МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ *
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧАХ
Назначение и роль передач в машинах
История развития техники обусловила вращение как основную форму передачи и использования механической энергии в машинах и механизмах. Наиболее распространенные энергетические машины — двигатели внутреннего сгорания, паровые турбины (двигатели внешнего сгорания), электромоторы, преобразовывая химическую энергию топлива или электрическую энергию в механическую, выдают ее потребителю в виде вращения вала. Несмотря на то, что в истории техники было немало примеров использования энергии машин без вращательного движения (паровые машины Ньюкомена, Ползунова, Уатта с приводом для насосов), вращение получило наибольшее распространение. Причины этого кроются в основном в простоте, компактности, высоком КПД, непрерывности и равномерности движения передаточных механизмов, или иначе — механических передач.
В современной технике существует несколько типов передач — электрические, гидродинамические, гидростатические, пневматические и ряд других, второстепенных по назначению. Но в большинстве случаев и они не обходятся без присутствия механических передач. В курсе «Детали машин» рассматриваются только механические передачи, нередко их называют просто «передачи».
Назначение передач в основном состоит в понижении или повышении частоты вращения двигателя или иного источника вращательного движения с соответствующим повышением или понижением вращающего момента.
Для чего это делается? Ведь существуют двигатели как быстроходные, так и тихоходные, и, в принципе, они могли бы непосредственно приводить в движение рабочий орган. Существуют и используются тепловые двигатели и электрические, валы которых способны вращаться с частотами вращения от десятков до десятков тысяч оборотов в минуту (от единиц до тысяч радиан в секунду). Эти частоты вращения могли бы удовлетворить практически любой рабочий орган — от тяговой звездочки конвейера до шлифовального круга. Но тихоходные двигатели из-за огромного вращающего момента очень велики и тяжелы, а быстроходные — обычно уникальны или неэкономичны. А наиболее употребительные и дешевые электродвигатели — асинхронные — обеспечивают вращение с частотами 1000... 3000 (в ряде стран 1200... 3600) мин-1, меньшие частоты уже малоэффективны.
Почти так же обстоит дело и с наиболее распространенными автотракторными двигателями внутреннего сгорания, частота вращения которых обычно находится в пределах от 1500 до 6000 мин-1.
Большинство же рабочих органов машин требует более низких частот вращения, что вызывает необходимость понижающих передач (редукторов).
Реже встречается необходимость повышать частоту вращения двигателей. Наиболее впечатляющий пример — это привод для ветроэлектростанций, которых в мире насчитывается уже десятки тысяч. Ветроколесо такой электростанции мощностью, например, 5 МВт (5.106 Вт) делает около 15 оборотов в минуту, а генератор, соединенный с ветроколесом механической передачей, — 1500. Следовательно, между ветроколесом и генератором находится мультипликатор — передача, повышающая частоту вращения ветроколеса в 100 раз. Такой мультипликатор — внушительное сооружение массой в десяток тонн.
Кроме простого преобразования частоты вращения и вращающего момента двигателя в какое-то конкретное число раз передачи могут:
регулировать ступенчато или бесступенчато частоту вращения рабочего органа машин; реверсировать движение, т. е. обеспечивать прямой и обратный ход; преобразовывать один вид движения в другой (например, вращательное в прямолинейное, качательное, прерывистое и т.д.); распределять движение между несколькими исполнительными органами машины (например, приводить в движение несколько станков или ведущих колес автомобиля от одного двигателя).
Классификация передач и их краткий анализ
В этом разделе приводится классификация и анализ передач, преобразующих вращательное движение во вращательное же, но с другими параметрами. Их — подавляющее большинство в современной технике. Классификация механизмов, преобразующих вращательное движение в другие виды движений, рассматривается в курсе «Теория машин и механизмов».
Передачи классифицируются по двум главным признакам:
в зависимости от способа передачи вращения на передачи зацеплением (зубчатые, червячные, цепные, зубчатыми ремнями, винтовые) и передачи трением (фрикционные, с гладкими ремнями); в зависимости от способа соединения ведущего и ведомого звеньев на передачи с непосредственным контактом (зубчатые, червячные, винтовые, фрикционные) и с гибкой дополнительной связью (ременные, цепные).
