Механические вариаторы скоростей

 

Непрерывное и плавное изменение в определённом диапазоне скоростей движения рабочих органов обеспечивается приводами с бесступенчатым регулированием. При бесступенчатом регулировании возможно обеспечение экономических режимов резания и сокращение машинного времени на обработку, сокращение времени на холостые ходы. Регулирование скорости приводов производится на ходу станка. Различают механические, гидравлические и электрические приводы бесступенчатого регулирования. В механических бесступенчатых приводах станков находят применение механические фрикционные передачи (механические фрикционные вариаторы скоростей).

Некоторые из фрикционных вариаторов показаны на рис. 2.5:

 

- во фрикционно-лобовом вариаторе или лобовой передаче (см. рис. 2.5,а) ведущим элементом может являться ролик 1, имеющий возможность осевого перемещения по валу I, вращающемуся с постоянной скоростью, ведомым – диск 2, закреплённый на валу II, скорость вращения которого должна варьироваться. Передаточное отношение механизма:

где r₁ и r₂ – радиусы средней точки линии контакта ролика и диска, при этом r₁ – постоянный (r₁ = const), а r₂ – изменяемый (r₂ = var);

h_р » 0,98 – коэффициент, учитывающий проскальзывание в передаче.

При переходе ролика через ось диска направление вращения последнего меняется.

Детали передачи изготавливаются: ролик – из чугуна или стали с обкладкой из кожи, из пластмассы, текстолита; диск – из чугуна или стали.

Достоинства вариатора: простота конструкции и низкая стоимость.

Недостатки: увеличенное проскальзывание из-за различных скоростей точек по линии контакта, принадлежащих ролику и диску, в связи с чем – сильное срабатывание роликов при большой их ширине и неспособность механизма передавать большие моменты при малой ширине роликов; малый КПД;

- в вариаторе с коническим диском или сфероконическом (см. рис. 2.5,б) движение коническому диску 2 передаётся установленным на валу электродвигателя диском 1, имеющим форму сферического сегмента.

Передаточное отношение механизма (r₁ = var, r₂ = var) изменяется при повороте корпуса двигателя и соответствующем изменении положения оси вала I.

Диски механизма изготавливаются: ведущий – из стали или чугуна; ведомый – из текстолита.

Вариатор является маломощным поскольку площадь контакта фрикционных тел мала (теоретически – точка);

- в вариаторе с раздвижными конусами (см. рис. 2.5,в) имеются две пары раздвижных конических дисков (конусов), образующих попарно ведущий и ведомый шкивы. Движение с одной пары конусов на другую может передаваться стандартным или специальным клиновым ремнем, специальной цепью или стальным кольцом. Изменение скорости достигается путём одновременного раздвигания одной и сближения другой пары конусов. При этом изменяются радиусы средней точки линий контакта ведущей и ведомой пар конусов с ремнём (цепью, кольцом), а, следовательно, и передаточное отношение. Оно равно:

, r₁ = var, r₂ = var.

Примечание. Пары конусов передают движение с одной на другую не непосредственно, а через промежуточное звено (например, ремень). Поэтому передаточное отношение есть произведение двух дробей, в которых знаменатель первой и числитель второй – один и тот же параметр, относящийся к промежуточному звену. Приведённое выражение для i – результат сокращения изначального выражения.

 

Материал конусов: сталь, чугун, текстолит.

Максимальная окружная скорость, допускаемая передачей – до 15-18 м/с; КПД – в пределах 0,8-0,9. Наибольшая передаваемая мощность – от 2,5 квт (для вариаторов со стандартными клиновыми ремнями) до 25 квт (для цепных вариаторов). Вариаторы со стальным закалённым кольцом могут передавать мощность до 7 квт. Вариаторы со специальным клиновым ремнем имеют достаточно большой диапазон регулирования.

Вариаторы нетребовательны к уходу; их недостатки – значительные габариты и падение мощности с уменьшением скорости;

- в вариаторе Светозарова или торовом (см. рис. 2.5,г) имеются ведущая и ведомая чашки 1 и 2 и три промежуточных ролика 3. Контактные поверхности этих тел в сечениях по оси представляют собой дуги окружности. При изменении положения роликов изменяются рабочие диаметры ведущей и ведомой чашек (или: радиусы средней точки линий контакта чашек с промежуточными роликами) и передаточное отношение, которое определяется также, как для предыдущего механизма.

