Раздел 2. Проектирование механических передач

Раздел 2. Проектирование механических передач

Механические передачи, их классификация и особенности применения

Механические передачи весьма разнообразны и имеют развернутую классификацию по различным признакам. С целью организации интерактивного диалога при выборе той или иной разновидности обсуждаемых передач можно предложить трехуровневую видовую иерархию (рис. 2.2). В основании видовой иерархии положено разделение на передачи зацеплением и трением, которые обладают весьма специфическими принципами работы и особенностями применения.

В передачах зацеплением передача движения осуществляется за счет давления зацепляющихся элементов (зубьев, витков винта и гайки) ведущего звена на сопрягаемые элементы звена ведомого; в передачах трением зацепляющиеся элементы отсутствуют, а передача движения осуществляется за счет силы трения между ведущим и ведомым элементами. Передачи первого типа являются более распространенными в силу их большей нагрузочной способности, меньших размеров и материалоемкости, высокой надежности и долговечности, широкого диапазона применимости по мощности и скорости, большего кпд основных конструктивных типов по сравнению с передачами трением. Однако они уступают этим передачам по сложности изготовления и требованиям повышенной точности. Пересопряжение зацепляющихся элементов обычно сопровождается ударами, значительными динамическими нагрузками и шумом при работе. Передачи трением проще в изготовлении, плавно и бесшумно работают, позволяют плавно бесступенчато регулировать (варьировать) скорость достаточно простыми устройствами, но вследствие значительных требующихся сил сжатия с целью создания необходимой силы трения они существенно уступают передачам зацеплением в нагрузочной способности и размерах. В силу наличия проскальзывания в контакте они имеют большие потери энергии, менее надежны и долговечны, не имеют постоянства скорости ведомого элемента (не обеспечивают жесткой кинематической связи). Указанные недостатки ограничили границы применимости передач трением: они используются в передачах мощности до 50 …. 60 кВт и, главным образом, в виде ременных передач и передач бесступенчатого регулирования скорости (вариаторов).

 

Передачи зацеплением

В соответствии с рис. 5.2 в передачах зацеплением принято выделять: зубчатые, гиперболоидные цепные механизмы и передачи «винт гайка».

Зубчатые передачи обладают наилучшими показателями качества по нагрузочной способности и материалоемкости, кпд, надежности и долговечности. Они могут эксплуатироваться в передачах практически

 

С нерегулируемым передаточным отношением

Фрикци онные

Гипоидные

Вариаторы

З А Ц Е П Л Е Н И Е М

Т Р Е Н И Е М

Винтовые

Зубчатые

Гиперболо идные

Конические

Ремен- ные

Червячные

Передача винт-гайка

Цепные

С регулируемым передаточным отношением

 

Рис. 2.2 Классификация механических передач

 

неограниченной мощности (имеются примеры передач до 300 000 кВт) при окружной скорости в зацеплении до 200 м/с. данные механизмы могут передавать и трансформировать движение между параллельными и пересекающимися осями валов. К недостаткам зубчатых передач можно отнести повышенные требования к точности, значительные динамические нагрузки и шум при работе в скоростных механизмах. В связи с особой распространенностью передач этого типа их классификация рассмотрена отдельно.

Передачи гиперболоидные применяются при передаче движения между перекрещивающимися осями. К таким механизмам относят червячные, спироидные, гипоидные и винтовые передачи. Скрещивающиеся направления окружных скоростей обусловливают перпендикулярность векторов окружных скоростей, повышенное скольжение, износ и значительные потери энергии на преодоление силы трения. Низкий КПД передачи приводит к значительным тепловыделениям и необходимости часто применять специальные меры для отвода излишнего тепла. Важным достоинством передач гиперболоидного типа особенно червячных и спироидных является значительные передаточные отношения в одной ступени (до ), что снижает необходимость в многоступенчатых механизмах, и делает их достаточно компактными. В связи с повышенной энергоемкостью передач гиперболоидного типа их применение наиболее рационально в тех случаях, когда компоновка приводного механизма и машины в целом выигрывает от использования перекрещивающихся валов, а также при значительных требуемых передаточных отношениях. При этом, как правило, ограничивают диапазон применимости непрерывно работающих передач подобного типа мощностью до кВт; целесообразность их использования в механизмах большей мощности оправдана лишь в случаях кратковременной работы.

Передачи цепные занимают особое место среди передач зацеплением в силу использования между ведущим и ведомым элементами гибкого органа, длина которого может изменяться в широком диапазоне без нарушения работоспособности механизма. Это обстоятельство обеспечивает возможность соединения приводных валов на расстоянии удобном для общей компоновки всей машины в целом и отдельных ее механизмов. Важна также возможность привода от гибкого органа нескольких приводных валов. Именно эти достоинства цепных механизмов успешно реализуются в мобильных машинах с единой энергетической установкой в сельскохозяйственной, строительно-дорожной и иной технике. По сравнению с другой передачей гибкой связью – ременной, в которой также могут быть реализованы указанные положительные качества цепных механизмов, они имеют меньшие нагрузки на все элементы самой передачи, валы и опоры, а, следовательно, меньшие размеры и удельную массу. Вместе с тем при высоких скоростях движения цепные механизмы имеют повышенные динамические нагрузки, и их работа сопровождается повышенным шумом. По этим причинам их устанавливают на тихоходных ступенях приводов в диапазоне мощностей, не превышающих 120 кВт и окружных скоростях не более –15 м/сек.

