Устройство для передачи и преобразования движения

К основным понятиям данной темы курса относятся: машина, механизм, звено, кинематическая пара, кинематическая цепь.

Машина — это устройство, выполняющее механические движения для преобразования энергии, материалов и информации с целью замены или облегчения физического и умственного труда человека. В зависимости от основного функционального назначения различают: энергетические, технологические, транспортные и информационные машины. В энергетических машинах происходит преобразование энергии; в технологических — изменяются формы, размеры и состояние исходных материалов; с помощью транспортных машин происходит перемещение грузов, материалов, инструментов, людей и других объектов в пространстве с требуемой скоростью; в информационных машинах происходит преобразование вводимой информации для контроля, регулирования и управления технологическим процессом.

Механизмом называется устройство, предназначенное для преобразования движения одного или нескольких твердых тел в требуемые движения других твердых тел.

Твердое тело, входящее в состав механизма, называется звеном. Звено может состоять из одной или нескольких неподвижно соединенных деталей, движущихся как одно целое.

Подвижное соединение двух соприкасающихся звеньев называется кинематической парой. Кинематические пары различают по характеру соприкосновения звеньев: пару называют низшей, если элементы звеньев соприкасаются по поверхности, и высшей, если только по линиям или в точках. Одно из преимуществ низших пар по сравнению с высшими – возможность передачи больших сил, поскольку контактная поверхность соприкасающихся звеньев низшей пары может быть весьма значительна. Применение высших пар позволяет уменьшить трение в машинах и получать нужные, самые разнообразные законы движения выходного звена механизма путем придания определенной формы звеньям, образующих высшую пару.

Кинематические пары классифицируют по числу условий связи S (по числу ограничений, накладываемых кинематической парой на относительные движения звеньев, образующих данную кинематическую пару). По значению S определяют класс кинематической пары. При S=0 пары не существует, а имеются два тела, движущихся независимо друг от друга; при S=6 кинематическая пара превращается в жесткое соединение двух деталей. Чаще всего в механизмах встречаются вращательные и поступательные кинематические пары 5-го класса

Совокупность звеньев, образующих между собой кинематические пары, называется кинематической цепью. Различают замкнутые и незамкнутые, плоские и пространственные кинематические цепи. В каждом механизме есть одно неподвижное (или принимаемое за неподвижное) звено, называемое стойкой. Различают входные и выходные звенья механизма. Входным называют звено, которому сообщается движение, преобразуемое механизмом в требуемые движения других звеньев. Выходным называют звено, совершающее движение, для выполнения которого предназначен механизм. По характеру движения звенья называют: кривошип – вращающееся звено рычажного механизма, которое может совершать полный оборот вокруг неподвижной оси; коромысло – вращающееся звено рычажного механизма, которое может совершать только неполный оборот вокруг неподвижной оси; шатун – звено рычажного механизма, образующего кинематические пары только с подвижными звеньями; ползун – звено рычажного механизма, образующего поступательную пару со стойкой; кулиса – звено рычажного механизма, вращающееся вокруг неподвижной оси и образующее с другим подвижным звеном поступательную пару.

Механизмы делятся на плоские и пространственные. Плоским называется механизм, точки звеньев которого движутся в одной или параллельных плоскостях.

К основным видам механизмов относятся: рычажные, кулачковые, зубчатые, фрикционные, цепные, ременные, гидравлические, пневматические и волновые.

Рычажными называют механизмы, в состав которых входят только низшие кинематические пары. Эти механизмы могут обеспечивать передачу значительных сил, т.к. в этих кинематических парах звенья соприкасаются по поверхностям. В виду ограниченного числа видов низших кинематических пар многие важные законы преобразования движения звеньев не могут быть получены с помощью рычажных механизмов. В этом плане большими возможностями обладают механизмы с высшими парами, которые, однако, менее износостойкие, чем низшие.

В системах управления широко применяются кулачковые механизмы. Кулачок – это звено, которому принадлежит элемент высшей пары. Разнообразие форм, которые можно придать кулачку, определяют большое разнообразие возможных преобразований движения. Одна из особенностей кулачковых механизмов состоит в том, что может быть обеспечено движение выходного звена с остановками за конечный промежуток времени при непрерывном движении входного.

