Решение

5.5B: Константы взаимодействия

Химики количественно определяют эффект спин-спиновой связи, используя так называемую константу связи , которая сокращенно обозначается заглавной буквой J . Константа связи — это просто разница, выраженная в Гц, между двумя соседними субпиками в разделенном сигнале. Для нашего дублета в спектре 1,1,2-трихлорэтана, например, два субпика разделены на 6,1 Гц, и поэтому мы пишем ³ J _a-b = 6.1 Гц.

Верхний индекс 3 говорит нам, что это взаимодействие взаимодействия трех связей, а нижний индекс a-b говорит нам, что мы говорим о связи между H _a и H _b . В отличие от значения химического сдвига, , константа связи, выраженная в Гц, одинакова независимо от напряженности приложенного поля ЯМР-магнита . Это связано с тем, что сила магнитного момента соседнего протона, который является источником явления спин-спиновой связи, не зависит от величины приложенного поля , а не .

Если мы внимательно посмотрим на сигнал триплета в 1,1,2-трихлорэтане, мы увидим, что константа взаимодействия — «промежуток» между субпиками — составляет 6,1 Гц, как и для дублета. Это важное понятие! Константа взаимодействия ³ J _a-b количественно определяет магнитное взаимодействие между наборами водорода H _a и H _b , и это взаимодействие имеет одинаковую величину в любом направлении . Другими словами, H _a влияет на H _b в той же степени, что H _b влияет на H _a .При рассмотрении более сложных спектров ЯМР идея о константах взаимного взаимодействия может быть очень полезной для определения взаимосвязей между наборами протонов.

Константы взаимодействия между наборами протонов на соседних sp ³ -гибридизованных атомах углерода обычно находятся в диапазоне 6-8 Гц. Для протонов, связанных с sp ² -гибридизованных атомов углерода, константы взаимодействия могут находиться в диапазоне от 0 Гц (отсутствие взаимодействия вообще) до 18 Гц, в зависимости от схемы связывания.

Для виниловых водородов в конфигурации транс мы видим константы взаимодействия в диапазоне ³ Дж = 11-18 Гц, в то время как цис- атомов водорода связываются в диапазоне ³ Дж = 6-15 Гц.Связь по 2-связи между атомами водорода, связанными с одним и тем же углеродом алкена (называемыми геминальными атомами водорода), очень тонкая, обычно 5 Гц или ниже. Орто атомов водорода на бензольном кольце соединяются с частотой 6-10 Гц, в то время как связь по 4-м связям с частотой до 4 Гц иногда наблюдается между мета атомами водорода.

Тонкое (2-3 Гц) соединение часто наблюдается между протоном альдегида и соседом по трем связям. В таблице 4 перечислены типичные постоянные значения.

5.5C: Комплексное соединение

Во всех примерах спин-спинового взаимодействия, которые мы видели до сих пор, наблюдаемое расщепление является результатом связывания одного набора атомов водорода с всего одним соседним набором атомов водорода.Когда набор атомов водорода соединяется с двумя или более наборами неэквивалентных соседей, результатом является явление, называемое комплексным взаимодействием . Хорошей иллюстрацией является спектр ¹ H-ЯМР метилакрилата:

Во-первых, давайте сначала рассмотрим сигнал H _c , центр которого составляет 6,21 ppm. А вот и поближе:

При таком увеличении становится очевидным, что сигнал Hc на самом деле состоит из четырех субпиков.Почему это? H _c связан как с H _a , так и с H _b , но с двумя разными константами связи . Еще раз, диаграмма расщепления может помочь нам понять, что мы видим. H _a представляет собой транс к H _c по двойной связи и разбивает сигнал H _c на дублет с константой связи ³ J _ac = 17,4 Гц. Кроме того, каждый из этих субпиков дублета H _c снова разделяется H _b (сцепление geminal ) на еще два дублета, каждый с гораздо меньшей константой связи ² J _bc = 1 .5 Гц.

Результатом этого «двойного разбиения» является шаблон, называемый дублетом дублетов , сокращенно « dd «.

Сигнал для H _a при 5,95 ppm также представляет собой двойной дублет с константами связи ³ J _ac = 17,4 Гц и ³ J _ab = 10,5 Гц.

Сигнал для H _b при 5,64 ppm разделяется на дублет H _a , cis связью с ³ J _ab = 10.4 Гц. Каждый из полученных субпиков снова разделен на H _c с той же константой связи geminal ² J _bc = 1,5 Гц, которую мы видели ранее, когда смотрели на сигнал H _c . Общий результат снова представляет собой дублет дублетов, на этот раз с двумя «суб-дублетами», расположенными немного ближе из-за меньшей константы связи для взаимодействия cis . Вот фрагмент фактического сигнала H _b :

Пример 5.9

Постройте диаграмму расщепления для сигнала H _b в спектре ЯМР ¹ H метилакрилата. Покажите значение химического сдвига для каждого подпика, выраженное в Гц (предположим, что резонансная частота TMS равна точно 300 МГц).

Решение

При построении диаграммы расщепления для анализа сложных паттернов связи обычно легче сначала показать большее расщепление, а затем более тонкое (хотя обратный результат даст тот же конечный результат).

Когда протон связан с двумя разными соседними наборами протонов с идентичными или очень близкими константами взаимодействия, часто возникает картина расщепления, которая, по-видимому, следует простому «правилу n + 1» несложного расщепления. В спектре 1,1,3-трихлорпропана, например, мы ожидаем, что сигнал для H _b будет разделен на триплет H _a и снова на дублеты H _c , в результате «тройка дублетов».

H _a и H _c не эквивалентны (их химические сдвиги разные), но оказывается, что ³ J _ab очень близко к ³ J _bc .Если мы проведем анализ диаграммы расщепления для H _b , мы увидим, что из-за перекрытия субпиков сигнал выглядит квартетом и во всех смыслах и целях следует правилу n + 1.

По аналогичным причинам пик H _c в спектре 2-пентанона выглядит как секстет, разделенный на пять объединенных протонов H _b и H _d . Технически этот «секстет» можно рассматривать как «тройку квартетов» с перекрывающимися субпиками.

Пример 5.10

Какую картину расщепления вы ожидаете для сигнала, соответствующего H _b в молекуле ниже? Предположим, что J _ab ~ J _bc . Нарисуйте диаграмму разделения для этого сигнала и определите относительные интегральные значения каждого субпика.

Решение

Во многих случаях сложно полностью проанализировать сложную схему расщепления. В спектре толуола, например, если мы рассматриваем только 3-связное взаимодействие, мы ожидаем, что сигнал для H _b будет дублетом, H _d — триплетом и H _c — триплетом.

На практике, однако, все три ароматические протонные группы имеют очень похожие химические сдвиги, и их сигналы существенно перекрываются, что затрудняет такой подробный анализ. В этом случае мы бы назвали ароматическую часть спектра мультиплетом .

Когда мы начинаем пытаться анализировать сложные модели расщепления в более крупных молекулах, мы понимаем, почему ученые готовы платить большие суммы денег (сотни тысяч долларов) за инструменты ЯМР с более высоким полем.Проще говоря, чем сильнее наш магнит, тем большее разрешение мы получаем в нашем спектре. В приборе на 100 МГц (с магнитом с напряженностью поля приблизительно 2,4 Тесла) «окно» частоты 12 ppm, в котором мы можем наблюдать протонные сигналы, имеет ширину 1200 Гц. Однако в приборе на 500 МГц (~ 12 Тесла) окно составляет 6000 Гц — в пять раз шире. В этом смысле приборы ЯМР похожи на цифровые фотоаппараты и телевизоры высокой четкости: лучшее разрешение означает больше информации и более четкие изображения (и более высокие ценники!).

Что такое шланговая муфта?

Даже если вы не знаете, что такое шланговая муфта, скорее всего, вы уже видели или использовали ее раньше.Итак, в первую очередь, что такое шланговая муфта?

Муфта для шланга — это элемент оборудования, используемый для соединения шланга с чем-либо другим, например, с краном, спринклерной системой, насосом или другим шлангом. Например, с помощью муфты можно подсоединить пластиковый садовый шланг к наружному крану.

Шланг используется для транспортировки самых разных вещей, от воды и воздуха до химикатов и газов, поэтому шланговая муфта должна выдерживать это.

Шланговые соединения могут также называться шланговыми фитингами, шланговыми соединителями или шланговыми переходниками.

Из чего сделаны шланговые соединения?

Шланговые муфты изготавливаются из различных материалов, включая сталь, латунь, пластик, нержавеющую сталь и алюминий. Используемая муфта будет зависеть от того, для чего используется шланг и к чему он подключен.

Например, пластиковые муфты обычно используются с садовыми шлангами, поскольку они дешевы в производстве и не реагируют на воду. Однако они легко могут треснуть и сломаться.

Муфты из нержавеющей стали дороги, но могут выдерживать экстремальные температуры, а также высокое давление, поэтому обычно используются в промышленных условиях.

Алюминиевые фитинги легкие и водонепроницаемые, поэтому используются там, где важен малый вес и долговечность, например в автомобилях и самолетах.

Даже если шланговые муфты изготовлены из прочных материалов, мы рекомендуем хранить несколько запасных частей, чтобы их можно было легко отремонтировать, если одна из них сломается.

В чем разница между шланговыми муфтами с наружной и внутренней резьбой?

