Назначение передач, классификация

Механическими передачами или просто передачами называют механизмы, слу­жащие для передачи механической энер­гии на расстояние, как правило, с пре­образованием скоростей и моментов, иногда с преобразованием видов (напри­мер, вращательное в поступательное) и законов движения.

Передачи имеют широкое распростране­ние в машиностроении; например, в таких машинах, как автомобиль или станок, имеется по нескольку десятков зубчатых колес, а выпуск зубчатых колес в России измеряется сотнями миллионов штук в год.

Основные причины применения передач в машинах следующие:

1) требуемые скорости движения рабо­чих органов машины, как правило, не совпадают с оптимальными скоростями двигателя, обычно ниже, а тихоходные двигатели для больших моментов очень громоздки и дороги;

2) для большинства технологических и транспортных машин необходима возмож­ность регулирования скорости и периодическая работа с большими моментами (при малых скоростях); между тем регулиро­вание скорости двигателя не всегда воз­можно и экономично;

3) двигатели обычно выполняют для равномерного вращательного движения, а в машинах часто оказывается необходи­мым поступательное движение с заданным законом изменения скорости;

4) двигатели не всегда могут быть не­посредственно соединены с исполнительными механизмами из-за требования к габаритам машины, условий техники без­опасности, удобства обслуживания, а иногда должны приводить по нескольку механизмов.

В зависимости от назначения передачи выполняют с постоянным или с перемен­ным (регулируемым) передаточным отно­шением. В последнем случае применяют ступенчатое или бесступенчатое регулиро­вание. Ступенчатое регулирование дешев­ле и осуществляется более простыми и надежными механизмами. Бесступенчатое регулирование вследствие возможности выбора оптимального процесса способ­ствует повышению производительности и качественных показателей работы маши­ны. Применение автоматических бессту­пенчатых передач в автомобилях и трак­торах приводит к уменьшению расхода топлива до двух раз. Кроме того, оно благоприятно для автоматизации и управ­ления на ходу.

Наряду с механическими передачами трением и зацеплением широко применяют гидравлические, пневматические и элек­трические передачи.

По принципу действия все механические передачи вращательного движения делятся на две группы; а) передачи трением - фрикционные (рис. 2 а) и ременные (рис. 2 г); б) передачи зацеплением - зубчатые (рис. 2 б), червячные (рис. 2 в), цепные (рис. 2 д).

В зависимости от способа соединения ведущего и ведомого звеньев различают: передачи с непосредственным контактом - фрикционные, зубчатые, червячные и с гибкой связью - ременные, цепные.

К передачам вращательного движения относят также передачу винт-гайка, которая преобразовывает вращательное движение в поступательное и наоборот.

 

Рис. 2. Механические передачи

Механические передачи одновременно могут выполнять следующие функции:

1) изменять угловые скорости и передаваемые моменты;

2) реверсировать движение;

3) распределять работу двигателя на несколько рабочих машин (исполнительных рабочих органов)

4) преобразовывать один вид движения в другой (вращательное в возвратно-поступательное, прерывистое и т.п.).

 

Основные кинематические и силовые

Соотношения в передачах

Основными характеристиками каждой передачи являются: мощность на ведущем Р₁ и ведомом Р₂ валах, угловая скорость ведущего ω₁ и ведомого ω₂ валов (рис. 3).

 

Рис. 3. Схема механической передачи:

а - колеса в рабочем состоянии, б - колеса условно раздвинуты

 

Кроме того существуют дополнительные характеристики, например, механический КПД передачи:

.

Для многоступенчатой передачи, состоящей из нескольких отдельных последовательно соединенных передач, общий КПД:

 

,

где – КПД каждой передачи (ступени).

Окружная скорость ведущего и ведомого звеньев:

, ,

где d₁, d₂ – диаметры колес, шкивов, и др.;

ω₁, ω₂ – угловые скорости ведущего и ведомого звеньев.

Угловая скорость звена связана с частотой вращения зависимостью:

.

Окружная сила:

.

Крутящий момент:

.

Вращающий момент ведущего вала является моментом движущих сил, поэтому его направление совпадает с направлением вращения вала (см. рисунок 3). Момент ведомого вала - момент сил сопротивления, поэтому его направление противоположно направлению вращения вала.

Передаточным отношением i называется отношение угловых скоростей ведущего и ведомого звеньев:

.

При - передача понижающая; ее называют редуктором. При - передача повышающая; ее называют мультипликатором.