В связи с многовариантностью выбора передач конструктором и большой важностью именно этого первоначального обоснованного выбора типа передачи ниже приводится краткое описание передач, а также анализ их преимуществ, недостатков, перспектив, предпочтительные области применения каждой передачи. Ведь обоснованный выбор типа передачи для того или иного конкретного назначения — это творческий процесс, которым в первую очередь должен овладеть молодой специалист-конструктор. Дальнейшие расчеты передач, как бы важны они ни были, все-таки вторичны, и успех технического решения главным образом зависит от удачного выбора варианта передачи.
Итак, рассмотрим в упомянутом аспекте следующие наиболее распространенные механические передачи: зубчатые, червячные и другие передачи со скрещивающимися осями, винтовые, цепные, ременные, фрикционные, а также проведем их сравнение по основным показателям.
Передача с зацеплением м. Л. Новикова
В 1954 г. в Россиии Появилось новое удачное зубчатое зацепление, в отличие от множества других, не проявивших себя с положительной стороны, — зацепление М.Л.Новикова Зубья, по М.Л.Новикову, профилируются по дугам окружностей, причем выпуклость на одном зубе сопрягается с вогнутостью на другом. При этом зубья выполняются винтовыми, а следовательно, рабочие поверхности зубьев можно охарактеризовать как круговинтовые. Нагрузочная способность такой передачи в 1,5... 1,7 раза выше, чем у аналогичной по размерам и материалу эвольвентной косозубой передачи. Недостатки — чувствительность к изменению межосевого расстояния, сложность инструмента для нарезания зубьев.
Планетарные и волновые передачи
По сравнению с другими зубчатыми передачами планетарные и волновые передачи появились сравнительно недавно. Планетарную передачу предложил в 1781 г. изобретатель паровой машины Дж. Уатт, причем не совсем по ее прямому назначению, а для того, чтобы заменить кривошипно-шатунный механизм, запатентованный применительно для паровой машины другим изобретатеелем. Однако столетие спустя планетарная передача стала активно использоваться по своему прямому назначению в трансмиссиях машин.
Самой «молодой» из зубчатых передач является волновая передача. Впервые такая передача была запатентована в США инженером Массером в 1959 г. и за довольно краткий срок широко распространилась во многих областях техники.
Рис. 2.9. Схема планетарной передачи: a — центральное колесо наружного зацепления; b — центральное колесо внутреннего зацепления; g — сателлиты; Н — водило
Планетарными называются передачи, имеющие зубчатые колеса с подвижными осями. Эти передачи (рис. 2.9) состоят из центральных колес наружного a и внутреннего b зацепления (часто используются устаревшие названия, соответственно солнечное колесо и эпицикл). Центральные колеса а и b находятся в зацеплении с сателлитами g, вращающимися вокруг осей, установленных в водиле Н, которое тоже вращается. Сателлиты, вращаясь вокруг собственных осей, вращаются, кроме того, и вокруг центрального колеса а, подобно планетам вокруг Солнца. Отсюда и название передачи.
Ведущим в планетарной передаче может быть как центральное колесо а, так и водило Н при остановленном колесе b. Можно вращать и колесо b при остановленном колесе а. При этом получаются различные передаточные отношения в одной и той же передаче. Для получения хода назад (реверса) останавливают водило Н и вращают центральные колеса — а или b. При этом и на заднем ходу получают различные передаточные отношения.
Если же вращаются и водило, и оба центральных колеса, то получают так называемую дифференциальную передачу, которая, в отличие от большинства механических передач, имеет не одну, а две степени свободы. Такие дифференциальные передачи широко применяются в автомобилях для механической связи ведущих колес как на одной оси (межколесный дифференциал), так и для связи ведущих колес на разных осях (межосевой дифференциал).