Для передачи вращательного движения с изменением угловой скорости используются зубчатые, червячные, фрикционные, ременные и цепные передачи. В зубчатых механизмах передача вращательного движения происходит за счет взаимодействия зубьев (выступов) зацепляющихся колес. Во фрикционных механизмах передача вращательного движения происходит за счет сил трения, возникающих между соприкасающихся звеньев. В цепных и ременных передачах вращающиеся звенья соединяются соответственно с помощью цепей или ремней. Эти передачи используются при значительных расстояниях между осями вращающихся звеньев. В гидравлических механизмах преобразование движения происходит посредством твердых и жидких тел, а в пневматических — с помощью твердых и газообразных. Действие волновых передач основано на деформации отдельных звеньев. С помощью этих передач вращательное движение может быть передано через герметичную стенку.

При изображении механизма на чертеже различают его структурную (принципиальную) схему с применением условных обозначений звеньев и пар (без указания размеров звеньев) и кинематическую схему с размерами, необходимыми для кинематического расчета. На схемах звенья обозначают цифрами, а пары и различные точки звеньев – большими буквами латинского алфавита.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Изобретение относится к машиностроению и может использоваться в составе приводов общего назначения. Целью изобретения является повышение точности, жесткости и нагрузочной способности. Указанная цель достигается за счет того, что при вращении входного вала 2 нагрузка одновременно передается через волновую и кривошипно-планетарную передачу на выходной вал 9. При этом генератор 3 волн своей внутренней поверхностью деформирует гибкое колесо 6, а наружной поверхностью с зубчатым венцом 4 взаимодействует с центральным колесом 5, связанным совместно с жестким колесом 8 с выходным валом 9. 1 ил.

РЕСПУБЛИК (Я)5 F 16 Н 1/00

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ЕОЮЗЩ

Fvibi;g (21) 4392794/25-28 (22> 18,03,88 (46) 07.06.90. Бюл. М 21 (72) Ю, В. Костиков, С.А. Михайловский, И.В.Никитин, В.Б,Тарабарин и Ф.И.Фурсяк (53) 621.833.7 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 1089326, кл. F 16 Н 1/00, 1984. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к машиностроению и может использоваться в составе при. 5U 1569467 А1 водов общего назначения. Целью изобретения является повышение точности, жесткости и нагрузочкой способности, Указанная цель достигается за счет того, что при вращении входного вала 2 нагрузка одновременно передается через волновую и кривошипно-планетарную передачу нв выходной вал 9. При зтом генератор 3 волн своей внутренней поверхностью деформирует гибкое колесо 6, а наружной поверхностью с зубчатым венцом 4 взаимодействует с центральным колесом 5, связанным совместно с жестким колесом 8 с выходным валом 9. 1 ил, 1569467

Составитель С, Котельников

Редактор Н,Рогулич Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Н.Ревская

Заказ 1432 Тираж 495 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 г

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Изобретение относится к машиностроению и может использоваться в составе . приводов общего назначения, Целью-изобретения является повышение точности, жесткости и нагруэочной способности устройства для передачи и преобразования вращательного движения эа счет распределения нагрузки на несколько потоков с последующим их суммировани8м на выходном валу.

На чертеже изображено устройство,, продольный разрез.

Устройство для передачи и преобразования вращательного движения содержит корпус 1, внутри которого размещаются волновая и кривошипно-планетарная передачи, один или несколько кривошипных входных валов 2 с эксцентриковыми шейками для размещения на них генератора 3 волн наружного деформирования, выполненного в виде нескольких колец (в зависимости от числа волн деформации в волновой передаче) с зубчатым венцом 4 на наружной поверхности каждого кольца для взаимодействия с имеющим внутренние зубья центральным колесом 5 кривошипно-планетарной передачи, Т.е. генератор 3 волн является сателлитом"последней. Гибкое колесо 6 волновой передачи связано с корпусом 1 через муфту 7, а ее жесткое колесо

8 связано совместно с центральным колесом 5 кривошипно-планетарной передачи с выходным валом 9 устройства. При этом параметры волновой и кривошипно-планетарной передач выбираются из условия равенства их передаточных отношений и межцентровых расстоя ний.

Устройство работает следующим образом, Вращение одного (или нескольких) входных валов 2 приводит кольца генератора 3 волн в поступательное. движение по круговой траектории. При этом зубья генератора 3 волн перекатываются по зубчатому венцу центрального колеса 5 и приводят его

5 во вращение, Одновременно внутренними поверхностями кольца деформируют гибкое колесо 6, которое вращает жесткое колесо

8, а последнее совместно с центральным колесом 5 передает вращение на выходной

Одновременная передача движения через волновую и кривошипно-планетарную передачи за счет перераспределения нагрузок между зонами зацепления увеличивает

15 нагруэочную способность устройства, повышает его жесткость и точность.