Все муфты имеют охватывающую и охватывающую половину, охватываемая половина входит в охватывающую половину для создания полной муфты. Муфты также имеют так называемую «резьбу», которая позволяет муфтам надежно соединяться друг с другом. Муфты с внутренней резьбой имеют внутреннюю резьбу, а муфты с наружной резьбой — снаружи, что обеспечивает их легкое и надежное соединение.

Наряду с муфтами с наружной и внутренней резьбой вы можете получить «бесполые» шланговые муфты, которые можно подсоединять к муфтам любого типа.

На муфте должен быть указан ее пол в легкодоступном месте вместе с размером резьбы.

Какие бывают типы муфт?

Помимо того, что они изготовлены из различных материалов и имеют резьбу разного размера и в разных местах, существует несколько разновидностей шланговых муфт. Выбор неправильной муфты может привести к утечкам и потере давления, а также представляет потенциальную угрозу здоровью и безопасности.

должны обеспечивать плотное уплотнение, поэтому существует множество различных размеров и углов соединения для обеспечения хорошей посадки.

В зависимости от того, что транспортируется в шланге, разные муфты должны выдерживать различное давление, которое измеряется в барах или фунтах на квадратный дюйм.

— это специальные муфты, используемые в системах водоснабжения высокого давления, таких как пожарные рукава. Они удерживаются вместе с помощью пружинных защелок, которые могут выдерживать большое давление, но могут сгибаться вместе со шлангом и легко присоединяться и отсоединяться по мере необходимости.

Некоторые муфты рекламируются как «быстросъемные», поэтому при необходимости соединение можно быстро отсоединить. Это обычное дело, если соединение предназначено только для временного использования или его необходимо быстро разорвать, если есть проблемы со здоровьем и безопасностью. И наоборот, соединительные муфты, которые должны быть долговечными, будут скреплены лентой или обжаты вместе, чтобы уменьшить вероятность утечки и разрушения.

Некоторые из основных шланговых муфт — это муфты Bauer, кулачковые и пазовые, кулачковые и IBC-муфты.

Справочник по сцеплению Lovejoy — Lovejoy

Зубчатые муфты — король типов муфт. Они могут делать то, что не могут делать многие другие муфты, могут делать только с трудом или с дорогостоящими модификациями и снижением номинальных характеристик. Зубчатые муфты более энергоемкие, предлагают больше модификаций и более широкий диапазон диаметров и диаметров отверстий, чем любой другой тип, и могут работать на чрезвычайно высоких скоростях.Зубчатые муфты обладают осевым скольжением, возможностью работы с высоким крутящим моментом на низких скоростях, возможностью переключения и возможностью шпинделя, которых нет в других муфтах. Они легко модифицируются для работы со срезными штифтами, типа с плавающим валом, вертикального типа, изолированного типа, ограниченного концевого смещения и могут иметь дополнительный тормозной барабан или диск. Хотя эти последние элементы могут быть доступны для других муфт, обычно проще и дешевле модифицировать зубчатую муфту. При всех этих преимуществах зубчатая муфта используется в вдвое большем количестве применений по сравнению с типом ближайшего конкурента.

Зубчатые муфты также могут работать на очень высоких скоростях. Как следует из названия, зубчатые муфты используют зацепление зубьев шестерен для передачи крутящего момента и обеспечения перекоса. Зубья внешней шестерни нарезаны по окружности ступицы. Обе зубчатые ступицы подходят к концам трубчатой ​​втулки, у которой есть совпадающие зубья шестерни, вырезанные по ее внутренней окружности, причем каждый зуб проходит в осевом направлении на всю длину втулки. Зубья ступицы и втулки зацепляются, поэтому крутящий момент передается от зубьев ведущей ступицы на зубья втулки и обратно на зубья ведомой ступицы.

Зубчатые муфты достигают своей способности к рассогласованию за счет люфта в зубах, выпуклости на поверхности зуба и посадки по большому диаметру. Люфт — это неплотность посадки, возникающая из-за того, что зубья шестерни уже, чем зазоры между зубьями. Люфт не только способствует смещению, но и обеспечивает место для смазки. Свободная посадка обеспечивает возможность несоосности, позволяя втулке смещаться вне оси без заедания с зубьями ступицы.Некоторые зубчатые муфты имеют больший люфт, чем другие. Муфты с наименьшим люфтом (примерно половина люфта присутствует у тех, у которых больше всего люфта) известны как муфты с «минимальным люфтом». Некоторые пользователи предпочитают этот тип, большинство предпочитают нормальный люфт. Корона или изгиб поверхности зубьев ступицы еще больше усиливают эту способность. Коронация может включать концевые коронки, боковые коронки и фаски на острых кромках. Это также помогает увеличить срок службы зуба за счет расширения площади контакта вдоль «делительной линии» (где зубцы сопрягаются и передают крутящий момент), тем самым снижая давление сил крутящего момента.Кроме того, он предотвращает врезание острых прямоугольных кромок зуба и блокировку муфты. Vari-Crown, которая изменяет радиус кривизны вдоль боковой поверхности зуба, сохраняет большую площадь контакта между зубами во время несоосности по сравнению со стандартной коронкой и снижает те напряжения, которые вызывают износ. Обратите внимание, что коронка применяется только к зубьям ступицы; Зубья втулки прямые, за исключением фаски на кромке малого диаметра.

Хотя зубья ступицы и втулки обрезаны для свободного прилегания из стороны в сторону, они обрезаны для плотного прилегания в том месте, где диаметр вершины зубьев ступицы соответствует диаметру основания зазоров между зубьями втулки.Это называется посадкой по большому диаметру. Когда муфта не вращается, эти две поверхности опираются друг на друга, если это горизонтальная установка. Посадки с малым диаметром (где концы зубьев втулки соответствуют диаметру основания зубьев ступицы) намеренно избегаются, потому что плотная посадка здесь помешает подходящей способности смещения и способности передачи крутящего момента.

Ранее отмечалось, что зубчатые муфты энергоемки. Это означает, что на фунт веса муфты и на кубический дюйм потребляемого пространства передается больший крутящий момент, чем на другие муфты.Во многих случаях зубчатая муфта имеет больший крутящий момент, чем может передать вал. В результате относительно небольшой размер зубчатой ​​муфты позволяет добавлять навесное оборудование без увеличения размера муфты до невозможных размеров. Это также дает OEM-разработчику больше свободы при размещении муфты в небольших труднодоступных местах с уверенностью в ее надежности. Зубчатые муфты со временем изнашиваются, но редко до катастрофического отказа. Их можно подобрать по размеру, чтобы гарантировать, что срок их службы соответствует остальной конструкции машины.

Втулки зубчатой ​​муфты могут быть единой деталью, называемой «непрерывной втулкой», или могут быть разделены в поперечном направлении (радиально) на две полумуфты, по одной на каждой ступице. Разъемная версия называется «втулкой с фланцем», потому что каждая половина имеет фланцевый конец, просверленный для отверстий под болты, что позволяет соединять их вместе болтами.

Поскольку для непрерывной втулки не требуются ни фланцы, ни болты, она обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что муфта легче и меньше по диаметру, чем фланцы аналогичного номинала.Это приводит к более низким значениям инерции, что помогает снизить нагрузку на двигатель во время запуска. Напряжение болта, которое может быть слабым местом в некоторых случаях, устранено. Отсутствие болтов является преимуществом в высокоскоростных приложениях, потому что болты добавляют потенциальные точки дисбаланса, а болтовые соединения могут быть еще одной точкой несоосности.

Когда две половины фланцевой втулки соединяются вместе болтами, болты становятся важной частью пути передачи энергии. В лучших конструкциях мощность передается через торцевую поверхность за счет трения, и в этом случае болты просто обеспечивают достаточное усилие зажима для обеспечения торцевого трения.Другие конструкции могут позволить болтам выдерживать сдвигающую нагрузку, но таких меньше. В обоих случаях требуется надлежащий анализ множественных нагрузок на болты. Кроме того, корпуса болтов могут обеспечивать центрирующее действие для управления двумя половинами муфты.

Болты могут быть открыты или закрыты из соображений безопасности. Однако с появлением требований OSHA для защиты муфт отпадает необходимость в защитных кожухах. Эти два типа также имеют разные потери на ветер, что влияет на высокоскоростные приложения.Ветровые потери вызывают тепловыделение внутри кожуха муфты. Обратите внимание, что фланцевые болты изготавливаются специально для их целей и никогда не должны заменяться обычными строительными болтами. Зубчатые муфты с фланцевыми втулками, изготовленные в соответствии со стандартами размеров Американской ассоциации производителей зубчатых передач (AGMA), будут соответствовать пополам со всеми другими зубчатыми муфтами, изготовленными по тем же стандартам.

Хотя стандарты AGMA основаны на США, многие европейские производители строят их с учетом размеров. Однако подходящие размеры включают только интерфейс, например внешний диаметр фланца, количество отверстий для болтов, размер отверстия для болта, окружность болта и толщину фланца.Хотя сквозное отверстие ступицы также часто бывает идентичным, крутящий момент и диаметр отверстия могут быть разными, и их следует тщательно сравнивать.

