Тема 4.4 Механизмы передачи вращательного движения Требования к знаниям и умениям студентов

Должны иметь представление: о механических передачах, их назначении, принципе действия, области применения

Должны знать: классификацию механических передач, устройство и принцип действия фрикционных, зубчатых, ременных, червячных и цепных передач.

Должны уметь: выполнять расчет зубчатой передачи по предлагаемой методике.

Содержание учебного материала

Классификация механических передач, их назначение, принцип действия. Основные кинематические и силовые соотношения для одноступенчатых передач.

Фрикционные передачи, их устройство, принцип работы, область применения, достоинства, недостатки, классификация. Понятие о вариаторах.

Зубчатые передачи, их устройство, принцип работы, область применения, достоинства, недостатки, классификация. Роль зубчатых передач в современной технике. Основные параметры эвольвентного зацепления.

Прямозубая цилиндрическая передача, её кинематический и геометрический расчёт.

Непрямозубые цилиндрические передачи, их особенности и область применения.

Понятие о конической зубчатой передаче.

Червячные передачи, их устройство, принцип работы, область применения, достоинства, недостатки, классификация. КПД передач. Материалы для их изготовления.

Ременные передачи, их устройство, принцип работы, область применения, достоинства, недостатки, классификация. Материалы для их изготовления.

Цепная передача, устройство, принцип работы, область применения, достоинства, недостатки. Виды приводных цепей.

Методические рекомендации

Большинство современных машин создается по схеме двигатель – передача – исполнительный орган машины. Непосредственное соединение двигателя с рабочим органом машины применяется крайне редко, как правило, устанавливают промежуточный механизм – передачу.

Передачами называют механизмы, служащие для передачи механической энергии на расстояние. Следует обратить внимание на функции передач:

1. Согласование угловых скоростей исполнительных органов машин и двигателей;

2. Регулирование и реверсирование скорости исполнительного органа машины при постоянной угловой скорости двигателя;

3. Преобразование вращательного движения двигателя в поступательное или другое движение рабочего органа машины;

4. Приведение в движение нескольких исполнительных органов от данного двигателя.

Далее следует изучить классификацию передач. По принципу передачи движения от ведущего звена к ведомому передачи делятся на две группы: 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).

Изучение темы целесообразно продолжить изучением основных кинематических и силовых соотношений в передаче.

Основные характеристики передач: мощность на ведущем и ведомом валах, угловая скорость вещего и ведомого валов. Заметьте, что эти характеристики минимально необходимы и достаточны для выполнения проектировочного расчета любой передачи.

Кроме основных, различают производные характеристики: механический коэффициент полезного действия передачи, окружная скорость, передаточное число, окружная сила передачи, вращающий момент. Следует отметить, что передачи для увеличения угловой скорости называют ускорителями или мультипликаторами. Передачи для уменьшения угловой скорости рабочего органа машины называют редукторами.

Необходимо запомнить, что передаточным отношением передачи называется отношение угловых скоростей или частот вращения ведущего и ведомого звеньев.

Далее рекомендуется изучить фрикционные передачи. Фрикционная передача относится к передачам трением с непосредственным контактом фрикционных элементов. Передача состоит из двух катков, закрепленных на валах (рекомендуется самостоятельно рассмотреть устройство и принцип работы).

Во фрикционных передачах нагрузка передается путем прижатия катков друг к другу. На практике применяют два способа прижатия катков: постоянной силой (например, пружины, собственный вес элементов передачи и т.п.) и переменной силой, которая автоматически изменяется пропорционально изменению передаваемой силы.

Далее следует изучить достоинства и недостатки фрикционных передач.

Достоинства: плавность и бесшумность работы; простота конструкций и эксплуатации; возможность бесступенчатого регулирования передаточного числа; фрикционные передачи предохраняют механизмы от поломок при перегрузках вследствие скольжения ведущего катка по ведомому.

Недостатки: большие нагрузки на валы и подшипники из-за большой силы прижатия катков, что усложняет конструкцию передачи и увеличивает ее размеры; непостоянство передаточного числа из-за неизбежного упругого скольжения катков; повышенный износ катков и др.

Фрикционные передачи классифицируют по следующим признакам:

1. По назначению: с нерегулируемым передаточным числом, с бесступенчатым регулированием передаточного числа (вариаторы) без промежуточного звена и с промежуточным звеном.

