Механические передачи в машинах

Широкое применение в машинах механических передач определяется необходимостью:

1. при оптимальной частоте вращения электродвигателя получить частоту вращения, требуемую для рабочего органа машины;
2. большинство технологических и транспортных машин требует регулирование частоты вращения; между тем регулирование частоты вращения электродвигателем оказывается не всегда возможным и экономичным;
3. электродвигатели выполняются для равномерного вращательного движения, а в машинах часто оказывается необходимым поступательное, винтовое и другие виды движения, движение с заданным законом изменения скоростей и т.д.;
4. электродвигатели из условия габаритов, техники безопасности и т. д. не всегда могут быть непосредственно соединены с рабочими органами машины.

Механические передачи в машинах применяются для передачи и преобразования вращательного движения, а также для преобразования вращательного движения в поступательное или наоборот.

Ременные передачи в машинах применяют в основном для изменения частоты вращения при передаче движения от электродвигателя к коробке скоростей.

Ременная передача состоит из ведущего А и ведомого В шкивов и соединяющего их бесконечного ремня (рис. 2, а), который может быть плоским (рис. 2, б), состоять из набора клиновых ремней (рис. 2, в), поликлиновым (2, г) и зубчатым (2, д).

Рис. 2. Ременные передачи (а-д)

Оба шкива ременной передачи вращаются в одну сторону. Частота вращения ведомого шкива может быть больше или меньше частоты вращения ведущего в зависимости от соотношения диаметров шкивов.

Отношение частоты nА, вращения ведущего шкива к частоте nВ, вращения ведомого шкива называют передаточным отношением u ременной передачи, которое обратно пропорционально отношению диаметров шкивов: u=nА/nВ=DB/DA.

Цепная передача служит для изменения частоты вращения при передаче вращения от ведущего вала к ведомому, расположенным на значительном расстоянии друг от друга.

В отличие от ременных цепные передачи работают при меньших окружных скоростях и передают значительные мощности без проскальзывания. Цепная передача (рис. 3, а) состоит из звездочек 1, насаженных на ведущий и ведомый валы и соединенных втулочно-роликовой цепью.

Рис. 3. Цепная передача с цепью: а — втулочно-роликовой; б — зубчатой

Цепь состоит из наружных 2 и внутренних 3 звеньев, соединенных втулкой 6 с роликом 4 на оси поворота 5. Звездочки могут быть соединены также зубчатой цепью (рис. 3 б), которая по своей работоспособности превосходит втулочно-роликовые и работает при больших окружных скоростях и при меньшем шуме.

Передаточное отношение цепной передачи определяют по формуле u = n1 /n2 = z2 /z1, где n1 и n2 , z1 и z2 – соответственно частота вращения и число зубьев ведущей и ведомой звездочек.

Зубчатые передачи (рис. 4) используют для изменения частоты и направления вращения при передаче движения от ведущего к ведомому валу, которые могут быть расположены параллельно друг к другу или под углом.

Передаточное отношение зубчатых колес, находящихся в зацеплении, определяют по формуле u = n2 / n1 = z2 / z1, где n2 и n1 – соответственно частота вращения ведомого и ведущего зубчатых колес, а z2 и z1 – соответственно число их зубьев.

Зубчатые колеса, зубья которых располагаются параллельно оси вращения, называются прямозубыми цилиндрическими и могут быть наружного (рис. 4, а) и внутреннего (рис. 4, б) зацепления. У косозубых зубчатых колес зубья (для увеличения длины контакта) располагают под углом к оси вращения (рис. 4, в). Для передачи вращения валом, расположенным под углом, служат конические передачи (рис. 4, г), которые могут быть выполнены с прямым и криволинейным зубом. Винтовые (рис. 4, д) и червячные (рис. 4, е) передачи соединяют валы с перекрещивающимися валами.