Плоскости изгиба и возможность перекоса

Плоскости гибкости («плоскости изгиба») — это те точки поворота вдоль соединения вала с валом, где жесткие компоненты входят в зацепление, но могут перемещаться независимо друг от друга Стандартная зубчатая муфта (две зубчатые ступицы, входящие в зацепление с противоположными концами одной и той же жесткой втулки) имеет две плоскости изгиба, по одной на каждом зубчатом зацеплении между ступицей и втулкой.Когда обе плоскости изгиба работают вместе последовательно, изгибаясь в одном направлении, они дают зубчатой ​​муфте возможность углового смещения до 1½ ° в каждой плоскости изгиба.

Эта стандартная конфигурация называется «полностью гибкой» или «двойной муфтой».

Полногибкая зубчатая муфта с двумя последовательными плоскостями изгиба, изгибающимися в противоположных направлениях, допускает параллельное (радиальное) смещение от 0,055 до 0,165 дюйма в стандартных моделях с короткими втулками. Чем длиннее рукав (т.е. чем больше осевое расстояние от одной плоскости изгиба до другой), тем больше параллельное смещение. Наибольшая параллельность достигается за счет версий с плавающим валом, проставкой и шпинделем, описанных ниже, которые значительно увеличивают расстояние между плоскостями изгиба.

Зубчатые муфты могут быть сконфигурированы только с одной изогнутой плоскостью для приложений, в которых нежелательна возможность параллельного смещения. В муфтах фланцевого типа это достигается за счет использования цельной ступицы с фланцем без зубьев в качестве жесткой половины, прикрепленной болтами к гибкой половине, которая использует стандартную фланцевую втулку с зубьями и стандартную ступицу с корончатыми зубьями.Их называют «гибко-жесткими», «одинарными» или иногда «полумуфтами». В муфтах с неразрезной муфтой гибко-жесткая конфигурация достигается за счет сопряжения муфты на жестком конце со ступицей с прямыми зубьями, которая входит во втулку, как шлицевой вал, в шлицевую ступицу. В то время как полностью гибкая конструкция является наиболее популярной в зубчатых муфтах, жесткие гибкие конструкции часто используются в системах с тремя подшипниками или плавающими валами. Иногда одна гибко-жесткая муфта используется последовательно с другой гибко-жесткой муфтой на некотором расстоянии, чтобы обеспечить гораздо большее параллельное смещение.

В то время как зубчатые муфты обычно обеспечивают угловое смещение от ½ ° до 1½ ° на гибкую половину, они могут быть спроектированы под углом до 6 ° с пониженной нагрузочной способностью и с вмещающими уплотнениями для смазки.

Зубчатые муфты естественно воспринимают осевое движение вала (внутрь-наружу) лучше, чем другие конкурирующие конструкции, потому что их зубья ступицы легко скользят по зубьям втулки, не влияя на работу муфты или ее крутящую нагрузку. Осевое перемещение часто является результатом теплового расширения / сжатия вала, как в горячих устройствах, или стремления ротора к своим магнитным центрам (плавающий ротор).Упорные подшипники могут ограничивать или предотвращать движение вала на конце муфты, но, если они расположены на дальнем конце машины, они могут заставить движение вала вернуться к муфте. Величина осевого смещения, которую может выдержать зубчатая муфта, зависит в первую очередь от длины втулки, и для применения с длительным скольжением доступны специальные приспособления.

Зуб зубчатой ​​муфты

Зуб зубчатой ​​муфты совершенствовался на протяжении многих лет. У первых зубчатых муфт были прямые зубья, и для достижения несоосности использовался исключительно люфт.Более поздние улучшения включали коронирование зуба, которое увеличивало несоосность и срок службы муфты. Первоначальная форма зуба последовала за формой прямозубого зубчатого колеса с модификацией. Были использованы различные углы давления, которые находились на грани между жизнью и силой. Зуб с углом давления 40 ° был выбран из соображений прочности. У него были проблемы с износостойкостью и с реакционной нагрузкой на оборудование. Со временем зуб с углом давления 20 ° стал стандартом и до сих пор остается стандартом. Зубья под углом 25 ° используются для достижения дополнительной прочности в специальных конструкциях.Дополнительная прочность современных материалов устраняет необходимость в зубьях под углом 40 ° и по-прежнему обеспечивает низкое трение скольжения.

Зуб зубчатой ​​муфты, как и шлицевой зуб, не является зубом полной высоты. Если высота шлица составляет 50%, зуб зубчатой ​​муфты составляет около 80%. Зубы зубчатой ​​муфты не нуждаются в полной высоте, поскольку крутящая нагрузка передается на линии деления зуба, и многие зубья находятся в контакте друг с другом в ступице и втулке, чтобы нести нагрузку. Количество соприкасающихся зубов зависит от их истинной формы.Если все зубья в ступице и втулке идентичны, будет соприкасаться максимальное количество зубьев. По мере того, как зубы изнашиваются, тем больше соприкасается зубов. Таким образом, первоначальный износ зубьев делает муфту более прочной, но может также увеличить нагрузку на трение.

Прочность зуба шестерни является предметом многих вопросов при определении величины переносимой нагрузки. Зуб — самый прочный из всех элементов зубчатой ​​муфты. Прочность зуба рассчитывается как изгибающий момент у основания зуба, прочность на сдвиг на делительной линии и нагрузка Герца на контактной поверхности.Все эти силы действуют одновременно.

Наиболее вероятной причиной отказа зуба зубчатой ​​муфты является износ, а не какой-либо другой фактор. По мере износа зубы превращаются из самого сильного элемента в самый слабый.

Сильное смещение, вызывающее блокировку зубьев, также приведет к преждевременному выходу из строя. Большинство других нагрузок на муфту не приводят к выходу из строя зубьев.

В сетке зубьев всегда должна быть смазка.Отсутствие смазки, конечно, приведет к тому, что муфта выйдет из строя почти мгновенно. Зубчатая муфта соединена таким образом, чтобы предотвратить утечку смазки. Большинство зубчатых муфт смазываются консистентной смазкой. Для соединения втулки и ступицы на границах потребуются уплотнительные кольца из эластомера, прокладки или лабиринты для предотвращения утечки смазки. (Обратите внимание, что материал уплотнительного кольца может ограничивать возможности муфты при температуре окружающей среды.) Когда используется масляная смазка, это обычно непрерывный поток через сетку зуба, но в некоторых случаях это может быть смазка периодического действия.Смазка маслом — особый случай.

Несоосность может привести к вытеканию смазки с поверхности уплотнения, или для некоторых модификаций может потребоваться грязесъемное уплотнение, а не уплотнительное кольцо. В одном из типов фланцевых муфт используется уплотнение с высокой степенью несоосности и большей гибкостью, чем у обычного уплотнения. Уплотнения можно удерживать несколькими способами. Oring — самый простой; он входит в паз втулки.

Уплотнение сплошной муфты удерживается спиральным кольцом. Уплотнение имеет ребра жесткости, отформованные на внутренней поверхности.Это U- или C-образная форма, которая остается закрытой под нагрузкой. Он также обеспечивает предел перемещения муфты и фактически рассчитан на то, чтобы выдерживать осевое усилие.

Иногда держатель уплотнения привинчивается к муфте муфты. Это всегда происходит с муфтами большего размера, чем 9. Это упрощает сборку муфты с валом и упрощает замену уплотнений. Муфты с болтами на держателях уплотнений предназначены для тяжелых условий эксплуатации (HD). Фланцевые муфты размером от 7 до 9 могут быть в исполнении «HD» или в простом исполнении.

Помните, что смазка для муфт — это не обычная смазка, а специально разработана, чтобы масла не отделялись от мыла. В результате смазка остается в необходимом пространстве, и шлам не собирается накапливаться. Масло и мыло разделяются в обычных смазочных материалах из-за центробежных сил, действующих на более тяжелые частицы. Для достижения наилучших результатов используйте только смазку для муфт.

Варианты зубчатых муфт

1. Заполните пространство между валами

Муфты часто должны заполнять пространство между валами в качестве одного из своих основных атрибутов.Это может показаться достаточно простой задачей, но не все муфты обеспечивают гибкость при выполнении этой задачи. Это еще одна причина, по которой зубчатая муфта очень популярна.

Расстояние между концами вала (BSE) будет варьироваться в зависимости от системы машины, чтобы соответствовать стандартам проектирования, вариантам продуктовой линейки, различным корпусам двигателей и потребностям в техническом обслуживании. Размер «BSE» важен для всех муфт. Преимущество зубчатых муфт состоит в том, что они позволяют изменять «BSE». Это изменение может быть достигнуто путем обработки поверхности ступицы или может быть достигнуто путем реверсирования одной или обеих ступиц.Можно получить бесконечное количество возможностей от минимума каталога до максимума каталога. Обратите внимание, что этот зазор (BSE) не всегда влияет на расстояние между плоскостями изгиба, если ступицы не перевернуты. Возможна также комбинация облицовки и реверса. Все муфты имеют определенную изменчивость размеров «BSE», но лишь немногие из них могут выдерживать такую ​​большую разницу, как зубчатые муфты.

3. Распорная муфта

Промежуточные муфты состоят из двух гибких узлов ступицы и втулки i.е. полумуфты на ведущем и ведомом валах. Они соединены трубчатой ​​центральной секцией различной длины, которую можно легко снять, чтобы оставить место для снятия ступицы или других компонентов на одной стороне системы, не нарушая при этом ступицу или крепления компонентов на другой стороне. Трубчатая центральная секция может иметь фланцевые концы для крепления болтами к фланцевым втулкам ступицы или зубчатые концы, которые соединяются со ступицами с помощью сплошных муфт. Прокладки изготовлены в соответствии со стандартами производителей вращающегося оборудования.Насосы имеют несколько стандартных проставок, таких как 3½ дюйма, 7 дюймов и другие. Компрессоры могли иметь другой набор стандартных проставок. Прокладки могут служить для разделения плоскостей изгиба и могут быть частью крутильной настройки муфты.