2. По взаимному расположению осей валов: цилиндрические или конусные с параллельными осями, конические и лобовые с пересекающимися осями, торовые соосные.

3. В зависимости от условий работы: открытые (работают всухую), закрытые (работают в масляной ванне).

4. По принципу действия: нереверсивные, реверсивные.

Далее познакомьтесь с областью применения фрикционных передач. Вследствие отмеченных выше недостатков фрикционные передачи с постоянным передаточным числом в машиностроении применяют сравнительно редко (фрикционные прессы, молоты, лебедки в буровой технике и т.п.). Эти передачи чаще применяют в приборах, где требуется плавность и бесшумность работы (магнитофоны, проигрыватели и т.п.). Наиболее распространены в машиностроении вариаторы – фрикционные передачи с переменным передаточным числом (их применяют в металлорежущих станках, в приводах текстильных и транспортных машин).

Обратите внимание, что к материалам трущихся поверхностей катков предъявляют следующие требования: высокие износостойкость, коэффициент трения, модуль упругости и влагостойкость. Применяют следующие сочетания материалов:

1. Закаленная сталь по закаленной стали.

2. Чугун по чугуну.

3. Чугун по стали.

4. Текстолит, гетинакс или фибра по стали или по чугуну.

5. Кожа, резина, прорезиненная ткань, ферродо, пластмассы по стали или чугуну.

Далее следует самостоятельно рассмотреть виды разрушений рабочих поверхностей катков (усталостное выкрашивание, износ, задир).

Следует обратить внимание, что основным критерием работоспособности и расчета фрикционных передач с металлическими катками является их контактная прочность, которая зависит от значения контактных напряжений. Необходимо рассмотреть формулу для определения наибольших контактных напряжений и затем выяснить условие прочности.

Далее перейдите к изучению зубчатых передач. Необходимо знать, что зубчатая передача относится к передачам зацеплением с непосредственным контактом пары зубчатых колёс. Меньшее из колёс передачи принято называть шестерней, а большее – колесом. Зубчатая передача предназначена в основном для передачи вращательного движения.

Рассмотрите достоинства и недостатки зубчатых передач.

Достоинства: высокая нагрузочная способность; малые габариты; большая надёжность работы; постоянство передаточного числа; высоки к.п.д.; простота в эксплуатации.

Недостатки: повышенные требования к точности изготовления и монтажа; шум при больших скоростях; плохие демпфирующие свойства; возможность опасных перегрузок и недопустимость ступенчатого регулирования скорости.

Следует знать, что зубчатые передачи – это самый распространённый вид механических передач в машиностроении и приборостроении. Назовите конкретные примеры применения зубчатых передач.

Далее внимательно изучите классификацию зубчатых передач:

1. По взаимному расположению геометрических осей колёс: цилиндрические (реечные), конические, винтовые.

2. По расположению зубьев на поверхности колёс: прямозубые, косозубые, шевронные, с круговым зубом.

3. По форме профиля зуба: эвольвентные, циклоидальные, с зацеплением Новикова.

4. По взаимному расположению колёс: внешние, внутренние.

5. По окружной скорости: тихоходные, среднескоростные, скоростные, быстроходные.

Обратите внимание, что в зубчатых передачах вращение от одного колеса к другому передаётся силами в точках контакта боковых поверхностей зубьев. Поверхности взаимодействующих зубьев зубчатых колёс, обеспечивающие постоянное передаточное число, называют сопряженными поверхностями зубьев. Для получения таких поверхностей профили зубьев нужно очертить кривыми, подчиняющимися определённым законам. Эти законы вытекают из основной теоремы зубчатого зацепления: общая нормаль nn к профилям зубьев, проведённая через точку их косания, в любой момент зацепления проходит через полюс зацепления П, делящий межосевую линию О₁О₂ на отрезки, обратнопропорциональные угловым скоростям. Рассмотрите доказательство теоремы зубчатого зацепления и следствие из неё. Обратите внимание, что из теоретически возможных профилей, удовлетворяющих требованиям основной теремы зацепления, преимущественное применение получили в машиностроении эвольвентные профили. Изучите их достоинства, а также актуализируйте из курса "Основы инженерной графики" принцип образования эвольвенты, понятия "производящая прямая" и "основная окружность". Изучите свойства эвольвенты.

