5.1.2 Передачи трением

При выборе типа передач трением, как это следует из их видовой иерархии, прежде всего, целесообразно фиксировать потребность регулирования скорости проектируемого механизма. В дисциплинах ДМ и ОК и ОП по причине ограниченности учебного времени рассматриваются лишь механизмы с нерегулируемым передаточным отношением. Их подразделяют на фрикционные (с непосредственным контактом ведущего и ведомого элементов) и ременные – со связью ведущего и ведомого элементов посредством гибкого органа. Фрикционные механизмы применяют для передачи движения между параллельными и пересекающимися осями валов, а ременные, главным образом, между осями параллельными (рис.2.2). В современных приводах фрикционные передачи в качестве самостоятельных механизмов применяются крайне редко. Значительно шире используются передачи ременные, обеспечивающие снижение динамических нагрузок и демпфирование колебательных процессов. По частоте использования в приводах ременные передачи являются вторыми после зубчатых. В силу низкой нагрузочной способности ременные передачи применяют в механизмах с мощностью, не превышающей кВт, и окружных скоростях до 50 м/сек. В уникальных передачах передаваемая мощность достигает 200 кВт, а скорость – до 100 м/сек. Устанавливают ременные передачи на быстроходных ступенях приводов, имеющих минимальные нагрузки, и там, где максимально используются их позитивные свойства. В качестве гибкого элемента в передачах применяют плоские, клиновые и поликлиновые ремни (рис. 2.2). При выборе профиля ремня обычно учитывают большую нагрузочную способность ремней клинового и поликлинового профиля. Передачи с клиновыми ремнями применяют в случае необходимости получения минимальных размеров ременного приводного устройства. Передачи плоскоременные используются в быстроходных механизмах со значительными межосевыми расстояниями, в которых они лучше обеспечивают требуемую долговечность.

В заключении раздела заметим, что применение передач трением с плавно регулируемым передаточным отношением (вариаторов) в современных приводах постоянно расширяется, поскольку они обеспечивают возможность получения наиболее оптимальной скорости работы исполнительного механизма в каждой конкретной ситуации. Вариаторы имеют необычайно развернутую видовую классификацию как с использованием фрикционных, так и ременных передач. Ознакомиться с этой разновидностью передач трением можно в работе [Пронин].

5.2. Передачи зубчатые. Выбор типа зубчатых передач

Зубчатые передачи обладают высшими показателями по нагрузочной способности, размерам, удельной массе, КПД, надежности и долговечности, широте диапазона параметров, в пределах которых они могут применяться. По этой причине пристальное внимание к научному и инженерному изучению данных механизмов привело к исключительно широкому их видовому разнообразию. Это обстоятельство усложняет назначение наиболее рационального решения в задачах выбора видового исполнения. В качестве первичного признака классификации зубчатых передач можно принять форму профиля рабочей (активной) поверхности зуба. По этому признаку выделяют зубчатые колеса с зубьями эвольвентного, кругового и циклоидального профиля, теоретически обеспечивающие непрерывность зацепления.

Зубчатые колеса с циклоидальным (гипо- и эпициклоидальным) профилем существенно уступают другим профилям по прочности и потому не применяются в силовых приводах. Их используют в кинематических схемах различных приборов в связи с возможностью реализации больших передаточных отношений (i в одной ступени), так как рассматриваемые профили позволяют изготовлять зубчатые колеса с малым числом зубьев (z = 3…4).

Зубчатые колеса эвольвентного и кругового профиля применяются в силовых приводах. Дальнейшие классификационные признаки, рассмотренные ниже, справедливы как для эвольвентных, так и круговых зубьев.

В качестве вторичного признака при назначении вида зубчатого механизма можно принять подвижность осей зубчатых колес (рис. 2.3). В современном машиностроении более широко применяются простые передачи с неподвижными осями зубчатых колес. Они более просты по конструкции, изготовлению и эксплуатации.

Передачи с подвижными осями зубчатых колес (планетарные, дифференциальные) применяются при специфических требованиях в отношении ограничений размеров и массы зубчатых колес, при необходимости обеспечения значительных передаточных отношений. Дифференциальные механизмы также используются в приводах, требующих бесступенчатое регулирование скорости. В курсах ДМ и ОК, ОП в основном рассматриваются простые передачи.

