Основные виды механизмов

На рисунке 1.7 а показана схема шарнирного четырехзвенника, который широко используется при проектировании в станкостроении, приборостроении, а также в строительной технике, в сельскохозяйственных, снегоуборочных и других машинах. Если заменить в шарнирном четырехзвеннике одну вращательную пару на поступательную, то получим широко известный кривошипно-ползунный механизм (рис. 1.7 б, в).

Основными элементами кривошипно-ползунного механизма являются кривошип 1; шатун 2; ползун 3 и стойка 4, а также кинематические пары А, В, С, D.

а) б) в)

Рисунок 1.7 - Схемы кривошипно-ползунного механизма

Кривошипно-ползунный механизм получил широкое применение в компрессорах, насосах, двигателях внутреннего сгорания и других механизмах.

Наиболее распространенными механизмами преобразования вращательного движения в прямолинейное являются наряду с кривошипно-шатунным механизмом винтовой, эксцентриковый, кулисный, храповой и другие механизмы.

Путем замены в шарнирном четырехзвеннике вращательной пары на поступательную, получают различные схемы кулисных механизмов (рис. 1.8). Составляющие кулисного механизма: кривошип 1, камень 2, кулиса 3.

Рисунок 1.8 – Схемы кулисных механизмов

Кулисные механизмы нашли широкое применение в строгальных станках, благодаря присущему им свойству асимметрии рабочего и холостого хода, у них длительный холостой ход и быстрый рабочий ход.

Большое применение в робототехнике получили шарнирно-рычажные механизмы. На рисунке 1.9 изображен механизм манипулятора, где 1, 2, 3, 4 – звенья, а А, В, С, D – кинематические пары.

Рисунок 1.9 – Схема механизма манипулятора

В винтовых механизмах (передачах винт - гайка) движение передается от винта к гайке, т. е. вращательное движение винта преобразуется в поступательное движение гайки, например механизм поперечного перемещения суппорта токарного станка.

Встречаются конструкции, когда движение передается от гайки к винту, и винтовые передачи, в которых вращение винта преобразуется в поступательное того же винта, при закрепленной неподвижно гайке. Примером такого механизма может служить винтовая передача верхней части стола (рис. 1.10) фрезерного станка. При вращении рукояткой 6 винта 1 в гайке 2, закрепленной винтом 3 в салазках 4 стола 5, винт 1 начинает двигаться поступательно. Вместе с ним движется по направляющим салазок стол 5.

Рисунок 1.10 – Схема винтового механизма

Винтовые механизмы обычно применяются там, где необходимо преобразовать вращательное движение во взаимозависимое поступательное или наоборот. Взаимозависимость движений устанавливается правильным подбором геометрических параметров винтовой пары. Часто винтовой механизм служит для подъема грузов или вообще для передачи усилий (в домкратах, винтовых стяжках и т. д.). В этом случае винты будут называться грузовыми. Грузовые винты обычно работают с незначительными скоростями, но с большими усилиями по сравнению с ходовыми винтами. Основными деталями винтового механизма являются винт и гайка.

Схема эксцентрикового механизма показана на рисунке 1.11 а. Эксцентрик представляет собой круглый диск, ось которого смещена относительно оси вращения вала, несущего диск. Когда вал 2 вращается, эксцентрик 1 воздействует на ролик 3, перемещая его и связанный с ним стержень 4 вверх. Вниз ролик возвращается пружиной 5. Таким образом, вращательное движение вала 2 преобразуется эксцентриковым механизмом в поступательное движение стержня 4.

а) б)

Рисунок 1.11 - Эксцентриковый и кулачковый механизмы

Широкое применение в технике получили кулачковые механизмы (рис. 1.11 б), с помощью которых конструктивно наиболее просто можно получить практически любое движение ведомого звена по заданному закону. Показанный на рисунке 1.11 б механизм представляет собой кулачок 1 с канавкой 2 сложной формы на торце, в кoторую помещен ролик 3, соединенный с ползуном 4 посредством стержня 5. В результате вращения кулачка 1 (на разных его участках) ползун 4 получает разную скорость прямолинейного возвратно-поступательного движения.

Кулачковый механизм представляет собой механизм с высшей кинематической парой. Ведущим звеном кулачкового механизма, показанного на рисунке 1.12, является кулачок 1, профиль которого определяет закон движения ведомого звена- толкателя 2.

Рисунок 1.12 – Схема кулачкового механизма

Кулачковые механизмы широко применяются в станках-автоматах и других машинах для осуществления автоматического цикла работы. Эти механизмы могут быть с дисковым цилиндрическим и торцовым кулачками.

Храповые механизмы позволяют в широком диапазоне изменять величину периодических перемещений рабочих органов машин. Типы и область применения храповых механизмов разнообразны.