Следует рассмотреть как образуется линия зацепления пары зубчатых колёс и где распологается угол зацепления (отметьте, что значение угла зацепления стандартно: αω=20˚).

Рассмотрите способы изготовления зубчатых колёс, то есть способы получения заготовки, а также методы получения зубьев колёс на заготовке (накатывание; нарезание: метод копирования и метод обкатки).

Следует знать, что точность зубчатых передач регламентируется стандартами (ГОСТ 1643-72 для цилиндрических и СТ СЭВ 186-75 для конических передач), которые устанавливают 12 степеней точности, обозначаемых в порядке убывания точности цифрами 1, 2, ….., 12. Наибольшее распостронение имеют 6-я (высокой точности), 7-я (точные), 8-я (средней точности)- передачи общего машиностроения; 9-я (пониженной точности)- обычно открытые передачи. Выбор степени точности зависит от окружной скорости колёс.

Отметьте, что подрезание зубьев возникает при нарезании методом обкатки колёс с малым числом зубьев, то есть если в нарезаемом колесе число зубьев меньше минимально допустимого. Подрезание заключается в том, что вершины зубьев режущего инструмента внедряются в ножки зубьев нарезаемого колеса. Для устранения подрезания зубьев, для повышения изгибной и контактной прчности, а также вписывания зубчатых передач с любым числом зубьев в заданное межосевое расстояние применяют зубчатые колёса со смещением. Рассмотрите принцип получения таких колёс и два типа применяемых передач со смещением.

Изучите основные геометрические и силовые соотношения цилиндрических прямозубых передач. Отметьте их достоинства и недостатки и, на основании этого, определите область применения.

Следует знать, что решающее влияние на работоспособность зубьев зубчатых колёс оказывают контактные напряжения и напряжения изгиба, изменяющиеся по некоторому прерывистому циклу. Переменные напряжения являются причиной усталостного разрушения зубьев: излома и выкрашивания рабочих поверхностей. Сила трения, действующая в зацеплении зубьев и связанная со скольжением, вызывает износ и заедание зубьев. Отметьте, что основным критерием работоспособности и расчёта закрытых передач является контактная усталость рабочих поверхностей зубьев, открытых передач - прочность зубьев на изгиб. Обратите внимание, какие меры необходимо предпринять, чтобы предупредить различные виды разрушения зубьев зубчатых колёс.

Последовательно рассмотрите применяемые материалы для изготовления зубчатых колёс: стали двух групп (1. колёса с твёрдостью зубьев Н ≤ НВ 350; 2. колёса с твёрдостью зубьев Н > НВ 350), чугуны, пластмассы. Отметьте достоинства и недостатки колёс из этих материалов, а также область их применения.

Рассмотрите особенности расчёта допускаемого контактного напряжения и допускаемого напряжения изгиба с учётом нагрузочного режима и требуемого ресурса передачи.

Последовательно изучите формулы проверочного и проектного расчётов зубчатых передач на контактную и изгибную выносливость. Отметьте особенности расчёта конических передач. Обратите внимание на особенности выбора основных параметров зубчатых передач, таких как модуль зубьев, число зубьев шестерни, а также расчётных коэффициентов: коэффициента ширины колеса; коэффициентов, учитывающих неравномерность распределения нагрузки между зубьями при расчёте на контактную и изгибную выносливость; коэффициентов, учитывающих неравномерность распределения нагрузки по ширине зубчатого венца; коэффициентов, учитывающих динамическую нагрузку, возникающую вследствие кромочного удара зубьев при входе в зацепление; коэффициента формы зуба.

Далее перейдите к изучению червячных передач. Изучение темы необходимо начать со знакомства с общими сведениями о червячных передачах.

Студент должен знать, что червячная передача предназначена для сообщения вращательного движения валам, оси которых скрещиваются под углом 90°. Движение осуществляется по принципу винтовой пары: винтом является червяк, а червячное колесо представляет собой узкую часть длиной гайки, изогнутой по окружности резьбой наружу. Зубья колеса имеют вогнутую форму, что увеличивает длину контактных линий, а, следовательно, улучшает качество работы передачи.

