Тема 3.2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧАХ.

3.2.1. Назначение передач.

3.2.2. Классификация передач.

3.2.3. Силовые и кинематические соотношения в передачах.

3.2.4. Примеры передач вращательного движения*.

3.2.1. Механические передачами на­зывают механизмы, слу­жащие для передачи ме­ханической энергии на расстояние. При этом функции передачи энер­гии, как правило, со­вмещают с решением следующих основных задач:

· согласование уг­ловых скоростей испол­нительных органов машин и двигателей, которое обеспечивается путем преобразования угловой скорости и вращающего момента при постоянной мощности двигателя (двигатели имеют большие скорости, исполнительные же органы машины для выполнения своих функций часто требуют больших моментов при относительно малых скоростях);

· регулирование (повышение или понижение) и реверсирование (изменение направления) скорости исполнительного органа машины при постоянной угловой скорости двигателя;

· преобразование враща­тельного движения двигателя в поступательное или другое движение исполнительского органа машины;

· приведение в движение нескольких исполнительных органов (с различными скоростями движения) от данного двигателя.

Наиболее распространены механические передачи вращательного движения, которые и рассматриваются здесь. Это связано с таким преимуществом враща­тельного движения, как возможность обеспечения его непрерывности и равномерности при малых потерях на трение. Кроме того, вращательное движе­ние позволяет получить простую и надежную кон­струкцию передачи малых габаритов.

3.2.2. По принципу передачи движения от ведущего звена к ведомому передачи делятся на две группы (рис. 3.2.1):

· передачи трением — с непосредственным контактом жестких тел (фрикци­онные) и гибкой связью (ременные);

·

переда­чи зацеплением — с непосредственным контактом твердых тел (зубчатые, винтовые и червячные) и гибкой связью (цепные, зубчатым ремнем).

По характеру изменения скорости передачи делятся на понижающие (редукторы) и повышающие (мультипликаторы).

По взаимному расположению валов в пространстве передача движения осуществляется между параллельными, пересекающимися, перекрещивающимися и соосными валами.

По характеру движения валов передачи делятся на: 1) простые (валы лишь вращаются вокруг своих осей, а оси валов и сидящих на них взаимодействующих деталей остаются в пространстве неподвижными); 2) планетарные (оси и сидящие на них детали (сателлиты) вращаются вокруг некоторой неподвижной основной оси передачи).

По числу ступеней передачи бывают одноступенчатыми (рис. 3.2.2) и многоступенчатыми (3.2.8)

3.2.3. В каждой передаче различают два основных вала (звена): ведущий 1 (входной) и ведомый 2 (выходной). В передачах бывают промежуточные валы. Передача, состоящая только из ведущего и ведомого звеньев, называется одноступенчатой. Параметры одноступенчатой передачи, отно­сящиеся к ведущему звену (вал с насаженными на него зубчатыми колесами, шкивами и т. п.), снабжа­ют индексом «1», а к ведомому — «2».

Основные характеристики передачи: передаточное число, передаваемая мощность и КПД.

· Передаточным отношением называется отношение угло­вой скорости () ведущего звена к угловой скорости ведомого звена:

.

Пере­даточное отношение может быть больше, меньше или равно единице.

Передаточным числом передачи называется отношение большей угловой скорости к меньшей. Передаточное число не может быть меньше единицы.

В расчетные формулы на прочность деталей машин всегда входят передаточные числа, т.е. .

Если с помощью одноступенчатой передачи нельзя обеспе­чить требуемое передаточное число, то применяют ряд последовательно соединенных одноступенчатых передач, так называемую многоступенчатую переда­чу.

Передаточное отношение ряда последова­тельно соединенных передач равно произведению их передаточных от­ношений. Например, для двухступенчатого редуктора

.

Передачи выполняют либо с постоянным, либо с перемен­ным передаточным отношением, причем изменение передаточного от­ношения может быть ступенчатым или бесступенчатым. Ступенчатое регулирование передаточного отношения осуществляется, например, коробками скоростей металлорежущих станков, автомобилей, тракто­ров. Механизм для плавного изменения передаточного отношения на­зывается бесступенчатой передачей или вариатором.

· Окружная скорость () ведущего или ведомого звена

,

где - частота вращения (), - диаметр катка, шкива, колеса и др. ().

· На рис. 3.2.1 показаны две передачи, в которых к ведущему звену 1 приложен вращающий момент () , с помощью гибкой связи или непос­редственно передающий ведомому звену 2 окружную силу . Очевид­но, что для любого звена вращающий момент и окружная сила связаны зависимостью

или .

Согласно третьему закону Ньютона, окружные силы ведущего и ве­домого звеньев равны (но противоположно направлены), следователь­но, вращающие моменты на ведущем и ведомом валах будут различны и пропорциональны диаметрам соответствующих звеньев.

