Детали машин и основы конструктирования

93

8. Типовая элементная база механических устройств

Технические системы представляют собой единое, целостное устройство, предназначенное для выполнения определенных функций. Но эти системы, в свою очередь, обычно состоят из отдельных элементов (частей), которые также характеризуются выполняемой функцией, принципом действия, структурой и параметрами.

Элементы, родственные по выполняемой функции (хотя они и могут принадлежать различным системам), объединяют в группы, которые образуют элементную базу предметной области – машиностроения, аппаратостроения, приборостроения и т.д. Знание этих групп и составляющих их элементов облегчает анализ сложных и создание новых систем.

Наиболее распространены типовые механические элементы. Типовые – поскольку такие элементы составляют основу устройства не только машин (от простейших передач до сложных механизмов), но и основу конструкции разнообразных аппаратов и приборов. Состав элементной базы механических устройств (машин, аппаратов, приборов) показан на рис. 8.1.

8.1 Передаточные устройства

Передаточные устройства – главная функциональная часть машин или механизмов иных технических систем. Они подразделяются (рис. 8.2):

•на передачи, предназначенные для согласования (преобразования) вида и параметров движения, которое поступает от двигателя к исполнительному устройству; Если в процессе работы устройства передаточное отношение постоянно, то его обычно

называют передаточным числом и обозначают буквой u. Под словом “передача” понимают именно такие устройства. С другой стороны, некоторые устройства могут допускать периодическое изменение (перенастройку) величины передаточного числа. Если изменение происходит ступенчато (пошагово), то устройства относят к коробкам скоростей. Устройства, позволяющие изменять передаточное число беступенчато (непрерывно в пределах заданного диапазона), относят к вариаторам.

Рассмотрим подробнее виды и характеристики передач с постоянным передаточным отношением (передаточным числом).

Механические

устройства

Рис.8.2 – Виды передаточных устройств

Рис. 8.1– Состав типовой элементной базы механических устройств

94

8.1.1. Виды механических передач

Известно большое число видов передач. Однако все они в зависимости от назначения и условий применения могут быть подразделены на группы, как показано на рис. 8.3.

Функциональный признак. Наиболее важный. Он характеризует допустимость применения передачи по своему непосредственному назначению, т.е. для согласования видов и параметров движений на входе и выходе. Возможен ряд случаев:

1. Согласуются (изменяются) только параметры вращательного движения. Передаточное

число u = ωвх /ωвых ,

где ωвх , ωвых – угловая скорость вращения входного (ведущего) и выходного (ведомого) звеньев (валов) передачи.

Передачи относят к редукторам, если движение замедляется и, следовательно, передаточное число по абсолютной величине больше единицы, u >1, либо к мультипликаторам, если движение ускоряется, u <1. Если параметры движения не изменяются, т.е. u =1, то такие передачи уже относят или к трансмиссиям (основная функция – передавать), или к муфтам (функция – соединять, но при этом звенья передачи относительно неподвижны). Передаточное число может иметь знак, указывающий на совпадение или нет направлений вращений входного и выходного валов.

В группу передач вращательного движения входят цилиндрическая, коническая, планетарная, волновая, червячная, ременная, цепная и винтовая передачи и другие. При этом ременная и цепная передачи часто используются и как трансмиссии: они содержат гибкие звенья (ремни и цепи), которые называются гибкой связью и обеспечивают выполнение обеих функций (передавать, соединять).

2. Преобразуется вид передаваемого движения и согласуются его параметры. Передаточное число

u = ωвх / vвых , или u = vвх /ωвых ,

где ω , v – угловая и линейная скорости передаваемого движения. В этом случае передаточное число имеет размерность. К такому типу относятся, например, реечная и канатная (с гибкой связью – канатом) передачи, передача винт-гайка.

3. Согласуются только параметры передаваемого поступательного движения. Передаточ-

ное число u = vвх / vвых .

Класс таких передач сравнительно мал. Это, прежде всего, – клиновая и рычажная передачи.

На практике, работа некоторых передач в режиме мультипликации ( u <1) или по преобразованию поступательного движения во вращательное иногда становится невозможной, т.е. независимо от величины приложенной на входе нагрузки привести в движение звенья передачи не удается. Такое явление называется самоторможением. Оно вызывается тормозящим действием сил трения в звеньях передачи, которые при определенных условиях всегда уравновешивают внешнюю (на входе) нагрузку. В большинстве, самотормозящимися являются передачи, принцип действия которых основан на эффекте клина. Это – клиновая и червячная передачи, передача винт-гайка и другие.