Далее перейдите к изучению достоинств и недостатков передачи.

Достоинства: возможность получения больших передаточных чисел при малых габаритах; плавность зацепления и бесшумность работы; возможность получения самотормозящей передачи.

Недостатки: сравнительно низкий к.п.д.; повышенный износ и нагрев; склонность к заеданию; необходимость применения для венцов червячных колес дорогих антифрикционных материалов.

Область применения: применяют в машинах, где по условиям компоновки необходимо передать движение между скрещивающимися валами, а также в делительных механизмах для получения большого передаточного числа, червячные передачи во избежание их перегрева предпочтительно использовать в приводах периодического действия.

Следует знать, что червячные передачи классифицируют по следующим признакам:

1. По расположению червяка относительно колеса: различают передачи с нижним, верхним и боковым червяком.

2. По форме поверхности: цилиндрические (с эвольвентными, с архимедовыми и конволютными червяками) и глобоидные.

3. По количеству витков червяки делят на: однозаходные и многозаходные.

4. По направлению витка: левые или правые.

Следует обратить внимание, что передаточное число передачи определяют из условия, что за один оборот червяка колесо повернется на число зубьев равное числу витков червяка.

Необходимо знать, что червячные передачи имеют повышенное скольжение в зацеплении, причина которого заключается в том, что окружные скорости червяка и колеса направлены под углом скрещивания одна к другой (витки червяка скользят по зубьям червяка). Скорость скольжения является равнодействующей окружных скоростей и направлена по касательной к линии витков червяка.

Точность изготовления червячных передач регламентирована СТ СЭВ 311-76, который устанавливает 12 степеней точности. Выбор степени точности производится в зависимости от скорости скольжения.

Обратите внимание, что червячные передачи имеют сравнительно низкий к.п.д. – это их основной недостаток. К.п.д. увеличивается с возрастанием числа витков червяка и с уменьшением коэффициента трения.

Наиболее характерные в червячной передаче виды разрушения: заедание и износ зубьев червячного колеса, как менее прочного элемента передачи. Поэтому основным критерием работоспособности и расчета червячных передач является контактная прочность рабочих поверхностей зубьев колеса. При этом расчет зубьев на изгиб производится как проверочный.

Особенностью червячных передач при работе является выделение большого количества теплоты, что ухудшает условия смазки, при этом увеличивается износ и опасность заедания, поэтому обязательно производят тепловой расчет червячной передачи (необходимо самостоятельно рассмотреть расчет на прочность и тепловой расчет червячных передач).

Вследствие всех выше указанных факторов (высокие скорости скольжения, неблагоприятные условия смазки и т.д.) требуется, чтобы материалы червяка и колеса имели низкий коэффициент трения, повышенное сопротивление износу и пониженную склонность к заеданию. Выполнение червячной пары из однородных материалов не дает желаемых результатов, поэтому червяк выполняют из сталей, а колеса из бронз.

Далее перейдите к изучению ременных передач. Ременная передача относится к передачам трением с гибкой связью. Передача состоит из двух шкивов (ведущего и ведомого), закрепленных на валах, и ремня, надетого на шкивы с предварительным натяжением. Нагрузка передается силами трения, возникающими между шкивами и ремнем.

Далее целесообразно изучить достоинства и недостатки ременных передач.

Достоинства: плавность и бесшумность работы; простота конструкции и эксплуатации; возможность передачи мощности на большие расстояния; смягчение вибрации, толчков и ударов вследствие упругости ремня; предохранение механизмов от перегрузки вследствие возможного проскальзывания ремня; возможность бесступенчатого регулирования скорости.

Недостатки: большие габариты; некоторое непостоянство передаточного числа из-за неизбежного проскальзывания ремня; повышенные нагрузки на валы и подшипники от натяжения ремня; низкая долговечность ремней.

Следует обратить внимание, что ременные передачи применяют во всех отраслях машиностроения и преимущественно в тех случаях, когда по условиям конструкции валы расположены на значительных расстояниях.

Ременные передачи классифицируют по следующим признакам.

1. По форме сечения ремня: плоскоременные, клиноременные, круглоременные, зубчатоременные.

2. По взаимному расположению осей валов: с параллельными осями, с пересекающимися осями – угловые, со скрещивающимися осями.