Чашки вариатора изготавливаются из закалённой стали ШХ15, промежуточные ролики – из такой же стали или из текстолита.

Передаваемая мощность 1,7-20 квт и более; КПД – в пределах 0,92-0,98.

Достоинства: надёжность в работе; износостойкость (т.к. мало относительное скольжение на контактных поверхностях роликов и чашек); простота управления; высокий КПД; бесшумность; автоматическое прижатие рабочих элементов; технологичность фрикционных поверхностей;

- в шариковом вариаторе (см. рис. 2.5,д) имеются ведущая 1 и ведомая 2 чашки с внутренними коническими контактными поверхностями и четыре промежуточных шарика 3, прижимаемых к контактным поверхностям направляющими роликами 4. Оси вращения шарика и направляющего ролика всегда параллельны. Для изменения радиусов окружностей контакта шариков с ведущей и ведомой чашками, а значит и передаточного отношения, необходим поворот осей вращения шариков. Он осуществляется при повороте осей направляющих роликов. Для этого ролики устанавливаются внутри кольцевых червячных колёс, сопрягаемых с червяком, приводной вал которого расположен по оси чашек.

Поскольку передаточное отношение этого механизма определяется радиусами окружностей контакта не ведущего и ведомого элементов (см. примечание выше), а шариков, являющихся промежуточными звеньями, с ведущей и ведомой чашками, то оно будет равно:

, r₁ = var, r₂ = var.

Шариковые вариаторы допускают изменение передаточного отношения в большом диапазоне, обеспечивая одинаково значительные ускорение (r₁>r₂) и замедление (r₁<r₂) скоростей, их равенство (r₁ ≈ r₂).

вращение валов I и II может происходить как в одном направлении (при расположении оси вращения шариков под углом к оси вращения чашек от 0^о примерно до ±40^о), так и в разных (когда этот угол от примерно 50^о до 90^о).

Материал чашек, шариков и роликов – закалённая сталь ШХ15.

Вариаторы работают в масле и потому весьма долговечны. Их КПД находится в пределах 0,8-0,85.

 

Реверсивные механизмы

 

Реверсивные механизмы применяются для изменения направления движения рабочих органов станков. Для этой цели используются цилиндрические и конические трензели, а также могут применяться некоторые другие механизмы (шариковые вариаторы, планетарные механизмы и др.), основным назначением которых является что-либо иное.

Некоторые конструкции трензелей показаны на рис. 2.6:

 

- в цилиндрическом трензеле с двумя паразитными колёсами (см. рис. 2.6,а) колесо Z₁ установлено на ведущем валу I, вращающемся в одном направлении, Z₄ – на ведомом валу II, направление вращения которого должно меняться. паразитные колёса Z₂ и Z₃ находятся на осях поворотной (относительно вала II) косынки, при установке которой в одно или другое крайнее положение обеспечивается переключение механизма и реверс движения вала II. Так, при установе косынки в левое положение оказываются последовательно сцепленными колёса Z₁, Z₂, Z₃, Z₄, и будет обеспечиваться передаточное отношение . Валы I и II будут вращаться в разных направлениях.

При установе косынки в правое положение оказываются сцепленными колёса Z₁, Z₃, Z₄, и обеспечивается передаточное отношение . Вал II будет вращаться в том же направлении, что и вал I.

Примечание. Передаточные отношения отрицательными не бывают. знак "–" в выражениях (здесь и далее в параграфе) поставлен условно с целью показать, что валы зубчатой передачи наружного зацепления вращаются в разные стороны.

 

Конструкция трензеля такова, что абсолютная величина передаточного отношения при реверсе не меняется, а значит скорости прямого и обратного ходов узла, в приводе которого установлен такой трензель, будут одинаковыми. Механизмы имеют малую длину вдоль осей; встречаются в приводах подач настольных токарных станков.

В современных станках такие механизмы не находят применения вследствие ряда недостатков (консольное крепление колёс, трудность осуществления смазки, тенденция паразитных колес либо расклинить ведущее и ведомое колёса, либо выйти из зацепления и т.д.).

