Содержание страницы
В современных технологических установках и производственных линиях крайне важно обеспечить возможность точного регулирования угловой скорости вращения рабочих механизмов. Правильный подбор скорости позволяет повысить производительность, продлить срок службы оборудования и добиться необходимого качества обработки материалов.
Эта задача особенно просто решается при использовании электродвигателей постоянного тока. Однако в приводах на основе переменного тока требуется внедрение дополнительных систем регулирования — электрических или механических.
Наиболее широко применяются различные механические передачи, начиная от простейших ступенчатых механизмов и заканчивая многоступенчатыми коробками передач с автоматическим или ручным управлением. Их конструкции постоянно совершенствуются, обеспечивая стабильную работу оборудования в самых разных условиях эксплуатации.
Зубчатые передачи как принцип передачи движения известны еще со времен античности: Архимед и Герон Александрийский описывали механизмы, использующие зацепление зубчатых колес.
В ряде технологических задач требуется осуществлять регулировку угловой скорости рабочих машин. На практике эту задачу проще всего решать при использовании приводов с электродвигателями постоянного тока. Однако, если система построена на электродвигателях переменного тока, для регулирования частоты вращения вала приходится внедрять либо сложные электрические схемы, либо проектировать соответствующие механические устройства.
Наиболее простыми из таких устройств являются ступенчатые ременные передачи, сменные зубчатые колеса и звездочки. Более сложные решения — коробки передач с предусмотренным механизмом для смены скоростей. Эти устройства дают возможность выполнять ступенчатое изменение частоты вращения выходного вала при сохранении стабильной передачи крутящего момента.
1. Особенности зубчатого зацепления
В коробках передач с зубчатыми колесами регулировку угловой скорости валов осуществляют путем изменения передаточного числа, достигаемого введением в зацепление определенных пар зубчатых колес с нужным соотношением числа зубьев. Выбор пар для зацепления выполняется переключением кулачковых, зубчатых или электромагнитных муфт, связанных с этими колесами (рис. 1, а), либо перемещением блока шестерен с различным числом зубьев (рис. 1, б), либо совмещением обоих методов (рис. 2, а). 
Рис. 1. Схемы коробок передач: а – с переключением зубчатых колес муфтами; б – перемещением блока шестерен
Шестерни в коробке передач обычно имеют одинаковую ширину b. Для упрощения процесса ввода зубьев в зацепление выполняют боковые скосы по всей высоте зубьев (рис. 2, б), а на торцах профиля зубьев делают скругление кромок.
Рис. 2. Конструкция коробки передач с блоком шестерен и кулачковой муфты
Когда блок зубчатых колес изготавливается монолитным, между венцами шестерен и диском соседних шестерен предусматривают проточки глубже высоты зуба на 1–2 мм и достаточной ширины для выхода режущего инструмента.
2. Переключение зубчатых пар
При проектировании зубчатых коробок необходимо учитывать нейтральные положения муфт или блоков шестерен в процессе переключения. Между кулачковыми выступами незамкнутых муфт, а также между торцевыми поверхностями подвижного блока и закрепленных шестерен обязательно должен сохраняться зазор Δ величиной приблизительно 1–3 мм (рис. 2, а).
В большинстве коробок передач используется ручное переключение скоростей. Наиболее популярными являются рычажные механизмы переключения.
На рис. 3; а, б представлена распространенная простая схема рычажного механизма, предназначенного для осевого перемещения блока шестерен 6 вдоль шлицевого вала. Переключение реализуется с помощью рычага 2, соединенного через валик 3 с рукояткой 4.
Рис. 3. Конструкция рычажного механизма, применяемого для переключения муфт или шестерен: 1 – переводной камень; 2 – рычаг; 3 – валик; 4 – рукоятка; 5 – ступица рукоятки; 6 – блок шестерен; 7 – шариковый фиксатор
Рычаг 2 соединяется с блоком шестерен через переводной камень 1, который заходит в кольцевой паз блока 6.
На валике 3 установлена ступица 5 с шариковым фиксатором, предназначенным для ограничения угла поворота рукоятки 4 и фиксации ее в крайних положениях. На рис. 3, в показана еще более надежная конструкция фиксации — при помощи конического фиксатора с пружиной.
Однако у подобных механизмов есть особенность: при значительном перемещении блока шестерен или муфты, особенно если радиус рычага R мал (рис. 4; а, б), переводной камень может выйти за пределы кольцевого паза. Чтобы избежать этого, перемещение камня должно удовлетворять условию Δr ≤ 0,3H, где H – высота камня.
Рис. 4. Схемы переключения рычажным механизмом:
Муфты и перемещаемые шестерни оснащаются кольцевыми пазами шириной В для взаимодействия с рычагом (рис. 5, а).
Переводные камни обычно изготавливаются из серого или антифрикционного чугуна, текстолита либо бронзы. На рис. 5; б, в изображены типовые конструкции переводных камней.
Рис. 5, г демонстрирует конструкции переводных вилок, которые применяются при небольших диаметрах шестерен, так как при больших диаметрах возможно самопроизвольное заклинивание под действием усилия:
где РВ – усилие, необходимое для включения передачи.
Размеры поперечного сечения рукояток механизмов переключения (рис. 5; а, в) выбирают, исходя из конструктивных расчетов. При переключении передача нагрузки на рукоятку сопровождается изгибающим моментом. Максимальное усилие, которое прикладывает рабочий, можно принять равным 100–150 Н. Допустимое напряжение изгиба [σ]н ориентировочно выбирается в пределах 20…30 Н/мм2 для обеспечения необходимой жесткости элемента.
Рис. 5. Конструкции для перемещения блока шестерен: а – варианты расположения кольцевого паза под переводной камень; б, в – конструкции переводных камней; г – конструкции переводных вилок
Заключение
- Устройство механических коробок передач до сих пор используется в некоторых тяжелых станках и промышленном оборудовании, так как они более надежны в экстремальных условиях по сравнению с электронными приводами.
- В современных коробках передач грузовых автомобилей могут использоваться до 18 ступеней, обеспечивающих точную подстройку под режимы движения.
- Специальные версии коробок передач для сверхмощной техники имеют системы автоматической смазки зубчатых пар для увеличения срока службы до 20–30 лет без капитального ремонта.
Механические устройства для регулирования угловой скорости вращения рабочих валов — неотъемлемая часть современного машиностроения. От простейших ступенчатых передач до сложных коробок с рычажным или автоматическим управлением — каждое решение направлено на достижение надежности, долговечности и точности работы механизмов.
Понимание особенностей конструкции зубчатых зацеплений, способов переключения шестерен и расчета усилий на органы управления позволяет грамотно проектировать и обслуживать такие системы, продлевая срок их службы и повышая эффективность эксплуатации оборудования.
