Тема 2. Ременные, зубчатые передачи и механические муфты.

Общие сведения. Ременной передачей называется механизм, служащий для передачи вращательного движения при помощи шкивов, закрепленных на валах, и бесконечной гибкой связи - приводного ремня, охватывающего шкивы.

Ременные передачи применяются для привода от электродвигателей машин-орудий небольшой и средней мощности; для привода от двигателя внутреннего сгорания или других первичных двигателей электрических генераторов, сельскохозяйственных и лесных машин.

Достоинствами ремённых передач являются: простота конструкции и эксплуатации; плавность и бесшумность работы; возможность передачи вращения валам, удаленным на большие расстояния; возможность работы с высокими частотами вращения; малая стоимость.

Недостатки: значительные габариты; неизбежность упругого скольжения приводных ремней; малая долговечность ремней; повышенные нагрузки на валы и их опоры; необходимость иметь устройства для натяжения ремней; непостоянство передаточного числа большинства ременных передач.

Pемни выполняют с сечением в виде узкого прямоугольника - плоские ремни; трапециевидного сечения - клиновые и поликлиновые ремни; круглого сечения — круглые и зубчатые.

В зависимости от профиля сечения ремня ременные передачи бывают: плоскоременная; клиноременная; поликлиноременная; круглоременная и зубчато-ременная. В настоящее время наибольшее распространение имеют клиноременные передачи и плоскоременные с применением плоских ремней из синтетических материалов, обладающих высокой статической прочностью и долговечностью.

Геометрия ременных передач. Основными параметрами открытой ременной передачи являются: диаметры шкивов D₁ и D₂, межосевое расстояние А, расчетная длина ремня L_p, угол обхвата а на малом шкиве. Диаметры шкивов определяются в зависимости от типа передачи, передаваемой мощности и передаточного отношения. Для плоскоременных и клиноременных передач они стандартизированы. Межосевое расстояние А, в основном, определяется конструкцией привода. Минимальные значения А зависят от типа передачи и диаметра шкивов.

Клиноремённые передачи. Клиноременная передача представляет собой открытую передачу с одним или несколькими ремнями, рабочими поверхностями которых являются боковые стороны.

Преимуществами клиноременных передач по сравнению с широко- ремёнными являются: большая тяговая способность; имеют меньшее межосевое, расстояние; допускают меньший угол обхвата малого шкива; допускают большие передаточные числа (и < 10); надежность работы при любом расположении валов; возможность бесступенчатого регулирования частоты вращения ведомого вала; сохранение работоспособности при обрыве одного из ремней, так как они допускают значительные перегрузки.

Клиноремённые передачи широко применяются в приводах до 400 кВт; к.п.д. составляет η = 0,87... 0,97.

Клиновые и поликлиновые ремни. Клиновые ремни в поперечном сечении представляют собой трапецию и состоят из резинового или резинотканевого слоя растяжения 1, несущего слоя 2 из кордткани или кордшнура, резинового слоя сжатия 3 и оберточного слоя прорезиненной ткани 4. Более гибкими и долговечными являются кордшнуровые ремни, применяемые в быстроходных передачах. Для увеличения гибкости ремни могут изготовляться с зубьями (пазами) на внутренней поверхности .

Клиновые приводные ремни выполняют бесконечными с углом клина φо = 40°. В зависимости от отношения ширины большего основания трапеции b_o к ее высоте h клиновые ремни бывают нормальных сечений b/h=1,6; узкие b/h=1,2; широкие b/h =2,5 и более применяемые в клиноременных вариантах. Ремни нормальных сечений стандартизированы по размерам сечения, которые обозначаются 0, А, Б, В, Г, Д, Е.

Узкие клиновые ремни передают в 1,5-2 раза больше мощности, чем ремни нормальных сечений. Четыре сечения этих ремней (У0, УА, УБ, УВ) заменяют семь нормальных сечений. Кроме этих ремней, стандартизированы: вентиляторные ремни автомобилей, тракторов и комбайнов и ремни приводные клиновые сельскохозяйственных машин.

