6 Механизмы приводов
Если раньше в приводах для создания различных законов движения исполнительных органов применялось множество разнообразных, иногда очень сложных механизмов, то в современных машинах используется ограниченный набор относительно простых механизмов, а сложные законы движения реализуются программным путем. Однако исключить в приводах механизмы полностью, т. е. перейти к «прямым» приводам, удается не часто из-за сложности согласования параметров движения двигателя и рабочего органа. Перечислим причины, по которым в приводах используются механизмы.
1. Известно, что подавляющее число двигателей, особенно двигателей средней и большой мощности, являются вращательными. В то же время исполнительные органы машин могут двигаться по-разному: вращаться, двигаться поступательно, совершать колебательное или иное сложное движение. Для преобразования вида движения (вращательного двигателя в движение исполнительного органа) нужен механизм.
2. Известно, что мощность двигателя существенно зависит от его скорости. Для увеличения мощности при фиксированном моменте или силе, а, следовательно, и при ограниченных габаритах двигателя, стремятся увеличивать его скорость. В то же время исполнительный орган может двигаться медленно. Для преобразования движения по скорости нужен механизм.
3. Двигатель небольших габаритов развивает небольшое усилие (момент или силу). В то же время усилие на исполнительном органе может быть значительным. Для преобразования движения по усилию нужен механизм.
4. По условиям компоновки машин двигатель часто расположен далеко от исполнительного органа. Поэтому нужен механизм для передачи движения на расстояние.
6.1 Механизмы для преобразования вида движения
Для преобразования вида движения в приводах используются различные механизмы. Выбрать нужный (оптимальный) механизм сложно. При выборе нужно учитывать множество "противоречивых" факторов: геометрия, кинематика и динамика механизма, компоновка, стоимость, несущая способность, долговечность, точность, жесткость и т. д. Но прежде всего при выборе механизма нас интересует: вид преобразованного движения, передаточное отношение механизма, основные силовые зависимости и связанные с ними размеры механизма.
Рассмотрим с этих позиций наиболее часто встречающиеся (типовые) механизмы с передачами: рейка-шестерня, винт-гайка, цепь-звездочка, зубчатый ремень-зубчатый шкив, кулачок-толкатель, поводок-мальтийский крест, собачка-храповик, кривошип-шатун-коромысло, кривошип-шатун-ползун, кривошип-ползун-кулиса. Схемные и конструктивные исполнения механизмов на основе этих передач весьма разнообразны.
6.1.1 Механизмы на основе передачи рейка-шестерня
Схема механизма на основе передачи рейка-шестерня может выглядеть, как показано на рис. 6.1.
Рис. 6.1. Схема механизма с передачей рейка-шестерня:
1 – каретка; 2 – опоры-катки; 3 – балка (рельс, направляющая, траверса); 4 – зубчатая рейка; 5 – шестерня
Если ведущей является шестерня, передаточное отношение шестерня-рейка uш-р (1/м)
или
(6.1)
где ω и φ угловая скорость и угол поворота шестерни;
V и S линейная скорость и перемещение рейки.
Если ведущей является рейка, передаточное отношение рейка-шестерня u р-ш (м)
(6.2)
Очевидно, что в первом случае, чем меньше шестерня, тем больше передаточное отношение, а во втором случае наоборот. В первом случае (встречается гораздо чаще второго) стремятся уменьшить радиус шестерни с целью уменьшения габаритов механизма и увеличения передаточного отношения. Однако при этом растет сила F в зацеплении, F = M/r, где М момент на шестерне. Следовательно, увеличиваются деформации в механизме, уменьшается его точность, увеличивается износ, нарушается плавность движения.
Выбор модуля зацепления также зависит от силы F и, следовательно, от момента и диаметра шестерни. Например, исходя из расчета на прочность зуба шестерни при изгибе, модуль зуба
(6.3)
где YF – коэффициент прочности зуба, который зависит от геометрии зуба;
K – коэффициент нагрузки, который зависит от условий работы передачи;
M – крутящий момент на шестерне;
z – число зубьев шестерни;
m – коэффициент ширины шестерни, который зависит от вида и конструкции передачи;
[]и – допускаемое напряжение материала зуба при изгибе.