Глава VII сведения о механизмах и машинах

§ 41. Основные понятия

Механизмами называются устройства, предназначенные для преобразования вида пли количества движений. К ним, в частности, можно отнести коробку скоростей и механизм фартука токарного станка. Первая количественно изменяет частоту вращения шпинделя, второй - преобразует вращательное движение ходового винта или вала в поступательные перемещения суппорта.

Механизмы состоят из отдельных звеньев (деталей), которые, соединяясь подвижно между собой, образуют кинематические пары. Например, соединение вала с подшипником, ходового винта е гайкой, зацепление двух зубчатых колес и т. д.

По характеру соприкосновения звеньев кинематические пары делят на низшие - с контактом по поверхностям и высшие - с контактом по линиям или точкам. К первым можно отнести соединение каретки суппорта с направляющими станины токарного станка, ко вторым - линейный контакт зубьев сопряженных колес.

При последовательном соединении кинематических пар образуются кинематические цепи, с помощью которых осуществляется передача движений от первого ведущего к последнему ведомому звену станка. Так, например, в токарных станках предусмотрены две группы таких цепей: кинематические цепи главного движения между валом электродвигателя и шпинделем и цепи движения подач от шпинделя к суппорту.

Механизмы являются основой создания большинства машин. Машиной называется устройство, выполняющее механические движения для преобразования энергии или материала.

В зависимости от основного назначения различают энергетический и рабочие машины. Первые служат для преобразования энергии любого вида в механическую энергию. К ним относятся электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания и др.

Рабочие машины подразделяются на технологические и транспортные. В технологических машинах осуществляется преобразование размеров, формы, свойств или состояния материалов. Характерными представителями таких машин являются металлорежущие станки. С помощью транспортных машин осуществляется подъем и перемещение различных материалов. К ним относятся мостовые краны, электротельферы, электрокары и др.

Типовые детали [звенья] передач движений

Для передачи основных движений в токарных станках используются валы, оси, зубчатые колеса, червяки, рейки, ходовые винты в гайки.

Оси и валы представляют собой круглые стержни, предназначенные для установки зубчатых колес, шкивов и др. При этом ось только поддерживает установленные на ней детали, а вал к тому же участвует в передаче усилий. Характерные представители группы валов - шпиндель и ходовой вал токарного станка. Первый, получая вращение от зубчатых колес коробки скоростей, передает его обрабатываемой заготовке, второй осуществляет передачу движения от коробки подач к механизму фартука. Оси значительно реже применяются в передачах (пальцы гитары, на которые устанавливаются сменные колеса; оси промежуточных колес).

Установка деталей на вал или ось может быть свободной в круговом направлении, подвижной вдоль оси и неподвижной. В зависимости от этого посадочные поверхности валов и осей выполняются цилиндрическими, коническими, со шпонками или шлицами.

В шпоночных соединениях (рис 98, а) используется шпонка 1 прямоугольного сечения. Устанавливается она в канавках вала и колеса. Такое соединение ослабляет сечение вала и не обладает высокой прочностью. Поэтому для передачи больших усилий применяются более прочные шлицевые соединения (рис 98, б), у которых передающим элементом являются шлицы 1, выполненные как одно целое с валом.

Зубчатые колеса -диски с зубьями на наружной (реже внутренней) поверхности. Для равномерного перекатывания зубьям колес придается специальный криволинейный профиль, чаще эвольвентный.

По форме колеса делятся на цилиндрические, конические и червячные, по направлению зубьев – на прямозубые и косозубые.

Рис 98. Соединение деталей с валом:

а - шпоночное; б- шлицевое

Прямозубые цилиндрические колеса (рис 99, а) применяются в передачах, где переключения скоростей осуществляются осевым перемещением колес. Постоянные передачи в большинстве случаев оснащаются косозубыми колесами (рис 99, б), которые обладают большой прочностью и способностью плавной передачи движения. Конические колеса (рис 99, в) используются в передачах движения между валами, оси которых пересекаются. Червячные колеса 2 (рис 99, г) имеют винтовые зубья вогнутой формы соответственно резьбе сцепляющегося с ними червяка.

В механизмах переключения скоростей и подач часто применяются блоки из нескольких зубчатых колес, неподвижно соединенных между собой общей втулкой или выполненных из одного куска металла.

Червяки 1 (рис 99, г) представляют собой одно или многозаходные винты с модульной резьбой трапецеидального профиля с углом 40° и шагом, равным окружному шагу червячного колеса.

Рейки 2 (рис 99, 5) применяются в токарных станках для продольного перемещения суппорта. Их зубья имеют трапецеидальную форму с углом профиля 40° и шагом, равным окружному шагу сопряженного с рейкой колеса 1.

Ходовые винты используются для перемещения салазок суппорта и пиноли задней бабки. Они выполняются в основном с трапецеидальной резьбой с углом профиля 30°.

Гайки для винтовых передач бывают цельные, регулируемые и разъемные.

Цельные гайки 1 (рис100, а) применяются в передачах, которыми пользуются сравнительно редко, например для перемещения верхних салазок суппорта.

