Глава 3. Преобразователи движения

Передача движения от исполнительного электродвигателя к выходному звену мехатронного модуля может быть обеспечена с помощью различных преобразователей движения (передач), структура и конструктивные особенности которых зависят от типа двигателя, вида перемещения рабочего органа и способа их расположения. Преобразователи движения оказывают существенное влияние на качество работы мехатронного модуля в целом.

При проектировании мехатронных модулей тип преобразователя движения выбирают исходя из сложности его конструкции, к.п.д., люфта в передаче, габаритных размеров, массы, свойств самоторможения, жесткости, удобства компоновки, технологичности, стоимости и др.

 

Назначение и классификация преобразователей движения

Преобразователи движения предназначены для преобразования одного вида движения в другое, согласования скоростей и вращающих моментов двигателя и рабочего органа. Для преобразования движения используют зубчатые, червячные, цепные, ременные и фрикционные передачи, а также передачи винт-гайка (рис. 3.1). В связи с тем, что угловая скорость вращения электродвигателей, как правило, на много выше скоростей рабочих органов мехатронных модулей, то в преобразователях движения применяются понижающие передачи.

 

Рис. 3.1. Классификация механических передач

преобразователей движения

Зубчатые передачи

Наиболее распространенными преобразователями движения являются зубчатые передачи – механизмы, передающие или преобразующие движение с помощью зацепления с изменением угловых скоростей и моментов. Такие передачи применяют для преобразования вращательного движения между валами с параллельными (рис. 3.2, а-г), пересекающимися (рис. 3.2, е-з) осями, а также для преобразования вращательного движения в поступательное, и наоборот (рис. 3.2, д).

 

Рис. 3.2. Основные виды зубчатых передач:

а – цилиндрическая с прямыми зубьями; б – цилиндрическая с косыми зубьями; в – цилиндрическая с шевронными зубьями; г – цилиндрическая внутреннего зацепления с прямыми зубьями; д - реечная передача; е – коническая с прямыми зубьями; ж – коническая с тангенциальными зубьями; з – коническая с круговыми зубьями;

 

Кинематическая схема цилиндрической и конической передач приведены на рис. 3.3. Передаточное соотношение может быть найдено из соотношения числа зубьев входной z₁ и выходной z₂ шестерен

. (3.1)

Основными характеристиками механических передач являются мощности на валах и в Вт, угловые скорости и в с^-1, (или частота вращения и в мин^-1), моменты сил и в , передаточное соотношение и к.п.д. . Выражения, описывающие взаимосвязи основных характеристик зубчатых передач имеют вид

или и , (3.2)

, (3.3)

или , (3.4)

и , (3.5)

или при выделении момента потерь в передаче в виде

. (3.6)

Также следует отметить, что приведение моментов инерции элемента мехатронного модуля, вращающегося со скоростью или поступательно движущегося со скоростью , к скорости может быть выполнено на основании закона сохранения кинетической энергии

или (3.7)

в соответствии с выражением

или , (3.8)

где – масса поступательно движущегося тела; – радиус приведения к валу со скоростью

. (3.9)

Для реечной передачи, при преобразовании вращательного движения в поступательное, линейная скорость рейки определится как

, , (3.10)

передаточное соотношение

, , (3.11)

где – диаметр шестерни в мм.

Передаточное соотношение реечной передачи может находиться в диапазоне 10…200 м^-1. К.п.д. цилиндрических передач составляет 0,95…0,99.

На рис. 3.4 приведена схема планетарной передачи. Планетарными называют зубчатые передачи, в которых геометрическая ось хотя бы одной шестерни подвижна. Основными элементами планетарной передачи являются:

- солнечная шестерня 1 (находится в центре);

- водило 2, жёстко фиксирующее друг относительно друга оси нескольких планетарных шестерён одинакового размера 3 (сателлитов), находящихся в зацеплении с солнечной шестерней;

- кольцевая шестерня 4 (эпицикл), имеющая внутреннее зацепление с планетарными шестернями.

При использовании планетарной передачи в качестве редуктора один из трёх её основных элементов фиксируется неподвижно, другой элемент используется как ведущий, а третий – в качестве ведомого.

В случае, когда водило 2 зафиксировано (), а мощность подводится через солнечную шестерню 1, планетарные шестерни 3 будут вращаться на месте со скоростью, определяемой отношением числа их зубьев относительно солнечной шестерни

.