Поскольку в технике более распространены редуцирующие (замедляющие угловую скорость ведомого звена) передачи, чаще пользуются понятием передаточного числа U, которое является частным случаем передаточного отношения i:

.

 

Передаточное число U в отличие от передаточного отношения i всегда положительно и не может быть меньше единицы.

ФРИКЦИОННЫЕ ПЕРЕДАЧИ

 

Фрикционные передачи — это передачи, в которых движение от ведущего тела к ведомому передается силами трения.

Простейшая фрикционная передача между параллельными валами состоит из двух роликов, прижимаемых друг к другу с заданной силой При вра­щении ведущего ролика в месте кон­такта возникают силы трения, которые приводят во вращение ведомый ролик. Заменив цилиндрические ролики кониче­скими можно осуществить передачу между валами с пересекающи­мися осями. Выполнив одно из тел качения с переменным радиусом качения, можно осуществить передачу с переменным пере­даточным отношением (вариатор). Про­стейшим примером такой передачи являет­ся лобовая передача, состоя­щая из диска и ролика. При пере­движении ролика вдоль оси вала меняет­ся радиус качения на диске и, следова­тельно, передаточное отношение.

Для передачи окружной силы F фрик­ционной передачей тела качения должны быть прижаты одно к другому с силой

где f — коэффициент трения; S — запас сцепления, принимаемый в силовых пере­дачах равным 1,25...2, а в передачах приборов - до 3.

Расчетные значения коэффициентов тре­ния: сталь по стали со смазкой в условиях роликовых вариаторов 0,04...0,05, в усло­виях дисковых вариаторов 0,015...0,035, без смазки сталь — текстолит и гетинакс 0,3...0,35, закаленная сталь- металлокерамика ФАБ-П 0,3...0,35; закален­ная сталь — закаленная сталь 0,15...0,18

 

Условие работоспособности передачи:

 

где F₁ - передаваемая окружная сила;

F_тр - сила трения в месте контакта катков.

 

Рис. 4. Схема цилиндрической фрикционной передачи

 

Нарушение этого условия приводит к буксованию, при котором ведомый каток останавливается, а ведущий скользит по нему, вызывая износ рабочих поверхностей. Для создания необходимой силы трения катки прижимают друг к другу силой, создаваемой с помощью пружины (гидроцилиндра, собственным весом машины, центробежной силой и др.).

Достоинства фрикционных передач: простота конструкции и обслуживания; плавность и бесшумность передачи; наличие предохранительных свойств за счет возможной пробуксовки; возможность бесступенчатой регулировки скорости.

Недостатки: непостоянство передаточного отношения из-за проскальзывания; необходимость применения устройств для прижатия катков; большое и неравномерное изнашивание рабочих поверхностей катков при буксовании; незначительная передаваемая мощность (обычно до 20 кВт); невысокий КПД (0,7...0,9);повышенный износ подшипников.

Все фрикционные передачи делят на две основные группы: с нерегулируемым передаточным отношением (рис. 4, 5) и с бесступенчатым регулированием (рис. 6, 24) передаточного отношения (последние называются вариаторами).

Рис. 5 Фрикционные передачи Рис. 6 Схема торового вариатора

 

По взаимному расположению осей валов передачи могут быть с параллельными осями - цилиндрическими (рис. 4) и коническими (рис. 5 а); с пересекающимися осями - коническими (рис. 5 б) и лобовыми (рис. 5 в); торовыми соосными (рис. 6).

В зависимости от условий работы передачи подразделяют на открытые (работающие на воздухе без смазки) и закрытые (работающие в масляной ванне).

Фрикционные передачи с постоянным передаточным отношением применяются в приборах, где требуется плавность и бесшумность работы (спидометры, магнитофоны, швейные машинки и др.). Фрикционные вариаторы применяют в машинах текстильной, химической и бумажной промышленности, в станкостроении, сварочных и литейных машинах.

У фрикционных передач в связи с так называемым упругим скольжением (не путать с буксованием) окружные скорости V₁ ведущего и ведомого V₂; катков не равны. Соотношение между V₁ и V₂ выражается формулой:

,

 

где - коэффициент упругого скольжения.

Передаточное отношение с учетом упругого проскальзывания катков будет равно:

.