Из теоретической механики известно, что мощность () при враща­тельном движении

.

· Отношение мощности на ведомом валу передачи к мощности на ведущем валу называется механическим коэффициентом полезного действия (КПД) и обозначается

.

Механический КПД характеризует механические потери в переда­че; для различных передач КПД находится в пределах от 0,25 до 0,98

В многоступенчатых передачах (при последовательном соединении ступеней) общий КПД определяется как произведение КПД каждой ступени в отдельности

.

Так как , то , откуда

.

Предельное состояние передачи, при котором становится возмож­ной потеря ее работоспособности, называется нагрузочной спо­собностью. Понятие запаса нагрузочной способности включает в себя понятие запаса прочности.

3.2.4. Ременные передачи. Ременная передача между двумя параллельными валами может быть открытой или перекрестной (рис. 3.2.2). Так как ремень надевается на шкивы с натяжением, то, благодаря трению между шкивами и ремнем, при вращении ведущего шкива ремень приходит в движение и заставляет вращаться ведомый шкив. В открытой передаче направление вращения шкивов, охваченных одним бесконечным ремнем, одинаково. В пере­крестной передаче направление вращения ведомого шкива противоположно направлению вращения ведущего. Если не учитывать скольжения ремня, то окружные скорости шкивов будут равны между собой. Отсюда = и

.

Передаточное отношение ременной передачи равно об­ратному отношению радиусов (или диаметров) шкивов.

Практически, вследствие неизбежности упругого сколь­жения ремня при работе ременной передачи под нагруз­кой, окружная скорость ведомого шкива будет на 1—3% меньше окружной скорости ведущего, и для сохранения требуемой угловой скорости ведомого шкива несколько уменьшают его диаметр.

2.Фрикционные передачи. Фрикционными называются устройства, передача вращательного движения в которых осуществляется прижатыми друг к другу колесами. При достаточно большой силе трения между колесами ведущее колесо, вращаясь, приводит во вращение ведомое.

На рис. 3.2.3 , А изображена фрикционная передача между параллельными валами, осуществляемая цилиндрическими колесами, а на рис.3.2.3, Б — передача между пересекаю­щимися валами, осуществляемая коническими колесами.

Передаточное отношение фрикционной передачи опре­деляется из того условия, что скорости соприкасающихся точек на поверхностях катков должны быть равны между собой (если, конечно, пренебречь проскальзыванием).

Отсюда получается, что передаточное отношение цилин­дрической фрикционной передачи равно обратному отноше­нию радиусов (или диаметров) колес:

.

Направления вращения ведущего и ведомого колес, очевидно (рис. 3.2.3, А), противоположны друг другу.

Условившись для конической передачи (рис. 3.2.3, Б) соприкасаю­щиеся точки брать на окружностях больших оснований конусов, найдем, что передаточное отношение конической фрикционной передачи также равно обратному отноше­нию радиусов (диаметров) окружностей больших основа­ний конусов.

Для так называемой лобовой передачи (вариатора) (рис. 3.2.3, В), позволяющей путем поступательного пере­мещения колеса 2 вдоль диаметра колеса 1 получить пере­менное передаточное отношение между ведущим и ведомым валами, будем иметь

,

где x — переменное расстояние средней плоскости колеса 2 от оси колеса 1, — радиус колеса 2.

3. Зубчатые передачи. Достоинствами фрикционных передач являются простота конструкции и плавность их работы. Существенным недостатком — непостоянство пере­даточного отношения, вызываемое проскальзыванием фрик­ционных колес друг относительно друга. Проскальзывание возрастает с увеличением передаваемой колесами нагрузки. Чем больше усилие, передаваемое колесами, тем сильнее, для обеспечения достаточного сцепления между ними, должны прижиматься колеса друг к другу. Последнее же влечет за собой увеличение трения в подшипниках и значи­тельный изгиб валов.

Для устранения этих недостатков на цилиндрических поверхностях колес делаются выступы—зубья и впадины (рис. 3.2.4). Если один или несколько зубьев одного колеса входят во впадины другого, то при вращении ведущего колеса его зубья нажимают на зубья ведомого и приводят последнее во вращение. Этим обеспечивается постоянство передаточного отношения такой передачи.

Колеса, снабженные зубьями, называются зубчатыми, а передача вращения о помощью зубчатых колее назы­вается зубчатой передачей. Зубчатые передачи являются одним из самых распространенных видов передаточных механизмов.

Зубчатые колеса, изображенные на рис. 3.2.4, можно мысленно заменить двумя фрикционными колесами, катя­щимися друг по другу без скольжения и вращающимися вокруг тех же осей, в теми же угловыми скоростями, что и данные зубчатые колеса. Окружности таких воображае­мых фрикционных колее называются начальными окруж­ностями данных зубчатых колес.

