MEHANIKA

Упругие втулочно-пальцевые муфты (рис. 78, ж) применяют для соединения валов диаметрами от 9 до 160 мм при вращающих моментах 6,3 – 16000 Нм. Момент между полумуфтами передается при помощи стальных пальцев снабженных гофрированными резиновыми втулками. Стальные пальцы проверяются на изгиб, а резиновые втулки на смятие

где dп – диаметр стального пальца; п, в - соответственно рабочая длина стального пальца и резиновой втулки.

Фрикционная коническая муфта (рис. 78, з) передает момент между полумуфтами 1 и 2 за счет фрикционной накладки 3, после перемещения прижатия подвижной полумуфты 2 к полумуфте 1.

Самоуправляемая центробежная муфта прямого действия (рис. 78, и) используется для автоматического сцепления полумуфт 1 и 2 при помощи колодок 3. При определенной скорости вращения полумуфты 1, центробежные силы, действующие на колодки 3, преодолевают силы упругости пружины 4. Колодки прижимаются к полумуфте 2, и тем самым передают вращение с одной полумуфты на другую.

8.8. Классификация механизмов и механических передач

Материальное производство базируется на использовании различных технических устройств, в том числе различных машин и механизмов. Машина – это устройство, преобразующее энергию с целью совершения полезной работы. Машины бывают

энергетическими (различного рода двигатели) и рабочими (технологические, испытательные, транспортные и др.).

Кинематической основой машин и многих других технических устройств являются механизмы. Механизм – система твёрдых тел,

преобразующее движение одного или нескольких тел в требуемое движение других тел. Механизм – часть машины, в которой рабочий процесс реализуется путем выполнения определённых движений. В рабочей машине при помощи механизма механическая энергия (мощность) передается от двигателя к рабочему органу с преобразованием параметров движения (перемещения, скорости, ускорения), законов

201

движения (вращательное, поступательное, винтовое и др.) и силовых параметров (сил, моментов сил). Если в преобразовании движения участвуют как твердые тела, так и жидкие или газообразные среды, то механизм называется соответственно гидравлическим или пневматическим. Однотипные механизмы используются в самых различных по назначению машинах.

Элементарной частью механизма является звено. Звено – это одно или несколько неподвижно соединенных между собою тел, т.е.

звено может состоять из одной или нескольких неподвижно соединенных деталей.

Неподвижное звено, т.е. звено, не совершающее никаких движений, называется стойкой (станиной). Звено, которому задан закон движения (перемещение, скорость, ускорение), называется начальным (ведущим). Положение других звеньев определяется размерами звеньев механизма и координатой начального звена относительно стойки, эта координата называется обобщенной координатой механизма. Число независимых обобщенных координат, однозначно определяющих положение всех звеньев механизма относительно стойки, называется числом степеней свободы механизма (или подвижностью механизма).

Выходным звеном называется звено, совершающее движение, которое соответствует назначению данного механизма.

Подвижное соединение двух звеньев именуют кинематической парой, а всю совокупность поверхностей, линий и отдельных точек звена, по которым оно соприкасается с другим звеном, - элементом кинематической пары.

Кинематические пары классифицируются по следующим четырем признакам:

1.По относительному движению звеньев, образующих кинематическую пару ( вращательные, поступательные, винтовые

и т. д.).

2.По характеру соприкосновения звеньев. Пару называют низшей, если элементы кинематической пары соприкасаются по поверхности, и высшей, если только по линиям или в точках.

3.По способу замыкания кинематической пары. По этому признаку различают пары с геометрическим и силовым замыканием.

4.По числу связей (ограничений), наложенных на движение одного звена пары относительно другого. Число связей определяет, какие из шести перемещений одного звена относительно другого в данной

паре невозможны. Число связей совпадает с классом кинематической пары, которые приведены в таблице. Отсюда следует, что пара 5-го класса является одноподвижной, пара 4-го класса – двухподвижной и т. д.

В зависимости от характера движения относительно стойки и конструктивного оформления звенья механизмов имеют следующие названия:

202

кривошип – звено, которое может совершать полный оборот вокруг неподвижной оси;

коромысло - звено, которое может совершать только неполный оборот вокруг неподвижной оси;

ползун – звено, образующее поступательную пару со стойкой; шатун – звено, не образующее кинематической пары со стойкой

и совершающее сложное движение; кулиса – звено, вращающееся вокруг неподвижной оси и

образующее с другим подвижным звеном поступательную пару; камень – звено, составляющее поступательную кинематическую

пару с кулисой; кулачок – звено, которое включает элемент высшей пары,

выполненный в виде поверхности переменной кривизны; соответственно механизм, в состав которого входит кулачок,

называется кулачковым механизмом;

толкатель – ведомое звено в кулачковом механизме; зубчатое колесо – вращающееся звено, имеющее замкнутый

зубчатый контур; соответственно механизм, в состав которого входит зубчатое колесо, называется зубчатым механизмом.