3. По направлению вращения шкивов: с одинаковым направлением (открытые и полуперекрестные), с противоположными направлениями (перекрестные).

4. По способу натяжения ремня: простые, с натяжным роликом и с натяжным устройством.

5. По конструкции шкивов: с однорядными шкивами, со ступенчатыми шкивами, с раздвижными конусными шкивами.

Рассмотрите материалы для ременных передач. Шкивы изготовляют в основном из чугуна, в шкивах сварных конструкций применяют сталь, для шкивов облегченных конструкций используют алюминиевые сплавы, текстолит. Обратите внимание на общие требования, предъявляемые к материалам приводных ремней: износостойкость и прочность при циклических нагрузках, высокий коэффициент трения со шкивами, малый модуль упругости. Для ремней плоскоременных передач используют прорезиненную, хлопчатобумажную и шерстяную ткани и в особых случаях – кожу, ремни клиноременных и круглоременных передач изготовляют из кордткани, провулканизированных резиной.

Далее рекомендуется самостоятельное изучение конструкций деталей ременных передач: приводных ремней, шкивов и натяжных устройств.

Далее рекомендуется самостоятельно изучить особенности плоской, клиновой, поликлиновой и зубчатой ременных передач, провести анализ и дать их сравнительную характеристику.

Далее перейдите к изучению цепных передач. Рассмотрите устройство и принцип работы цепных передач. Цепная передача состоит из ведущей и ведомой звёздочек, огибаемых цепью. Относится к передачам зацеплением гибкой связью.

Обратите внимание на достоинства и недостатки цепных передач, так как они определяют их область применения.

Достоинства: возможность передачи мощности на большие расстояния; сравнительно небольшие нагрузки на валы и их опоры; высокий к.п.д.; возможность передачи движения одной ведущей звёздочкой нескольким ведомым с разным направлением вращения.

Недостатки: сравнительно быстрый износ шарниров и, как следствие, удлинение цепи, что требует натяжных устройств; необходимость тщательного монтажа и ухода; повышенный шум вследствие удара звена цепи при входе в зацепление, особенно при малых числах зубьев звёздочек, большом шаге и высокой скорости цепи. Наибольшее распространение цепные передачи получили в сельскохозяйственном, транспортном и химическом машиностроении, а также в подъёмно-транспортных устройствах.

Рассмотрите классификацию цепных передач по следующим признакам:

1. По типу цепей: с роликовыми, втулочными или зубчатыми цепями.

2. По количеству рядов роликовые цепи делят на: однорядные, многорядные.

3. По количеству ведомых звёздочек: нормальные двухзвенные, специальные-многозвенные.

4. По расположению звёздочек: горизонтальные, наклонные, вертикальные.

5. По способу регулирования провисания цепи: с натяжным устройством, с натяжной звёздочкой (роликом).

6. По конструктивному исполнению: открытые, закрытые.

Далее внимательно рассмотрите конструктивные особенности роликовых, втулочных и зубчатых цепей, звёздочек и натяжных устройств. Обратите внимание, что по конструкции звёздочки напоминают зубчатые колёса, и профиль зубьев звёздочки зависит от типа цепи.

Рассмотрите применяемые материалы цепей и звёздочек, отмечая, что материалы цепей должны быть прочными и износостойкими, звёздочек - износостойкими и хорошо сопротивляться ударным нагрузкам.

Основным критерием работоспособности и расчета цепных передач является долговечность работы цепи на износостойкость шарниров звеньев цепи. Проектный расчёт цепной передачи выполняют на основании заданной мощности, угловой скорости, передаточного отношения, межосевого расстояния, режима работы и смазки передачи. Расчет на износостойкость шарниров звеньев цепи выполняют как проверочный. Для получения необходимой долговечности цепной передачи из условия износостойкости шарниров среднее давление в шарнирах не должно превышать допускаемого.

Так как смазка оказывает существенное влияние на долговечность цепи, обратите внимание на выбор способа смазки цепи, который зависит от скорости цепи. Рассмотрите, при каких скоростях цепи применяют периодическую смазку ручной маслёнкой, непрерывную капельную, картерную смазку различных видов.

[ 1 ] §§ 92-115; [ 2 ] §§ 3.19-3.40, 3.46-3.57.