Особенности деталей приборов

ИЗУЧЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ, УЗЛОВ И ЧАСТЕЙ ПРИБОРОВ

[ О. - Л. 3 (с. 464-472)]

О бщая классификация деталей, узлов и частей приборов. Основные понятия и особенности деталей, узлов и частей для технических средств измерительной техники. Производственные требования и тенденции развития.

 

 

Особенности деталей приборов

Валы, опоры и направляющие

 

Вал (в приборах – валик) представляет собой вращающийся стержень, предназначенный для поддержания деталей механизмов – зубчатых колес, фрикционных роликов и др. Валы передают вращающий момент, определение размеров вала обычно начинается с предварительного расчета на кручение или на кручение и изгиб. Затем проектируется весь механизм, в состав которого входит вал. Получив таким образом все размеры вала, выполняют его проверочный расчет. Ось несет на себе вращающиеся детали, но не передает вращающих моментов. Диаметр оси в опасном сечении определяется из условия прочности при изгибе. Деформации валов и осей приводят к ухудшению условий работы передач, а во многих случаях и к возникновению вибраций.

Опоры осей и валов передают нагрузки от вращающихся частей на корпус или плату. Точность действия и надежность работы механизмов во многом зависят от особенностей конструкций опор, значения и стабильности возникающих в них сопротивлений вращению.

 

Опоры трения скольжения

 

Подшипники (воспринимают радиальные нагрузки) и подпятники (воспринимают осевые нагрузки) скольжения применяют в системах точной механики в целях получения малогабаритной конструкции опоры. Выбор и разработка конструкций опор скольжения зависит от условий работы – нагрузки, частоты вращения вала, допускаемого сопротивления вращению и др. Наибольшее распространение получили цилиндрические подшипники скольжения. Здесь для снижения момента трения и износа соприкасающихся элементов цапфы – вала и корпуса применяют вкладыши (втулки), изготовленные из антифрикционных материалов. Основным критерием работоспособности опор скольжения является износостойкость – сопротивление изнашиванию и заеданию. Расчет цилиндрической опоры скольжения заключается в определении ее геометрических размеров из условия прочности цапфы на изгиб и последующей проверки опор по износу и нагреву.

 

Последовательность расчета цилиндрической опоры:

 

1. Рассчитывая размеры цапфы (d, ℓ) из условия прочности при изгибе, действие равномерно – распределенной нагрузки условно заменяем сосредоточенной нагрузкой, приложенной в середине цапфы. Условие прочности при изгибе:

σ_u = M_u / W_u ≤ [σ_u], где М_u = (R·ℓ) / 2 (мН∙м); W_u = 0,1d³ (мм³)

[σ_u] – допускаемое напряжение при изгибе

(R · ℓ) / (2 ∙ 0,1 ∙ d³) ≤ [σ_u], обозначим ℓ / d = λ

если ось имеет опоры, то отношение длин цапфы к ее диаметру λ = 0,5 … 1,8

(R · λ) / (0,2 · с²) ≤ [σ_u]

Определив из этой формулы диаметр цапфы

d ≥ √(R ∙2) / (0,2 · [σ_u])

находим ее длину: ℓ = λ · d

Основные размеры подшипника (d, ℓ) скольжения (вкладыша) назначаются конструктивно в соответствии с размерами цапфы и затем производят проверку на износ и на нагрев.

2. Проверку на износ (проверка среднего удельного движения Р_с между цапфой и подшипником) производят для обеспечения невыдавливаемости смазки.

Р_с = R / A_on ≤ [P_c],

где А_оn = d · ℓ – площадь опорной поверхности подшипника;

[Р_с] – допускаемое среднее удельное давление

3. Проверку на нагрев (проверка по произведению среднего удельного давления Р_с на окружную скорость цапфы) производят для обеспечения нормального теплового режима, т.е. отсутствие нагрева и заедания:

Рс · V ≤ [ Pc · V]

Окружная скорость V при заданной частоте вращения n определяется по формуле (см. материал занятия 8).