Поликлиновые ремни представляют собой бесконечные плоские ремни с ребрами на нижней стороне, работающие на шкивах с клиновыми канавками. Ширина такого ремня в 1,5-2 раза меньше ширины комплекта ремней нормальных сечений при одинаковой мощности. Изготавливают три сечения кордшнуровых поликлиновых ремней, обозначаемых К, Л и М с числом ребер от 2 до 50, длиной от 400 до 4000 мм и углом клина φ₀ = 40°.

Зубчатые передачи. Зубчатой передачей называется механизм, служащий для преобразования вращательных движений или вращательного движения в поступательное при помощи зубчатого зацепления. Зубчатое зацепление представляет собой кинематическую пару, в которой зубья соприкасаются между собой по точкам или линиям. В зубчатом зацеплении меньшее зубчатое колесо пары называется шестерней, а большее - зубчатым колесом или просто колесом. Часть зубчатого колеса называется сектором.

Сектор цилиндрического зубчатого колеса бесконечно большого диаметра называется зубчатой рейкой.

Зубчатые передачи классифицируются по следующим признакам:

• по расположению осей валов - с параллельными, перекрещи­вающимися, скрещивающимися осями и соосные;

• по условиям работы - закрытые, работающие в масляной ванне и открытые - работающие всухую или смазываемые периодически;

• по числу ступеней — одноступенчатые и многоступенчатые;

• по взаимному расположению колес - с внешним или внутренним зацеплением;

• по изменению частоты вращения валов - понижающие и повышающие;

• по форме поверхности, на которой нарезаны зубья - цилиндрические и конические;

• по окружной скорости колес - тихоходные при скорости до 3 м/с, среднескоростные при скорости до 15 м/с, быстроходные при скорости более 15 м/с;

• по расположению зубьев относительно образующей колеса —прямозубые, косозубые, шевронные, с криволинейными зубьями;

- по форме профиля зуба - эвольвентные, круговые, циклоидальные. Основными видами зубчатых передач являются:

• с параллельными осями: а - цилиндрическая прямозубая; б -цилиндрическая косозубая; в - шевронная; г- с внутренним зацеплением;

• со скрещивающимися осями: д - зубчато-реечная;

• с перекрещивающимися осями: е - коническая прямозубая; ж -коническая с тангенциальными зубьями; з — коническая с криволинейными (круговыми) зубьями.

Преимуществами зубчатых передач являются: малые габариты по сравнению с другими передачами; более высокий к.п.д. (до 0,99 водной ступени); постоянство передаточного числа; небольшая нагрузка на опоры валов; большая долговечность и надежность работы; возможность применения в широком диапазоне мощностей (до десятков тысяч киловатт), окружных скоростей (до 150 м/с) и передаточных чисел (до нескольких сотен).

К недостаткам относятся: высокая точность изготовления; шум и вибрация при больших скоростях и недостаточной точности изготовления и сборки; невозможность бесступенчатого регулирования частоты вращения ведомого вала.

Зубчатые передачи нашли наибольшее распространение и широко применяются на тракторах, автомобилях, сельскохозяйственных и лесных машинах, металлорежущих, деревообрабатывающих станках и т.д.

Валы и оси. Вращающиеся детали машин устанавливают на валах или осях, обеспечивающих постоянное положение оси вращения этих деталей. Валом называется деталь машины, предназначенная для передачи крутящего момента, а также для поддержания деталей, вращающихся вместе с ним. Валы работают не только на изгиб, но и на кручение. Осью называется деталь машин и механизмов, служащая для поддержания вращающихся частей, но не передающая крутящий момент. Оси работают только на изгиб.