Рис 99. Зубчатые передачи

В часто работающих передачах устанавливаются регулируемые гайки, позволяющие по мере необходимости уменьшать зазор в резьбовом соединении. Так, например, в гайке 3 (рис100, б) зазор регулируется дополнительной гайкой 1 и фиксирующей ее контргайкой2. Для этой же цели может применяться другая конструкция регулируемой гайки (рис100, в): из двух половин 3 и 5 и расположенного между ними одностороннего клина4. При появлении в передаче значительного люфта винт 1 немного ослабляют, подтягивают клин винтом 2, после чего гайку 5 вновь закрепляют винтом 1.

Для включения подачи суппорта при нарезании резьб резцами в фартуке токарных станков используется разъемная гайка (рис 100, г). Она состоит из двух половин 2 и 8, которые можно раздвигать вдоль направляющего паза 3 типа «ласточкин хвост». Установленные в них штифты 7 входят в спиральные пазы 6 диска 4. При повороте последнего рукояткой 5 полугайки можно сблизить и соединить с ходовым винтом 1или раздвинуть для отключения подачи.

Передачи движения

Преобразование движений в токарных стайках в основном осуществляется с помощью ременных, зубчатых, червячных, винтовых и реечных передач.

Ременная передача(рис 106) совершается силами трения, возникающими между шкивами и тугонатянутым ремнем. Для этой цели наиболее часто применяют клиновые бесконечные ремни, основа которых-слои кордовой ткани и кордшнура, скрепленные вулканизированной резиной.

Рис 106. Ременная передача

В процессе эксплуатации ремни немного вытягиваются и начинают проскальзывать; поэтому их периодически натягивают, обычно за счет смещения электродвигателя. При этом следует избегать сильного натяжения ремней, так как оно ведет к перегрузке подшипников и ускорению их износа.

Как и любая передача вращательного движения, ременная передача характеризуется передаточным отношением i. В общем случае оно определяется отношением частоты вращения ведомого звена n2 к частоте вращения ведущего n1 а именно:

(14)

Для замедляющей передачи (n2<n1) передаточное отношение меньше единицы, для ускоряющей (n2>n1) - больше единицы. Из формулы (14)

(15)

То есть частота вращения ведомого звена (вала) передачи равна частоте вращения ведущего, умноженной на передаточное отношение.

Для конкретно рассматриваемой ременной передачи передаточное отношение определяется отношением диаметра ведущего шкива к диаметру ведомого:

(16)

Из формул (15) и(16) следует, что частоту вращения ведомого вала в ременной передаче можно регулировать изменяя диаметры шкивов.

Достоинства ременной передачи: возможность передачи вращения между валами, расположенными на значительном расстоянии; бесшумность и плавность работы; выполнение функции предохранительного устройства за счет проскальзывания ремня при перегрузках. Недостатки: вытягивание ремня и необходимость его относительно частого натяжения.

Зубчатые передачи осуществляются цилиндрическими и коническими колесами. Такие передачи широко используются в различных механизмах металлорежущих станков.

По количеству участвующих колес различают простые и сложные передачи.

Простая передача (рис107, а) состоит из двух колес - ведущего и ведомого. Передаточное отношение ее равно отношению чисел зубьев ведущего колеса z1 к числу зубьев ведомого z2 :

(17)

В простой передаче колеса вращаются в противоположных направлениях. Если нужно изменить направление вращения ведомого колеса, между колесами устанавливают промежуточное колесо 1 (рис 107, б), которое не изменяет передаточного отношения и поэтому в технике называется паразитным.

Сложная передача состоит из нескольких простых, между которыми происходит последовательная передача движения. Общее передаточное отношение здесь определяется произведением передаточных отношений простых передач, участвующих в зацеплении.

Это положение справедливо для любой кинематической цепи.

Для передачи, изображенной на рис 107, в, можно записать:

(18)

Червячная передача(см. рис 99, г) служит для кинематической связи взаимно перпендикулярных непересекающихся валов. Она состоит из ведущего червяка и ведомого червячного колеса и позволяет создавать малые передаточные отношения при относительно небольших размерах. В токарных станках такая передача используется в механизме фартука для резкого замедления движения.

Червячная передача подобна винтовой, в которой функции гайки выполняет червячное колесо. Следовательно, за каждый оборот червяка колесо поворачивается на количество зубьев, равное числу заходов резьбы червяка. Это отношение движений определяется передаточным отношением

(19)

где к – число заходов резьбы червяка; z - число зубьев червячного колеса.

Недостаток данной передачи - большая потеря мощности на трение. Для его уменьшения червяки изготавливаются из термообработанной стали, а червячные колеса - из бронзы и вовремя работы обеспечиваются постоянно смазкой.

Винтовые передачи предназначены для преобразования вращательного движения в поступательное. За каждый оборот ходового винта гайка перемещается на число шагов, равное числу заходов резьбы.

При действии винтовых передач возникает повышенное трение контактных поверхностей, поэтому их следует систематически смазывать. Для уменьшения износа элементов передачи ходовые винты изготавливают из стали, гайки - из бронзы.

Реечные передачи применяются в токарных станках для продольного перемещения суппорта при обтачивании. В таких передачах (см. рис 99, д) вращательное движение шестерни при обкатывании по неподвижной рейке преобразуется в поступательное движение суппорта.

За каждый оборот шестерни суппорт перемещается на длину ее делительной окружности, которую можно определить по формуле

l =πmz <6'> (20)

где l – величина перемещения суппорта за один оборот реечной шестерни, мм; m - модуль шестерни, соответствующий отношению диаметра ее делительной окружности к числу зубьев, мм; z - число зубьев шестерни.