Вращение планетарных шестерён 3 передается кольцевой шестерне 4. Если кольцевая шестерня имеет зубьев, то она будет вращаться со скоростью

.

В итоге, если водило заблокировано, то общее передаточное отношение системы будет равно

. (3.12)

В случае, если закреплена кольцевая шестерня (), а мощность подводится к водилу, то передаточное отношение на солнечную шестерню будет больше единицы и составит

. (3.13)

Наиболее широкое применение планетарные передачи нашли в автомобильных дифференциалах и в суммирующих звеньях кинематических схем металлорежущих станков. В современных устройствах могут использоваться каскады из нескольких планетарных передач для получения большого диапазона передаточных чисел. На этом принципе работают многие автоматические коробки передач автомобилей.

Достоинствами планетарных передач по сравнению с обычными цилиндрическими или коническими передачами являются меньшие габариты и масса. Недостатками – повышенная точность изготовления, большее число подшипников качения.

Для получения больших передаточных чисел (до 90000) применяют волновые передачи (см. рис. 3.5). Волновая передача состоит из жесткого неподвижного элемента – зубчатого колеса 1 с внутренними зубьями, неподвижного относительно корпуса передачи; гибкого элемента – тонкостенного упругого зубчатого колеса с наружными зубьями 2, соединенного с выходным валом; генератора волн – кулачка 3, эксцентрика или другого механизма, растягивающего гибкий элемент до образования в двух (или более) точках пар зацепления с неподвижным элементом. Число зубьев гибкого колеса несколько меньше числа зубьев неподвижного элемента.

Принцип работы волновой зубчатой передачи проиллюстрирован на рис. 3.6. Например, при числе зубьев гибкого колеса 200, а неподвижного элемента – 202 и двухволновой передаче (два выступа на генераторе волн) при вращении генератора по часовой стрелке первый зуб гибкого колеса будет входить в первую впадину жёсткого, второй во вторую и т.д. до двухсотого зуба и двухсотой впадины. На следующем обороте первый зуб гибкого колеса войдёт в двести первую впадину, второй – в двести вторую, а третий – в первую впадину жёсткого колеса. Таким образом, за один полный оборот генератора волн гибкое колесо сместится относительно жёсткого всего на 2 зуба.

Передаточное соотношение волновой передачи от вала генератора волн к валу гибкого колеса равно

, (3.14)

где , – соответственно число зубьев жесткого и гибкого зубчатых колес.

Основной недостаток таких редукторов – низкий к.п.д. (не более 70…80%), а также высокие требования к точности изготовления и свойствам применяемых материалов.

 

Червячная передача

Червячная передача – это механизм для передачи вращения между перекрещивающимися (как правило, взаимно перпендикулярными) валами. При вращении червяка 1 (рис. 3.7) его витки плавно входят в зацепление с зубьями колеса 2 и приводят последнее во вращение.

Ведущее звено червячной передачи – червяк, а ведомое – червячное колесо. Отличительной особенностью червячной передачи является наличие эффекта самостопорения, т.е. невозможности обратной передачи мощности от колеса к червяку.

Передаточное число червячной передачи зависит от числа заходов червяка :

			свыше

и числа зубьев колеса

. (3.15)

Основным недостатком червячных передач является низкий к.п.д. – 70…80%. По этой причине их применяют для передачи небольших и средних мощностей, как правило, до 50 кВт, реже – до 200 кВт.

 

Передачи с гибкой связью

Передачи с гибкой связью предназначены для передачи вращательного движения и преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот. К передачам с гибкой связью относят ременную, цепную и тросовую.

 

Ременные передачи

Механизм для передачи вращения при помощи гибкого элемента (ремня) за счёт сил трения (для зубчатых ремней – сил зацепления) называется ременной передачей. Ременная передача (см. рис. 3.8) состоит из ведущего 1 и ведомого 2 шкивов и надетого на них ремня 3. В состав механизма могут также входить натяжное устройство 4 и ограждение (на рис. 3.8 не показано).

Передаточное отношение определяется отношением диаметров ведомого и ведущего шкивов и, как правило, с учетом упругого скольжения ремня по шкивам

, (3.16)

которое обычно принимают на уровне .