Рис. 4. Зубчатые передачи (а-е) для вращательных движений

Реечную передачу используют для преобразования вращательного движения в поступательное (рис. 5; а, в). Она может быть выполнена с прямозубым или косозубым зацеплением цилиндрического колеса с рейкой.

Перемещение рейки определяют по формуле S=2πmzn, где m — модуль, z — число зубьев колеса, n — частота вращения зубчатого колеса. Для реечной передачи с червяком (рис. 5, в) перемещение рейки определяют по формуле S=πmzn, где z — число заходов червяка.

Винтовую передачу используют также для преобразования вращательного движения в поступательное, она состоит из винта и гайки (рис. 5, б). При одном обороте винта или гайки сопрягаемый элемент перемещается на шаг резьбы.

Рис. 5. Зубчатые передачи для преобразования вращательного движения в поступательное: а — реечная с цилиндрическим зубчатым колесом; б — винтовая с гайкой скольжения; в — реечная с червяком: 1 — колесо; 2 — рейка; 3 — винт; 4 — гайка; 5 — червяк

В винтовой передаче ведущим звеном может служить как винт, так и гайка.

Наиболее распространенной является передача от винта к гайке.

В этом случае ведущим звеном является винт, который только вращается, преобразуя вращательное движение в поступательное движение гайки.

Гайки винтовой передачи в станках имеют две основные конструкции — неразъемные и разъемные.

Две половины разъемной гайки 1 помещены в прямолинейные направляющие 5, в которых они перемещаются. Размыкание гайки производится с помощью поворотного диска 5 со спиральными торцовыми канавками, в которые входят штифты 2 от половин гайки (рис. 6).

Рис. 6. Винтовая передача с разъемной гайкой

При повороте рукоятки 4 раздвижные половины гайки 1 расходятся или сходятся, охватывая ходовой винт.

В винтовой паре скольжения затрачиваются значительные усилия на преодоление сил трения, которые приводят к износу витков сопрягаемых элементов и увеличению зазоров.

Для обеспечения точности и стабильности поступательного перемещения рабочих органов применяют передачу винт — гайка качения, у которой винт и гайка сопрягаются посредством шариков и обеспечивают высокую осевую жесткость и равномерность движения.

В передаче винт — гайка качения (рис. 7), между рабочими винтовыми поверхностями винта 1, гайки 2 и гайки 5 помещены стальные шарики 3. При вращении винта шарики перекатываются по винтовой поверхности винта и гайки и передают поступательное перемещение закрепленным в корпусе гайкам 2 и 5.

Рис. 7. Передача винт-гайка качения

При движении скорость перемещения шариков отличается от скорости ведущего и ведомого звеньев, поэтому необходимо обеспечить постоянную циркуляцию шариков. Для этого концы рабочей части резьбы гайки соединены возвратным каналом, помещенным во вкладыше 4. При движении шарики перекатываются через выступ резьбы винта и снова входят в рабочую зону, циркулируя в пределах соединенных витков гайки. Выборку зазора в передаче осуществляют поворотом гайки 2 относительно гайки 5. Эти гайки создают натяг, обеспечивающий большую осевую жесткость.

Кривошипно-шатунный механизм (рис. 8) преобразует вращательное движение в возвратно-поступательное (поршневые насосы и компрессоры, кривошипные прессы, пневматические молоты, механизмы подач станков и др.) и наоборот (двигатели внутреннего сгорания, паровые машины и др.).

Рис. 8. Кривошипно-шатунный механизм

Механизм состоит из кривошипного диска или коленчатого вала, с которым соединен шатун 3 с поршнем 1. На поршень надеты поршневые кольца. Поршень перемещается в гильзе 2 цилиндра. Коленчатый вал коренными шейками 4 и 5 располагается в подшипниках. При вращении вала поршень получает возвратно-поступательное движение. Вместо поршня может быть ползун, перемещающийся в прямолинейных направляющих.

