Конспект лекций по КММ

резьбы гайки 3 при сжатии витков винта.

Люфтовыбирающий механизм на основе гайки с эластичной регулировкой осевого зазора показан на рис. 10.2, б. Выборку осевой составляющей бокового зазора осуществляет пружина 2, отжимая гайку 1 от гайки 4, обеспечивая двухпрофильный контакт резьбы винта 3 с резьбами гаек 1 и 4. Расчет пружины проведен в разделе 9.2.

Механизмы выборки мертвого хода на основе гаек с жесткой и эластичной регулировкой осевой составляющей бокового зазора обеспечивают высокую точность относительного перемещения винта и гайки при их движении как в прямом, так и в обратном направлениях.

Рис. 10.2

10.2.Выборка мертвого хода в зубчатых механизмах

Вмехатронных модулях используют механизмы выборки бокового зазора между зубьями колес зубчатых передач двух типов: автономные и с дополнительной кинематической цепью (замкнутым энергетическим потоком) [35].

Вавтономных механизмах выборки мертвого хода используют метод раздвоения ведомого колеса, где в качестве силовых элементов используют пружины.

На рис. 10.3 приведена конструктивная схема такого механизма. Основная половина 1 раздвоенного зубчатого колеса закреплена на валу, а вторая половина 2 образует с втулкой основной половины 1 колеса подвижное соединение и ее фиксируют от осевого смещения шайбой 3. Под влиянием пружины 4, закрепленной одним концом на половине 1 колеса, другим – на половине 2, половинки колес поворачиваются относительно друг друга в разные стороны и выбирают бо-

ВЫБОРКА МЕРТВОГО ХОДА В ВИНТОВЫХ И ЗУБЧАТЫХ МЕХАНИЗМАХ 293

ковой зазор между зубьями ведущего и ведомого колес. Пружину 4 устанавливают во время сборки механизма с предварительным натяжением, достаточным для выборки мертвого хода в данной зубчатой паре и передаче крутящего момента другого знака, т.е. при реверсе.

Рис. 10.3

Нарезание зубьев на половинках 1 и 2 раздвоенного колеса производят одновременно после их фиксации шайбой 3 и двумя цилиндрическими штифтами 5, которые после нарезания зубьев удаляют.

Силу Fïð пружины 4 (рис. 10.4) найдем из условия:

F r Fïð rïð n ,

где F T – окружная сила, дей- r

го колеса; rïð – радиус окружности на которой установлены пружины;

=1,25...1,5 – коэффициент силы запаса пружины; n – число пружин. Откуда

Но сила пружины пропорциональна ее деформации ïð :

Fïð Cïð ïð .

Тогда жесткость пружины будет равна:

где m – модуль зубьев; z – число зубьев, на которое поворачиваются половинки колеса друг относительно друга.

Следовательно жесткость пружины будет равна:

Кроме выборки мертвого хода при помощи пружин используют жесткую фиксацию, заключающуюся в предварительном относительном смещении половинок раздвоенного зубчатого колеса и их жестком закреплении при помощи винтов, болтов, клеммовых соединений и т.д.

Основными недостатками выборки мертвого хода методом раздвоения колеса являются: наличие большого числа дополнительных элементов (пружин, зубчатых колес, винтов и т.д.), увеличенные потери в зацеплении, обусловленные тем, что трение возникает не только на рабочей стороне зуба, но и на нерабочей. Это приводит к ускоренному износу зубьев.

Указанные недостатки частично могут быть устранены в механизмах выборки мертвого хода с дополнительной кинематической

ВЫБОРКА МЕРТВОГО ХОДА В ВИНТОВЫХ И ЗУБЧАТЫХ МЕХАНИЗМАХ 295

цепью (безлюфтовые механизмы с замкнутым энергетическим потоком). Они позволяют осуществить полный выбор люфтов во всех составляющих звеньях путем принудительного разворота в противоположные стороны двух соосно расположенных элементов одной из передач. Обычно для образования замкнутого контура к исходной кинематической цепи добавляют точно такую же параллельно расположенную кинематическую цепь, однако это необязательно. Иногда замыкающая кинематическая цепь может представлять собой цепь иного рода, чем исходная.

Рис. 10.5

На рис. 10.5 приведена схема безлюфтового планетарного механизма. Исходная кинематическая цепь состоит из центрального колеса 1, сателлита 3, закрепленного на водиле Н и неподвижного центрального колеса 5.