После выбора формы профиля зубьев и признака подвижности осей зубчатых колес фиксируют третий уровень классификационной иерархии –желательное расположение осей зубчатых колес относительно друг друга. С этих позиций, как следует из рис. 2.3, выделяют передачи между параллельными (цилиндрические) и пересекающимися (конические) осями. С позиции эксплуатационных показателей неоспоримое преимущество имеют передачи цилиндрические: они имеют большую нагрузочную способность (меньшие размеры и удельную массу), меньшие потери энергии и более высокий КПД, проще и дешевле в изготовлении и монтаже. Поэтому цилиндрическим передачам следует отдать предпочтение во всех случаях, кроме тех, в которых пересекающиеся оси колес обеспечивают лучшую компоновку механизма, машины в целом. Требование о желательном расположении осей зубчатых колес устанавливается на этапе разработки технической концепции всего технического объекта, который выполняется перед проработкой отдельных структурных составляющих. Желательное взаимное расположение осей валов, например, будет определено положением оси приводного вала исполнительного механизма относительно оси вала двигателя с учетом его наиболее удобного расположения на проектируемом техническом объекте.

В цилиндрических передачах за выбором формы образующей поверхности колес, как следует из рис. 2.3, устанавливают целесообразность использования внешнего или внутреннего зацепления. Передачи внешнего зацепления несколько проще в изготовлении и в конструктивном плане, что обеспечивает более широкое их использование. Однако, передачи внутреннего зацепления обладают большей нагрузочной способностью в силу контакта выпуклой рабочей поверхности зуба шестерни с вогнутой – у зуба колеса, а также большего перекрытия в зацеплении. Эта особенность внутреннего зацепления обеспечивает возможность уменьшения размеров и массы передачи. В передачах внешнего зацепления далее следует выбрать либо колеса с образующими рабочей поверхности параллельными их осям (прямозубые) или наклоненными к ним (косозубые). Косозубые колеса находят более широкое применение в силу их более плавной работы, меньшего уровня динамических нагрузок и шума, большей нагрузочной способности. Эти положительные качества косозубых колес обусловлены постепенным вхождением зубьев в зацепление по ширине зубчатого венца, большего коэффициента перекрытия в зацеплении и большей рабочей длины линии контакта при одинаковой ширине колес. Косозубые зубчатые колеса производятся на одном и том же оборудовании и практически по одинаковым технологиям с зубчатыми колесами прямозубыми. Недостатком косозубых передач является появление осевой составляющей в зацеплении и нагружении ею опор. Появление осевой составляющей может привести к усложнению конструкции подшипниковых узлов. С целью исключения этого обычно ограничивают значение угла наклона зубьев, а при назначении больших углов наклона ( ) применяют сдвоенные косозубые колеса с обратным углом наклона в каждом из них – шевронные передачи. В таких колесах осевая составляющая на одной половине колеса уравновешивается составляющей на другой и не нагружает подшипники. Для обеспечения полного уравновешивания вал с опорами одного из зубчатых колес выполняется «плавающим» (см. раздел «Валы и опоры»). Цилиндрические зубчатые колеса прямозубые применяют лишь в малонагруженных тихоходных передачах при окружных скоростях м/сек, или при необходимости освобождения вала с опорами от осевых нагрузок.

В конических зубчатых передачах на заключительном этапе видового подбора назначают исполнение колес: прямозубое или с круговым зубом. В современных конструкциях целесообразно использование конических колес с круговым зубом, которые обладают более высокой нагрузочной способностью и повышенным КПД. Такие колеса также проще в изготовлении. Конические прямозубые колеса используются главным образом в тихоходных малонагруженных передачах.

Специфическое место в передачах зубчатых имеют реечные механизмы (рис.2.3), которые исполняют функции преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот. В случае малых поступательных перемещений реек часто используют неполные зубчатые колеса в виде зубчатых секторов. Углы секторов, на которых нарезаны зубья, определяется требующимся перемещением рейки. При выполнении обратной функции угол сектора будет определяться требуемым углом его поворота.

Лекция №6. Силовой анализ зубчатых механизмов. Виды отказов и методы их расчетов