Поддерживая детали передач, оси и валы сами, в свою очередь, опираются на неподвижные опорные части - подшипники подпятники. Участки осей и валов, лежащие в опорах, называются цапфами. Концевые цап­фы называются шипами, а промежуточные - шейками. Торцевые части или уступы вала или оси, упирающиеся в непод­вижную опору и препятствующие осевому смещению, называются пятами, которые могут иметь плоскую, шаровую или кони­ческую формы.

По конструкции оси могут быть: подвижные, вращающиеся в опорах вместе с насаженными на них деталями и неподвижные, являющиеся опорой вращающихся на них деталей.

Валы по конструкции могут быть: сплошные и полые; с прямой осью; коленчатые; с изменяемой формой геометрической оси -гибкие, проволочные, тросовые, с шарниром.

Соединение вала или оси с деталями передач, насаженными на них, производится при помощи шпонок или шлицев. В осевом направлении насаженные на вал детали удерживаются от сдвига при помощи установочных и стопорных колец, клиновых шпонок и т.п., а также наличия на валах буртиков или уступов. Для уменьшения концентрации напряжений в ступенчатых валах переход с одного диаметра на другой делается плавным.

Опоры валов и осей. Подшипники. Валы и вращающиеся оси монтируют на опорах, которые определяют положение вала или оси, обеспечивают вращение, воспринимают нагрузки и передают их основанию машины. Основной частью опор являются подшипники; они могут воспринимать радиальные, радиально-осевые и осевые нагрузки.

Подшипники, воспринимающие осевые нагрузки, называются упорными.

По принципу работы различают подшипники скольжения, в которых цапфа вала скользит непосредственно по опорной поверхности, и подшипники качения, в которых между поверхностью вращающейся детали и опорной поверхностью расположены тела качения.

В подшипниках скольжения различают следующие виды трения:

сухое - это трение, при котором между трущимися поверхностями отсутствует смазка;

полусухое - смазка к трущимся поверхностям поступает в незначительном количестве и не обеспечивается постоянный подвод масла;

полужидкостное - это трение, при котором между трущимися поверхностями находится очень тонкий слой смазки;

жидкостное трение достигается при наличии между трущимися поверхностями слоя смазки, исключающего контакт металла с металлом.

Существует множество конструкций подшипников скольжения.

Широкое применение находят неразъемные и разъемные.

Неразъемный подшипник состоит из корпуса 1 и втулки 2, которая может быть неподвижно запрессована или закреплена в корпусе подшипника винтами 3 или свободно заложена в него. Неразъемные подшипники применяются в тихоходных машинах, приборах. Основным преимуществом подшипников является простота конструкции.

Разъемный подшипник состоит из корпуса 4, крышки 1, болтов или шпилек 2, скрепляющих крышку с корпусом, и вкладыша 3. Смазка к трущимся поверхностям подводится через отверстие в крышке 1. Износ вкладышей компенсируется поджатием верхней крышки. Материалом для корпуса служит, как правило, чугун, а для втулок или вкладышей - сплавы цветных металлов (бронзы, баббиты, латуни), антифрикционные чугуны, металлокерамические материалы и др.

Подшипники качения стандар­тизированы и выпускаются в большом диапазоне типоразмеров, наружным диа­метром от 1,5 мм до 2600 мм и массой от долей грамма до нескольких тонн. В большинстве случаев они состоят из двух колец - внутреннего 1 и наружного 2, тел качения 3 (шарики или ролики) и сепаратора 4, который удерживает тела качения на расстоянии друг от друга. По сравнению с подшипниками скольжения, подшипники качения имеют следующие достоинства: малые потери на трение и незначительный нагрев; малый расход смазки; небольшие габариты в осевом направлении; высокая степень взаимозаменяемости; невысокая себестоимость.

Недостатки: чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам; большие размеры в радиальном направлении; малая надежность в высокоскоростных привода. В зависимости от тел качения подшипники бывают шариковые и роликовые.

