Муфта

Муфта — это устройство, предназначенное для соединения двух валов (или вала с деталью, свободно сидящей на нём) с целью передачи крутящего момента, а также для компенсации несоосности, вибраций, защиты от перегрузок или обеспечения возможности включения/выключения механизма без остановки двигателя. Муфты широко применяются в машиностроении, приборостроении, энергетике, на транспорте и в других отраслях, где требуется передача вращательного движения между элементами привода.

Классификация муфт

Муфты классифицируются по нескольким основным признакам: по принципу действия, по способу управления, по наличию компенсирующих свойств и по типу передаваемого движения. Наиболее распространённая классификация делит муфты на постоянные (нерасцепляемые) и сцепные (управляемые).

Постоянные (нерасцепляемые) муфты

Эти муфты соединяют валы на весь период работы механизма и не предусматривают разъединения без остановки привода. Они, в свою очередь, подразделяются на:

• Жёсткие (глухие) муфты — обеспечивают жёсткое соединение валов, не допуская их взаимного смещения. Примеры: втулочная муфта, фланцевая муфта. Применяются при точном совпадении осей валов.
• Компенсирующие муфты — допускают небольшие относительные смещения валов (радиальные, осевые, угловые) за счёт упругих или подвижных элементов. Подразделяются на:
• Упругие муфты — компенсируют смещения за счёт деформации упругих элементов (резиновых, полиуретановых, пружинных). Примеры: муфта с резиновой звёздочкой (муфта МУВП — муфта упругая втулочно-пальцевая), муфта с торообразной оболочкой, муфта с пружинным элементом. Они также смягчают толчки и вибрации.
• Жёсткие компенсирующие муфты — компенсируют смещения за счёт подвижности деталей (зубчатые, цепные, кулачково-дисковые). Примеры: зубчатая муфта, цепная муфта, кулачково-дисковая муфта (муфта Ольдгема).
• Самодействующие (автоматические) муфты — автоматически изменяют свои свойства в зависимости от условий работы. К ним относятся:
• Обгонные муфты — передают крутящий момент только в одном направлении, а при изменении направления вращения или превышении скорости ведомой части над ведущей — разъединяют валы. Применяются в велосипедах, стартерах, лебёдках.
• Предохранительные муфты — защищают механизм от перегрузок, разъединяя валы при превышении заданного крутящего момента. Бывают с разрушающимся элементом (срезные штифты) или с фрикционными элементами (проскальзывающие).

Сцепные (управляемые) муфты

Эти муфты позволяют соединять или разъединять валы во время работы механизма (часто — под нагрузкой). Они подразделяются на:

• Кулачковые муфты — передают момент за счёт зацепления кулачков (выступов) на торцах полумуфт. Включение возможно только при малой разнице угловых скоростей или при остановке. Обеспечивают жёсткое соединение.
• Зубчатые муфты — сцепление осуществляется за счёт зацепления зубьев. Аналогичны кулачковым, но допускают более высокие скорости и нагрузки.
• Фрикционные муфты — передают момент за счёт силы трения между прижатыми друг к другу поверхностями. Позволяют плавно включать и выключать передачу под нагрузкой. Подразделяются на:
• Дисковые — с одной или несколькими парами дисков.
• Конусные — с коническими поверхностями.
• Ленточные — с гибким элементом (лентой), охватывающим барабан.
• Электромагнитные муфты — управляются электрическим током. Могут быть как фрикционными, так и порошковыми (где момент передаётся через ферромагнитный порошок, изменяющий свои свойства под действием магнитного поля).

Устройство и принцип действия

Конструкция муфты зависит от её типа, но в общем случае любая муфта состоит из двух основных частей — полумуфт, которые крепятся на концах соединяемых валов, и соединительного элемента (втулки, диска, упругого элемента, кулачков, фрикционных накладок и т.д.).