Устройство для передачи и преобразования вращательного движения, содер>ка20 щее корпус, волновую передачу с генератором волн наружного деформирования, выполненного в виде колец, и входной и выходной валы, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, жестко25 сти и нагруэочной способности за счет распределения нагрузки на несколько потоков с последующим их суммированием на выходном валу, устройство снабжено кривошипно-планетарной передачей, входной вал

30 выполнен в виде кривошипа и связан с генератором волн, на наружной поверхности каждого кольца последнего выполнен зубчатый венец для взаимодействия с внутренним зубчатым венцом центрального колеса

35 кривошипно-планетарной передачи, гибкое колесо волновой передачи связано с корпусом, жесткое — с выходным валом и центральным колесом. кривошипно-планетарной передачи, а передаточные отношения и

40 межцентровые расстояния волновой и кривошипно-планетарной передач равны.

а) практически неограниченной передаваемой мощности,

б) малым габаритам и весу,

в) стабильному передаточному отношению,

г) высокому КПД, который составляет в среднем 0,97 — 0,98.

Недостатком зубчатых передач является шум в работе на высоких скоростях, который однако может быть снижен при применении зубьев соответствующей геометрической формы и улучшении качества обработки профилей зубьев.

При высоких угловых скоростях вращения рекомендуется применять косозубые шестерни, в которых зубья входят о зацепление плавно, что и обеспечивает относительно бесшумную ра­боту. Недостатком косозубых шестерен является наличие осевых усилий, которые дополнительно нагружают подшипники. Этот недостаток можно устранить, применив сдвоенные шестерни с равнонаправленными спиралями зубьев или шевронные шестерни. По­следние, ввиду высокой стоимости и трудности изготовления применяются сравнительно редко — обычно лишь для уникальных передач большой мощности. При малых угловых скоростях враще­ния применяются конические прямозубые шестерни, а при больших — шестерни с круговым зубом, которые в настоящее время заменили конические косозубые шестерни, применяемые ранее. Конические гипоидные шестерни тоже имеют круговой зуб, однако оси колес в них смещены, что создает особенно плавную и бес­шумную работу. Передаточное отнесение в зубчатых парах колеблется в широких пределах, однако обычно оно равно 3 — 5.

Червячные передачи

Это передачи со скрещивающимися осями. Отличаются полно­стью бесшумной работой и большим передаточным отношением в одной паре, которое в среднем составляет 16 — 25. Серьезным недостатком червячных передач, ограничивающим их приме­нение при значительных мощностях, является низкий КПД, обусловленный большими потерями на трение в зацеплении. Как следствие низкого КПД — при работе передачи под нагрузкой, выделяется большое количество тепла, которое надо отводить во избежание перегрева. Средние значения КПД первичной передачи составляют 0,7 -0,8.

Цепные передачи

Применяются при передаче вращения между, параллельными удаленными друг от друга валами. В настоящее время получили распространение два типа приводных цепей:

а) цепи втулочно-роликовые (типа Галя),

б) цепи зубчатые из штампованных звеньев (типа Рейнольдса ).

Зубчатые цепи, благодаря относительно меньшему шагу, работают более плавно и бесшумно.

Недостатком цепных передач является сравнительно быстрый износ шарниров, способствующий вытяжке цепи и нарушению ее зацепления со звездочкой, а также шумная работа на высо­ких скоростях вследствие особенностей кинематики цепной передачи.

Ременные передачи

Применяются также для передачи вращения между параллельными удаленными валами. Область распространения этих пе­редач в настоящее время значительно сократилась, однако они еще находят широкое применение в качестве первичного приво­да от двигателя, а также привода к механизмам, обладающим большим моментом вращающихся масс. При трогании с места и в случае внезапных перегрузок ремни пробуксовывают, спасая механизмы от поломок.

Преимущественное распространение перед плоскими получили плановые ремни, обладающие большей тяговой способностью.

Фрикционные передачи

Фрикционные передачи по форме фрикционных катков могут быть: цилиндрическими, коническими, лобовыми — с внешним и внутренним контактом. Главное достоинство фрикционных передач заключается в возможности создания на их базе фрикционных вариаторов (бесступенчатых коробок передач), а также в бесшумной их работе при высоких скоростях.