Передачи «винт-гайка» применяют для преобразования вращательного движения в поступательное. Обратная операция возможна, но вследствие низкого кпд используется лишь в кинематических несиловых механизмах. При преобразовании вращательного движения в механизмах сравнительно небольших размеров можно получать значительные осевые силы, малые точные перемещения. Эти свойства передач широко используются в станочных приводах суппортов, в нажимных механизмах прокатных станов, в механизмах длительных устройств. По принципу передачи движения от ведущего элемента к ведомому обсуждаемые механизмы подразделяются на передачи скольжения и качения. В передачах качения существенно снижаются потери на трение, и повышается кпд.

 

Передачи трением

При выборе типа передач трением, как это следует из их видовой иерархии, прежде всего, целесообразно фиксировать потребность регулирования скорости проектируемого механизма. В дисциплинах ДМ и ОК и ОП по причине ограниченности учебного времени рассматриваются лишь механизмы с нерегулируемым передаточным отношением. Их подразделяют на фрикционные (с непосредственным контактом ведущего и ведомого элементов) и ременные – со связью ведущего и ведомого элементов посредством гибкого органа. Фрикционные механизмы применяют для передачи движения между параллельными и пересекающимися осями валов, а ременные, главным образом, между осями параллельными (рис.2.2). В современных приводах фрикционные передачи в качестве самостоятельных механизмов применяются крайне редко. Значительно шире используются передачи ременные, обеспечивающие снижение динамических нагрузок и демпфирование колебательных процессов. По частоте использования в приводах ременные передачи являются вторыми после зубчатых. В силу низкой нагрузочной способности ременные передачи применяют в механизмах с мощностью, не превышающей кВт, и окружных скоростях до 50 м/сек. В уникальных передачах передаваемая мощность достигает 200 кВт, а скорость – до 100 м/сек. Устанавливают ременные передачи на быстроходных ступенях приводов, имеющих минимальные нагрузки, и там, где максимально используются их позитивные свойства. В качестве гибкого элемента в передачах применяют плоские, клиновые и поликлиновые ремни (рис. 2.2). При выборе профиля ремня обычно учитывают большую нагрузочную способность ремней клинового и поликлинового профиля. Передачи с клиновыми ремнями применяют в случае необходимости получения минимальных размеров ременного приводного устройства. Передачи плоскоременные используются в быстроходных механизмах со значительными межосевыми расстояниями, в которых они лучше обеспечивают требуемую долговечность.

В заключении раздела заметим, что применение передач трением с плавно регулируемым передаточным отношением (вариаторов) в современных приводах постоянно расширяется, поскольку они обеспечивают возможность получения наиболее оптимальной скорости работы исполнительного механизма в каждой конкретной ситуации. Вариаторы имеют необычайно развернутую видовую классификацию как с использованием фрикционных, так и ременных передач. Ознакомиться с этой разновидностью передач трением можно в работе [Пронин].

 

Проверочный расчет

Напомним, что расчет в проверочной форме проводится для проверки возможности использования серийного или другого готового технического объекта с позиций реализации запланированных целей, а также как уточненный после проектной ориентировочной оценки его геометрических параметров. В том и другом случаях известны как геометрия изделия, так и материалы, из которых изготовлены зубчатые колеса с их параметрами физико-механических свойств (ФМС).

1.1.1. Исходные данные

1. Нагрузка (крутящие моменты на шестерне Т₁ и колесе Т₂, циклограмма нагружения, полностью учитывающая внешнюю динамическую нагрузку);

2. Кинематические параметры (частоты вращения шестерни n₁ и колеса n₂, передаточное отношение i);

3. Требуемый ресурс L_h (продолжительность эксплуатации в часах);

4. Условия эксплуатации (температура, запыленность, агрессивность среды и т.д.);

5. Геометрические параметры передачи (диаметры делительных окружностей шестерни d₁ и колеса d₂, угол зацепления α_w, угол наклона зубьев β, модуль m, числа зубьев z₁; z₂ и т.п.);

6. Материалы зубчатых колес, их термическая, химико-термическая, другие обработки и соответствующие им ФМС (твердости рабочих поверхностей, пределы статической и усталостной прочности (σ_т, σ_в, σ₀,

σ_-1, модули упругости Е_1,2 и т. д.).

Исходные данные по нагрузке и кинематике получают на этапе синтеза и анализа приводного устройства в целом (см. лаб. занятие №2). Циклограмму нагружения или нагрузочный график, ресурс, условия эксплуатации предоставляет расчет технологического процесса, для реализации которого создается технический объект или маркетинговые исследования (см. лаб. занятие №1).

Задача расчета – проверка соблюдения условия контактной выносливости активных поверхностей зубьев в течение требуемого ресурса.

 

Лекция №10.

Раздел 2. Проектирование механических передач