Эксцентриковый механизм служит для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное. Его применяют в станках, штамповочных прессах, в золотниковом и клапанном распределении машин-двигателей. Эксцентриковый механизм представляет собой разновидность кривошипно-шатунного механизма с небольшим радиусом кривошипа. Разъемный эксцентриковый механизм (рис. 9, а) имеет круглый диск (эксцентрик) 2, сидящий на шпонке 8 и на валу 3.

Рис. 9. Эксцентриковые механизмы: а — с разъемным хомутом; б — с механизмом для регулировки эксцентриситета

Оси вала и диска не должны совпадать. Расстояние между осями (эксцентриситет) является радиусом кривошипа. Диск охватывается разъемным хомутом 1, скрепляемым болтами 4. С хомутом соединяется шатун 7 (и тяга 6), вилка которого через палец 5 шарнирно соединяется с ползуном, получающим возвратно-поступательное движение (например, с ползуном пресса или с золотником распределения).

Эксцентриковый механизм может быть с двумя эксцентриками для регулировки эксцентриситета (рис. 9, б). Внутренний эксцентрик 2 сидит на валу 3 и охватывается внешним эксцентриком 9, который можно поворачивать и закреплять в различных положениях, что приводит к изменению эксцентриситета, а следовательно, и изменению длины хода ползуна. Применяется эксцентриковый механизм в золотниковых парораспределителях и регуляторах нефтяных двигателей. Эксцентрики изготовляются из чугуна или из углеродистой стали. Внутреннюю поверхность хомута заливают баббитом.

Фрикционные передачи применяют для бесступенчатого изменения частоты вращения при передаче движения от ведущего к ведомому валу.

В фрикционном вариаторе используют специальные клиновидные ремни или стальные кольца, которыми соединяют ведущие и ведомые раздвижные конусные шкивы (рис. 10). Осевое сближение одной пары конусных шкивов вызывает осевое удаление другой пары шкивов. Этим соответственно изменяются радиусы контактов r1 и r2 ремня со шкивами, чем определяется изменение передаточного отношения u = r1 / r2. Пределы изменения частоты вращения выходного вала характеризуются диапазоном регулирования D = umax /umin. Для вариаторов с клиновидными ремнями D = 8 ÷ 15.

Рис. 10. Фрикционный вариатор

Передача храповым зацеплением позволяет в широком диапазоне изменять частоту вращения или перемещения рабочего органа машины, связанного храповым механизмом (рис. 11). Конструкции и область применения храповых механизмов разнообразны.

Рис. 11. Передача храповым зацеплением: 1 — ведомый вал; 2 — качающийся рычаг с защелкой 3; 4 — храповое колесо; 5 — фиксатор; 6 — кулиса; 7 — ведущий вал

Муфты служат для постоянного или периодического соединения валов между собой (с зубчатыми колесами и шкивами), чтобы передать вращение без изменения направления и частоты вращения.

Втулочная муфта (рис. 12, а) предназначена для передачи вращения с вала 1 на вал 11 с помощью втулки 1 и шпонок 2. Втулочно-пальцевая муфта (рис. 12, б) состоит из полумуфт 3 и 4. С помощью резиновых колец 5, установленных на пальцах 6, муфта амортизирует ударную нагрузку, передаваемую с вала 1 на вал 11. Упругая муфта смягчает толчки и удары.

Если оси ведущего и ведомого валов расположены со смещением от оси вращения, то применяют муфту (рис. 12, в), каждая половина которой жестко закреплена на конце вала. Полумуфты 1 и 3 сопряжены между собой диском 7, имеющим крестообразно расположенные выступы, которые входят в пазы полумуфт.

Рис. 12. Муфты (а- з)

Зубчатую муфту применяют для периодического соединения валов (рис. 12, г). Левая полумуфта 3 при перемещении вправо наружными зубьями входит в зацепление с внутренними зубьями правой полумуфты 4. Зубчатая муфта является универсальной компенсирующей муфтой, которая допускает в определенных пределах осевое, радиальное и угловое смещения валов за счет зазора в зацеплении полумуфт 3 и 4 с внутренними и наружными зубьями.