Основные кинематические и силовые отношения в передачах

При равномерном вращательном движении тела его любая точка имеет постоянную угловую скорость:

где φ – угол поворота; t – время поворота.

Скорость вращения характеризуется также частотой вращения « n » ( об /мин).

Линейная скорость ( V ) точки определяется зависимостью:

где D и R – диаметр и радиус точки, где определяют скорость.

Линейную скорость ( V ) называют окружной скоростью.

Сила ( P ), действующая на тело и вызывающая его вращение или сопро­тивление вращению, называется окружной силой.

Окружная сила направлена по касательной к траектории точки ее приложения. Связь между силой ( P ), окружной скоростью “ V ” и мощностью ( N ) выражается формулами:

здесь: P – окружная сила, Н

V – окружной скоростью, м/с.

Окружная сила ( P ) связана с передаваемым моментом ( T ) следующим образом:

Принято обозначать: для ведущего элемента использовать индекс – 1: ω ₁ , n ₁ , N ₁ , T _1, D ₁ ; для ведомого – индекс – 2: ω ₂ , n ₂ , N ₂ , T ₂ , D ₂ .

Передаваемый момент ( T ) связан с мощностью ( N ), угловой скоростью ω и частотой вращения n следующим зависимостями:

здесь: N – Вт; n ₁ – об/мин.

Основные характеристики передач

Во всех механических передачах различают два основных звена: входное (ведущее) и выходное (ведомое). Между этими звеньями в многоступенчатых передачах располагаются промежуточные звенья. Звенья, передающие вращающий момент, называют ведущими, а звенья, приводимые в движение от ведущих (катки, шкивы, зубчатые колеса и т.п.), – ведомыми.

Параметры передачи, относящиеся к ведущим звеньям, будем отмечать индексом 1, а к ведомым — индексом 2, т. е. d₁, v₁, ω ₁, P₁, T ₁ – соответственно диаметр, окружная скорость, угловая скорость, мощность, вращающий момент на ведущем валу; d₂, v₂, ω ₂, P₂, T ₂ – то же, на ведомом.

Любая механическая передача характеризуется следующими основными параметрами (рис. 3): мощностью Р ₂ – на выходе, кВт; быстроходностью, которая выражается угловой скоростью ведомого вала ω ₂, рад/с, или частотой вращения n , измеряемой в об/мин (мин -1 ), и передаточным отношением u .

Это три основные характеристики, необходимые для проектировочного расчета любой передачи.

Рис. 3. Основные параметры передач

Рис. 4. Трехступенчатая передача

Рис. 5. Кинематика ци­линдрической передачи

В машиностроении принято обозначать угловые и окружные скорости, частоту вращения, диаметры вращающихся деталей ведущих валов индексами нечетных цифр, ведомых — четными. Например, для колес трехступенчатой передачи (рис. 4) обо­значения частот вращения следующие: п ₁ — веду­щего вала I ; п₃ — ведущей шестерни вала II ; п₅ — ведущей шестерни вала III ; п₂ — промежуточного ведомого вала II ; п₄ — ведомого колеса вала III ; п₆ — ведомого колеса вала IV .

Все механические передачи характеризуются передаточным числом или отношением. Рассмотрим работу двух элементов передачи (рис.5), один из которых будет ведущим, а второй — ведомым.

Введем следующие обозначения: ω ₁ и п ₁ — угло­вая скорость и частота вращения ведущего вала, выраженные соответственно рад/с и об/мин; ω ₂ и п₂ — угловая скорость и частота вращения ведомого вала; D ₁ и D ₂ — диаметры вращающихся деталей (шкивов, катков и т. п.); ν ₁ и ν ₂ — окружные скоро­сти, м/с.

Передаточное число – отношение угловой скорости ве­дущего вала к угловой скорости ведомого вала конкретной передачи. Передаточное число не может быть меньше единицы . Оно представляет собой абсолютную величину передаточного отношения:

Принимая в точке контакта

Диаметр начальных окружностей зубчатых колес зубчатой передачи определяется по формулам:

Таким образом, для любой передачи:

Отношение угловых скоростей ведущего ω ₁ и ведомого ω ₂ звеньев называют также передаточным отношением и обозначают і .