Храповой механизм (рис. 1.13) состоит из четырех основных звеньев: стойки 1, храповика (зубчатого колеса) 4, рычага 2 и детали 3 с выступом, которая носит название собачки. Храповик со скошенными в одну сторону зубьями насажен на ведомый вал механизма. На одной оси с валом шарнирно закреплен рычаг 2, поворачивающийся (качающейся) под действием приводной штанги 6. На рычаге также шарнирно укреплена собачка, выступ которой имеет форму, соответствующую впадине между зубьями храповика.

Рисунок 1.13 - Храповой механизм

Во время работы храпового механизма приходит в движение рычаг 2. Когда он движется вправо, собачка свободно скользит по закругленной части зуба храповика, затем она под действием своей силы тяжести или специальной пружины заскакивает во впадину и, упираясь в следующий зуб, толкает его вперед. В результате этого храповик, а с ним и ведомый вал поворачиваются. Обратный поворот храповика с ведомым валом при холостом ходе рычага с собачкой 3 предотвращается стопорной собачкой 5, шарнирно закрепленной на неподвижной оси и прижатой к храповику пружиной. Описанный механизм преобразует качательное движение рычага в прерывисто-вращательное движение ведомого вала.

Механизмы, в которых передача движения между соприкасающимися телами осуществляется за счет сил трения, называются фрикционными.

Фрикционные передачи классифицируются по следующим принципам.

• по назначению: с нерегулируемым передаточным числом; с бесступенчатым регулированием передаточного числа (вариаторы) без промежуточного звена и с промежуточным звеном.

• по взаимному расположению осей валов: цилиндрические или конусные с параллельными осями; конические и лобовые с перпендикулярными осями; торовые соосные.

• по условиям работы: открытые; закрытые (работают в масляной ванне).

На рисунке 1.14 показаны простейшие трехзвенные фрикционные механизмы: фрикционный механизм с параллельными осями (а); фрикционный механизм с пересекающимися осями (б). Основные составляющие механизмов: входной ролик 1; выходной ролик (колесо) 2.

Вследствие того, что звенья 1 и 2 прижаты друг к другу, по линии касания между ними возникает сила трения, которая увлекает за собой ведомое звено 2.

а) б)

Рисунок 1.14 – Фрикционные механизмы

Преимущества фрикционной передачи:

1) простота конструкции и обслуживания;

2) плавность передачи и бесшумность работы;

3) большие кинематические возможности – преобразование вращательного движения в поступательное, бесступенчатое изменение скорости; возможность изменения направления движения (реверсирования) «на ходу», включение и выключение передачи «на ходу» без остановки, при резком изменении условий работы.

4) предохранительные свойства из-за возможности пробуксовки.

Недостатки фрикционной передачи:

1) непостоянное передаточное число из-за проскальзывания;

2) небольшая передаваемая мощность (10 – 20 кВт - открытые; 200 – 300 кВт - закрытые);

3) сравнительно низкий кпд (открытые η = 0,68 – 0,86; закрытые η = 0,88 – 0,93);

4) большой и неравномерные износ катков при пробуксовке;

5) наличие громоздких прижимных устройств опор валов.

Область применения фрикционной передачи с постоянным передаточным числом в машиностроении достаточно ограниченна (фрикционные прессы, молоты, лебедки). Чаще они применяются в приборах (магнитофоны, проигрыватели, спидометры и т.д.), где требуется плавность и бесшумность работы. Широко используют в машиностроении вариаторы, например в металлорежущих станках, приводах транспортных машин и т.п.

Материалы: а) «сталь по стали» в закрытых быстроходных силовых передачах (ШХ15, 40ХН, 18ХГТ и др.); б) «чугун по чугуну» в открытых силовых передачах или там же «сталь по чугуну», что снижает шум при работе; в) «сталь (чугун) по коже, резине, пластмассе, текстолиту», которыми покрывают чаще всего ведущий каток.

Если допустить, что в фрикционной передаче отсутствует проскальзывание, то окружные скорости будут равны ʋ₁ = ʋ₂. Учитывая, что

где D₁ , D₂ - диаметры входного и выходного роликов; ω₁, ω₂ – угловые скорости входного и выходного роликов, можно записать:

Фактически ʋ₁ ≠ ʋ₂ и величина скольжения где

- теоретическая угловая скорость; ω₂ - фактическая скорость ведомого колеса, ε = 0,005 – 0,03.

Для передачи вращательного движения по заданному закону между валами с параллельными, пересекающимися и перекрещивающимися осями применяются различного вида зубчатые механизмы. При помощи зубчатых колес можно осуществлять передачу движения как между валами с неподвижными осями, так и с осями, перемещающимися в пространстве.

Зубчатые механизмы применяют для изменения частоты и направления вращения выходного звена, суммирования или разделения движений. На рисунке 1.15 показаны кинематические схемы основных представителей зубчатых передач: цилиндрические зубчатые пере­дачи с внешним зацеплением (а); цилиндрические передачи с внутренним зацеплением (б); передача шестерня-рейка (в); конические зубчатые передачи с пересекающимися ося­ми валов (г); гипоидная передача (д); передачи зубчатые цилиндрические со скрещиваю­щимися валами (е).