V = ω · (d / 2) = (π_n · d) / (30 · 2) = (π_n · d) / 60 (м/с)

Расчет подпятников (упорных подшипников, воспринимающих осевые нагрузки) аналогичен расчету подшипников, при этом площадь опорной поверхности пяты зависит от ее конструкции.

Опоры на центрах применяют, когда необходимо центрировать ось подвижной системы с точностью до 1-2 мкм и иметь малые потери на трение. Наименьший момент трения и наилучшее центрирование будут при угле «центра» = 60°, а конического отверстия вкладыша = 90°. Опоры на центрах допускают нагрузки от 1 до 20Н. Для уменьшения потерь на трение и увеличение ресурса работы опор в приборах некоторых конструкций центр делают из стали, а подшипники – из искусственного агата или рубина, но наиболее часто – из бронзы и латуни. Для регулирования зазора в опорах одну из них делают винтовой.

Опоры на кернах предназначены для восприятия осевой нагрузки, передаваемой вращающимися стержнями через керн на подпятник. Благодаря практическому точечному контакту опоры на кернах отличаются малым моментом трения, но могут воспринимать небольшие нагрузки при частоте вращения n < 90 об/мин. Материалом для керна могут служить углеродистые стали, сплавы титана, кобальто-вольфрамовые сплавы, а для подпятников – бронза, естественные или искусственные камни (агаты, рубины, корунды и др.) и твердые сплавы.

Шаровые опоры состоят из шаровой цапфы и подшипников и могут воспринимать радиальные и осевые нагрузки, обеспечивая при этом высокую точность центрирования (с погрешностью до 10 мкм) подвижной системы прибора, но сложны в изготовлении. В некоторых конструкциях при осевом нагружении в качестве цапфы используется шарик. Для уменьшения потерь на трение цапфы или подшипники изготовляют из бронзы.

Конические опоры воспринимают большие радиальные и малые осевые нагрузки, точно центрируют цапфу, но имеют большой момент трения. Могут работать в условиях вибрации, ударов и тряски; при рациональном выборе материалов имеют высокую износоустойчивость и долговечность. Цапфы изготавливают из высокоуглеродистой стали с последующей закалкой, втулки – из фосфористой бронзы или латуни.

Использование пористых вкладышей, пропитанных смазкой, позволяет существенно уменьшить сопротивление вращению при очень простой конструкции опорного узла.

Для большего снижения потерь энергии на трение, особенно при больших нагрузках, элементы опор трения разделяют слоем жидкости или газа. В зависимости от способа образования промежуточного слоя опоры могут быть гидро – или аэродинамическими и гидро – или аэростатическими. В динамических опорах разделяющий слой создается вращающейся цапфой вала, а в статистических – внешним источником, например, компрессором.

 

Опоры трения качения

 

Подшипники с трением качения обеспечивают высокую точность и небольшой момент сил сопротивления, особенно в период разгона. При проектировании опор механизмов систем автоматики с часто повторяющимися пусками и реверсами это свойство имеет важнейшее значение.

Основные типы подшипников качения стандартизированы, их размеры и необходимые характеристики приведены в каталогах, а с их конструкциями можно ознакомиться по любому из предлагаемых учебников.

Если диаметр вала меньше 1 мм, то используют миниатюрные подшипники, которые обеспечивают повышенную точность, бесшумную и безвибрационную работу. Наименьшие диаметры цапф ~ 0,3мм. Особенность этих типов – отсутствие внутренних колец, роль которых играет цилиндрическая или киническая цапфа валика.

Для сокращения размеров опор применяют также насыпные подшипники без сепаратора и внутреннего кольца со втулками (чашками) прямоугольной формы, диаметр шариков d ≥ 0,075мм.

Высокоскоростные подшипники применяются при n > 10000 об/мин. Отечественные высокоскоростные подшипники успешно работаю при n ≥ 150000 об/мин. Скорости такого порядка развиваются в центрифугах, высокоскоростных электрошпинделях и др. Рекорд скорости этих подшипников 560000 об/мин. Обеспечение надежной работы высокоскоростных подшипников требует высокой точности изготовления и монтажа опор.