Следовательно, передаточное отношение двух находя­щихся в зацеплении зубчатых колес равно обратному отно­шению диаметров их начальных окружностей:

Передаточному отношению зубчатой передачи можно дать и другое, более удобное для практики выражение.

Расстояние между двумя сходственными (рис. 3.2.4.) точ­ками двух соседних зубьев, измеренное по дуге начальной окружности, называется шагом зацепления.

Отношение шага к числу называется модулем зацеп­ления:

.

где р — шаг и — модуль зацепления.

Шаг и модуль зацепления всегда измеряются в мм. Модули зубчатых колес стандартизованы.

Для правильности зацепления двух совместно работающих колес необходимо, чтобы их шаги (а следовательно, и модули) были одинаковы. Отсюда получаем следующие выражения для длин начальных окружностей двух находя­щихся в зацеплении зубчатых колес:

и ,

где и — числа зубьев соответствующих колес.

Следовательно, диаметры начальных окружностей этих колес

и .

Диаметр начальной окружности зубчатого колеса равен произведению его модуля на число зубьев колеса. Тогда передаточное отношение двух находящихся в зацепле­нии зубчатых колес равно обратному отношению их чисел зубьев.

Цилиндрические зубчатые колеса с наружным (рис. 3.2.5, А) и внутренним (рис. 3.2.5, Б) зацеплением слу­жат для передачи вращения между параллельными валами. Для передачи вращения между пересекающимися ва­лами служат конические зубчатые колеса (рис. 3.2.6).

Передаточное отношение двух находящихся в зацепле­нии конических колес определяется, по абсолютному зна­чению, так же, как и для ци­линдрических колес.

Иногда для преобразования вращательного движения в по­ступательное применяется зуб­чатое зацепление, называемое реечным. Скорость поступательного движения рейки, очевидно, равна скорости точки, лежащей на начальной окружности зубчатого колеса: , где — угловая скорость ко­леса и — диаметр его начальной окружности, который может быть вычислен по формуле (1.9.15.).

4. Многоступенчатые передачи. Многоступенчатой передачей называется механизм, состоящий из ряда соеди­ненных между собой простых передач. На рис. 3.2.8 изображена в качестве примера схема многоступенчатой передачи от вала 1 к валу 5, состоящей из ременной передачи, двух пар цилиндрических зубчатых колес и одной пары конических зубчатых колес.

Шкивы и колёса жёстко закреплены на соответствующих валах (это обозначено на схеме крестиками). Диаметры шкивов и . Числа зубьев колёс обозначены буквой z с соответствующими индексами.

Передаточное отношение данной передачи . Передаточные отношения простых передач, входящих в состав данной многоступенчатой передачи, , , , .

Передаточное отношение многоступенчатой передачи равно произведению передаточных отношений всех входящих в её состав простых передач; .

Передаточное отношение многоступенчатой передачи можно вычислить, зная, как определяются передаточные отношения простых передач, входящих в её состав.

Частным случаем многоступенчатой зубчатой передачи является так называемое рядовое соединение зубчатых колес (рис. 3.2.9 ).

При таком соединении на каждой оси находится лишь одно зубчатое колесо. Передаточное отношение для рядовой цилиндрической зубчатой передачи (рис. 3.2.9) будет равно

.

Из вычислений передаточных отношений рядовых пе­редач следует, что наличие промежуточных колес в рядо­вой передаче не влияет на абсолютное численное значение передаточного отношения. Поэтому промежуточные коле­са рядовых передач часто называют паразитными колесами.

При любом числе паразитных колес и любых их раз­мерах передаточное отношение рядовой зубчатой передачи равно по абсолютному значению отношению числа зубьев ведомого колеса к числу зубьев ведущего колеса.

Не влияя на абсолютное значение передаточного от­ношения, наличие паразитных колес сказывается на направлении вращения ведомого вала. Свойства­ми паразитных колес определяется и их применение. Они вводятся в передаточный механизм в двух случаях.

1. При значительном расстоянии между осями веду­щего и ведомого валов. Непосредственная передача вра­щения от ведущего вала к ведомому валу при помощи одной только пары зубчатых колес потребовала бы в этом случае изготовления колес слишком большого диаметра.

2. Когда требуется изменять направление вращения ведомого вала, не изменяя направления вращения веду­щего. При введении только одного промежуточного (па­разитного) колеса ведомый вал будет вращаться в ту же сторону, что и ведущий. При введении двух промежу­точных колес ведомый вал будет уже вращаться в сторону, про­тивоположную вращению веду­щего.