Это одна из разновидностей кулачково-дисковой муфты, у которой поверхности кулачков разделены эластичной звёздочкой. Она состоит из двух полумуфт, на каждой из которых есть три или четыре кулачка. Кулачки входят в соответствующие впадины промежуточного тела – звёздочки. Звёздочка может быть изготовлена из полиуретана или другого упругого материала. Чтобы отличать материал звёздочек, их обычно изготавливают разных цветов. Обычно этот материал не проводит ток, и таким образом муфта обеспечивает небольшую защиту от электростатических зарядов. При вращении передачи звёздочка будет работать на сжатие, компенсируя вибрации и резкую смену скорости вращения. На заметные смещения муфта со звёздочкой не рассчитана, и, если таковые появятся, она выйдет из строя. Данные муфты хорошо себя показывают при работе на больших скоростях, их используют при вращении валов до шести тысяч оборотов в минуту. Однако муфта в целом довольно универсальна и встречается в самых разных механизмах.
Кулачково-дисковые муфты
Кулачково-дисковая муфта известна так же под названием «механизм Олдэма». Механизм назван в честь ирландского инженера Джона Олдема, который изобрёл его ещё в 1820 году. Она используется для передачи вращательного момента между двумя параллельными, но не соосными валами. Процесс её работы выглядит весьма интересно. Состоит такая муфта из трёх дисков. Два из них, которые находятся по краям муфты, фиксируются на валах, а между ними находится подвижная проставка. Проставка может быть изготовлена как из стали, так и из разного рода полимеров. Три диска соединены выступами и впадинами, благодаря чему их перемещение относительно друг друга ограничено.
Гибкие муфты
Гибкая муфта состоит из двух полумуфт, фиксирующихся на валах, и прокладки специальной формы, которая находится между ними. Эта прокладка и является гибким элементом, который компенсирует небольшую несоосность валов, а также их наклон относительно друг друга. Конструкция муфты очень гибкая, и подойдёт только для небольших крутящих моментов и нагрузок. Её компенсирующие свойства хорошо подходят для валов с небольшими диаметрами, примерно до 12ти миллиметров. Плюс, полиуретановая прокладка не пропускает электрический ток.
Мембранные муфты
Мембранная муфта состоит, как вы могли догадаться, из двух полумуфт. Они соединены при помощи одного или нескольких дисков со штифтами, которые входят в соответствующие отверстия мембраны. Такие муфты позволяют компенсировать отклонение вала всего на пару градусов, и межосевое расстояние в несколько десятых миллиметра. Зато они хорошо переносят высокие нагрузки по передаче крутящего момента. Можно встретить и вот такую разновидность мембранных муфт. Такая муфта имеет всего одну мембрану, но корпус муфты тут значительно шире. Это сделано для того чтобы муфта была устойчива к более высоким нагрузкам.
Сильфонные муфты
У этой разновидности две полумуфты соединяются с сильфоном. Сильфон – это упругая однослойная или многослойная гофрированная оболочка. В муфтах обычно используется металлический сильфон. Это позволяет муфте выдерживать при работе высокие температуры до 300С. При покупке обращайте внимание на качество крепления сильфона с полумуфтами. У дешёвых версий оно может быть довольно слабым, из-за чего муфта может разорваться в этой части и потерять свою работоспособность. Качественные муфты могут использоваться в высокодинамичных циклических режимах работы, а также при чрезвычайно высоких скоростях вращения - до 200 000 об / мин в зависимости от модели. Сильфонные муфты компенсируют смещения и наклоны валов, максимальные значения которых могут быть немного больше, чем допустимые смещения мембранных муфт. Сильфонные муфты не надо смазывать, и в процессе работы они не изнашиваются, что несомненно является их весомым преимуществом. По сути, эти муфты превосходят спиральные, разрезные, пружинные муфты во всём, но и стоят соответственно, дороже.
Пружинные муфты
В середине корпуса этой муфты располагается металлическая пружина. Она обеспечивает муфте гибкость, которая позволяет смягчить вибрации при работе, а также компенсировать небольшое смещение или наклон вала.
Спиральные и разрезные муфты
Спиральные муфты имеют один длинный разрез в форме спирали, который находится в середине корпуса. Это сделано для гибкости, чтобы лучше справляться с параллельными, осевыми и угловыми смещениями. Обычно их делают из алюминия или другого относительно мягкого металла или сплава, и, соответственно, они не очень жесткие. Их часто используют в механизмах с малыми нагрузками, например, в мало и среднегабаритных ФДМ 3д принтерах, где они прекрасно справляются со своей задачей.
Есть и аналогичные гибкие цельнометаллические муфты, которые называют разрезными. Они имеют короткие прерывистые разрезы, что делает их более жесткими и способными обрабатывать больший крутящий момент и скорость, в сравнении со спиральными муфтами, но они хуже компенсируют несоосность.
Гибкие муфты для высокоскоростных двигателей
Эти муфты предназначены для компактных высокомоментных двигателей, которые при работе часто запускаются и останавливаются. Две их металлические части фиксируются на валах, а посередине находится толстая проставка из гибкого полимера. Такие муфты хорошо гасят вибрации, гибкость внутренней проставки позволяет компенсировать небольшие смещения и наклоны валов, при этом муфта не обладает повышенной гибкостью. Проставка зачастую устойчива к различной химии и агрессивным средам и не проводит электричество.