На схемах звенья и кинематические пары изображаются максимально упрощенно. Последовательность звеньев, связанных между собой кинематическими парами, составляет кинематическую цепь. Если все звенья кинематической цепи перемещаются в одной плоскости или в нескольких параллельных между собой плоскостях, то кинематическую цепь называют плоской. В противном случае говорят, что звенья механизма образуют пространственную кинематическую цепь.

203

Таблица. Типовые звенья и кинематические пары плоских механизмов

204

Кинематическую цепь называют замкнутой, если ее звенья образуют один или несколько замкнутых контуров, и – незамкнутой, если звенья цепи не образуют замкнутого контура. Звенья плоских кинематических цепей соединяются кинематическими парами 5-го и 4- го классов. Кинематические пары 1-го, 2-го и 3-го классов не могут быть реализованы на плоскости.

Пространственные кинематические цепи используются при создании манипуляторов и роботов. Манипулятор – механизм, совершающий движения подобные движению человеческой руки. Робот – манипулятор, оснащенный автоматической системой управления. Промышленные манипуляторы и роботы имеют, обычно, четыре – пять степенями свободы (для сравнения: человеческая рука обладает примерно пятьюдесятью степенями свободы).

Структурной схемой механизма называется условное, без указания размеров, графическое изображение механизма, на котором показаны стойка, все подвижные звенья механизма, все кинематические пары и их взаимное расположение.

Существующие типы механизмов делятся на плоские и пространственные. Плоским называют механизм, все подвижные звенья которого совершают движение в одной или нескольких параллельных плоскостях. Все остальные механизмы относятся к пространственным. Большинство существующих механизмов является плоскими.

Для определения числа степеней свободы механизма необходимо определить число подвижных звеньев, а также число кинематических пар каждого класса. Рассматривая зубчатое зацепление, следует иметь в виду, что кинематическую пару составляют два зуба, которые могут, как перекатываться друг по другу без скольжения, так и скользить друг по другу без качения. Таким образом, эта пара имеет два независимых движения, что соответствует 4-ому классу.

Число степеней свободы пространственных кинематических цепей и механизмов определяют по формуле Сомова-Малышева (8.43), а плоских – по формуле Чебышева (8.44)

где n – число подвижных звеньев; Pi – число кинематических пар i-го класса.

Наиболее полное представление о разнообразии элементарных механизмов, применяющихся в технических устройствах, позволяет получить их классификация по конструктивному признаку.

К группе рычажных плоских механизмов относятся синусные (рис. 79, а), тангенсные (рис. 79, б), кривошипно-ползунные (рис. 79, в), шарнирные (рис. 79, г), кулисные с вращающейся кулисой (рис. 79,

205

д) и с поступательно движущейся кулисой (рис. 79, е), поводковые (рис. 79, ж). В комбинации эти механизмы обеспечивают необходимые движения рабочих органов технологических машин (насосов, компрессоров, грохотов, дробилок и т.д.).

Отдельную группу составляют винтовые механизмы (рис. 79, з), которые широко используются, например, в конструкциях прессов, испытательных машин, подъемников, винтовых транспортеров и т.д.

1 – кривошип; 2 – шатун; 3 – ползун; 4 – коромысло; 5 – кулиса; 6 – камень; 7

– червяк; 8 – червячное колесо; 9 – мальтийский крест; 10 – замыкающий сектор; 11 –храповое колесо; 12 - собачка; 13 – рычаг; 14 – шкив; 15 – ремень; 16 – лента (трос); 17 – ролик; 18 – звездочка; 19 – цепь.

Рисунок 79

Большую группу механизмов образуют механические передачи. Механической передачей называют механизм, преобразующий только вращательное движение. В зависимости от способа передачи движе-

ния различают передачи зацеплением и передачи трением (фрикци-

206

онные). К передачам зацеплением относятся зубчатые передачи (рис. 79, и), червячные передачи (рис. 79, л). Фрикционные передачи могут быть с постоянным (рис. 79, м) и с плавно изменяющимся передаточным отношением (рис. 79, н). Зубчато-реечные механизмы (рис. 79, к) преобразуют поступательное движение во вращательное и наоборот.

Движение в механических передачах может передаваться через промежуточное звено – гибкую связь. К передачам зацеплением с гибкой связью относятся цепные передачи (рис. 79, ф). К передачам трением с гибким звеном относятся ременные передачи (рис. 79, т). Разновидность ременных передач являются ленточные передачи (рис. 79, у), предназначенные для реализации ограниченного возвратно-вращательного движения.

Большое распространение в промышленной автоматике получили кулачковые механизмы. Эти механизмы могут иметь всего два подвижных звена и обеспечивать при этом движение ведомых звеньев по самым сложным законам (рис. 79, р, с).

В ряде случаев рабочий орган технологической машины должен совершать прерывистые движения. Такие движения могут быть реализованы как кулачковыми (рис. 79, р, с), так и мальтийскими (рис. 79, о) и храповыми механизмами (рис. 79, п).