В кулачковой муфте (рис. 12, д) вращение передается через кулачки полумуфт 3 и 4, которые сопрягаются силой пружины 8, регулируемой гайкой 9 с шайбой. При перегрузках скошенные поверхности кулачков позволяют раздвигать полумуфты и нарушать синхронность вращения валов.

В фрикционной муфте (рис. 12, е) передачу вращения выполняют фрикционные диски. Диски 10 с внутренними выступами соединены с полумуфтой 3, а диски 11 с наружными выступами — с полумуфтой 4. Величина передаваемой нагрузки с вала 1 на вал 11 определяется силой Р сжатия дисков.

Механизмы обгона применяют в тех случаях, когда валу, имеющему медленное вращение, требуется периодически сообщать быстрое вращение. Обгонная муфта (рис. 12, ж) соединяется полумуфтой 3 с одним валом и полумуфтой 4 — с другим. Между полумуфтами располагаются ролики 12, которые заклиниваются между полумуфтами усилием пружины 8 при вращении полумуфты 3 по часовой стрелке. При вращении полумуфты 4 в том же направлении, но с большей частотой, ролики 12 увлекаются движением полумуфты 4 в более широкую часть выемки, при этом полумуфта 4 свободно вращается относительно полумуфты 3.

Многодисковая электромагнитная муфта (рис. 12, з) состоит из корпуса 1, который вращается вместе с валом 13, катушки 2, дисков вращающихся с корпусом 1, и дисков 6, размещенных между дисками 11 и вращающихся вместе с зубчатым колесом 7, якорей 9 и 10 и стопорного кольца 8. Питание муфты осуществляется через щетку 5 и токосъемники 3 и 4.

При выключенной муфте зубчатое колесо 7 свободно вращается на втулке 12 вала 13 на подшипниках. При включенной муфте якоря 9 и 10 прижимают диски 6 и 11 к корпусу 1. Форма дисков и их малая толщина обеспечивают большое магнитное сопротивление в радиальном направлении. Таким образом обеспечивается передача вращения от вала 13 через втулку 12 зубчатому колесу. Однодисковые муфты работают по такому же принципу.

Реверсивные и кулачковые механизмы служат для изменения направления движения механизмов станка. Чаще всего реверсирование осуществляется с помощью цилиндрических или конических зубчатых колес.

В механизме с цилиндрическими зубчатыми колесами (рис. 13, а) муфта М может соединить с верхним валом зубчатое колесо z1. При этом вращение будет передаваться с верхнего вала через муфту М и зубчатую передачу z1 и z2 на нижний вал. Если муфта М соединяет с верхним валом зубчатую передачу z3, z3′ и z4, нижний вал вращается в противоположном направлении.

Реверсивный механизм, изображенный на рис. 13, б, изменяет направление вращения нижнего вала при перемещении скользящего колеса z2, которое входит в зацепление с колесом z1 или колесом z4.

На рис. 13, в показана кинематическая схема реверсивного механизма, у которого изменение направления вращения нижнего вала может быть осуществлено зацеплением скользящего блока зубчатых колес z1 и z3 либо с зубчатыми колесами z4, либо с паразитным зубчатым колесом z2′.

На рис. 13, г показана схема реверсивного механизма, составленного из конических зубчатых колес и кулачковой муфты. Направление вращения горизонтального вала изменяется переключением кулачковой муфты.

Рис. 13. Кинематические схемы (а-г) реверсивных механизмов

Кулачковые механизмы служат для преобразования вращательного движения кулачка в поступательное перемещение механизмов или рабочих органов машины. В кулачковых механизмах применяются плоские (рис 1.14, а), цилиндрические (рис. 14, б) или торцовые кулачки (рис. 14, в).

Рис. 14. Кулачковые механизмы