Лекция № 2

Тема 3 Механические передачи

В общем случае в машине можно выделить три составные части (рисунок 3.1): двигатель, передачу и исполнительный элемент.

Рисунок 3.1 – Составные части машины

Механическая энергия, приводящая в движение машину, представляет собой энергию вращательного движения вала двигателя. Передачу механической энергии от двигателя к исполнительному элементу машины осуществляют с помощью различных передаточных механизмов (передач): зубчатых, червячных, ременных, цепных, фрикционных.

Современные машины приводятся в движение главным образом топливными и электрическими двигателями.  В силу специфики законов термогазодинамики и электромагнетизма, эти двигатели более быстроходны, чем было бы удобно для человека, к тому же их скорость сложно и плохо регулируется. Возникает необходимость согласования режимов работы двигателя и исполнительного органа, с которым, собственно, и имеет дело оператор. Для этого созданы передачи.

Механическими передачами или просто передачами называются механизмы, которые преобразуют параметры движения от двигателя к исполнительным органам машины. Механическая энергия передаётся, как правило, с преобразованием скоростей и вращающих моментов, а иногда с преобразованием вида и закона движения.

Передачи по принципу работы разделяются на следующие группы:

1. Передачи зацеплением:

– с непосредственным контактом (зубчатые и червячные);

– с гибкой связью (цепные, зубчато-ременные).

2. Передачи трением (сцеплением трущихся поверхностей):

– с непосредственным контактом поверхностей (фрикционные);

– с гибкой связью (ременные).

Передавая механическую энергию, передачи одновременно могут выполнять одну или несколько из следующих функций.

1. Понижение (или повышение) частоты вращения от вала двигателя к валу исполнительного элемента (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – Параметры на ведущем и ведомом валах

Основные параметры на ведущем и ведомом валах: мощность Р₁, Р₂ (кВт), вращающий момент Т₁, Т₂ (Н·м), частота вращения n₁, п₂ (мин^–1).

Вращающий момент Т (Н·м) на любом валу можно вычислить по мощности Р (кВт) и частоте вращения п (мин^–1):

, кВт

Как видно, понижение частоты вращения приводит к повышению вращающего момента, а повышение частоты вращения — к понижению момента.

Мощность Р₂ на ведомом валу меньше, чем мощность Р₁ на ведущем вследствие потерь в передаче, оцениваемых КПД h:

, кВт

Важной характеристикой передачи является передаточное число и, определяемое как отношение частот вращения n₁ ведущего и п₂ ведомого валов или как отношение диаметров d₂ ведомого и d₁ ведущего элементов передачи:

,

При этом и ³ 1, следовательно, частота вращения ведомого вала меньше частоты вращения ведущего вала в передаточное число раз. Понижение частоты вращения называют редуцированием, а закрытые передачи, понижающие частоты вращения, — редукторами. Устройства, повышающие частоты вращения, называют ускорителями или мультипликаторами.

Вращающий момент на ведомом валу возрастает практически в передаточное число раз (в соответствии с уменьшением частоты его вращения):

, Н∙м

2. Изменение направления потока мощности. Примером может служить зубчатая передача заднего моста автомобиля. Ось вращения вала двигателя большинства автомобилей составляет с осью вращения колес угол 90°. Для передачи механической энергии между валами с пересекающимися осями применяют коническую передачу (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 – Коническая передача

3. Регулирование частоты вращения ведомого вала. С изменением частоты вращения изменяется и вращающий момент: меньшей частоте соответствует больший момент. Для регулирования частоты вращения ведомого вала применяют коробки передач и вариаторы.

Коробки передач обеспечивают ступенчатое изменение частоты вращения ведомого вала в зависимости от числа ступеней и включенной ступени. Для двухступенчатой коробки передач, схема которой представлена на рисунке 3.4, имеем:

.

Рисунок 3.4 – Коробка скоростей

Вариаторы обеспечивают бесступенчатое в некотором диапазоне изменение частоты вращения ведомого вала.

В лобовом вариаторе (рисунок 3.5) изменение частоты вращения ведомого вала достигают передвижением малого катка вдоль вала, т.е. изменением расстояния R_i до оси ведомого вала.

Рисунок 3.5 – Лобовой вариатор

Передаточное число и_i находится в диапазоне от и_min до и_max:

,

Откуда диапазон регулирования:

,

Для лобового вариатора D»2,5.

4. Преобразование одного вида движения в другой (вращательного в поступательное, равномерного в прерывистое и т.д.).

5. Реверсирование движения (прямой и обратный ход).

6.Распределение энергии двигателя между несколькими исполнительными элементами машины.

Тема 4 Червячные передачи

Червячная передача – это зубчато-винтовая передача, движение в которой преобразуется по принципу винтовой пары с присущим ей повышенным скольжением.

Червячная передача имеет перекрещивающиеся оси валов, обычно под углом 90°. Она состоит из червяка (ведущий) – винта с трапецеидальной резьбой и зубчатого червячного колеса (ведомое) с зубьями соответствующей специфической формы (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 – Червячная передача

Изобретателем червячных передач считают Архимеда.

Достоинства червячных передач.

1. Возможность получения большого передаточного числа и в одной ступени (до 80).

2. Компактность и сравнительно небольшая масса конструкции.

3. Плавность и бесшумность работы.

4. Возможность получения самотормозящей передачи, т.е. допускающей движение только от червяка к колесу

5. Возможность получения точных и малых перемещений.

Недостатки.