У них есть практические ограничения по длине в отношении стоимости, веса и критической скорости. Полая трубка с фланцами обрабатывается с различными допусками в зависимости от скорости и баланса. По мере того, как труба становится длиннее, отклонение неподдерживаемой центральной секции заставляет стенки цилиндра делать толще.По мере того, как стены становятся толще, растет и стоимость, и вес. Затем вес снижает критическую скорость. Это перекрестное сочетание событий, которое в конечном итоге делает прокладку плохим выбором. Когда распорная втулка становится непрактичной, следующим шагом является использование муфты плавающего вала для достижения необходимого зазора.

Муфты с плавающим валом состоят из гибких жестких муфт на ведущем и ведомом валах, соединенных между собой куском сплошного вала между муфтами. Обычно ступицы муфты на концах оборудования жесткие, в то время как две центральные ступицы, соединенные с плавающим валом, являются гибкими.

Хотя эти два могут использоваться для обеспечения сервисного интервала, основная причина использования длинного плавающего вала заключается в том, чтобы обеспечить большее радиальное смещение между валами. Вторая причина — большое расстояние между водителем и вращающимся оборудованием. Вес и критическая скорость являются важными факторами для плавающих валов. Они встречаются на мостовых кранах и сталепрокатных станах.

Муфты и центральный вал спроектированы как единое целое, чтобы соответствовать их конкретному применению.Параметры включают обычный крутящий момент и диаметр отверстия, но должны включать длину и скорость, потому что, как и в любой проставке, критическая скорость и отклонение взаимосвязаны. Для решения этих проблем может потребоваться центральный вал большего диаметра для уменьшения прогиба. В этом случае жесткие ступицы находятся на плавающем валу, что позволяет использовать большую пропускную способность жесткой ступицы для размещения центрального вала увеличенного размера.

В противном случае может потребоваться сужение (уменьшение) центрального вала для установки ступицы гибкой муфты.Жесткая ступица также может быть размещена снаружи, чтобы соответствовать валу, который сделан больше, чем необходимо для передачи крутящего момента, как это было бы в случае проблем с изгибом. Центральный вал будет меньше, чтобы выдерживать только крутящий момент и, следовательно, подходить для гибкой ступицы. Когда гибкая ступица находится на центральном валу, это называется муфтой морского типа. Когда гибкая ступица находится на валу оборудования, это называется стилем с уменьшенным моментом. Конструктор плавающего вала всегда должен уравновешивать влияние веса (который вызывает отклонение) и диаметра (который определяет крутящий момент и сопротивляется отклонению, но увеличивает вес и стоимость).

5. Концевые поплавковые муфты ограниченного действия

Зубчатые муфты можно модифицировать, чтобы обеспечить рост вала в осевом направлении или ограничить перемещение в осевом направлении. Для ограничения движения необходимо вставить пластину и, возможно, кнопку между полумуфтами. Поскольку вал пытается двигаться в осевом направлении, он останавливается после перемещения на заданное расстояние.

Это так называемые муфты с ограниченным торцевым поплавком. Они необходимы для двигателей с подшипниками скольжения, конструкция которых обычно встречается в двигателях большего размера, мощностью 200 лошадиных сил и более.Те же тарелки и

используются на вертикальных муфтах, как описано ниже.

Помимо теплового расширения, зубчатые муфты могут использоваться для скольжения на большие расстояния. Сверхдлинные втулки позволяют ступице скользить на 10 дюймов и более, в состоянии покоя или во время работы, для обслуживания приложений, где оборудование необходимо временно удалить из системы, а муфта является наиболее подходящей точкой движения. Эту способность скольжения используют рафинеры, машины Jordan и намоточные машины на бумажных фабриках.Муфта Jordan — это особая разновидность, в которой ступица может перемещаться относительно вала с помощью зажимного механизма.

При рассмотрении муфты ползуна важны два измерения. Один — это минимальная BSE, а другой — общая сумма слайда. Это дополнение к обычным требованиям к зубчатой ​​муфте. Если задействован Jordan, необходимо знать величину зажимного движения.

Шпиндельные муфты — это специальные зубчатые муфты с плавающим валом, которые используются на прокатных станах.Они рассчитаны на высокий крутящий момент, ударные нагрузки и большое угловое смещение. У них есть сменные быстроизнашивающиеся детали и индивидуальные аксессуары. Шпиндельные муфты также обладают некоторой способностью скольжения, чтобы приспособиться к монтажным или эксплуатационным требованиям прокатных станов. В муфте шпинделя используется принцип сплошной втулки для уменьшения общего наружного диаметра.

Зубчатые муфты также могут быть оборудованы для блокировки гальванических (электрических) токов, которые могут вызвать точечную коррозию и коррозию при близкой посадке зубьев шестерен и других механических компонентов.Одна половина муфты электрически изолирована от другой половиной путем добавления изоляционных пластин и втулок. Это не обязательно изолятор высокого напряжения, как в системах электропроводки.

Модификация для особых нужд

Зубчатые муфты с непрерывной муфтой и с фланцевой муфтой могут работать в вертикальном положении с добавлением вертикального комплекта, который представляет собой ограниченную концевую поплавковую пластину или пластину с кнопкой, которая поддерживает свободные грузы над муфтой.Кнопка закруглена, что позволяет передавать нагрузку при смещении. Таким образом, нагрузка передается на нижний вал и в конечном итоге поддерживается упорным подшипником в этом оборудовании. Поскольку зубчатая муфта обычно является горячей с натягом или посадкой с натягом, верхняя ступица крепится к валу, как и нижняя. В муфте с вертикально-плавающим валом, где обе внешние ступицы жесткие, а внутренние ступицы гибкие, весь центральный ротор представляет собой свободный вес, который должен поддерживаться пластиной в верхней муфте и пластиной и кнопкой в ​​нижней муфте.

Специальная вертикальная муфта — это жесткая регулируемая муфта насоса. Эта муфта предназначена для использования с вертикальными циркуляционными насосами, которым требуется регулировка зазора в рабочем колесе. Как указано в названии муфты, это жесткая муфта без зубцов ни на одной из половин, без смещения. Весь вес ротора подвешен на подшипниках двигателя или привода. Специальные конструкции муфт с зубчатой ​​передачей для подвешивания нагрузки могут обеспечить устойчивость к несоосности.

Другие специальные конфигурации зубчатых муфт

Зубчатые муфты можно настроить для выполнения специальных работ.Возможные варианты включают срезной штифт, переключатель переключения передач и тормозную муфту. Муфты со срезным штифтом разъединяются при воздействии заданных перегрузок по крутящему моменту, таким образом защищая другое оборудование. Перегрузки по крутящему моменту могут происходить из-за остановок или циклических перегрузок.

Муфты с вырезом позволяют разъединять ведущую / ведомую половину без разборки муфты. В них используется специальная втулка, в которой зубцы с одного конца прерваны кольцевой канавкой с плоским дном. Когда втулка смещается в осевом направлении для совмещения канавки с зубьями одной ступицы, ступица вращается свободно, не зацепляя путь передачи крутящего момента.Вырезной штифт (установочный винт) удерживает втулку в зацеплении или отключении. Их можно использовать на машине с двойным приводом, чтобы изолировать неиспользуемый привод, или для поворотного механизма, который вращает тяжелое оборудование, когда оно отключено, и помогает предотвратить постоянное заедание вала. Доступен автоматический выключатель для временного отключения «на лету», чтобы можно было регулировать относительное положение между ведущими / ведомыми половинами.

Тормозные барабаны и тормозные диски

Зубчатые муфты легко модифицируются для крепления тормоза, что позволяет экономить место в системе за счет исключения отдельного тормоза.В других ситуациях включение тормоза на муфте предотвращает достижение высокого циклического крутящего момента на валах с низким крутящим моментом. Муфты тормозного колеса часто крепятся рядом с валом коробки передач, так как в коробке передач присутствует большая инерция передачи. Тормозной барабан или диск — это кусок металла, обработанный до стандартных размеров тормоза и зажатый между фланцевыми втулками муфты, закрепленными болтами, для чего требуются более длинные болты. Производитель муфты не включает тормоз и привод.

Всякий раз, когда в системе устанавливается тормоз, он указывает на необходимость проверки требований к тормозному моменту.Тормозной момент, как и пусковой момент, зависит от количества времени, которое доступно для остановки или запуска. См. Формулу крутящего момента в разделе о крутящем моменте.

Средне- и высокоскоростные приложения

Как отмечалось ранее, зубчатые муфты могут одновременно обеспечивать очень высокие скорости и высокий крутящий момент. Ограничениями всегда были необходимость смазки сопряженных поверхностей шестерен и необходимость баланса. Хотя высокие скорости увеличивают скорость износа и могут быть причиной высоких напряжений в муфте, более серьезной проблемой является баланс.Муфты, работающие на высоких оборотах или высоких оборотах обода, будут вызывать проблемы с вибрацией, если они не сбалансированы.