Подшипники классифицируются по следующим признакам:

по форме тел качения - шариковые, цилиндрические роликовые, игольчатые;

по числу рядов тел качения - однорядные, двухрядные и многорядные;

по направлению воспринимаемой нагрузки - радиальные, радиально-упорные, упорно-радиальные, упорные, комбини­рованные;

по возможности самоустановки — самоустанавливающиеся и несамоустанавливающиеся;

по габаритным размерам - серии диаметров и ширин;

по конструктивным особенностям - с контактным уплотнением, с защитной шайбой, с фланцем на наружном кольце и т.д.

Подбор подшипников качения производят по статической или динамической грузоподъемности.

Выбор подшипников качения производят по каталогам, в которых указаны все необходимые справочные величины.

Механические муфты. Муфтами называются устройства, служащие для кинематической и силовой связи в приводах машин и механизмов и передачи вращающего момента без изменения направления валов. Кроме основного их назначения, они компенсируют монтажные неточности и деформации геометрических осей валов, разъединяют и соединяют валы без остановки двигателя, предохраняют машину от поломок в аварийных режимах и т.д.

По принципу действия муфты подразделяют на четыре класса:

1- нерасцепляемые, которые не допускают разъединения валов при работе машины;

2- управляемые, допускающие разъединение валов при работе машины;

3- самодействующие, автоматически срабатывающие при изменении работы машины;

4- прочие; все другие виды муфт, не вошедшие в первые три класса. Муфты подразделяют на:

группы - механические, гидродинамические, электромагнитные;

подгруппы - жесткие, компенсирующие или самоустанавливающиеся, упругие, предохранительные, обгонные и др;

виды- фрикционные, с разрушаемым элементом, разъемные и др.; конструктивного исполнения - кулачковые, шариковые, зубчатые, фланцевые и др. ,

Наибольшее распространение получили механические муфты.

Нерасцепляемые жесткие муфты не допускают относительного смещения между ведущей и ведомой частями и не уменьшают динамические нагрузки.

Некоторые конструкции таких муфт изготавливаются в четырех исполнениях:

1-с цилиндрическим посадочным отверстием и штифтами ;

II - с призматическими шпонками ;

III - с сегментными шпонками ;

IV - с шлицевым посадочным отверстием.

Втулка в исполнениях II, III, и IV предохраняется от смещения в осевом направ­лении установочным винтом, который стопорится пружинным кольцом. Муфты могут передавать вращающий момент М_вр — 0,3... 12500 Н-м при диаметрах валов от 6 до 105 мм. Недостатком таких муфт является необходимость строгой соосности валов и совмещения их при монтаже и демонтаже.

Жесткая продольносвёртная муфта имеет разъем в плоскости, параллельной оси вала. Муфта состоит из двух полумуфт, соединенных болтами. Вращающий момент между соединяемыми валами передается силами трения на поверхности валов и полумуфт. В крупных муфтах дополнительно устанавливается призматическая шпонка. Муфта применяется для соединения валов d = 25... 130 мм при номинальных вращающих моментах М_ер = 125... 12500 Н-м. Допускаемое смещение между осями валов составляет до 0,05 мм. Достоинством муфты является возможность монтажа без осевого совмещения валов.

Жесткая фланцевая муфта имеет разъем в плоскости, перпендикулярной оси валов, и представляет собой два фланца (полумуфты), установленных на концах соединяемых валов и соединяемых болтами либо с зазором (исполнение I), либо без зазора (исполнение II). Муфты применяются для соединения соосных валов при передаче номинального вращающего момента: стальными полумуфтами М_вр = 16... 40000 Н-м и окружной скорости до 70 м/с; чугунными полумуфтами М_ер = 8... 20000 Н-м и окружной скорости до 35 м/с. Диапазон диаметров валов составляет от 12 до 250 мм.