К.п.д. ременной передачи составляет 90…95%

Основными достоинствами являются: возможность работы с высокими скоростями, плавность и малошумность работы, простота конструкции и низкая стоимость. Недостатками ременной передачи являются: значительные силы, действующие на валы и опоры, непостоянство передаточного отношения, малый срок службы ремней.

 

Цепная передача

Цепная передача (рис. 3.9) – это механизм для передачи вращения между параллельными валами при помощи жестко закрепленных на валах зубчатых колес-звездочек, через которые перекинута замкнутая приводная цепь.

Передаточное отношение цепной передачи определяется отношением числа зубъев ведомой и ведущей звездочек

. (3.17)

Средняя скорость цепи определяется по зависимости

, , (3.18)

где р – шаг цепи, мм.

Цепные передачи универсальны, просты и экономичны. По сравнению с зубчатыми передачами они менее чувствительны к неточностям расположения валов, ударным нагрузкам, допускают практически неограниченные межцентровые расстояния, обеспечивают более простую компоновку. В сравнении с ремёнными передачами они характеризуются следующими достоинствами: отсутствие предварительного натяжения и связанных с ним дополнительных нагрузок на валы и подшипники; передача большой мощности, как при высоких, так и при низких скоростях; сохранение удовлетворительной работоспособности при высоких и низких температурах; приспособление к любым изменениям конструкции удалением или добавлением звеньев.

К недостаткам цепных передач следует отнести: неравномерность хода, возрастающая по мере уменьшения числа зубьев звёздочек и увеличения шага звеньев; повышенный шум и износ цепи при неправильном выборе конструкции, небрежном монтаже и плохом уходе; необходимость в смазке и устранении провисания холостой ветви по мере износа цепи.

Тросовая передача

В тросовой передаче преобразование вращательного движения в поступательное и наоборот между звеньями (ведущим 1 и ведомым 2) осуществляют при помощи троса 3 (рис. 3.10). Тросы изготавливают из стальной проволоки (обычно оцинкованной).

При работе тросовой передачи отдельные проволоки троса подвергаются растяжению, изгибу, кручению и смятию. Из условия ограничения напряжения изгиба в тросе минимальный диаметр шкивов находят по условию

, (3.19)

где – диаметр троса, мм; – коэффициент, зависящий от режима работы передачи (при спокойной нагрузке , при умеренной динамической нагрузке , при резко динамической нагрузке ).

Передаточное соотношение тросовой передачи составляет

, , (3.20)

где – угловая скорость вращения ведущего шкива, с^-1; – линейная скорость поступательно перемещающегося звена, м/с.

 

Передача винт-гайка

Передачи винт-гайка предназначены для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот. В таких передачах используются пары винт-гайка скольжения (рис. 3.11, а) и винт-гайка качения (рис. 3.11, б). Основными элементами передачи являются: винт 1 и гайка 2.

В паре скольжения для повышения к.п.д. уменьшением потерь на трение между этими элементами помещаются стальные шарики 3. При вращении винта (гайки) шарики благодаря трению перекатываются по винтовым поверхностям винта и гайки и передают вращение от винта к гайке, или от гайки к винту. Скорость перемещения шариков отличается от скорости винта и гайки, поэтому с целью обеспечения непрерывной циркуляции шариков концы рабочей части резьбы соединяют возвратным каналом.

Передаточное соотношение передачи винт-гайка определится как, м^-1:

, , (3.21)

откуда линейную скорость винта (гайки) можно рассчитать по зависимости

, (3.22)

где р – шаг резьбы, мм; к – число заходов резьбы.

В промышленно изготавливаемых передачах винт-гайка передаточное число составляет 300…2000.

К.п.д. передачи винт-гайка качения составляет 0,85…0,95, а винт-гайка скольжения – 0,25…0,6.

Достоинством передачи является высокая точность перемещений, малая металлоемкость. Недостатком – низкий к.п.д. в передачах скольжения и сложность изготовления передач качения.

 

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте определение для преобразователей движения. Какие механические передачи преобразователей движения Вы знаете? Назовите основные характеристики механических передач.

2. Вспомните основные достоинства и недостатки всех известных Вам механических передач.

3. Перечислите основные виды зубчатых передач. Поясните принцип действия планетарной передачи.

4. В чем заключается эффект самостопорения червячной передачи?