Полное обсуждение баланса можно найти в другом разделе этого руководства, поэтому здесь будут упоминаться только некоторые вопросы, относящиеся конкретно к зубчатым муфтам. Баланс касается того, как вес вращающейся массы или инерции позиционируется или смещается относительно центра вращения. Если этот вес идеально распределен вокруг центра вращения, муфта находится в равновесии.Поскольку в муфтах нет ничего идеального, всегда есть потенциальный дисбаланс.

Баланс муфты достигается за счет проектирования, изготовления и ремонта балансировочных машин. Нецентральные отверстия, неправильная окружность, непараллельные стороны или даже неплотная посадка приводят к смещению массы. В отливках часть потенциального дисбаланса может происходить из-за пустот или воздушного пространства внутри отливки. Когда муфта состоит из сборки, конструкция компонента и процесс сборки могут привести к дисбалансу.

Если наружный диаметр ступицы не идеально соосен отверстию ступицы, то центр масс и центр вращения будут другими. Это означает, что зубья шестерни должны быть аккуратно обрезаны с шагом диаметра, концентричным отверстию. Это контролируется оправкой или оправкой, используемой на зубофрезерном станке, и концентричностью пилотного отверстия. Поверхность ступицы должна быть перпендикулярна отверстию или внешнему диаметру ступицы. В противном случае он становится трапецией. Ступицы трапециевидной формы имеют плохое распределение веса и, следовательно, дисбаланс.

Втулки также должны быть концентричны отверстию ступицы по делительному диаметру, внешнему диаметру и пилотным посадкам, если таковые имеются. Фланцевые втулки должны иметь концентрическую окружность болтов, а также отверстия подходящего размера и расположение. Выравнивание фланца к фланцу перед болтовым креплением сильно повлияет на балансировку муфты в сборе.

После того, как оборудование спроектировано и допуски установлены, можно рассчитать массовое смещение каждого компонента. Массовое смещение каждого компонента складывается алгебраически с помощью метода, который называется квадратным корнем из суммы квадратов.Таким образом, полное смещение массы можно назвать потенциальной неуравновешенностью муфты. Затем этот общий дисбаланс муфты можно сравнить с признанными стандартами, чтобы увидеть, является ли он приемлемым. См. Стандарт AGMA 9000-C90 для получения дополнительной информации по этому вопросу.

Балансировка компонентов и узлов

Маловероятно, что расчета массового смещения будет достаточно для удовлетворения требований к высокой скорости. Это приводит к следующему процессу. Каждый компонент или деталь муфты может быть подвергнут процедуре балансировки на балансировочном станке.Также следует учитывать балансировку в одной или двух плоскостях. Если отношение ширины муфты к диаметру составляет 1: 1 или больше диаметра, достаточно балансировки в одной плоскости. Если ширина (осевой размер) больше, требуется балансировка в двух плоскостях. (См. Главу о балансировке для получения дополнительной информации.) Балансировка машины приводит к добавлению или вычитанию веса из части, чтобы уравновесить неуравновешенный вес и уменьшить дисбаланс. Оставшийся дисбаланс детали, находящейся на балансировочном станке, называется остаточным дисбалансом.Муфту можно собрать после балансировки компонентов и оставить при этом потенциальном дисбалансе. Общий дисбаланс сборки в этой точке будет зависеть от распределения отдельных высоких точек внутри сборки. В худшем случае все тяжелые точки окажутся в одном квадранте.

Для дальнейшего уменьшения дисбаланса муфту можно собрать и вернуть в балансировочную машину, опять же с корректирующим добавлением или вычитанием веса. Результат будет называться сборной сбалансированной муфтой.При этом все отдельные детали маркируются перед разборкой муфты, чтобы их можно было собрать точно так же на пользовательском оборудовании.

Зубчатую муфту сложно сбалансировать. Сначала муфту необходимо собрать с плотной посадкой между зубьями ступицы и зубьями втулки, чтобы незакрепленные детали не повредили балансировочный станок. После балансировки муфты зубья снимаются, поэтому муфту можно установить в систему с возможным перекосом.

На окончательную балансировку после снятия муфты со станка влияют биение биения и опорные поверхности оправок, оправок и крепежных устройств балансировочной машины. Муфта, в отличие от роторов машин, не балансируется на собственном валу. Полумуфта может быть уравновешена на роторе оборудования, но тогда две полумуфты от двух разных роторов должны быть соединены вместе. Почему нужно так беспокоиться о балансе? Баланс критически важен для высокоскоростных приложений, чтобы предотвратить разрушительную вибрацию.В разных приложениях используются разные определения высокой или низкой скорости, но, как правило, для муфт скорость выше 3000 об / мин считается высокой.

Высокоскоростные зубчатые муфты

Большинство высокоскоростных зубчатых муфт представляют собой проставки, которые подтверждают необходимость технического обслуживания подключенного оборудования. Двумя важными атрибутами высокоскоростных муфт являются легкий вес и низкая инерция. Если муфту необходимо разогнать с нуля до 10 000 или 15 000 об / мин, крутящий момент, необходимый для быстрого достижения этих скоростей, является значительным, если допускается слишком большая инерция.Высокоскоростные машины также чувствительны к превышению веса. Все создано для скорости, а это значит, что они маленькие, легкие и точные.

Мы упоминали, что высокоскоростные муфты изготавливаются с высокой точностью с жесткими допусками. Они также бывают со шлифованными отверстиями, болтами, установленными на корпусе, и расширенными отверстиями во фланцах. Поскольку муфты сильно нагружены, материалы проверяются с помощью магнитных частиц, чтобы убедиться в целостности детали. Материалом может быть стандартная сталь 4140, но часто есть документы, подтверждающие ее прочность и химический состав.В действительно высокоскоростных агрегатах ступицы прикреплены к валу с помощью гидравлических соединений на конусе. Это исключает шпонки и шпоночные пазы, которые могут повлиять на баланс. Другие методы могут включать встроенный фланец на роторе, который крепится болтами к проставочной муфте морского типа.

Иногда необходимость ремонтопригодности или жесткости вынуждает использовать муфту морского типа с проставкой. Морской стиль относится к расположению зуба, а не к применению. В агрегате морского типа зубья шестерни находятся на секции проставки, а не на секции ступицы.Это увеличивает выступающий момент, поэтому приходится идти на компромисс.

Материалы для высокоскоростных агрегатов

Хотя баланс наиболее важен для высокоскоростных зубчатых муфт, следует также отметить, что высокая скорость может привести к высокому износу зубьев. По этой причине в высокоскоростных узлах используются закаленные зубья для увеличения срока службы муфты. Однако для этого требуется материал, который будет совместим с индукционной закалкой, карбонизацией или нитридной закалкой. Закаленный зуб должен сохранять свою прочность, чтобы выдерживать крутящий момент.Карбиды железа и углерод или другие нитриды обеспечивают твердость поверхности. В то время как углеродистая сталь AISI 1045 является наиболее популярной для зубчатых муфт, высоколегированная сталь AISI 4140 используется в высокоскоростных агрегатах. Соединительные материалы и упрочнение будут более подробно рассмотрены чуть позже в этой главе.

Смазка высокоскоростных агрегатов

Быстроходные муфты смазываются маслом, а не консистентной смазкой. Масло, которое циркулирует через фильтры и охладители, распыляется в муфту с одной стороны зубьев и сливается из муфты с другой стороны зубьев.Циркулирующее масло имеет преимущество постоянного обновления, но даже при циркуляции необходимо предотвратить накопление шлама в муфте. Шлам препятствует попаданию масла на поверхности, нуждающиеся в смазке. Особенности муфты, препятствующие образованию отложений, предотвращают накопление за счет установки дренажей и дамб в проходах.

Быстроходные муфты с консистентной смазкой имеют ограниченные возможности применения. Несмотря на то, что смазка, обозначенная как «тип муфты», сопротивляется разделению мыла и масел, этого недостаточно для действительно высокоскоростного применения.Еще одна проблема со смазкой — повышение температуры. Циркулирующее масло также охлаждается. Статическая смазка нагревается от трения на высоких скоростях.

Монтаж зубчатой ​​муфты в системе вала

Метрические и английские единицы

Метрическая и английская системы размеров и допусков были разработаны без взаимного обмена. Простые преобразования неудовлетворительны, потому что используются разные размеры отверстий, а также разные допуски и разные формулы, определяющие плотную и свободную посадку.Метрические отверстия определены в стандартах ISO, в то время как английские отверстия определены в стандартах AGMA и ANSI. Эти стандарты также кратко изложены в каталогах производителей муфт.

Есть несколько способов крепления ступицы к валу. Во всех случаях цель состоит в том, чтобы иметь соединение, которое облегчает передачу крутящего момента от вала к ступице, легко устанавливается или снимается и не затрудняет центровку.

Свободные посадки наиболее просты в изготовлении и установке.Но свободная посадка — не лучший выбор для зубчатых муфт, за исключением применений с низким крутящим моментом или некоторых применений с нейлоновыми втулками. Свободная посадка не обеспечивает достаточного сдерживания усилий в зубчатых муфтах, поэтому используются посадки с натягом. В ступицах со свободной посадкой или посадкой с зазором используются шпоночная канавка и шпонка со свободной посадкой для передачи крутящего момента, с установочным винтом для плотного прилегания ступицы к валу и шпонкой для предотвращения биения и износа. Ключ и установочный винт также помогают, если присутствует циклическая нагрузка. Поскольку это единственное средство передачи крутящего момента, длина сквозного отверстия для посадок с зазором больше, чем у других посадок.Предпочтительная длина составляет от 1,25 до 1,5 диаметра отверстия. Шпоночные пазы в отверстиях с посадкой с зазором имеют квадратное поперечное сечение. Размеры шпонок соответствуют размерам вала, чтобы обеспечить достаточную поверхность для передачи крутящего момента. Ключ также имеет неплотную посадку в пазу.