Потребность в передаче выявляется из назначения проектируемой системы или из необходимости обеспечения совместной работы ее частей, т.е.:

95

•согласования вида и параметров движений двигателя и исполнительного устройства. Например, согласовать частоту вращения вала имеющегося двигателя с заданной частотой вращения колеса автомобиля;

•получения заданного, часто – увеличенного, усилия: вращающего момента T или силы F. Например, создать большое выходное усилие при незначительном усилии на входе (домкрат, пресс и т.п.). Изменение нагрузки основывается на законе сохранения энергии: мощность на выходе Nвых с учетом потерь должна равняться мощности на входе Nвх , т.е.

Nвых = Nвх η ,

где η – КПД передачи, а входная и выходная мощность в зависимости от вида движения равна N=F v или N=Tω . И, следовательно, замедление или ускорение передаваемого движения ведет соответственно к увеличению или снижению величины выходной нагрузки;

•обеспечения самоторможения, т.е. передачу движения только в одном направлении;

•передачи движения на значительное или изменяемое расстояние.

Геометрический признак. Выявляется из анализа размещения частей проектируемой системы в пространстве: задается либо внешними условиями, либо возможным или желаемым взаимным расположением входного и выходного звеньев. В соответствии с этим признаком передачи подразделяют на следующие:

Рис.8.3 – Классификация механических передач

96

соосные (рис. 8.4а). Они характеризуются совпадением осей вращения входного и выходного валов (например, планетарная и волновая передачи) или совпадением оси вращения и траектории движения входного и выходного звеньев (например, передача винт-гайка). Соосные передачи хорошо компонуются (встраиваются в конструкцию системы) и имеют уменьшенные габариты;

•с параллельным расположением осей вращения или траекторий движения входного и выходного звеньев (рис. 8.4б). К таким передачам относятся цилиндрическая, ременная и цепная;

•с пересекающимися осями или траекториями движения входного и выходного звеньев (рис. 8.4г). Это – коническая и клиновая передачи;

•со скрещивающимися осями или траекториями движения входного и выходного звеньев (рис. 8.4в). Это – червячная, винтовая, реечная и канатная передачи, а также ременная передача с угловым расположением шкивов.

Иногда требуется только передать движение между валами или штоками, расположение которых уже задано. В таком случае передачи подбирают по геометрическому признаку и используют как трансмиссии, с передаточным числом равным единице, т.е. u =1. Часто, это – коническая, ременная и цепная передачи.

Устройство передачи. Характеризует ее конструктивные особенности. Прежде всего,

это:

1. Простота конструкции. Достигается применением одноступенчатых и однопоточных передач. Под ступенью понимается элементарная передача, не допускающая расчленения на более простые передачи и не имеющая внутри себя промежуточных валов или штоков. На рис. 8.4д представлена схема многоступенчатой передачи, в которой ступени последовательно из-

Вход Пере- Выход дача

а) б)

Многоступенчатая передача

д)

е) ж)

Рис.8.4 – Блок-схемы основных видов передач (прямоугольники

– передачи, линии и стрелки – входные и выходные звенья): а - соосная, б – с параллельным расположением осей входного и выходного звеньев, в – с пересекающимися осями (в данном случае - межосевой угол равен 90° ), г – со скрещивающимися осями, д – многоступенчатая, е – многопоточная, ж – с раздвоенным выходом(входом)

98

Резьбовое соединение. Резьба характеризуется формой профиля (основные профили резьб показаны на рис. 8.5) и следующими параметрами:

•число заходов z, т.е. число винтовых линий (ниток), которые образуют резьбу. Различают однозаходные и многозаходные резьбы;

•направление навивки винтовой линии: правая (линия закручивается, удаляясь, по часовой стрелке и соответствует естественному заворачивающему движению правой руки человека) и левая;

•наружный диаметр резьбы d, который является и ее номинальным размером;

•внутренний диаметр резьбы d1, т.е. диаметр отверстия в гайке “на просвет”;

•средний диаметр резьбы d2. На этом диаметре толщина витков равна ширине впадин;

•шаг резьбы Р. Для многозаходных резьб также используют понятие хода винта, который равен произведению шага на заходность (P·z) и соответствует осевому смещению винта за один оборот;

•рабочая высота профиля h, по которой происходит контакт витков винта и гайки.

Треугольный профиль (рис. 8.5а). Наиболее распространен, поскольку технологичен и стандартизован (самый первый в мире стандарт – на дюймовые резьбы, был разработан в Англии Витвортом в 1840 году). Ему свойственно повышенное трение между витками и, как следствие, – склонность к самоторможению.