1. Сравнительно низкий КПД (на 20-30% ниже, чем у зубчатых) вследствие повышенного скольжения витков червяка по зубьям колеса, ведущего к значительному нагреву и износу.

2. Необходимость применения для венцов червячных колес дорогих антифрикционных материалов.

3. Повышенное изнашивание и склонность к заеданию.

4. Необходимость регулирования зацепления (средняя плоскость венца червячного колеса должна совпадать с осью червяка).

Особенность. Кроме того, помимо достоинств и недостатков, червячные передачи имеют важное свойство: движение передаётся только от червяка к колесу, а не наоборот (самоторможение). Никакой вращающий момент, приложенный к колесу, не заставит вращаться червяк. Именно поэтому червячные передачи находят применение в подъёмных механизмах, например, в лифтах. Там электродвигатель соединён с червяком, а трос пассажирской кабины намотан на вал червячного колеса  во избежание самопроизвольного опускания или падения.

Самоторможение червячной передачи позволяет выполнить механизм без тормозного устройства, препятствующего вращению колес (например, под действием силы тяжести поднимаемого груза).

Это свойство не надо путать с реверсивностью механизма. Ведь направление вращения червяка может быть любым, приводя либо к подъёму, либо к спуску той же лифтовой кабины.

Применение. Червячные передачи широко применяют в транспортных и подъемно–транспортных машинах при небольших и средних мощностях (механизм подъема лифта, лебедки, тали, трансмиссии транспортных машин и др.), а также с целью получения малых и точных перемещений (делительные устройства станков, механизмы настройки, регулировки и др.).

Вследствие отмеченных недостатков нерационально применять червячные передачи в условиях непрерывного действия при мощностях более 30кВт. При работе в повторно–кратковременных режимах они могут оказаться эффективными и при больших мощностях.

Виды червячных передач.

Качество и работоспособность червячной передачи зависят от формы, твердости, шероховатости и точности изготовления винтовой поверхности витка червяка.

В зависимости от формы внешней поверхности червяка передачи бывают с цилиндрическим (рисунок 4.2,а) или с глобоидным (рисунок 4.2,б) червяком.

Рисунок 4.2 – Червячные передачи с цилиндрическим и глобоидным червяком

Качественные показатели глобоидной передачи выше, но она сложна в изготовлении, сборке и чувствительна к осевому смещению червяка, вызываемому, например, изнашиванием подшипников. На практике чаще всего применяют передачи с цилиндрическими червяками.

Различают линейчатые и нелинейчатые червяки в зависимости от того, могут или не могут винтовые поверхности витков червяка быть образованы прямой линией. Нарезание линейчатых винтовых поверхностей осуществляют на универсальных токарно-винторезных станках, когда прямолинейная кромка резца воспроизводит эвольвентную, конволютную или архимедову поверхность. Нелинейчатую винтовую поверхность получают дисковыми фрезами конусной или тороидальной формы.

В соответствии с этим червячные передачи бывают с эвольвентными, архимедовыми, конволютными и нелинейчатыми червяками. Получение того или иного вида винтовой поверхности у витков червяка зависит от способа нарезания.

Передаточное отношение червячной передачи находят аналогично цилиндрической:

,

где      – число зубьев колеса;

 – число заходов червяка (заходность червяка), которое обычно бывает равно 1, 2, 3 или 4.

Очевидно, что однозаходный червяк даёт наибольшее передаточное отношение, однако наивысший КПД достигается при многозаходных червяках, что связано с уменьшением трения за счёт роста угла трения.

Материалы. Оптимальная пара трения — это «сталь по бронзе». Поэтому при стальном червяке червячные колёса должны выполняться из бронзовых сплавов. Однако цветные металлы дороги и поэтому из бронзы выполняется лишь зубчатый венец, который крепится на сравнительно дешёвой стальной ступице. Таким образом, червячное колесо-сборочная единица, где самые популярные способы крепления венца это либо центробежное литьё в кольцевую канавку ступицы (рисунок 4.3,а); либо крепление венца к ступице болтами за фланец (рисунок 4.3,б); либо посадка с натягом и стопорение винтами для предотвращения взаимного смещения венца и ступицы (рисунок 4.3,в).

а)                          б)                    в)

Рисунок 4.3 –. Виды крепления венца червячного колеса

Основные причины выхода из строя червячных передач:

r поверхностное выкрашивание и схватывание;

r излом зуба.

Критерии работоспособности и расчета.

Расчёт червячной передачи проводится по формуле Герца-Беляева. Из проектировочного расчёта находят осевой модуль червяка, а по нему и все геометрические параметры зацепления.

Особенность расчёта на изгиб состоит в том, что принимается эквивалентное число зубьев червячного колеса через угол подъёма витков червяка.

Вследствие нагрева, вызванного трением, червячные передачи нуждаются также и в тепловом расчёте. Практика показывает, что механизм опасно нагревать выше 95^оС. Допускаемая температура назначается 65 ^oC.

Уравнение для теплового расчёта составляется из баланса тепловой энергии, а именно: выделяемое червячной парой тепло должно полностью отводиться в окружающую среду

Q_{выделяемое} = Q_{отводимое},

Решая это уравнение, находим температуру редуктора, передающего заданную мощность. В случае, когда расчётная температура превышает допускаемую, то следует предусмотреть отвод избыточной теплоты. Это достигается оребрением редуктора, искусственной вентиляцией, змеевиками с охлаждающей жидкостью в масляной ванне и т.д.