Дифференциальные передачи часто применяются совместно с механическими и немеханическими бесступенчатыми передачами, расширяя их функциональные возможности — повышая КПД или увеличивая диапазон передаточных отношений. Роль таких комбинированных передач в технике все возрастает.
Планетарные передачи могут быть одно- или многоступенчатыми и иметь передаточные отношения до 1000 и более.
Так как в планетарных передачах вращающий момент распределяется по нескольким потокам — по числу сателлитов, эти передачи получаются намного компактнее обычных зубчатых передач. Кроме того, все подшипники, кроме сателлитных, здесь разгружены от радиальных усилий. Так как водило вращается в ту же сторону, что и ведущее центральное колесо, КПД, особенно при малых передаточных отношениях, в планетарной передаче может быть чрезвычайно высок.
Все это создает большие преимущества планетарным передачам, да и вообще планетарным схемам механизмов, делая их весьма перспективными во многих отраслях машиностроения. В настоящее время планетарные передачи выполняют на мощности от нескольких ватт (приборы, сервопривод) до мегаватт (например, ветроэлектростанции) при колоссальных вращающих моментах — до5.106 Н.м.
Планетарные передачи, несмотря на их сложность, очень перспективны, если требуются высокая компактность и расширение функций передачи — реверс, наборы передаточных отношений. Планетарные передачи позволяют иметь высокие передаточные отношения, комбинирование с бесступенчатыми передачами, упрощенное включение передачи торможением одного из звеньев. Планетарные схемы очень перспективны для повышения КПД как зубчатых передач, так и других, например фрикционных.
Волновые передачи кинематически представляют собой планетарные передачи с одним сателлитом в виде гибкого венца g (рис. 2.10). Этот гибкий венец упруго деформируется генератором волн Н (в данном случае специальным гибким подшипником l ) и входит в зацепление с жестким центральным колесом b, в данном случае в двух зонах. Как видно, в зацепление входят много зубьев, до 50 % всех зубьев колеса, с чем связана высокая несущая способность волновой передачи. Ведь у обычных зубчатых передач в зацепление входят лишь 1 ...2 % зубьев.
Рис. 2.10. Схема волновой передачи:
b — центральное колесо; g — венец; l — подшипник; H — генератор волн; nH — частота вращения ведущего звена; ng — частота вращения ведомого звена
По сравнению с обычными зубчатыми передачами волновые имеют меньшие габариты и массу, даже меньшие, чем у планетарных передач на тот же момент. Они обеспечивают высокую кинематическую точность, обладают демпфирующей способностью. Специфическим свойством волновых передач является возможность передачи вращения в герметизированное пространство практически при нулевых протечках среды.
Волновые передачи способны осуществлять высокие передаточные отношения в одной ступени: например для стальных гибких колес, от минимального примерно 60 до максимального 300. При этом КПД их достаточно велик — в режиме редуктора 80...90 %, как и в планетарных передачах с тем же передаточным отношением. При работе в качестве мультипликатора КПД сильно падает.
Недостатком волновых передач является малая частота вращения генератора волн, примерно в пределах 1500...3500 мин-1 при радиусах малых гибких колес от 125 до 25 мм соответственно. Поэтому мощность волновых передач, несмотря на высокие передаваемые моменты, не может быть высокой — от 0,1 до 48 кВт. Срок службы их тоже не очень высок — до 104 часов; это всего около полутора лет при круглосуточной работе и втрое больше при 8-часовой смене.
При серийном изготовлении в специализированном производстве волновые передачи дешевле планетарных; серийно волновые редукторы общего назначения выпускаются пока только в США и Японии.
Волновые передачи следует использовать в сервоприводах и других случаях, не требующих высоких мощностей и частот вращения. В частности, если требуется высокая компактность передачи, точность и плавность работы, а также возможность передачи вращения в герметизированное пространство. Волновые передачи, если позволяет компоновка, следует смелее использовать вместо червячных передач (см. ниже) средней мощности в сервоприводах, лебедках, мотор-редукторах с высокими передаточными отношениями и других случаях, так как первые намного компактнее и имеют несравнимо высокий КПД.