Различают два основных вида треугольных резьб – метрическая и дюймовая. Метрическая резьба. Характеризуется углом профиля α =60°, наружным диаметром и ша-

гом. В обозначении резьбы указывается ее вид – М (метрическая), и номинальный диаметр (для резьб с крупным шагом, т.е. с наибольшим из приведенных в стандарте для данной величины диаметра. Например, М20), а для резьб с мелким шагом – еще и величина шага (например, М20х2). Для левозаходной резьбы в конце обозначения ставят буквы LH (например, М20х2LH). В обозначении многозаходной резьбы вместо шага приводят величину хода и, рядом в скобках, – букву Р и значение шага (например, М20х6(Р2), что соответствует трехзаходной резьбе с шагом 2мм).

Стандартные посадки резьбовых деталей образуются на основе четырех полей допусков для винтов (h, g, e, d) и двух – для гаек (H, G) и с 3-ей по 9-ую степеней точности. Допуск резьбы указывается после обозначения размера через тире, например, М20х2 –7h6h для винта и М20х2 –5H6H для гайки. Он состоит из допуска на средний диаметр, помещаемого на первом месте (в приведенных примерах 7h и 5H), и допуска на наружный диаметр винта (6h) или внутренний диаметр гайки (6H). Если обозначения полей допусков на оба диаметра совпадают, то оно приводится только один раз (например, М12–6g. Здесь допуски среднего и наружного диаметров винта совпадают и равны 6g). Посадки резьбовых деталей обозначаются дро-

бью, например, М12–6H/6g, М20х2LH–5H6H/6e.

Степени точности 4 и 5 обычно относят к точным, 6 – к средней, 7, 8 – к грубым. Если длина свинчивания мала (менее эмпирического значения 2,24*Р*d0,2), то рекомендуют степень точности понижать на единицу. Для больших длин свинчивания (более 6,7*Р*d0,2) степень точности рекомендуют повышать на единицу. При отсутствии особых условий основным видом сопряжений являются посадки с гарантированным зазором – 6H/6g, 7H/8g.

Дюймовая резьба. Характеризуется углом профиля α =55° и числом витков резьбы на один дюйм. Используется в деталях из стран, в которых действует дюймовая система мер, либо в деталях старых машин, и в трубной резьбе. В связи с действием в нашей стране метрической системы (SI), изготовление дюймовых резьб осложняется возможным отсутствием необходимого оборудования и инструмента.

100

концом натянутой нити при разматывании ее с цилиндра, называемого основным). Эвольвентное зацепление характеризуется:

•постоянством мгновенного передаточного числа (в любой промежуток времени при равномерном движении ведущего звена ведомое также будет двигаться равномерно). Профили взаимодействующих зубьев, удовлетворяющие этому условию, называют сопряженными;

•высокой технологичностью (простота изготовления как эвольвентных колес, так и необходимого для их нарезания инструмента);

•высоким КПД и малым трением (зуб одного звена-колеса при передаче движения катится относительно зуба другого колеса, и, следовательно, между взаимодействующими звенья-

ми реализуется трение качения).

Эти достоинства обеспечили эвольвентному зацеплению наибольшее распространение в машиностроительных зубчатых передачах (более 90% от общего числа зубчатых колес).

Технологичность зацепления базируется на том, что в частном случае, когда радиус колеса бесконечно возрастает и колесо становится зубчатым стержнем-рейкой, криволинейная эвольвентная боковая сторона зуба вырождается в прямую линию (рис. 8.6в). Форма такой рейки служит основой для производящего исходного контура инструмента для нарезания эвольвентного зацепления. Параметры исходного контура стандартизованы (хотя допускаются и отклонения). Это, прежде всего:

•профильный угол α – угол наклона боковой стороны зуба к его оси. Его наиболее распространенное значение равно αo =20° (еще допустимо значение в 30°);

•модуль m. Его величина пропорциональна шагу р, замеряемому вдоль средней прямой, с коэффициентом пропорциональности π, т.е.

m= p / π .

Средняя прямая – линия, вдоль которой толщина зуба равняется ширине впадины. Она также условно по высоте делит зуб на две равные части: головку и ножку. Понятие модуля было введено исторически для упрощения расчетов (исключения из расчетов иррационального числа π ) и теперь используется вместо шага как основная характеристика эвольвентных передач. Величины модуля устанавливаются ГОСТ 9563.

При нарезании зубчатых колес стандартным инструментом их геометрическими параметрами будут (рис.6а):

р – шаг по делительной окружности. Делительной является окружность, пересекающая профиль зуба в точке, в которой профильный угол равен стандартному значению αo ;

m – модуль зацепления;

х – коэффициент смещения. Он измеряется в долях модуля и характеризует величину смещения инструмента относительно его номинального положения:

а) б)

в)

Рис.8.6 – Эвольвентное зубчатое колесо (а – вид спереди, б – вид сбоку) и профиль производящей рейки (в)