Подходит для натяжения (или усадки)

Посадка с натягом или горячая посадка — это выбор ступицы в большинстве зубчатых муфт. В нем используется диаметр отверстия ступицы, который немного меньше диаметра вала при всех комбинациях допусков.Существует множество комбинаций степени натяга, но популярное число — 0,0005 дюйма на дюйм диаметра вала.

Установка с натягом осуществляется путем нагрева ступицы до точки, в которой она расширяется настолько, что может поместиться на вал. Нагревание может осуществляться в печах, масляных банях или индукционным способом. Индукционный метод также популярен как метод снятия ступицы. Для работы достаточно температуры от 300 ° F до 350 ° F. Избыточное тепло может изменить металлургические свойства ступицы, а чрезмерная усадка или натяг могут привести к ее разделению.

Ступица с натягом имеет прямое отверстие со шпоночной канавкой, поэтому трение между валом и ступицей и шпонкой не используется для передачи крутящего момента. Шпонка является основным средством передачи крутящего момента и может иметь посадку с натягом или с натягом. Снова используется квадратная шпонка, и в большинстве случаев в шпоночную канавку и шпонку входит радиус для снижения концентрации напряжений.

Уменьшенные шпонки, известные как мелкие, половинные или прямоугольные шпонки, могут использоваться для обеспечения большего диаметра вала в пределах ступицы.Все они шире, чем высокие. Метрические клавиши бывают уменьшенными или прямоугольными. При использовании уменьшенных ключей необходимо тщательно оценить крутящий момент. На больших муфтах и ​​валах иногда используются две шпонки половинной высоты для усиления передачи крутящего момента. В ступицах с натягом используется соотношение 1: 1 между длиной контакта ступицы и диаметром вала. Это соотношение может меняться в приложениях, подверженных высоким циклическим нагрузкам или внезапным пикам крутящего момента в переходных условиях.

Конусы и отверстия для двигателей мельниц

Два типа конических отверстий также распространены в зубчатых муфтах.Один из типов — это конический двигатель с клиновым отверстием. Эта ступица подходит к валу стандартного двигателя мельницы, имеющему такой же конус. Когда ступица скользит вверх по валу, она плотно прилегает к валу. Гайка на конце вала используется для фиксации на месте. Этот метод обеспечивает хорошую передачу крутящего момента с плотной посадкой. Это простая функция сборки или разборки. Конические валы этого типа могут использоваться не только с мельничными двигателями, но и с другими механизмами.

Другой тип конического отверстия — это мелкий конический гидравлический тип. В этом виде ключа нет.Ступица расширяется за счет гидравлического давления и подталкивает вал вверх до заданной точки. Когда давление снимается, ступица прижимается к валу. К концу вала может быть прикреплена гайка или пластина для удержания ступицы. Удаление также осуществляется гидравлическим давлением. Ступицы имеют масляные канавки в отверстии для облегчения приложения давления масла. Комбинации ступиц вала с коническим отверстием требуют очень полного согласования ступицы и вала. Площадь контакта отверстия ступицы с датчиком, действующим как вал, измеряется при изготовлении ступиц, чтобы убедиться, что при установке ступицы на вал будет получена надлежащая посадка.Были установлены стандарты, которые можно использовать в качестве ориентира для определения процента контактов.

Ступицы с горячей посадкой и гидравлической посадкой — лучший выбор для приложений с большим крутящим моментом. Одним из слабых мест силовой трансмиссии является стык между ступицей и валом. Это также место, где циклические нагрузки и пиковые нагрузки могут вызвать проскальзывание или истирание. Плотность посадки способствует более надежному соединению для передачи крутящего момента.

Переходник от рукава к рукаву

Зубчатые муфты размером от 1 до 9 будут наполовину соответствовать другим фланцевым зубчатым муфтам, изготовленным по стандартным размерам AGMA.Однако, хотя стандарт размеров обеспечивает совместимость торцевого совпадения между фланцами втулки, он не гарантирует совпадения крутящего момента или диаметра отверстия. Это всегда следует проверять. Когда муфта с лабиринтным уплотнением сочетается с муфтой с уплотнительным кольцом, диаметр отверстия и крутящий момент могут быть разными, несмотря на то, что их фланцы совпадают и соединяются болтами.

Болтовое соединение фланца важно для надежности соединения, поскольку болтовое соединение может быть потенциально слабым местом. В большинстве конструкций используется основа трения для передачи нагрузки через торцевое совпадение двух полумуфт.Болты предназначены для нагружения растяжением и в первую очередь служат для зажима двух фланцев вместе, чтобы обеспечить торцевое трение для передачи крутящего момента. Фактически, максимальный наружный диаметр фланца муфт с фланцевой муфтой частично определяется необходимостью места для болтов и поверхности для трения. Несмотря на то, что трение является основным средством передачи крутящего момента, если муфта перегружена до точки преодоления трения, она становится сдвигающей нагрузкой на болты, прежде чем стать причиной отказа муфты.Поскольку болты нагружены несколькими видами сил, необходимо убедиться, что резьба болта не находится в плоскости сдвига между фланцами.

Другие спецификации могут позволить болтам, прилегающим к корпусу, выдерживать сдвигающую нагрузку, хотя с инженерной точки зрения концепция несения нагрузки на болты при сдвиге не приветствуется. Болт для посадки корпуса плотно прилегает к отверстиям для болтов, которые удерживают две половинки соосно. Чтобы довести этот метод до крайности, нужно просверлить и развернуть отверстия для болтов при сборке, а затем совместить отметки на двух полумуфтах.

Болтовые соединения также будут влиять на требования к балансу. Для уравновешенных муфт могут потребоваться утяжеленные болты. Кроме того, с помощью болтов можно управлять двумя полумуфтами. Чтобы использовать болты в качестве пилотных, отверстия для болтов необходимо просверлить с жестким допуском или расточить при сборке.

Помните, что на муфту с неразрезной муфтой не влияют какие-либо проблемы, связанные с болтовым соединением. Муфта с неразрезной муфтой обеспечивает безболтовую передачу крутящего момента через непрерывный металлический цилиндр с дополнительным преимуществом меньшего наружного диаметра.

Хотя центровка описана в другом разделе этого руководства, зубчатая муфта имеет некоторые особые особенности центровки, которые следует здесь отметить. Как упоминалось в разделе о болтовых соединениях, для двух половин фланцевого типа необходимо иметь какое-то управление для наилучшей практики центровки. Этого можно добиться с помощью управляемых болтов или, что лучше, с помощью направляющих колец или пазов. Необходимость центровки зависит от подключенного оборудования и скорости работы. Работа на высоких скоростях всегда требует точного выравнивания.При настройке параметров центровки всегда сначала обращайтесь к техническим характеристикам оборудования, а не к характеристикам муфты. Поскольку муфты с неразрезной муфтой не имеют болтов, центрирование выполняется лицевой стороной ступицы к поверхности ступицы.

Время от времени требуется «индексирующая» муфта. Этот тип муфты выравнивает два вала во вращательном круговом положении, которое каждый раз одно и то же. Для этого шпоночный паз ступицы вырезается так, чтобы он совпадал с зубом или зазором. Так же нарезается вторая ступица.Если это муфта с неразрезной муфтой, на ней можно нанести маркировку для обозначения одного и того же зуба или пространства на обоих концах муфты. Процедура для муфт с фланцевыми втулками более сложна. В дополнение к шпоночной канавке, соприкасающейся с зубом ступицы или пространством, отверстие для болта на фланце также должно быть совмещено с зубом или пространством. Ответный фланец необходимо просверлить таким же образом, чтобы при сборке устройство было выровнено или проиндексировано. Конечно, для выполнения этой работы шпоночный паз вала также должен быть совмещен со значительной частью оборудования.Индексирование выполняется с заданным допуском в месте расположения этого выравнивания.

Дополнительная индексация достигается с помощью муфт с плавающим валом, когда муфты на каждом конце блока имеют разное количество зубьев. После этого индексация может иметь количество заданных значений, равное произведению двух чисел зубьев.

Параметры выбора зубчатой ​​муфты включают два очень важных элемента и многие другие второстепенные элементы. Наиболее важными элементами являются диаметр отверстия и крутящий момент в указанном порядке.Отверстие относится к номинальному размеру вала, на котором будет использоваться муфта. В данном случае крутящий момент относится к нормальному рабочему крутящему моменту, который муфта должна передавать. Второстепенные элементы могут включать в себя целый ряд параметров, таких как скорость, перекос, вес, длина проставки, инерция и т. Д.

Диаметр отверстия и крутящий момент: выбор первого прохода

Размер зубчатой ​​муфты в большинстве случаев определяется номинальным размером вала. Номинальный размер вала представляет собой смешанное количество единиц и фракций, которые представляют определенный диаметр вала.Фактический вал является десятичным эквивалентом этого числа плюс 0,000 минус 0,0005 или 0,001 дюйма. Номинальные размеры — это не просто любое число, а выбираются из списка предпочтительных чисел. Предпочтительные числа также могут быть метрическими по происхождению. Это часть нашего обсуждения ограничивается числами в дюймах. Это номинальное число также будет отверстием муфты с фактическим размером в зависимости от класса посадки.