Способы установки муфт
Любую из вышеперечисленных муфт для использования в механизме нужно будет закрепить на валах. Вариантов крепления муфт довольно много, они могут отличаться на похожих моделях у разных производителей, да и один производитель может выпускать муфты, отличающиеся только вариантами крепления. Давайте разберём разновидности соединений муфт с валами поподробнее.
Монтаж винтом
Способ прижима вала винтом часто можно встретить на муфтах 3д принтеров, такое крепление распространено и в муфтах другого оборудования. Принцип фиксации следующий – в частях муфты, куда устанавливаются валы, есть сквозные отверстия с резьбой. В этих отверстиях расположены компактные винтики без видимой шляпки, с гнездом под шестигранник. Вал устанавливается внутрь муфты, а винты закручиваются до упора внутрь муфты, таким образом зажимая вал в установленном положении. Это компактное решение, которое подходит для передач, которые не испытывают больших нагрузок в работе. Так как вал зажат внутри муфты только поверхностью винта, а не всей плоскостью корпуса муфты, такое соединение может не справиться с резкой сменой большого крутящего момента в передаче. То же касается больших нагрузок, вызывающих, например, продольное смещение вала.
Зажим полукольцами
Ещё один механизм фиксации вала – вот такая затяжка. На краях муфты имеется по одной прорези, разделяющие эти края на две половинки. Вал устанавливается в муфту, после чего вот эти винтики сбоку закручивают, корпус муфты немного сжимается, зажимая вал внутри предназначенной для него впадины. Площадь соприкосновения вала и муфты в этом варианте больше, чем при фиксации на монтажные винты, и соответственно, вал в затяжке зафиксирован надёжнее.
Фиксация штифтом
Штифт – это цилиндр, который нередко используется в качестве крепежа для создания неподвижного соединения. Некоторые муфты с валами тоже могут быть зафиксированы штифтом. В установленном положении он проходит и через корпус муфты и через вал насквозь, не позволяя валу выскочить из своего положения.
Фиксация шпоночным соединением
Шпоночное соединение, как и соединение штифтом – довольно распространённый метод крепления, встречающийся во многих изделиях. Его можно встретить и в некоторых муфтах. Для фиксации понадобится шпонка, которая вставляется в пазы, находящиеся в корпусе муфты и вала.
Цанговый зажим
Для особо крепкой фиксации вала в муфте может быть использован цанговый зажим. Он располагается внутри отверстия под вал и подкручивается винтами со стороны вала. Или же со стороны вала может находиться конусообразное кольцо на резьбе, которое при закручивании фиксирует вал цанговым зажимом.
Шлицевое соединение
В некоторых передачах можно встретить вот такие зубчатые соединения. На внутренней части муфты и на конце вала имеются зубцы, которые фиксируют положение друг друга при установке вала в муфту. Такое соединение надёжно защищает передачу от прокручивания вала.
Ещё один важный момент, касающийся разновидностей муфт – это размеры. Дело в том, что муфты с одинаковым принципом работы, материалами, конструкцией и даже диаметрами совместимых валов, могут отличаться своими размерами. И соответственно, их рабочие характеристики будут немного разными. Если конкретнее, речь идёт об их устойчивости, гибкости и компенсирующей способности. Эти свойства могут немного отличаться в зависимости от размеров, и это может быть важным моментом. Например, в станке вышла из строя муфта с определённым диаметром корпуса и надо её заменить. Так вот, аналогичная муфта меньшего диаметра не является подходящим вариантом для замены.
Материалы
Муфты могут быть изготовлены с использованием самых разных материалов. Наиболее распространены, конечно, металлы, такие как алюминий и его сплавы, а также сталь. Проставки в особо крепких массивных муфтах могут быть изготовлены из чугуна. Алюминий и нержавеющая сталь обеспечивают муфтам химическую и коррозионную стойкость.
Наиболее распространённые материалы для проставок в муфтах – это полиуретан, ударопрочный каучук и некоторые другие эластичные полимеры. Есть и менее распространённые варианты. Например, проставка может быть изготовлена из меди или латуни.
В целом, если муфта не предназначается для серьёзных нагрузок, её можно и вовсе распечатать из твёрдого пластика на 3д принтере :)
Итоги
Разнообразие муфт, как и многих других распространённых, и в то же время простых деталей установок с ЧПУ, действительно огромно. При сборке своего станка, для выбора муфты стоит учитывать все вероятные нагрузки, которые она может испытывать при работе, учитывать наличие агрессивных веществ, качество исполнения используемых валов и другие характеристики. Нет какого-то конкретного строения муфты, которое справлялось бы с передачей крутящего момента лучше других. Каждая разновидность предназначена для своих особых условий. Для FDM/FFF 3D принтеров небольшого и среднего размеров подойдут алюминиевые спиральные и разрезные муфты. Для ЧПУ станков по дереву стоит присмотреться к кулачковым, мембранным, спиральным и сильфонным муфтам. Для мощных промышленных станков есть кулачковые, мембранные, сильфонные муфты повышенного качества и точности, обычно из стали.