Крестово-шарнирные муфты (универсальный шарнир, муфта Кардана-Гука) применяются для соединения валов, установленных под углом друг к другу до 45°. Такие муфты стандартизированы. Стандарт предусматривает изготовление двух типов муфт: одинарных (рис. а) и сдвоенных с промежуточной спаренной вилкой (рис.б). Эти муфты широко применяются в автомобилестроении (карданная передача). В сдвоенной шарнирной муфте ведущий вал 1 заканчивается вилкой, соединенной с крестовиной 2; вторая крестовина соединена с вилкой ведо­мого вала. Спаренная вилка обеспечивает соединение крестовин.

Муфта упругая втулочно-пальцевая применяется для соединения соосных валов, передачи номинального вращающего момента М_вр = 6,3... 16000 Н-м и d = 9... 160 мм. В зависимости от диаметра вала муфта допускает: частоту вращения до 8800 об/мин; радиальное смещение осей валов до 0,6 мм; угловое смещение до 1°30'.

Муфта состоит из двух чугунных полумуфт 1, в отверстиях которых закреплены стальные пальцы 4 с надетыми на них кольцами 3 и резиновыми втулками 2(рис.а, б). Металлический контакт между полумуфтами отсутствует, чем обеспечивается плавная работа муфты и электрическая изоляция валов. Такие муфты нашли большое распространение в машиностроении, автомобилестроении, тракторостроении и других отраслях.

Управляемые муфты подразделяются на: синхронные, позволяющие переключение только при равных или почти равных угловых скоростях ведущей и ведомой частей (кулачковые и зубчатые муфты) и асинхронные, позволяющие производить переключение при различных угловых скоростях ведущей и ведомой частей (фрикционные муфты).

Кулачковая сцепная муфта состоит из двух частей, насаженных на соединяемые концы валов. Одна полумуфта на вал посажена наглухо, а вторая может перемещаться вдоль вала по направляющей шпонке или шлицам при помощи рычага управления. На внутренних торцах обеих полумуфт имеются выступы (кулачки) и впадины между ними. При сцеплении кулачки подвижной полумуфты входят во впадины неподвижной полумуфты. В связи с тем, что при соединении кулачки и выступы полумуфт должны находиться друг против друга, их соединение должно производиться при малых скоростях вращения валов или при полной остановке вала.

Фрикционные муфты обеспечивают плавное сцепление ведомого и ведущего валов и пуск в ход неподвижного вала от вращающегося ведущего. Передача вращающегося момента осуществляется за счет сил трения между ведущими и ведомыми частями муфты. При перегрузках ведомые и ведущие части муфты проскальзывают относительно друг друга, что предохраняет машину или механизм от поломки. Фрикционные муфты делятся на одно- и многодисковые, конические и барабанные.

Однодисковая фрикционная муфта имеет одну пару поверхностей трения. Ведущая полумуфта закреплена на ведущем валу неподвижно, а полумуфта, сидящая на ведомом валу, перемещается в осевом направлении.

Для соединения валов к подвижной полумуфте с помощью механизма управления прикладывается осевая сила Q. Прочность сцепления в муфте зависит от коэффициента трения и его стабильности при изменении скорости скольжения, давления и температуры.

Коническая фрикционная муфта (рис. б) имеет конические поверхности трения, которые позволяют создать на них значительные нормальные давления и силы трения при относительно небольших силах нажатия Q. Следует иметь в виду, что угол наклона образующей конуса должен быть больше угла трения покоя во избежание самозахватывания муфты.

Многодисковая фрикционная муфта (рис.в) имеет несколько пар трущихся поверхностей трения. В ней имеются две группы дисков: наружные (ведущие), соединенные шлицами или зубьями с ведущей полумуфтой 1, насаженной наглухо на ведущем валу, и внутренние (ведомые), соединенные таким же способом с другой (ведомой) полумуфтой, закрепленной на ведомом валу. На правый крайний ведомый диск действует сила нажатия Q, передаваемая от механизма управления с помощью отводки 3 и качающегося рычага 2.

В автомобилях широко применяются однодисковые фрикционные муфты с двумя поверхностями трения; в тракторах находят широкое применение многодисковые муфты.