д) е)

Рисунок 1.15 - Кинематические схемы механических зубчатых передач

Меньшее из двух зацепляющихся зубчатых колес называют шестерней, а большее - зубчатым колесом. Рейка является частным случаем зубчатого колеса, у которого радиус кривизны равен бесконечности.

Передаточное отношение отдельной зубчатой пары равно:

, (1.2)

где ω₁, ω₂ – угловые скорости ведущего и ведомого колес; z₁ и z₂ - числа зубьев ведущего и ведомого колес;

Передаточное отношение зубчатой пары с внешним зацеплением (рис. 1.16) имеет знак «минус», так как ведущее и ведомое колеса вращаются в противоположных направлениях, передаточное отношение пары с внутренним зацеплением (рис. 1.17)  знак «плюс».

Рис. 1.16 Рис. 1.17

В случае реечного зацепления (рис. 1.18) вращательное движение колеса с угловой скоростью  преобразуется в поступательное движение рейки со скоростью .

, (1.3)

где r_н  радиус начальной окружности колеса; m  модуль зацепления.

При повороте колеса на угол, равный 360^о, рейка продвигается на величину шага t = π m.

Рисунок 1.18 - Механизм реечного зацепления

Если в зубчатой передаче имеются зубчатые колеса с подвижными осями, то эти передачи называют планетарными (рис. 1.19). Планетарная зубчатая передача состоит из стойки 0, представляющей зубчатое колесо 3 с внутренним зацеплением; солнечного зубчатого колеса 1; сателлита 2.

Рисунок 1.19 – Кинематическая схема планетарной передачи

К зубчатым механизмам с подвижными осями относятся планетарные зубчатые механизмы с одной степенью свободы (см. рис. 1.19) и дифференциальные зубчатые механизмы с двумя степенями свободы (рис. 1.20).

Рисунок 1.20 - Схема дифференциального механизма

Соотношение между угловыми скоростями зубчатых колес и водилом дифференциального механизма определяется формулой:

.

(1.4)

Индекс «н» указывает, что в данном случае водило является неподвижным звеном, 1 - ведущее звено, 3 - ведомое звено.

Если колесо z₃ закрепить неподвижно, то мы получим планетарный механизм. Передаточное отношение от зубчатого колеса z₁ к водилу планетарного механизма определяется формулой:

.

(1.5)

Для подсчета кинетической энергии механизма, выбора подшипников при проектировании планетарных механизмов необходимо знать угловую скорость сателлитов. Поскольку скорость ведущего звена z₁ задана и скорость водила может быть определена с использованием формулы (5), для определения угловой скорости сателлита необходимо знать передаточное отношение от центрального колеса z₁ к сателлиту или от водила к сателлиту:

.

(1.6)

Разделив числитель и знаменатель правой части выражения (6) на _н, получим:

. (1.7)

Тогда можно определить угловую скорость сателлита:

. (1.8)

При определении передаточного отношения редуктора необходимо разделить его механизм на отдельные ступени. Прежде всего, следует выделить планетарную ступень, имея в виду, что в планетарную ступень входят водило, сателлиты и два центральных зубчатых колеса.

Планетарные и дифференциальные механизмы практически почти никогда не делаются с одним сателлитом, обычно сателлитов, входящих в зацепление с одними и теми же центральными колесами, несколько. Это делается для уменьшения сил инерции и разгрузки зубчатых колес механизма, уменьшения модуля зацепления и общих габаритов редуктора.

При определении числа степеней свободы следует иметь в виду, что все добавочные сателлиты (больше одного) являются пассивными связями.

Классификация зубчатых передач

- по передаточному отношению: 

а) с постоянным передаточным отношением; б) с переменным передаточным отношением;

- по форме профиля зубьев:  а) эвольвентные; б) круговые (передачи Новикова); в) циклоидальные;

- по типу зубьев: а) прямозубые; б) косозубые; в) шевронные; г) криволинейные.

- по взаимному расположению осей валов: 

а) с параллельными осями (цилиндрические передачи с прямыми, косыми и шевронными зубьями); б) с пересекающимися осями (конические передачи); в) с перекрещивающимися осями.

- по форме начальных поверхностей:  а) цилиндрические; б) конические; в) гиперболоидные.

- по окружной скорости колёс: а) тихоходные; б) среднескоростные; в) быстроходные.

- по степени защищенности:  а) открытые; б) закрытые.

- по относительному вращению колёс и расположению зубьев: 

а) внутреннее зацепление (вращение колёс в одном направлении);

б) внешнее зацепление (вращение колёс в противоположном направлении).

Достоинства зубчатых передач:

1) возможность применения в широком диапазоне скоростей, мощностей и передаточных отношений;

2) высокая нагрузочная способность и малые габариты;

3) большая долговечность и надёжность работы;

4) постоянство передаточного отношения;

5) высокий КПД (87-98%) и простота обслуживания.

Недостатки зубчатых передач:

1) большая жёсткость не позволяющая компенсировать динамические нагрузки;

2) высокие требования к точности изготовления и монтажа;

3) шум при больших скоростях.