Пример: муфта упругая втулочно-пальцевая (МУВП)

Одна из самых распространённых муфт в промышленности. Состоит из двух полумуфт, в одной из которых закреплены пальцы, а в другой — отверстия. На пальцы надеты упругие резиновые втулки (или кольца). При сборке пальцы входят в отверстия, и крутящий момент передаётся через упругие втулки. Упругость втулок позволяет компенсировать небольшие радиальные, осевые и угловые смещения валов, а также смягчать толчки.

Пример: фланцевая муфта

Состоит из двух фланцев, жёстко закреплённых на валах (часто — на шпонках или шлицах). Фланцы соединяются между собой болтами. Передача момента происходит через трение между фланцами (при затяжке болтов) или через срез болтов (в некоторых конструкциях). Обеспечивает жёсткое соединение, не допускающее смещений.

Применение муфт

Муфты используются практически во всех механизмах, где есть вращающиеся валы:

• В машиностроении — в станках, прессах, насосах, компрессорах, вентиляторах, конвейерах, редукторах.
• В автомобилестроении — в трансмиссии (сцепление — это фрикционная муфта), в карданных валах (упругие муфты), в стартерах (обгонная муфта).
• В энергетике — в турбинах, генераторах, дизель-генераторах, насосах.
• В железнодорожном транспорте — в тяговых приводах локомотивов, в вагонных буксах (упругие муфты).
• В бытовой технике — в стиральных машинах, дрелях, перфораторах, кухонных комбайнах (для защиты от перегрузок).

История развития

Первые прообразы муфт появились ещё в античные времена — для соединения осей водяных колёс и мельничных жерновов использовались деревянные втулки и клинья. С развитием паровых машин и металлообработки в XIX веке возникла потребность в надёжных и разъёмных соединениях валов. В 1860-х годах были разработаны первые фланцевые муфты. В начале XX века, с появлением автомобилей и станков, начали активно применяться фрикционные и кулачковые муфты. В 1930-х годах были созданы упругие муфты с резиновыми элементами, а в 1950-х — электромагнитные и порошковые муфты. Современные муфты часто изготавливаются из высокопрочных сталей, полимеров и композитных материалов, а также оснащаются датчиками контроля состояния.

Интересные факты

• Самая большая муфта в мире (по состоянию на 2020 год) — фланцевая муфта диаметром около 5 метров, установленная в приводе шаровой мельницы на горно-обогатительном комбинате.
• В некоторых конструкциях обгонных муфт (например, в велосипедной втулке) используются ролики или шарики, которые заклиниваются при вращении в одном направлении и свободно катятся при вращении в другом.
• Муфты с разрушающимся элементом (срезные штифты) применяются в качестве предохранительных устройств в прессах и ножницах, где перегрузка может привести к поломке дорогостоящего инструмента.
• В космической технике используются муфты, работающие в условиях вакуума и экстремальных температур, — например, с твёрдой смазкой или с магнитным сцеплением.

Критика и ограничения

• Жёсткие муфты требуют точной соосности валов, иначе возникают вибрации и повышенный износ подшипников.
• Упругие муфты имеют ограниченный ресурс из-за старения и износа резиновых или полиуретановых элементов.
• Фрикционные муфты подвержены износу фрикционных накладок и требуют регулировки усилия прижатия.
• Кулачковые и зубчатые муфты создают шум и вибрации при работе, особенно на высоких скоростях.
• Электромагнитные муфты требуют источника питания и могут создавать помехи.

Источники

1. ГОСТ Р 50305-92 «Муфты механические. Термины и определения».
2. Анурьев В.И. «Справочник конструктора-машиностроителя». Том 2. — М.: Машиностроение, 2001.
3. Орлов П.И. «Основы конструирования». Книга 2. — М.: Машиностроение, 1988.
4. Детали машин: учебник / под ред. О.А. Ряховского. — М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007.
5. Каталоги производителей муфт (R+W, KTR, Mayr, Siemens, Voith).