 

В качестве материала катков быстроходных передач применяются закаленные стали 40ХН, ШХ15, 18ХГТ и др. Для тихоходных открытых передач применяют катки из чугуна СЧ15, СЧ20 и др. В малонагруженных передачах, не требующих большой долговечности, в качестве материала катков используют текстолит, гетинакс, фибру по стали или чугуну. Передача незначительных крутящих моментов может осуществляться катками из резины, кожи, пластмассы по стали или чугуну.

В закрытых передачах, работающих при обильной смазке (она предотвращает схватывание, задиры, охлаждает катки) встречается усталостное выкрашивание рабочих поверхностей катков, связанное с действием контактных напряжений, способствующих развитию усталостных микротрещин.

Задир рабочих поверхностей возникает в высоконагруженных передачах в результате нагрева катков, схватывания (приваривания) частиц металла с последующим отрывом их от одной из поверхностей катков.

Интенсивный абразивный износ поверхностей имеют обычно открытые передачи.

Основными критериями работоспособности фрикционных передач являются сопротивление контактной усталости (для передач с металлическими катками) и износостойкость поверхностных слоев для передач с катками из неметаллических материалов, не подчиняющихся закону Гука.

Расчет на контактную прочность (усталость) ведется по формуле Герца:

,

 

где σ_н, [σ_н] - расчетные и допускаемые контактные напряжения;

Е_пр - приведенный модуль упругости материалов катков,

;

ρ_пр - приведенный радиус кривизны цилиндрических катков,

;

μ- коэффициент Пуассона;

q - нагрузка на единицу длины линии контакта катков,

,

здесь b₂ – ширина ведомого катка;

Fr - сила прижатия катков друг к другу.

 

Для фрикционных передач, у которых рабочая поверхность хотя бы одного из катков выполнена из материалов, не подчиняющихся закону Гука (фибра, резина и др.), расчет ведется по формуле:

 

,

 

где [q] - допускаемая нагрузка на единицу длины контактной линии (для резины по чугуну или стали [q] = 10...30 Н/мм, для текстолита по чугуну или стали [q] = 50...6ОН/мм).

 

 

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ

 

Основные сведения

 

Зубчатая передача - механизм, предназначенный для передачи вращательного движения, а также преобразования вращательного движения в поступательное (или наоборот) Последнее осуществляется с помощью зубчато-реечной или просто реечной передачи.

Меньшее из пары колес, находящихся в зацеплении, называется шестерней, а большее – колесом.

Достоинства зубчатых передач постоянство передаточного числа, высокий КПД, надежность работы в широком диапазоне нагрузок и скоростей, компактность, простота обслуживания.

Недостатки высокие требования к точности изготовления и монтажа, шум при больших скоростях.

Зубчатые передачи классифицируют по следующим признакам:

1. По взаимному расположению осей колес:

- при параллельных осях: цилиндрические прямозубая (рис 7 а), косозубая (рис 7 б), шевронная (рис 7 в), с внутренним зацеплением (рис 7 г), реечная прямозубая (рис 7 к);

- при пересекающихся осях конические прямозубая (рис. 7 д), косозубая (рис. 7 е), с криволинейными зубьями (рис. 7 ж);

- при перекрещивающихся осях конические или гипоидные (рис. 7 з) и винтовые передачи (рис. 7 и).

2. По расположению зубьев относительно образующей (линии) колес: прямозубые, косозубые, шевронные, с криволинейным зубом.

3. По расположению зубьев в передаче: внешнее (рис. 7 а, б, в), внутреннее (рис. 7 г) и реечное (рис. 7 к).

4. По конструктивному исполнению различают открытые (не защищенные от внешней среды) и закрытые (помещенные в специальном корпусе с постоянным смазыванием).

5. По окружной скорости: тихоходные (до 3 м/с) и быстроходные (свыше 15м/с)

6. По форме бокового профиля зубьев: эвольвентные, циклоидальные и круговые (зацепление М Л Новикова).

В современном машиностроении для силовых передач применяется эвольвентное зацепление. Циклоидальное зацепление используется для кинематических передач (в приборах, часах и т. п.). Зацепление М. Л. Новикова применяется в высоконагруженных передачах в авиации.

7. По числу ступеней: одно- и многоступенчатые передачи.

 

Рис. 7 Зубчатые передачи

 

Назначение и конструкции зубчатых передач разнообразны. Их применяют в очень многих приборах и почти во всех машинах для передачи мощностей от самых малых до 50 МВт с диаметром колес от долей миллиметра до нескольких метров.