В зубчатых муфтах обычно используются посадки с натягом, поэтому отверстие муфты обычно меньше размера вала.Величина натяга зависит от требований проектировщика, но часто используется значение 0,0005 дюйма на дюйм диаметра отверстия. Подробные сведения о размере вала для посадки с натягом или зазором см. В AGMA 9002-A86. Это документ дюймовой серии; если метрика представляет интерес, см. «Предпочтительные метрические пределы и подходы» ANSI B4.2 1978, подтвержденный 1984.

Если номинальный размер вала равен или меньше указанного диаметра отверстия муфты, зубчатая муфта обычно пригодна для эксплуатации.«Если подходит, то ничего» — это девиз зубчатой ​​муфты. Например, плавный ход, 1800 об / мин, машины без высоких пусковых моментов или требований к остановке могут использовать размер отверстия для выбора муфты.

Второй шаг при выборе зубчатой ​​муфты — это проверка требуемого крутящего момента в зависимости от номинального крутящего момента муфты. Нормальный рабочий крутящий момент используется, если не известен пиковый или циклический крутящий момент. Если приложение требует максимального крутящего момента или циклического крутящего момента, следует проявлять больше осторожности.Описание приложения также важно, чтобы увидеть, требуется ли дальнейшее расследование. На этом этапе требования к номинальному крутящему моменту системы умножаются на коэффициент применения, который можно использовать для выбора муфты.

Нормальный или непрерывный рабочий крутящий момент системы — это значение крутящего момента, которое требуется для непрерывной работы в расчетной точке. Параметры муфты иногда указываются в л.с. на 100 об / мин, но крутящий момент и мощность могут быть получены друг от друга, если также известна скорость в об / мин.

Коэффициенты обслуживания (иногда называемые коэффициентами применения) применяются к нормальному крутящему моменту для учета изменений, типичных для конкретных приложений. Они основаны на сочетании эмпирических данных и опыта и представляют собой краткую справочную информацию по выбору муфты по крутящему моменту и, возможно, сроку службы, не вдаваясь в подробности применения. Таблицы эксплуатационных факторов обычно представлены в каталогах муфт и будут разными для разных типов муфт.Другой источник факторов обслуживания (прикладных факторов) — стандарт AGMA 922-A96. Факторы безопасности и эксплуатационные факторы не следует путать друг с другом или менять местами. Первый предназначен для проектных работ, а второй — для работы с приложениями.

Эта тема включена, чтобы подчеркнуть тот факт, что это не рекомендуется. Никогда не превышайте отверстие, соответствующее размеру муфты и типу шпонки. Квадратные ключи имеют максимальное отверстие, прямоугольные — другое, а метрические — свое. Не смешивайте их.Когда требуется дополнительная усадка или требуется увеличенное отверстие для приложений с низким крутящим моментом, инженеры должны рассмотреть это приложение. Зубчатая муфта является наиболее энергоемкой муфтой, поскольку она разработана, но соединение вала со ступицей может быть слабым местом муфты. Расширение пределов может привести к отказу оборудования, а также к отказу муфты.

Когда речь идет о зубчатых муфтах, существует несколько магических чисел. Один из них — это разница в размере между большим и маленьким. Это число произвольно установлено на 7, но может быть и 9.Замена размеров AGMA распространяется на размер 9 для зубчатых муфт, но как только размер увеличивается до 7 и выше, количество применений становится очень ограниченным. Зубчатая муфта размера 7 имеет диаметр отверстия девять или более дюймов (в зависимости от размера шпонки) и крутящий момент в один миллион дюйм-фунтов. Этот крутящий момент соответствует 16 000 лошадиных сил при 1000 об / мин. Не многие приложения заходят так далеко, и когда они это делают, ситуация особенная или низкая скорость. Как правило, большие зубчатые муфты используются в приложениях с очень низкой частотой вращения и очень высоким крутящим моментом, например, в сталелитейных и алюминиевых прокатных станах, дробилках, переработчиках резины или обогатительных фабриках.

Чтобы получить представление о размерах зубчатых муфт, в каталогах будут указаны зубчатые муфты до размера 30. В общих чертах, это число соответствует половине диаметра деления для муфт с фланцевыми муфтами. Это означает, что общий диаметр муфты будет превышать шестьдесят дюймов. Количество муфт с неразрезной муфтой примерно равно максимальному внутреннему диаметру.

Когда размер муфты достигает двузначных чисел, номинальный крутящий момент остается неопределенным. Муфты часто пересматриваются на основании улучшенных материалов, термообработки и упрочнения.На самом деле пользователь и разработчик меняют срок службы до номинального крутящего момента. Номинальный крутящий момент может использоваться как пиковая нагрузка или циклический высокий, но не всегда как нормальный рабочий крутящий момент.

В эти большие размеры муфт вносится не так много изменений. При таком размере дополнительные функции слишком дороги для встраивания в муфту и могут быть доступны как отдельное устройство. Ограничители крутящего момента попадают в последнюю категорию, поскольку они заменяют срезные штифты. Вес муфты и других частей вращающейся системы также может исключить потребность в модификациях.Следует отметить, что большие отверстия муфты не всегда являются обычными отверстиями и шпоночными пазами, поскольку они могут иметь особую форму и нестандартные размеры.

Номинальные значения по каталогу часто сопровождаются ограничениями скорости в об / мин. Можно увеличить предел числа оборотов за счет балансировки муфты для минимизации вибрации. Балансировка в сочетании со специальными производственными допусками может еще больше увеличить скорость. Однако идеально сбалансированная муфта в конечном итоге будет иметь ограничение скорости, определяемое напряжением, трением между зубьями и разложением смазки.

Все муфты имеют предел смещения. Стандартная зубчатая муфта допускает угловое смещение на 1½ ° на одно зацепление. Специально разработанные зубчатые муфты могут сдвигать этот предел до 6 ° и более на одно зацепление. Однако высокие пределы смещения могут снизить крутящий момент муфты.

Несоосность ускоряет износ зубьев, поскольку из-за этого ступица и втулка сильнее трутся друг о друга. Иногда требуется высокая способность к несоосности, которая ограничивается нерабочими условиями, такими как перемещение вала для обслуживания.

Модификации, используемые для достижения высокой способности к несоосности в зубчатых муфтах, включают увеличение люфта (зазора между зубьями), дополнительные зубцы, углы давления зубьев 25 ° или более, упрочнение поверхностей износа, модифицированные уплотнения консистентной смазки, увеличенный зазор между втулкой и ступицей (придает зубам вид выше), а также снижение крутящего момента. Муфты с высоким перекосом также могут иметь модификации, чтобы упростить или удешевить обслуживание муфты, например, заменяемые изнашиваемые поверхности.

Материалы конструкции

Зубчатые муфты обычно изготавливаются из двух обычных сталей: углеродистой стали AISI 1045 и легированной стали AISI 4140.Легированная сталь означает, что для придания стали дополнительных свойств были добавлены элементы, отличные от углерода.

В стандартных зубчатых муфтах используется сталь AISI 1045. Это может быть пруток или поковка в зависимости от размера и детали. Муфты, требующие более высокой прочности или твердости для большей износостойкости, изготавливаются из стали AISI 4140, которая также может быть прутковой или поковкой.

Зубчатые муфты могут быть указаны в 303 SS, но это дорого и обычно выполняется только тогда, когда это необходимо для пищевой или целлюлозно-бумажной промышленности.

можно обрабатывать разными способами для повышения твердости и прочности. Твердость является ключом к повышению износостойкости для увеличения срока службы при повышенном трении из-за высокой скорости или перекоса, поскольку зубчатые муфты обычно изнашиваются под нагрузкой, а не ломаются. Прочность обеспечивает устойчивость к ударам и циклическим нагрузкам.

Термины термическая обработка, закалка, отжиг, закалка и отпуск используются в связи с материалами. Каждый из этих терминов представляет собой процесс кондиционирования стали.Термическая обработка — это общее описание, которое включает вариации всех остальных. Термическая обработка не обязательно означает упрочнение стали, хотя обычно ее принимают в этом контексте. Упрочнение стали может означать глубокую закалку или поверхностную закалку, что также называется цементацией. Твердость измеряется в единицах Бриннелла или единицах Роквелла, сокращенно Bhn или Rc. Метод измерения Rc по Роквеллу более популярен на закаленных поверхностях зубчатых муфт, в то время как Bhn используется для определения общей твердости партии стали.

Для стали AISI 1045 ожидаемые характеристики прочности зубчатых муфт требуют диапазона 190–260 Bhn. Для AISI 4140 диапазон увеличился бы до 300 Bhn в версиях стали с более высокой прочностью. Проще говоря, основной процесс заключается в том, что сталь нагревается до критической температуры, выдерживаемой в течение определенного периода времени, а затем быстро охлаждается. После быстрого охлаждения сталь имеет очень твердую структуру, которая может потребовать дальнейшего отпуска или отжига для изменения твердости на прочность. Быстрое охлаждение называется закалкой.Закалка или отжиг — это нагрев до температуры, а затем охлаждение с заданной скоростью, которая медленнее, чем закалка. Целью этих процессов является получение прочного твердого материала, пластичного и вязкого.