Передаточное число в отличие от передаточного отношения всегда положительное и не может быть меньше единицы. Передаточное число характеризует передачу только количественно. Передаточное число и передаточное отношение могут совпадать только у передачи внутреннего зацепления. У передач внешнего зацепления они не совпадают, так как имеют разные знаки: передаточное отношение – отрицательное, а передаточное число – положительное. Если ведущее и ведомое колеса вращаются в одну сторону (например, у зубчатой передачи с внутренним зацеплением), то передаточное отношение считается положительным. Если ведомое и ведущее колеса вращаются в разные стороны (например, у зубчатой передачи внешнего зацепления), то передаточное отношение считается отрицательным.

В передаче, понижающей частоту вращения n (угловую скорость ω ), u >1; при и

Передаточное число привода реализуют применением в силовой цепи многоступенчатых однотипных передач, а также передач разных видов (рис.6). Нагруженность деталей зависит от места установки передачи в силовой цепи и распределения общего передаточного числа между отдельными передачами. По мере удаления по силовом потоку от двигателя в понижающих передачах нагруженность деталей растет. Следовательно, в области малых частот вращения n (и соответственно больших вращающих моментов Т) целесообразно применять передачи с высокой нагрузочной способностью (например, зубчатые, цепные).

Рис. 6. Схема привода ленточного конвейера: 1-электродвигатель; 2-ременная передача;

3-редуктор цилиндрический одноступенчатый; 4-цепная передача; 5-лента конвейера; 6- барабан конвейера

Так, в приводе на рис. 6, состоящем из ременной, зубчатой и цепной передач, вариант размещения «двигатель – ременная – зубчатая – цепная передача – исполнительный орган» предпочтительнее других вариантов.

Ок о нчательное решение вопроса о распределении общего передаточного числа и между передачами разных типов требует сопоставления результатов расчетов на основе технико – экономического анализа нескольких вариантов.

Передача мощности от ведущего вала к ведомому всегда сопровожда­ется потерей части передаваемой мощности вследствие наличия вредных со­противлений (трения в движущихся частях, сопротивления воздуха и др.).

Отношение значений мощности на ведомом валу P ₂ к мощности на веду­щем валу P ₁ называют механическим коэффициентом полезного действия (КПД) и обозначают буквой η :

Общий КПД многоступенчатой последовательно соединенной переда­чи определяют по формуле

где — КПД, учитывающие потери в отдельных кинематических парах передачи (подшипники, муфты).

Следовательно КПД машины, содержащей ряд последовательных передач, всегда будет меньше КПД любой из этих передач.

КПД характеризует качество передачи. Потеря мощности – показатель непроизводительных затрат энергии – косвенно характеризует износ деталей передачи, так как потерянная в передаче мощность превращается в теплоту и частично идет на разрушение рабочих поверхностей.

С уменьшением полезной нагрузки КПД значительно снижается, так как возрастает относительное влияние постоянных потерь (близких к потерям холостого хода), не зависящих от нагрузки.

Отношение потерянной в механизме (машине) мощности ( P ₁ — P ₂) к ее входной мощности называют коэффициентом потерь, который можно выразить следующим образом:

Следовательно сумма коэффициентов полезного действия и потерь всегда равна единице:

Окружная скорость ведущего или ведомого звена, м/ с ,

где ω – угловая скорость ,с -1 ; n – частота вращения, мин –1 ; d – диаметр, мм (колеса, шкива и др.)

Окружные скорости обоих звеньев передачи при отсутствии скольжения равны: ;

Окружная сила, Н,

где Р –м ощность, кВт; ν – м/с; Т– Нм ; d – мм;

Вращающий (крутящий) момент, Нм ,

Вращающий момент Т ₁ ведущего вала является моментом движущих сил, его направление совпадает с направлением вращения вала. Момент Т ₂ ведомого вала – момент сил сопротивления поэтому его направление противоположно направлению вращения вала;

Передачи с постоянным передаточным числом

В задании на проектирование с постоянным передаточным числом должны быть известны: передаваемая мощность N или крутящий момент T на ведомом валу, частота вращения ведущего n ₁ и ведомого n ₂ валов, схема передачи, габариты и режим работы передачи.

По этим данным можно спроектировать несколько передач различных типов. Возможные варианты передач нужно сравнить между собой по весу, КПД, габаритам и др. параметрам и выбрать из них наивыгоднейший . В таблице 2 приводятся некоторые параметры различных передач.

Таблица 2. Ориентировочные знания основных параметров одноступенчатых механических передач