8.9. Передачи вращательного движения

Для приведения в действие машин и механизмов технологического оборудования используются устройства, которые называются приводами. Привод состоит из двигателя, механической передачи, и аппаратуры управления. Двигатель преобразует электрическую энергию в механическую энергию вращающегося вала. Скорость вращения вала электродвигателя обычно составляет 75, 100, 150 или 300 р/с (при высоких КПД – от 60 до 95%). Механическая передача согласует параметры стандартного электродвигателя (скорость вращения и момент Т на валу) с аналогичными параметрами рабочего органа мАшины (механизма) и передает движение на определенное расстояние. Скорость вращения вала рабочего органа в зависимости от назначения машины или аппарата может находиться в очень широких пределах – приблизительно от 0,1 р/с до 104 р/с, и соответственно, не совпадать со стандартными частотами вращения вала двигателя.

В зависимости от типа и назначения технологического агрегата его привод может быть простым (рис. 80,а), т.е. содержать какую-либо одну механическую передачу (МП), или быть комбинированным (рис. 80,б), т.е. содержать несколько соединенных друг с другом передач, установленных на единой станине. Передачи, т.е. механизмы, преобразующие вращательное движение, могут быть открытыми или закрытыми. Закрытая передача (обычно это зубчатая или червячная передача) находится в специальном корпусе, в котором обеспечива-

207

ется необходимый режим смазки элементов передачи, а открытая передача специального герметичного корпуса не имеет. Открытыми передачами могут быть зубчатые, фрикционные, ременные, цепные передачи.

Основными параметрами привода является передаваемая мощность, скорости вращения входного и выходного валов, коэффициент полезного действия ( ), взаимное расположение валов.

(рис. 80) является коэффициент полезного действия – отношение полезной мощности (мощности на выходе Nвых) к затраченной мощности (мощности на входе Nвх)

Выражение (8.45) может быть записано в виде закона передачи мощности

208

Для случая вращательного движения мощность выражается через момент на валу Т и угловую скорость вала , т.е.

Комбинируя выражения (8.42) и (8.43), получим закон передачи момента

Tвых Tвх вх Tвхi , (8.48) вых

где i – передаточное отношение. Выражение (8.49) для передаточного отношения иногда называют законом передачи скорости. Если i > 1, то передача называется понижающей, т.к. скорость на выходе вых будет меньше, чем на входе вх. Если i < 1, то передача называется повышающей ( вых > вх). Если же i = 1, то передачу называют прямой.

Из закона передачи момента следует, что в понижающей передаче (i > 1) уменьшение скорости вращения сопровождается увеличением крутящего момента, примерно в i раз (если не учитывать величину КПД).

Общее передаточное отношение комбинированной передачи (привода) iпр равно произведению передаточных отношений ii механических передач, составляющих данный привод. Например,

если привод включает в себя n последовательно соединенных механических передач (рис. 80,б), то

Численное значение передаточного отношения привода может быть определено, если известна скорость вращения вала рабочего органа ро= вых и вала электродвигателя д = вх (электродвигатель предварительно подбирается по величине передаваемой мощности)

Передаточные отношения механических передач, входящих в привод определяются из условия минимальных габаритов и массы по рекомендациям, приводимым в технической литературе (см. приложение). Открытые передачи, как правило, одноступенчатые, а закрытые понижающие зубчатые передачи (редукторы) могут быть одно-, двух- и

209

трех ступенчатыми. Многоступенчатые зубчатые передачи в виде рядов зубчатых колёс позволяют получить большие передаточные отношения.

Применительно к приводу, состоящему из нескольких передач, (рис. 80, б) общий коэффициент полезного действия привода – произведение КПД отдельных передач

Закон передачи момента (8.48) для комбинированной передачи (привода) имеет вид

8.10. Фрикционные и ременные передачи

Фрикционной передачей называют механизм, в котором движение одного жесткого звена преобразуется в движение другого жесткого звена за счет сил трения, возникающих в зоне контакта. Фрикционные передачи отличаются простотой конструкции, плавностью работы, бесшумностью, автоматическим предохранением от перегрузок из-за проскальзывания (буксования) звеньев, возможностью бесступенчатого изменения передаточного отношения.

Основные недостатки связаны с непостоянством передаточного отношения из-за проскальзывания звеньев в зоне контакта, с необходимостью обеспечения больших сил прижатия звеньев друг к другу для создания между ними необходимого трения, усиленный износ рабочих поверхностей, сравнительно низкий КПД (0,7÷0,9). Силы прижатия негативно сказываются на работоспособности всех элементов передачи: валов (осей), подшипников, элементов корпуса. Передачи чувствительны к загрязнениям, которые уменьшают трение.

Во фрикционных передачах вращательного движения используются катки, главным образом, цилиндрической (рис. 81, а, б), конической (рис. 81, б), реже сферической формы. Контакт между катками может быть внешним (рис. 81, а, б) или внутренним (рис. 81, в). В некоторых технологических машинах используют фрикционные меха-

210