Для выборки люфтов устанавливают дополнительную кинематическую цепь, состоящую из центрального колеса 2, соединенного с центральным колесом 1 при помощи упругого элемента (торсиона, пружины) 7, сателлита 4, подвижного центрального колеса 6 с внутренним зацеплением и винта 8.

При завинчивании винта 8 подвижное центральное колесо 6 поворачивается и выбирает зазор в паре зубчатых колес 6-4. Затем начинается поворот сателлита 4 и выбирается зазор в паре 4-2. Далее через торсион 7 поворот передается центральному колесу 1 и выбирается зазор в паре 1-3 и далее поворот сателлита 3 приводит к выборке зазора в паре 3-5. После выборки всех зазоров во всей кинематической цепи происходит дополнительная закрутка торсиона 7, что обеспечивает постоянный натяг в цепи и исключает появление люфта при износе элементов отдельных передач.

Диаметр торсиона, мм, определяют из условия прочности на кручение:

где Т – вращающий момент на торсионе, Н мм; – допускаемое касательное напряжение материала торсиона при кручении, МПа:

T ,

n T

Т – предел текучести материала торсиона при кручении, МПа; [n]T – допустимый (требуемый) коэффициент запаса прочности. Принимают

[n]T=1,5...2,5.

В проектных расчетах при отсутствии значений предела текучести Т материала торсиона можно принимать [ ]Т=450...500 МПа [20].

Длину торсионного вала, мм, находят из условия:

где – угол закручивания торсионного вала, рад. Обычно принимают=0,09...0,18 рад (5 ...10 ); G – модуль упругости второго рода материала торсиона, МПа; J p – полярный момент инерции поперечного сечения торсионного вала, мм4.

Торсионы изготовляют из хромованадиевых сталей марок 60С2ХФА, 50ГФА и углеродистых сталей марок 60, 65, 70, 85.

297

Глава 11 ТОРМОЗНЫЕ УСТРОЙСТВА

Тормозными называют устройства, которыми снабжают мехатронные модули для уменьшения скорости подвижного звена, остановки и удержания (фиксации) его в неподвижном состоянии.

При торможении происходит преобразование накопленной в процессе разгона движущихся масс кинетической энергии в другие обратимые или необратимые виды энергии (потенциальную, тепловую).

Взависимости от природы сил торможения тормозные устройства разделяют на механические, гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные. Механические тормозные устройства подразделяют на пружинные, резиновые, эластомерные, инерционные и фрикционные; гидравлические – представляют собой устройства дроссельного регулирования; пневматические – могут быть напорными и вакуумными (применяются редко); к электрическим относят электромагнитные, индукционные и гистерезисные, а также порошковые тормозные устройства с сухим и жидким наполнителем фрикционного и дроссельного типов; комбинированные – включают в себя два или более типов перечисленных устройств (пневмогидравлические, пружинно-пневматические и др.).

Ко всем типам тормозных устройств предъявляют следующие основные требования: обеспечение заданного закона торможения; безударный останов и фиксация подвижных элементов в точках позиционирования; высокая надежность и долговечность конструкции; высокое быстродействие; простота и компактность конструкции; стабильность характеристик при изменении условий работы; малая чувствительность к изменению температуры, влажности, тормозимой массы, скорости; возможность настройки и доступность регулирования; удобство осмотра и обслуживания; низкая стоимость, минимальные габариты и масса [3].

11.1.Механические тормозные устройства

Вмеханических тормозных устройствах силу сопротивления движению подвижного звена создают деформацией рабочих элементов (упругие) или трением (фрикционные). В качестве упругих элементов наиболее часто применяют цилиндрические пружины сжатия, реже – растяжения. Распространение получили резиновые и резино-

металлические упругие элементы различной конфигурации, а также пенополиуретановые упругие элементы [3].

Основными рабочими элементами фрикционных тормозных устройств являются пары трения вращательного или поступательного типов.

Простейшими тормозными устройствами могут служить одна или несколько цилиндрических пружин, которые устанавливают непосредственно между функциональным звеном и упорами параллельно оси его движения либо оформляют в виде отдельного конструктивного узла.

Силу сопротивления пружины вычисляют по формуле:

Fпр cx ,

где х – деформация пружины; с – коэффициент продольной жесткости цилиндрической витой пружины из проволоки круглого поперечного сечения [31]:

где G – модуль упругости 2-го рода материала пружины (для пружинных сталей G=(7,85...8) 104 МПа); dП – диаметр проволоки пружины, мм; DП – средний диаметр витка пружины, мм; n – число рабочих витков пружины.

Останов подвижного звена произойдет при равенстве кинетической энергии подвижного звена и потенциальной энергии упругой деформации пружины:

mv2 cx 2 .