Опоры на ножах применяются, когда подвижные части механизма совершают колебательные движения в пределах небольшого угла, например, в электромагнитных реле, весах, миниметрах, тензометрах и др. Эти опоры являются опорами качения и имеют очень малый момент трения. Рассмотрим в качестве примера ножевую опору подвижной части электромагнитного реле. Ножом здесь является верхний конец ярма, которое неподвижно закреплено на сердечнике катушки реле. Роль подушки играет согнутая часть якоря. Винт служит для предохранения якоря от выпадения.

Специальные опоры применяют при необходимости значительно уменьшить потери на трение: это магнитные, с трением упругости, ртутные и др.

Магнитные опоры применяют в некоторых измерительных приборах, имеющих малый вес и вертикальную ось вращения. Для удержания оси в вертикальном положении в них используются магнитные силы. Например, схема магнитной опоры диска электрического счетчика состоит из двух магнитов. Второй магнит втягивается внутрь первого магнита и поддерживает на весу подвижную систему счетчика. Центрирование вращающейся части осуществляется тонкими штифтами из нержавеющей стали, помещенными в графитовые втулки. Опоры этого типа имеют очень малый момент трения и не требуют ухода.

Опоры с трением упругости типа растяжек и подвесов применяют в высокочувствительных измерительных приборах, в которых подвижная система должна иметь ограниченный угол поворота и совершает колебательные движения. Основным преимуществом таких опор являются малые потери на сопротивление, которые в расчетах можно не учитывать. Конструктивно опоры представляют собой тонкую металлическую ленту или проволоку, закрепленную одним или двумя концами на неподвижном основании. К ленте или проволоке прикрепляется подвижная система прибора.

Ртутные опоры применяют в приборах, работающих в статических условиях при небольших угловых скоростях и имеющих относительно небольшую нагрузку на опору не свыше 0,5Н. Наиболее проста капельная ртутная опора. Она состоит из неподвижной части, в которой находится цилиндрическое глухое отверстие, заполненное ртутью, и подвижной части, имеющей углубление в виде поверхности ртутной капли. Отверстие сделано для выхода воздуха, чтобы обеспечить плотное соприкосновение ртути и опорной поверхности вращающейся части опоры.

 

НАПРАВЛЯЮЩИЕ

Направляющими называются устройства, обеспечивающие необходимую траекторию (обычно прямолинейную) движения подвижного звена (ползуна, камня кулисы и т.п.). Различают направляющие с трением скольжения, с трением качения и с упругими элементами. Общим требованием к направляющим является обеспечение надежного взаимодействия сопрягаемых звеньев с заданной точностью, исключающего самоторможение (заклинивание).

Направляющие с трением скольжения могут быть призматические и цилиндрические. Призматические применяются при больших нагрузках и высокой точности направления движения. Применяют направляющие прямоугольного профиля и клинового профиля. Клиновые направляющие обеспечивающие большую точность центрирования, но в них и большие потери на трение. Цилиндрические направляющие проще по конструкции, но обеспечивают движение с меньшей точностью. Они могут допускать вращение ползуна или предотвращать его.

Направляющие с трением качения обладают высокой плавностью хода и потери на трение в них гораздо меньше, однако они сложны в изготовлении и по конструкции. Роликовые направляющие имеют призматические рабочие поверхности, а оси роликов укрепляются в каретке или стойке механизма. В качестве роликов используют радиальные шарикоподшипники. Шариковые направляющие имеют меньшие габариты и обеспечивают более высокую точность движения каретки. Для удержания шариков на определенном расстоянии друг от друга служит сепаратор.

Общим требованием к направляющим является обеспечение надежного взаимодействие сопрягаемых звеньев с заданной точностью, исключающего самоторможение.

 

МУФТЫ

Муфтой называется устройство, соединяющее валы отдельных механизмов, двигателей и рабочих органов с целью передачи вращающего момента с одного вала на другой без изменения его значения и направления.

Кроме основного своего назначения – передачи момента – муфты отдельных типов выполняют дополнительные функции: соединяют валы со свободно установленными на них деталями (шкивами, зубчатыми колесами и т.п.) с целью передачи вращения, гасят вибрацию, предохраняют механизм от перегрузок, позволяют включать и отключать механизм без остановки двигателя.

 

МУФТЫ ПРИВОДОВ