Для повышения износостойкости мы хотим повысить твердость поверхности до 50 Rc или выше. Для этого требуется дополнительный процесс, известный как закалка, цементация или азотирование. Процесс заключается в нагружении поверхности карбидами железа путем воздействия углерода и тепла или нитридов углерода и других нитридов путем воздействия азота и тепла.Тепло обеспечивается печью для термообработки, а другие элементы вырабатываются атмосферой в случае азотирования или за счет упаковки детали в углерод в случае науглероживания. Основная сталь должна подходить для процесса. В случае азотирования конечный продукт сохраняет исходные размеры, но в случае науглероживания конечный продукт вырастает и его необходимо измельчить, чтобы сохранить исходные размеры. Помимо перечисленных, существует множество способов упрочнения стальных поверхностей.Это сложный предмет. Процесс упрочнения поверхности зубьев зубчатой ​​муфты может продлить срок службы зубчатых муфт.

Применения зубчатой ​​муфты

Пониженный момент, трехподшипниковая и четырехподшипниковая системы

Вес муфты и любые противодействующие силы действуют в центре плоскости изгиба и вызывают изгибающий момент на валу оборудования. Когда муфта расположена близко к опорному подшипнику, близкая опора уменьшает плечо изгибающего момента, и муфту можно назвать муфтой с «уменьшенным моментом».Уменьшенные моменты означают меньшие нагрузки и меньший износ подшипников оборудования. Размещение точки изгиба рядом с подшипником также помогает поддерживать стабильность системы. Увеличение расстояния между точкой изгиба и подшипником вызывает вибрацию или колебания. По большей части трехопорная система имеет один подшипник в ведомом оборудовании и два подшипника в приводе. На одноподшипниковой стороне оборудования установлена ​​жесткая полумуфта без гибкой плоскости. Более устойчивая сторона с двумя подшипниками оснащена гибкой полумуфтой.Имея только одну плоскость изгиба, этот тип системы может иметь только угловое смещение. В мотор-генераторных установках обычно используются три подшипниковые системы, а в случае тяговых приводов мостовых кранов — системы с длинным валом.

Наиболее распространенной системой является система с четырьмя подшипниками с двумя подшипниками каждый в приводном и ведомом оборудовании. Система более дорогая и обычно требует двух плоскостей изгиба, потому что два подшипника на каждом валу делают положение вала жестким, обычно при параллельном несовпадении.

Стандартные муфты vs.Проставки

Простейшее применение муфты — насос, компрессор, центрифуга или входная сторона коробки передач. Обычно они включают привод электродвигателя, установленный на той же опорной плите, что и приводимое оборудование. Муфта соединяет два вала, и наиболее сложным вопросом обычно является размер BSE. Поскольку зубчатая муфта имеет некоторый диапазон в BSE, разработчик оборудования может использовать опорную плиту общего размера для многих различных моделей своего оборудования. Требуемый крутящий момент для этого типа вращающегося оборудования обычно представляет собой плавную кривую от нуля до полной скорости и не имеет никакого циклического содержания.Муфту можно подобрать по крутящему моменту и диаметру отверстия с минимальным коэффициентом эксплуатации.

Когда конструктор хочет упростить и удешевить обслуживание своего оборудования, между двумя гибкими половинками муфты устанавливается распорка. Когда проектировщику необходимо преодолеть большой промежуток между ведущим и ведомым оборудованием (например, при достижении рулона большого диаметра, удалении большой части оборудования из рабочего места или выходе через стену или переборку) плавающий вал нужно. Такое расположение часто используется с шестерневыми клетями, где выходной сигнал представляет собой двойной вал, приводящий в движение пару зацепляющихся валков или смесителей, которые являются частью большой машины, такой как прокатный стан.

Разделение привода и ведомого

Вращающееся оборудование, такое как вентиляторы, насосы и компрессоры, может иметь два отдельных привода на одном и том же оборудовании. Приводы могут быть электродвигателем для запуска и паровой турбиной для работы. Это происходит в приложениях когенерации, где есть пар, и оператор хочет экономить электроэнергию или использовать электроэнергию для других целей.

Иногда оборудование имеет электродвигатель для обычных целей и какое-либо другое устройство, например двигатель внутреннего сгорания, для аварийного режима.В других случаях оборудование простаивает, а водитель работает. Хотя это звучит как применение для сцеплений, они также могут быть местами, где зубчатые муфты с вырезом могут быть более разумным выбором. Зубчатая муфта во многих случаях дешевле и занимает меньше места в системе, чем муфта.

Спасите оборудование от крутящего момента

Вращающиеся валы оборудования часто имеют завышенный размер, потому что они предназначены для ограничения прогиба, что может привести к увеличению размеров муфт. Двигатели рассчитаны на следующий более крупный стандартный блок по сравнению с требованиями приложения.Эти проблемы плюс фактор обслуживания могут привести к тому, что приводная система будет иметь крутящий момент, намного превышающий потребности приводимого оборудования. В таких системах скачки крутящего момента или перегрузки легко передаются компонентам, которые не предназначены для их выдерживания, и могут быть серьезно повреждены. Для предотвращения этого в трансмиссии установлено устройство ограничения крутящего момента. Зубчатая муфта, которая, вероятно, в любом случае необходима в системе по другим причинам, может обеспечить такую ​​же защиту при гораздо более низкой стоимости, чем многие устройства, продаваемые в качестве ограничителей крутящего момента, с простым добавлением срезного штифта.

Коэффициенты связи — обзор

Аргументы логарифмической выпуклости

Непрерывная зависимость решений (6.5.1), (6.5.2) от объемной силы, теплоподвода и коэффициентов термоупругой связи была также получена Ames & Straughan (1992) которые используют другой метод анализа, а именно метод логарифмической выпуклости, для доказательства своих неравенств.

Чтобы установить непрерывную зависимость в этом случае, примем за два решения для (6.5.1), (6.5.2) на Ω × (0, T), соответствующие коэффициентам объемной силы, теплоподвода и термоупругой связи F _i , S, β _ij и F _i ^⁎ , S *, β _ij ^⁎ соответственно. Считаем, что перемещения u _i (x, t ) и u _i ^⁎ (x, t ) удовлетворяют одним и тем же данным на границе Ω и тем же предписанным исходные данные, а также температуры θ (x , t ) и θ * (x , t ).

Определение разностных переменных

(6.5.12) vi = ui * −ui, ϕ = θ * −θ, ϵij = βij * −βij, fi = ρFi * −Fi, H = ρS * −S,

следующая граничная задача — результаты начальной задачи

(6.5.13) ρ∂2vi∂t2 = fi + ∂∂xjcijkℓ∂vk∂xℓ − ∂∂xjϵijθ * −∂∂xjβijϕ,

(6.5.14) a∂ϕ∂ t + ϵij∂2ui * ∂xj∂t + βij∂2vi∂xj∂t = ∂∂xikij∂ϕ∂xj + H,

держится на Ω × (0, T), при этом

(6.5.15) vi = ϕ = 0, на ∂Ω × 0T,

и

(6.5.16) vi = ∂vi∂t = ϕ = 0, att = 0.

Мы делаем физически правильные предположения, что плотность и удельная теплоемкость строго положительны, т.е.е.

(6.5.17) ρx≥ρ0> 0, ax≥a0> 0,

, а также при условии выполнения условия (6.5.7).

Результаты непрерывной зависимости могут быть получены, если показать, что логарифм функционала

(6.5.18) Gt = ∫0t∫Ωρvividxdη + ∫0t∫Ωt − ηkimψ, iψ, mdxdη + Q,

является выпуклым. Здесь Q — постоянный член данных, который необходимо выбрать, и

(6.5.19) ψxt = ∫0tϕxηdη.

Ключевой идеей в этом анализе логарифмической выпуклости является интегрирование (6.5.14) относительно t и введение функции ψ ( x, t ) в определение G (t) . Ames & Straughan (1992) показывают, что если смещения u _i ^⁎ , температура θ *, и коэффициенты связи β _ij надлежащим образом ограничены и выбран член Q соответственно, функционал G (t) удовлетворяет неравенству:

(6.5.20) GG ″ -G′2≥-cG2,

для вычислимой константы c. В частности, требуется, чтобы величины

(6.5.21) supθ * 2, sup∇θ * 2, supui, t * 2, sup∇ui * −∇ui * x02,

, где берется верхняя грань Ω × [0, T ], а также

(6.5.22) supΩβijβij, supΩβij, jβim, m,

ограничено константой M ₀ , а Q выбирается как

(6.5.23) Q = ∫0T∫Ωfifi + 2ϵijϵij + ϵij, jϵim, m + h3 + ∫0tHdη2dt.

Константа c зависит от T, M ₀ , ρ ₀ , k ₀ , a ₀ и λ ₁ , где λ ₁ — постоянная в неравенстве Пуанкаре для Ω.

Как было показано в разделе 1.5, неравенство (6.5.20) могут быть интегрированы для получения базовой оценки

(6.5.24) Gt≤exp12ctT − tG01 − t / TGTt / T,

, из которой могут быть выведены результаты непрерывной зависимости, при условии, что класс допустимых решений соответствующим образом ограничен. А именно, если известна граница для G (T) , скажем, G ( T) ≤ M, для некоторой константы M, , то неравенство (6.5.24) становится

(6.5.25) Gt ≤KQ1 − t / TMt / T.

С учетом определений для G и Q это неравенство может быть явно записано как

(6.