 

Примечание. механизм весьма ценен в познавательном плане. Так, анализ конструкции трензеля позволяет сделать заключение: при нечётном числе валов в кинематической цепи и передающих движение цилиндрических колёс наружного зацепления валы I и II будут вращаться в одном направлении, при чётном – в противоположных. Этим правилом можно воспользоваться и в других случаях. Но всегда надо быть внимательным: правило по части числа колёс справедливо для цепей, где промежуточные колёса – паразитные. Если же на одном промежуточном валу или на каждом имеется по два колеса – на одно передаётся движение с предшествующего вала, а с другого передаётся движение на следующий вал, то эти два колеса при подсчёте следует принимать за одно, что неудобно, лучше считать число валов.

 

- в цилиндрическом трензеле с муфтой (см. рис. 2.6,б) движение с вала I на вал II передаётся либо двумя колёсами (1-м и 2-м, если муфта включена вправо), либо тремя (3, 4 и 5, муфта влево). При этом обеспечиваются передаточные отношения или .

В первом случае валы имеют разные направления вращения, во втором – одинаковые. Передаточные отношения в общем случае по абсолютной величине не совпадают. Поскольку соответствующие колёса постоянно сцеплены, колесо вала I, соединённое с ним муфтой, передаёт крутящий момент, а колесо, не соединённое с валом, вращается вхолостую.

Механизмы с кулачковыми (см. рис. 2.6,б) и зубчатыми муфтами часто применяются в приводах подач станков. В быстроходных механизмах холостые колеса и сцепные муфты следует располагать на реверсируемом валу, поскольку моменты инерции муфт меньше, чем зубчатых колес, с которыми они сцепляются.

В шпиндельных бабках станков, где требуется частое реверсирование, применяют механизмы с фрикционными муфтами. Т.к. моменты инерции фрикционных муфт много больше моментов инерции зубчатых колёс, то муфты следует располагать на ведущем валу;

- цилиндрический трензель с передвижным блоком шестерён (см. рис. 2.6,в) аналогичен по составу передач предыдущему реверсивному механизму, а по принципу действия – группе передач на две скорости (см. рис. 2.2,а);

- цилиндрический трензель с передвижным колесом (см. рис. 2.6,г) имеет не пять колёс, как два предыдущих механизма, а четыре. Передвижное колесо Z₁ может быть сцеплено либо с колесом Z₂, либо Z₃. Это возможно, если Z₂=Z₄, а ось шестерни Z₃ лежит, естественно, не в плоскости валов I и II. Паразитная шестерня Z₃ выполнена широкой с тем, чтобы колёса Z₁ и Z₄ при одновременном сцеплении с ней не оказались в одной плоскости и не сцепились друг с другом. Трензель обеспечивает равные по величине передаточные отношения:

;

- конические трензели могут быть выполнены с муфтой (см. рис. 2.6,д) либо с передвижным блоком шестерён (см. рис. 2.6,е). Два зубчатых колеса Z₁и Z₂, находясь в зацеплении с колесом Z₃, вращаются в противоположных направлениях. Реверсирование производят переключением муфты М (д) или перемещением блока колес Z₁-Z₂ (е).

Передаточные отношения в любом варианте конструкции будут:

Первый вариант трензеля конструктивно сложнее, второй вариант требует более сложного и мощного механизма переключения, поскольку необходимо обеспечивать точность и неизменность положения передвижного блока. В нём усилие, действующее вдоль оси включенной подвижной шестерни, воспринимается фиксатором механизма переключения, что снижает жёсткость передачи, поэтому данная схема используется сравнительно редко. Механизм с кулачковой муфтой обладает большей жёсткостью и применяется более широко;

- на рис. 2.6,ж показан реверсивный зубчатый механизм для преобразования вращательного движения в возвратно-вращательное. Ведущим звеном является колесо Z₁, ведомым – диск с составным колесом, имеющим два концентричных зубчатых сектора Z₂ и Z₄ (один – внутреннего, другой – наружного зацепления), соединенных по концам зубчатыми секторами Z₃. Ось колеса Z₁ при зацеплении с различными секторами меняет свое расположение, что производится при помощи копировального механизма. Во время работы направление (и частота) вращения ведомого колеса меняются в зависимости от того, с каким сектором сцеплено ведущее колесо.