Некоторые виды соединительных муфт, их преимущества и недостатки


При построении портальных станков с ЧПУ не обойтись без соединительных муфт, которые служат для соединения приводного винта с валом сервомотора или шагового двигателя. Соединительных муфт существует множество видов, но массовое применение нашли только несколько из них. Здесь будет кратко описаны наиболее распространенные виды муфт. Но сначала вкратце общие сведения. Основной задачей муфты является передача крутящего момента с ротора двигателя на приводной винт, причем в станках и осях с ЧПУ чрезвычайно важно, чтобы при передаче момента не вносилось дополнительной погрешности - за счет деформации муфты, проскальзывания вала или зазора иного рода - в связи с чем основными параметрами муфты является беззазорность передачи момента(синхронность), жесткость на кручение и предел, при котором происходит разрушение муфты. Однако, помимо передачи момента, муфты способны выполнять и второстепенные функции. Множество самодельных станков страдают от неточностей изготовления деталей, что приводит к тому, что когда приходит время соединять вал ротора шагового двигателя и приводной винт, оказывается, что они несоосны - оси находятся под углом, и/или если между осями есть некоторое расстрояние. В таком случае очень приходится кстати способность некоторых муфт компенсировать эту несоосность за счет собственной структуры. Кроме того, системы на шаговых двигателях склонны к резонансу и вибрациям. В борьбе с этими неприятными явлениями также могут помочь муфты - некоторые виды муфт способны поглощать вибрации, диссипируя механическую энергию в собственной конструкции.

Рассмотрим наиболее популярные виды соединительных муфт:

Жесткие муфты

жесткие ВА.jpg

Жесткие муфты представляют собой наиболее простую разновидность. Жесткие муфты имеют цельнометаллический корпус из стали, алюминия или иного металла, что обуславливает их особую прочность, т.е. такие муфты способны передавать значительный момент без деформации. Жесткие муфты, например, серии BA(алюминиевые), отличаются большой жесткостью и низкой стоимостью. Однако, жесткость имеет обратную сторону - муфты BA неспособны компенсировать несоосность валов и поглощать вибрации, вследствии чего могут быть применены только в станках с точно изготовленными конструктивными деталями и высоким качеством сборки.

Муфты гибкие спиральные

СПИРАЛЬНЫЕ.jpg

Спиральные муфты, также как и жесткие муфты BA, изготавливаются из цельного куска алюминиевого сплава, но имеют существенное отличие - центральная часть муфты имеет тонкие поперечные пропилы. Эти пропилы сделаны так, что  гибкие спиральные муфты легко изгибаются в определенных пределах, но при этом жесткость на кручение муфты практически не меняется - она все также передает момент синхронно, без зазоров и упругих деформаций. Однако, сам передаваемый момент при этом, естественно, намного - в 4-8 раз - меньше, чем у жестких муфт, т.к. пропилы уменьшают прочность прутка алюминия. Такова плата за основное преимущество - гибкость(при высокой бюджетности), которая дает возможность соединять несоосные валы - так, угол между валами для муфт серии DR может достигать 2 градусов, а минимальное межосевое расстояние - 0.2 мм.

Муфты с полиуретановой вставкой

виброгасящие.jpg

Эти муфты(серия BF) являются разборными - кулачковыми. Между двумя цельными частями муфты вставлена амортизирующая полиуретановая прокладка - с одной стороны, полиуретан обладает достаточной жесткостью, чтобы передавать момент синхронно, с другой, достаточно упруг и вязок, чтобы поглощать некоторую часть ударных вибраций. В результате муфты BF, с одной стороны, способны передавать значительный крутящий момент, в несколько раз больший, чем у спиральных муфт(что приближает их по этому свойству к жестким муфтам BA), а с другой - способны немного компенсировать несоосность валов (угол до 1 градуса) и поглощать вибрации, что полезно при использовании шаговых двигателей. Из минусов стоит отметить то, что полиуретановая прокладка подвержена нормальному износу - со временем материал постепенно деформируется, и появляется зазор, и требуется замены муфты.

Мембранные муфты

мембранные.jpg

Мембранные муфты также являются разборными гибкими муфтами, и представляют собой более продвинутое решение, чем спиральные -  мембранные муфты тоже применяются тогда, когда требуется соединить валы, которые могут быть под углом. Применение стальных мембран в качестве передающего момент элемента позволяет устранить основную слабость спиральных муфт - малую  нагрузочную способность. Мембранные муфты способны совершенно синхронно передавать момент, равный и даже больший, чем жесткие муфты BA, а гибкость их(за счет прекрасной упругости стали мембран) при этом превосходит гибкость спиральных муфт DR - угол между валами может достигать 2.5 градуса, межосевое расстояние - 0.2 мм. Единственный аспект, в котором мембранные муфты уступают спиральным - это скорость вращения, но максимальная скорость вращения мембранных муфт в 10000-14000 об/мин удовлетворит подавляющему большинству практических задач. Мембранные муфты используются везде, где прочности спиральной муфты не хватает(есть вероятность повреждения муфты), а также в тех случаях, где пружинные свойства спиральных муфт нежелательны. Так, мембранные муфты желательно использовать с мощными двигателями - шаговыми моторами с фланцем NEMA 34 и более, а также серводвигателями.

Подводя итог, плюсы и минусы рассмотренных видов муфт можно отразить в следующей таблице:

Вид муфты Преимущества Недостатки
Жесткие, серия BA
  • Большой момент
  • Надежность
  • Низкая цена
  • Отсутствие компенсации несоосности
Спиральные, серия DR
  • Компенсация значительной несоосности
  • Большие достижимые скорости вращения
  • Бюджетность
  • Маленький передаваемый момент
  • Хрупкость
  • Наличие слабовыраженных пружинных свойств(могут несколько усиливать резонанс)
Кулачковые со вставкой, серия BF
  • Компенсация незначительно несоосности
  • Сравнительно большой передаваемый момент
  • Виброгасящие свойства
  • Износ амортизирующей прокладки
Мембранные муфты, серия BD
  • Компенсация очень большой несоосности
  • Большие скорости вращения
  • Большой передаваемый момент
  • Наибольшая цена из 4 видов

 

Автор: Алексей Воробьев, Darxton.ru.