2 2

Цилиндрические пружины допускают большие деформации без значительных напряжений в их материале, сохраняют свои характеристики под воздействием продолжительной статической нагрузки, выдерживают значительные температурные воздействия. В то же время они обладают малым демпфированием, возникают трудности при регулировании (настройке) силовой характеристики, начальное поджатие приводит к возникновению скачка нагрузки на тормозимые массы.

Фрикционные тормозные устройства используют как для торможения и позиционирования в промежуточных точках, так и для удержания (фиксации) функциональных звеньев.

Главной особенностью фрикционных устройств является то, что они преобразуют значительную часть кинетической энергии в тепло-

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ФРИКЦИОННЫЕ ТОРМОЗНЫЕ УСТРОЙСТВА 299

вую, которая рассеивается в окружающее пространство. Следовательно, фрикционные устройства накапливают небольшое количество потенциальной энергии, обусловливающей силу отдачи, а фрикционные устройства без упругих элементов полностью поглощают подведенную кинетическую энергию.

Конструкции фрикционных тормозных устройств весьма разнообразны. Они могут быть как автономными поступательного и вращательного движения, так и встроенными в пневмоили гидродвигатель, управляемыми и неуправляемыми, нормально замкнутыми и разомкнутыми, одно- и двустороннего действия. Однако независимо от типа и конструкции они содержат одну или несколько фрикционных пар, при относительном движении элементов которых возникает сила трения, направленная в сторону, противоположную смещению. Обычно одно из звеньев фрикционной пары удерживают или укрепляют неподвижно относительно корпуса или другого узла, по отношению к которому осуществляется торможение.

11.2. Электромагнитные фрикционные тормозные устройства

необходимое для затормаживания подвижного звена, нагруженного вращающим моментом Т, находят из условия износостойкости [31]:

где q – давление на трущихся поверхностях; К=1,25...1,5 – коэффициент, учитывающий эксплуатационные условия; Dср – средний диаметр кольца контакта дисков:

DН – наружный диаметр кольца контакта дисков:

DH Dcp 1 3 5 d ,

d – диаметр вала подвижного звена; DВ – внутренний диаметр кольца контакта дисков:

DB 0,5 0,6 DH ,

– коэффициент рабочей ширины дисков:

Принимают =0,33...0,11, что соответствует DB/DH=(0,5...0,8). Чаще всего =0,25; b – рабочая ширина дисков:

[q] – допускаемое давление на трущихся поверхностях; f – коэффициент трения скольжения материалов дисков (табл. 11.1).

Т а б л и ц а 11.1

Допускаемое давление и коэффициент трения

Полученное число Z округляют до целого числа. Число дисков в ведущей части тормоза:

Z ÂÙ Z2 ,

в ведомой части:

Z BÌ Z2 1.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ФРИКЦИОННЫЕ ТОРМОЗНЫЕ УСТРОЙСТВА 301

Необходимая сила пружины при числе Z пар тормозных поверхностей равна:

Растормаживание осуществляют с помощью электромагнитов, суммарное усилие которых должно быть больше силы пружины:

nFý Fïð ,

где Fý – усилие одного электромагнита; n – число электромагнитов. Для создания тормозных устройств с программируемыми точка-

ми останова и регулирования скорости движения выходного звена (поршня или цилиндра) (позиционеров) используют встроенные в двигатель фрикционные устройства. Они могут быть встроены в поршень или цилиндр и взаимодействовать с цилиндром, штоком или другими движущимися вместе с ними деталями.

Для осуществления программного останова выходного звена позиционера применяют управляемые фрикционные устройства, снабженные собственным приводом, который по команде системы управления замыкает или размыкает тормоз.

В пневмопозиционере (рис. 11.2) фрикционный тормоз является нормально замкнутым. В процессе позиционирования обе полости пневмоцилиндра соединены с атмосферой и пружины 1 прижимают плунжеры 2 с фрикционными

накладками 3 к внутренней поверхности цилиндра. При подаче сжатого воздуха, например, в правую полость цилиндра шариковый клапан 5, предотвращая перетечку воздуха в левую полость, открывает ему доступ в кольцевой канал 4, соединяющий полости плунжеров 2, которые сжимают пружины и растормаживают поршень.

Под действием давления воздуха в правой полости поршень перемещается влево. Для его остановки обе полости пневмоцилиндра соединяют с атмосферой. При этом давление в полости плунжеров и в обеих полостях пневмоцилиндра падает, фрикционные накладки прижимаются к поверхности цилиндра пружинами, тормозят и останавливают поршень.